Trong vật lí học, thí nghiệm nào là đẹp nhất? Đây là câu hỏi mà Robert Crease đã nêu ra với độc giả tạp chí Physics World vào tháng Năm 2012 – và nhận được hơn 200 hồi đáp với những đề xuất đa dạng từ con mèo của Schrödinger cho đến vụ thử hạt nhân Trinity vào năm 1945. Top 5 bao gồm những thí nghiệm kinh điển của Galileo, Millikan, Newton và Thomas Young. Nhưng duy nhất một thí nghiệm trong top 10 thí nghiệm đẹp nhất vật lí học – thí nghiệm hai khe Young cho sự giao thoa electron độc thân – không có một tên tuổi gắn liền với nó.
Đa số các bàn luận về thí nghiệm hai khe cho các hạt đều trích dẫn lời Feynman trong các bài giảng của ông: “Chúng ta chọn khảo sát một hiện tượng không thể nào, tuyệt đối không thể nào, giải thích theo kiểu cổ điển, và nó ngự tại trung tâm của cơ học lượng tử. Trên thực tế, nó chứa đựng bí ẩn duy nhất thôi.” Feynman tiếp tục: “Chúng tôi phải nói ngay rằng bạn không nên thử bố trí thí nghiệm này. Thí nghiệm này chưa từng được thực hiện theo kiểu như vậy. Vấn đề là ở chỗ trang thiết bị sẽ phải được làm đến mức nhỏ không tưởng để biểu hiện các hiệu ứng mà chúng ta quan tâm. Chúng ta đang làm một “thí nghiệm tưởng tượng”, chúng ta chọn lựa thế bởi vì nó dễ suy nghĩ. Chúng ta biết rằng sẽ thu được các kết quả ấy bởi vì có nhiều thí nghiệm đã được thực hiện, trong đó cấp độ và tỉ lệ được chọn để thể hiện các hiệu ứng mà chúng ta sẽ mô tả.”
Chẳng rõ Feynman có biết rằng thí nghiệm hai khe đầu tiên với các electron đã được thực hiện vào năm 1961, cái năm ông bắt đầu các bài giảng của mình (chúng được xuất bản vào năm 1963). Có lẽ bất ngờ hơn, Feynman không hề nhấn mạnh rằng vân giao thoa sẽ vẫn hình thành nếu trong thiết bị mỗi lúc chỉ có một electron thôi. (Việc thiếu nhấn mạnh này là không bình thường bởi vì trong chính bài giảng ấy Feynman có mô tả thí nghiệm electron – và các thí nghiệm hai khe khác với sóng nước và các viên đạn – một cách chi tiết đáng kể).
Vậy ai mới là người thật sự làm thí nghiệm hai khe đầu tiên với các electron độc thân? Chẳng có gì bất ngờ khi mà nhiều thí nghiệm tưởng tượng mang tên các nhà lí thuyết – ví dụ như hiệu ứng Aharonov-Bohm, bất đẳng thức Bell, lực Casimir, nghịch lí Einstein-Podolsky-Rosen, con mèo của Schrödinger và vân vân – và những cái tên này vẫn được giữ đúng ngay cả khi thí nghiệm được tiến hành bởi những con người khác trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, cái đáng nói là chẳng hiểu sao chẳng có tên tuổi nào gắn với thí nghiệm hai khe với các electron. Các sách tham khảo chính thống chẳng đề cập đến câu hỏi này nhưng một nghiên cứu văn tự sẽ mang ra ánh sáng một số vị anh hùng thực nghiệm đã không được ngợi ca.
Giao thoa electron độc thân tại Bologna
Trở lại với Young
Young thực hiện thí nghiệm hai khe nguyên bản của ông với ánh sáng đâu đó vào thập niên đầu tiên của thế kỉ 19, cho thấy sóng ánh sáng từ hai khe giao thoa với nhau tạo ra một hệ vân đặc trưng trên màn hứng. Năm 1909, Geoffrey Ingram (GI) Taylor tiến hành một thí nghiệm trong đó ông chứng minh rằng ngay cả nguồn sáng èo uột nhất – tương đương với “một ngọn nến cháy ở cự li xa hơn một dặm chút xíu” – cũng đem đến các vân giao thoa. Thí nghiệm này đã đưa đến câu nói nổi tiếng của Dirac rằng “rồi mỗi photon chỉ giao thoa với chính nó”.
Năm 1927, Clinton Davisson và Lester Germer quan sát thấy sự nhiễu xạ của chùm electron từ một tinh thể nickel – lần đầu tiên chứng minh đặc tính dạng sóng của các hạt – và không bao lâu sau đó George (GP) Thompson tiến hành thí nghiệm giống như vậy với các màng mỏng celluloid và các vật liệu khác. Davisson và Thomson cùng chia sẻ giải thưởng Nobel năm 1937 cho “việc khám phá hiện tượng giao thoa phát sinh khi chiếu các chùm điện tử vào các tinh thể”, chẳng người nào được công nhận cho một thí nghiệm hai khe với các electron.
Vào đầu những năm 1950, Ladislaus Laszlo Marton tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Mĩ (nay là NIST) ở thủ đô Washington đã chứng minh sự giao thoa electron nhưng theo kiểu Mach-Zehnder chứ không phải theo dạng hình học hai khe. Đây là những ngày đầu của kính hiển vi điện tử và các nhà vật lí rất muốn khai thác bước sóng de Broglie rất ngắn của electron để nghiên cứu những đối tượng quá nhỏ để nghiên cứu bằng ánh sáng nhìn thấy. Làm thí nghiệm tưởng tượng trong phòng thí nghiệm nằm xa ở cuối danh sách ưu tiên của họ.
Một vài năm sau, Gottfried Möllenstedt và Heinrich Düker tại Đại học Tübingen ở Đức đã sử dụng một lưỡng lăng kính electron – về cơ bản là một dây dẫn rất mảnh đặt vuông góc với chùm tia – để tách một chùm electron thành hai thành phần và quan sát sự giao thoa giữa chúng. (Möllenstedt đã làm dây dẫn mảnh bằng cách tráng vàng lên tơ nhện – thật vậy, người ta kể rằng ông nuôi nhện trong phòng thí nghiệm vì mục đích này). Sau đó, lưỡng lăng kính electron được sử dụng rộng rãi trong sự phát triển của kĩ thuật ảnh ảo ba chiều electron cũng như trong các thí nghiệm khác, trong đó có phép đo đầu tiên về hiệu ứng Aharonov-Bohm do Bob Chambers thực hiện tại Đại học Bristol ở Anh vào năm 1960.
Nhưng vào năm 1961 Claus Jönsson tại Tübingen, người từng là học trò của Möllenstedt, cuối cùng đã tiến hành lần đầu tiên một thí nghiệm hai khe thật sự với các electron. (Zeitschrift für Physik161 454). Thật vậy, ông đã chứng minh sự giao thoa với tận năm khe. Cột mốc tiếp theo – một thí nghiệm trong đó có đúng một electron trong thiết bị tại mỗi thời điểm – thu được bởi Akira Tonomura cùng các cộng sự tại Hitachi vào năm 1989 khi họ quan sát thấy sự hình thành hệ vân giao thoa với một nguồn electron rất yếu và một lưỡng lăng kính electron (American Journal of Physics57 117-120). Trong khi thí nghiệm của Jönsson tương tự với thí nghiệm nguyên bản của Young thì thí nghiệm của Tonomura giống với thí nghiệm của G I Taylor. (Lưu ý thêm rằng: Pier Giorgio Merli, Giulio Pozzi và GianFranco Missiroli đã tiến hành các thí nghiệm giao thoa hai khe với electron độc thân ở Bologna hồi thập niên 1970.)
Sau đó, sự giao thoa hạt đã được chứng minh với neutron, các nguyên tử và phân tử lớn như carbon-60 và carbon-70. Và hồi đầu năm nay [bài báo này được viết vào năm 2012], một thí nghiệm nổi tiếng khác trong lĩnh vực quang học – thí nghiệm Hanbury Brown và Twiss – đã được tiến hành lần đầu tiên với các electron (cũng tại Tübingen!). Tuy nhiên, các kết quả lần này khác rất nhiều vì electron là fermion – và do đó chúng tuân theo nguyên lí loại trừ Pauli – trong khi các photon là boson và không tuân theo nguyên lí Pauli.
Giao thoa electron độc thân tại Hitachi
Vinh danh người có công
Vậy tại sao Jönsson, Tonomura và những nhà tiên phong khác của thí nghiệm hai khe không được nhiều người biết tới? Một lí do dễ thấy là các kết quả của Jönsson được công bố lần đầu tiên ở Đức trên một tạp chí tiếng Đức. Một lí do khác có lẽ là chẳng mấy ai khích lệ thực hiện một thí nghiệm tưởng tượng trong phòng thí nghiệm, và có làm thế cũng ít được công nhận. Khi bài báo của Jönsson được dịch sang tiếng Anh vào 13 năm sau đó và đăng tải trên tạp chí American Journal of Physics vào năm 1974 (số 42, trang 4-11), các biên tập viên của tạp chí, Anthony (A P) French và Edwin Taylor, đã mô tả nó là “một thí nghiệm quan trọng”, nhưng kèm thêm rằng có “ít giải thưởng chuyên nghiệp” dành cho việc thực hiện cái họ mô tả là “những thí nghiệm thật sự, cơ bản mang rõ tính sư phạm”.
Điều đáng lưu ý là thí nghiệm hai khe đầu tiên với electron độc thân mà Tonomura cùng các cộng sự thực hiện cũng được công bố trên tạp chí American Journal of Physics, một tạp chí chuyên đăng tải các bài báo nói về những phương diện giáo dục và văn hóa của vật lí học, chứ không phải một tạp chí nghiên cứu. Thật vậy, thông tin của tạp chí gửi cho các cộng tác viên nói rằng: “Chúng tôi đặc biệt khích lệ những bản thảo viết về những nghiên cứu đương thời đã công bố có thể sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp trong lớp học. Chúng tôi không chuyên đăng tải các bài báo công bố những lí thuyết mới hay những kết quả thực nghiệm.”
Lời biên tập của French và Taylor cũng xác nhận thí nghiệm của Jönsson ít được biết tới vào thời ấy: “Trong hàng thập kỉ, sự giao thoa electron hai khe được xem là một thí nghiệm tưởng tượng có các kết quả dự đoán được chứng thực bởi mối liên hệ xa xôi và có phần mơ hồ với những thí nghiệm thực tế trong đó các electron bị nhiễu xạ bởi các tinh thể. Có rất ít tài liệu trình bày cho biết thí nghiệm giao thoa electron hai khe đã được thực hiện và các kết quả ăn khớp với sự kì vọng của vật lí lượng tử đến từng chi tiết.”
Tuy nhiên, cũng nên lưu ý rằng lịch sử vật lí học là phức tạp và các sự kiện hiếm khi minh bạch như chúng ta muốn thấy. Chẳng hạn, đông đảo người ta cho rằng Young đã tiến hành thí nghiệm hai khe của ông vào năm 1801 nhưng ông chẳng hề công bố bất kì luận giải gì về nó trước khi xuất bản quyển Các bài giảng Triết học Tự nhiên của ông vào năm 1807. Tương tự, Davisson và một cộng sự trẻ tên là Charles Kunsman đã quan sát thấy sự nhiễu xạ electron vào năm 1923 – trước Davisson và Germer đến 4 năm – nhưng họ đã không nhận ra nó.
Lời kết
Thí nghiệm tưởng tượng giữ một vai trò quan trọng trong lịch sử vật lí lượng tử. Toàn bộ lĩnh vực thông tin lượng tử sẽ không có được bộ mặt như ngày nay – cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm – nếu một nhóm nhỏ các nhà vật lí đã không kiên trì và thật sự chứng minh được các hiện tượng lượng tử với các hạt.
Đã từng có thời lực Casimir, lực cho đến nay được đo đến độ chuẩn xác hơn 15% và được đề xuất lần đầu tiên bởi Hendrik Casimir vào năm 1948, được xem thuần túy là một thí nghiệm mang tính sư phạm – một thí nghiệm tưởng tượng ít có liên quan đến vật lí học thực nghiệm trên thực tế. Tuy nhiên, ngày nay rõ ràng có những ứng dụng đa dạng từ công nghệ nano cho đến các kiểm tra thực nghiệm của các lí thuyết chiều bổ sung ‘lớn’ đều đòi hỏi sự hiểu biết chi tiết về lực Casimir.
Rõ ràng nhu cầu về “những thí nghiệm thật sự, cơ bản mang rõ tính sư phạm” ngày càng lớn.
Nguồn: Physics World
