Chương 4
1931 - 1940: Các hạt cơ bản và nền chính trị thế giới
Khi những năm 1920 kết thúc và chuyển sang những năm 1930, ngọn đuốc vật lí đã chuyển từ tay các nhà lí thuyết, những người đã phát triển cơ học lượng tử, sang các nhà thực nghiệm và các khoa học tinh thông quan sát đang khám phá thế giới hạ nguyên tử. Trong khi đó, bầu không khí chính trị đang tối đen ở châu Âu khi Adolf Hitler (1889–1945) và Đảng Quốc xã lên nắm quyền lực lãnh đạo ở nước Đức và sau đó là ở Áo. Triết lí của Đảng Quốc xã mang tính dân tộc thuần túy đã được biết rõ, nhưng đa số giới trí thức nghi ngờ rằng Hitler có thể chuyển sang căm ghét cái gọi là những người thấp kém và đưa nó vào chính sách quốc gia.
Họ đã sai lầm một cách thảm hại. Những tai ương kinh tế của cuộc Đại Khủng hoảng và sự bẽ mặt của nước Đức trong Thế chiến thứ nhất khiến nhiều người Đức bình dân trông ngóng một anh chàng bung xung. Dưới quan điểm bài Semit – thành kiến chống lại người Do Thái – đã sục sôi từ lâu ở châu Âu, nên thật dễ cho Hitler chỉ tay lửa vào họ. Quan điểm bài Semit sớm trở thành luật. Người Do Thái bị cấm giữ những địa vị nhất định và bị tước mất nhiều quyền công dân của họ. Đối mặt trước sức mạnh và sự hăm dọa của Đảng Quốc xã, ngay cả những người không chống đối Do Thái cũng giữ thái độ im lặng. Năm 1938, những tên côn đồ Quốc xã đã phá hủy nhà cửa và cơ sở làm ăn của người Do Thái, và chính phủ thì tịch thu tài sản của người Do Thái. Năm 1939, quân đội của Hitler bắt đầu xâm lược các nước láng giềng, và thế giới một lần nữa ở vào tình trạng chiến tranh.
Như trường hợp 20 năm trước, nền văn hóa mở của nghiên cứu vật lí mâu thuẫn với chủ nghĩa quốc gia. Nhiều nhà vật lí hàng đầu ở những vùng nói tiếng Đức thuộc châu Âu là người Do Thái (như Einstein) hoặc có tổ tiên là người Do Thái (như Pauli). Khi quyền lực của Hitler lớn mạnh dần trong những năm 1930, nhiều người trong số họ đã cao chạy xa bay sang nước Anh, vùng Scandinavia, và Mĩ. Những nhà vật lí vẫn ở lại Đức, trong đó có Heisenberg, phải điều chỉnh công việc của họ cho phù hợp với những mục tiêu của Đế chế thứ ba, như người ta gọi chính quyền Đức mới lên. Những công nghệ mới dựa trên các ứng dụng vật lí có tầm quan trọng sâu sắc ở cả hai phương diện khi thế giới đang dần tiến tới một cuộc chiến tranh. Có lẽ khám phá đáng kể nhất là sự phân hạch hạt nhân, quan sát thấy trong một phòng thí nghiệm ở Đức và được giải thích bởi một thành viên mới bị đuổi của đội, một nhà vật lí nữ gốc Do Thái tên là Lise Meitner (1878–1968).
Bên trong hạt nhân
Lá thư nổi tiếng của Wolfgang Pauli gửi tới hội nghị Tübingen năm 1930 (xem chương 3) ghi địa chỉ gửi thẳng tới Lise Meitner và Hans Geiger và gián tiếp tới “quý ông bà phóng xạ” khác có mặt. Và mặc dù những người tham dự gồm những chuyên gia hàng đầu thế giới về các thí nghiệm xử lí phân rã beta, nhưng không ai trong số họ có thể nghĩ ra một thiết bị phát hiện các hạt khó nắm bắt mà ông gọi là neutron.
Tuy nhiên, nếu những hạt chưa phát hiện ra đó không tồn tại, thì các nhà vật lí đối mặt trước một lựa chọn còn liều lĩnh hơn nữa: từ bỏ định luật bảo toàn năng lượng ở cấp độ hạ nguyên tử. Đề xuất của Pauli có vẻ thật kì cục, nhưng nó là cái tốt nhất họ làm được. Cho nên, trong khi các nhà thực nghiệm đang trầm tư tìm cách chộp lấy những bóng ma vật chất nhỏ xíu đó, thì các nhà vật lí nghiên cứu việc trau chuốt lí thuyết của họ về phân rã beta bên trong hạt nhân.
Như thường xảy ra trong khoa học, những dấu hiệu đầu tiên của lời giải cho bài toán xuất hiện từ một công trình dường như chẳng có liên quan gì. Trong hơn một thập kỉ, Ernerst Rutherford đã dùng thuật ngữ neutron để chỉ một cái khác. Neutron của ông không phải là những hạt nhỏ xíu mà Pauli đề xuất, mà là những hạt trung hòa có thể so sánh về khối lượng với proton. Trong lí thuyết của ông, neutron và proton mang lại khối lượng của hạt nhân. Đa số các nhà vật lí bác bỏ quan điểm đó, họ tin rằng hạt nhân gồm có các proton và electron. Sự có mặt của electron bên trong hạt nhân giải thích cho hiện tượng phân rã beta, họ nói như vậy. Rutherford không tán thành. Ông vẫn bị thuyết phục rằng việc giam giữ một electron và một proton bên trong một hạt nhân nhỏ xíu sẽ mang lại một lực hút điện vô cùng lớn, nên chúng sẽ hợp nhất lại thành một hạt trung hòa.
Thí nghiệm năm 1930 do nhà vật lí người Đức Walther Bothe (1891–1957) và chàng sinh viên của ông, Herbert Becker, thực hiện đã cung cấp dấu hiệu đầu tiên rằng Rutherford có lẽ đã đúng, mặc dù họ không nhận ra nó ngay vào lúc ấy. Họ đã dùng một chùm hạt alpha bắn phá kim loại nhẹ beryllium và phát hiện ra một chùm hạt trung hòa có tính đâm xuyên cao xuất hiện. Họ đoán chừng chùm đó là tia gamma. Đôi vợ chồng người Pháp Irène Curie (1897–1956; con gái của Pierre và Marie Curie) và Frédéric Joliot (1900–58) đã tiếp tục thí nghiệm Bothe-Becker. Họ cũng giả sử chùm tia xuất hiện là tia gamma, nhưng thật bất ngờ phát hiện thấy nó có khả năng đánh bật proton ra khỏi paraffin, một hợp chất giàu hydrogen. Họ công bố kết quả của mình vào tháng 1 năm 1932, và người đồng nghiệp của Rutherford, James Chadwick (1891–1974), tại Phòng thí nghiệm Cavendish lập tức ngờ rằng chùm tia đó là neutron. Để kiểm tra ý tưởng này, ông đã cho chùm phát xạ trung hòa đó va chạm với các chất khí hydrogen, helium và nitrogen. Bằng cách đo sự nảy trở lại của các phân tử chất khí đó, ông có thể xác định xung lượng và năng lượng truyền bởi chùm tia. Kết quả thật rõ ràng: Chùm tia không gồm các photon gamma mà gồm các hạt trung hòa điện có khối lượng có thể sánh với proton. Với việc phát hiện ra neutron, Chadwick giành Giải Nobel Vật lí năm 1935, cùng năm Joliot-Curies nhận giải Nobel hóa học.
Thành phần cơ bản của nguyên tử cuối cùng đã được biết. Ở chính giữa của nguyên tử là một hạt nhân gồm các proton và neutron xác định số nguyên tử và khối lượng nguyên tử của nó. Bao xung quanh hạt nhân là các electron xác định hành trạng hóa học của nó. Tuy nhiên, những câu hỏi chính yếu về hạt nhân vẫn chưa được trả lời. Cái gì giữ chúng lại với nhau; cái gì làm cho một số chúng phát ra bức xạ alpha, beta và gamma; và các electron của phóng xạ beta sinh ra từ đâu?
Trước khi các nhà vật lí hiểu ra thành phần cấu tạo của hạt nhân, lực hấp dẫn và lực điện từ là đủ để giải thích mọi tương tác đã biết giữa các đối tượng vật chất. Nhưng một vài tính toán đơn giản cho họ biết rằng lực hút hấp dẫn giữa các proton và neutron của một hạt nhân nhỏ hơn rất nhiều so với lực đẩy điện giữa các proton. Phải có một lực liên kết hạt nhân trước đây chưa được nhận ra.
Lực đó có thể giải thích phân rã alpha: Tập hợp hai proton và hai neutron có thể liên kết với nhau với cường độ nhất định và rồi phá vỡ ra như một đơn vị từ hạt nhân bố mẹ. Nhưng nó không cho biết điều gì về phân rã beta. Nhà vật lí người Italy, Enrico Fermi (1901–54), làm việc tại trường đại học Rome, là người đầu tiên đi tới một lí thuyết về phân rã beta. Trong đó bao gộp cả ‘neutron’ của Pauli, cái ông gọi là neutrino, tiếng Italy có nghĩa là “tiểu neutron”. Ông đã viết một bài báo và đệ trình lên tập san Anh Nature vào tháng 12 năm 1933, nhưng nó không được đăng vì quá mang tính suy đoán. Năm sau, nó được đăng hai kì trên tập san Đức Zeitschrift für Physik (tạm dịch là Thời báo Vật lí, [Physics Times]), và nó thường được xem là công trình lớn nhất của một trong những nhà vật lí vĩ đại nhất của thế kỉ 20. Lí thuyết đó mô tả phân rã beta là sự biến đổi của một neutron thành một proton bằng cách phát ra một electron và một neutrino.
Lí thuyết của Fermi dựa trên một lực thứ hai trước đây chưa biết tới, lực này là nguyên nhân giữ neutron lại với nhau. Lực đó sẽ gây ra sự đảo ngược lại của phân rã beta – sự hình thành một neutron từ một proton, một electron và một neutrino – khi những hạt đó tiến đến nhau đủ gần để kết hợp trở lại. Ông nhận ra rằng sự tái kết hợp như vậy phải luôn luôn xảy ra bên trong một hạt nhân không phóng xạ. Nhưng bên trong một hạt nhân phóng xạ, electron và neutrino thỉnh thoảng sẽ thoát ra. Khi chúng làm như vậy, một proton sẽ ở lại chỗ vị trí của neutron, tạo ra một hạt nhân con có khối lượng nhỏ hơn bố mẹ. Khối lượng bị mất dường như là một lượng tương đương của động năng (theo phương trình nổi tiếng của Einstein) mang bởi electron và neutrino. Neutrino là cần thiết, Fermi giải thích, vì cơ học lượng tử đòi hỏi không chỉ năng lượng mà spin cũng phải bảo toàn. Một neutron có spin ½, electron và proton cũng thế. Vì các hạt thu được phải có tổng spin bằng với neutron đã phân hủy, nên hạt spin ½ phải được phát ra. Xét trường hợp trong đó neutron phân hủy có spin up. Khi đó hai trong số ba hạt phát ra sẽ có spin up, còn hạt thứ ba sẽ có spin down, mang lại tổng spin up ½.
Dựa trên các nguyên lí bảo toàn năng lượng và xung lượng, và thêm sự bảo toàn spin, Enrico Fermi đã quy năng lượng còn thiếu trong phân rã beta cho một hạt rất nhỏ, trung hòa điện, mà ông đặt tên là “neutrino”. Mặc dù neutrino không được phát hiện ra mãi cho đến những năm 1950, nhưng bằng chứng thực nghiệm gián tiếp rằng chúng tồn tại thật sự có sức thuyết phục.
Lực do Fermi đề xuất sớm được gọi tên là lực hạt nhân yếu vì lực cần thiết để giữ hạt nhân lại với nhau thì mạnh hơn nhiều. Lúc này, không ai đề xuất một lí thuyết để giải thích lực hạt nhân mạnh, nhưng các nhà vật lí biết nó phải khác thường so với các tương tác điện từ và hấp dẫn vốn đã được hiểu rõ. Lực hấp dẫn, lực điện và lực từ đều giảm theo khoảng cách theo mối quan hệ tỉ lệ nghịch bình phương. Nếu khoảng cách giữa hai vật tương tác tăng lên gấp đôi, thì lực giữa chúng giảm đi bốn (hai bình phương) lần. Nếu khoảng cách của chúng tăng gấp ba, thì lực giảm đi còn bằng một phần chín. Vì tương tác điện từ và hấp dẫn giữa các vật đều là các lực tỉ lệ nghịch bình phương, cho nên tỉ số giữa hai lực vẫn không đổi, cho dù hai vật ở gần hoặc xa nhau bao nhiêu chăng nữa. Thí dụ, lực đẩy điện giữa hai proton luôn luôn át trội lực hút hấp dẫn của chúng.
Vì hạt nhân được giữ lại với nhau, cho nên lực hạt nhân mạnh rõ ràng mạnh hơn nhiều so với lực điện từ khi các proton và neutron (gọi chung là nucleon) nằm bên trong những khoảng cách hạt nhân. Nhưng ở những khoảng cách lớn hơn, lực điện từ phải mạnh hơn lực hạt nhân. Nếu không thì mọi nucleon trong vũ trụ sẽ hợp lại với nhau thành một hạt nhân khổng lồ. Vì thế, lực hạt nhân mạnh phải giảm nhanh hơn khi khoảng cách tăng lên so với mối quan hệ nghịch đảo bình phương. Trong số những nhà vật lí lí thuyết cố gắng phát triển một lí thuyết giải thích lực mạnh là Hideki Yukawa (1907–81) ở Kyoto, Nhật Bản. Vào năm 1935, ông đề xuất rằng lực mạnh là kết quả của các nucleon đang trao đổi các hạt hạ nguyên tử cho đến khi ấy chưa được phát hiện ra. Các hạt ấy có khối lượng cỡ một phần bảy khối lượng của một nucleon, hay khoảng 250 lần khối lượng của một electron. Lí thuyết của Yukawa và các hạt mà nó tiên đoán đã không được biết tới và hiểu đúng giá trị ở châu Âu và ở Mĩ. Như lưu ý trong phần tiếp theo, điều đó sẽ sớm thay đổi, nhờ một số khám phá bất ngờ trong nghiên cứu tia vũ trụ.
Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Alfred B. Bortz
Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
