Wolfgang Pauli
[15/01/2006 - Vatlysupham]
Wolfgang Pauli là một trong
những gương mặt khoa học lớn của
thế kỷ XX. Các đóng góp của ông về cấu trúc
nguyên tử có vai trò quyết định trong việc
thiết lập lý thuyết lượng tử.
Vào thời điểm Wolfgang Pauli ra đời ở Viên, năm 1900, thủ đô của đế chế Áo-Hung vẫn còn là trái tim của giới tri thức Châu Âu: nhà vật lý Lugwig Bolzmann học đàn tại nhà của Bruckner trong khi Schonberg tạo ra loại nhạc mười hai âm, Freud giới thiệu phân tâm học và Wittgenstein đưa ngôn ngữ cao siêu của triết học trở thành bình dân.
Wolfgang Pauli, người đã từng muốn tìm ra tiếng nói chung để miêu tả đồng thời thế giới vật chất và thế giới tinh thần.
Là sinh viên ngành khoa học tự nhiên, chàng trai trẻ Pauli nhanh chóng trở thành một thần đồng về vật lý và toán học. Cha đỡ đầu Ernst Mach cũng như cha đẻ của Pauli, đều là giáo sư đại học Viên giúp đỡ cậu rất nhiều trong công việc học tập. Mach lúc này đã là người có tên tuổi trong ngành khí động lực học siêu thanh người những phê bình về nền tảng của vật lý đã khiến ông được nhiều người chú ý. Nhất là những khái niệm về không gian tuyệt đối có ảnh hưởng quyết định tới các lý thuyết tương đối hẹp (1905) và lý thuyết tương đối tổng quát (1915) của Einstein.
Sau loạt bài phê bình về thuyết tương đối với 3 bài báo xuất bản trong năm 1919 và một bài báo bách khoa dài tới 250 trang vào năm 1921, chàng thanh niên trẻ tuổi người Áo đã được chính Einstein đón chào. Thậm chí sau đó ông còn coi Pauli như là “Người nối ngôi” (wahl Sohn). Con đường trước mắt Pauli rộng mở và năm 1918, anh đã vào học lớp của nhà vật lý Arnold Sommerfeld.
Lúc này
Sommerfeld đang nghiên cứu về “mô hình toàn cầu”
về nguyên tử được phát hiện vào năm 1910
với các công trình của Ernest Rutherford: hầu như
tất cả khối lượng tập trung trong nhân,
đường kính khoảng 1 phần triệu của 1
phần tỉ mét, xung quanh đó tập trung các điện
tích rất nhẹ, kiểu như các hành tinh quay xung quanh
mặt trời. năm 1913, Bohr đã chứng tỏ
rằng người ta có thể giải thích các tính
chất phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng của
một nguyên tử bằng cách giả thiết các hạt
điện mượn, trong số hằng hà sa số các
quỹ đạo có thể nhận biết
được nhờ các máy móc cổ thời đó,
một số quỹ đạo tĩnh do toàn bộ
những quỹ đạo tên quy định. Người
ta nói rằng các quỹ đạo điện tích có
thể “định lượng” được và cần
phải có 3 con số (trong không gian 3 chiều) để có
thể miêu tả được chúng. Trong khi đi từ
quỹ đạo tĩnh này tới một quỹ
đạo tĩnh khác, điện tích đánh mất
hoặc hấp thụ năng lượng dưới
dạng ánh sáng.
Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng ánh sáng
hấp thụ hoặc phát ra được điều
chỉnh khi có môi trường từ trường.
để giải thích kết quả này, Pauli tính toán
những dao động ảnh hưởng bởi các
từ trường với mỗi quỹ đạo
được lượng tử hóa. Trong các mùa đông
1921-1922, anh đã làm việc tại Gottingen, rồi vào tháng
12.1924 tại Copenhagen. Đó là một chặng
đường rất dài đi qua sa mạc trong đó
chàng trai thần đồng không được chuẩn
bị trước. Tuy vậy, anh đã quan sát
được hiệu quả từ trong khi sử
dụng hai quy tắc. Theo quy tắc thứ nhất, tình
trạng tĩnh của một hạt điện không
phải định nghĩa được bởi 3 mà là 4
con số, với các giá trị -1/2 hoặc +1/2. Quy tắc
thứ hai, được biết tới cái tên “nguyên
tắc loại trừ”, xác định rõ rằng một
tình trạng chỉ có thể bị chiếm bởi
đồng thời một hạt điện. Khám phá nguyên
lý này đã được trao giải thưởng Nobel
vật lý vào năm 1945.
Pauli nói
rằng, đối với quy tắc thứ nhất,
hạt điện đã có sẵn “tính hai mặt
(Zweideutigkeit) không thể miêu tả được”. Vậy
thì chiều của con số thứ 4 là gì? Khởi
nguồn từ hình ảnh toàn cầu, Lars Kronig, trợ lý
của Pauli trong năm 1924 đã gợi ý rằng hạt
điện quay quanh nó như là một con quay và quay xung quanh
cả hạt nhân trung tâm. Nhờ giả thiết có thể
định lượng này, người ta đã đưa
ra được con số thứ 4. Nhưng Pauli đã can
ngăn ngăn Kronig công bố điều này.
Sử
dụng phép loại suy cho thấy trên thực tế con quay
chỉ quay một nửa. Khi quay 360^o, trạng thái hạt
điện thay đổi dấu. Khi cần tới 720^o
để nó quay trở lại vị trí ban đầu.
Hình ảnh này
hấp dẫn tới mức vào năm 1925, hai nhà khoa
học người Hà Lan Geoge Uhlenberg và Samuel Goudsmit đã
đặt tên cho tính chất quay góc của hạt điện
này là spin. Theo họ, spin phù hợp với con số
lượng tử thứ 4. Cái tên này được
giữ lại nhưng vào năm 1926, Kronig bình luận trong
tờ Nature: “Giả thiết mới đã đẩy con ma
xuống dưới tầng hầm căn nhà của gia
đình thay vì tống cổ nó vĩnh viễn ra khỏi
nhà”.
Ý tưởng
của con quay bị Pauli kết án ngay từ trong trứng
vì nguyên nhân chính là ông không còn tin và biểu hiện của
các tiến trình nguyên tử. ngay từ lúc hình thành ra nguyên tắc,
loại trừ, ông đã viết thư tới Niels Bohr và
cho rằng các con số lượng tử đối
với ông dường như “hiện thực hơn
nhiều đối với các quỹ đạo”. quan sát
này sau đã được Heisenberg và nhóm nghiên cứu
của Gottingen tiếp tục sử dụng để hình
thành lên cơ học lượng tử.
Trong các
năm tiếp theo đó, tại Zurich – nơi ông chuyển
đến sinh sống từ năm 1928, Pauli đã tham gia
vào việc phát triển ngành cơ học mới trong đó
cách thức sử dụng cũng như biểu hiện
của nó làm rất nhiều nhà vật lý bối rối.
Một mặt, quan hệ nhân quả chặt chẽ
của một tiến trình vật lý (thuyết quyến
định) thay thế cho quan hệ nhân quả tĩnh,
nơi một tiến trình đơn độc chỉ
được miêu tả bằng những từ ngữ có
tính xác suất. Mặt khác, việc miêu tả chỉ có
thể tiến hành được bằng cách cụ
thể những tình huống trong đó tiến trình
được quan sát. Cách thức đánh giá thực
tế vật lý đã có được một thành công
về mặt thực nghiệm nhưng cũng bị
một số nhỏ các nhà vật lý bác bỏ, trong đó
có cả Einstein.
Sau khi trở thành công dân Đức, Pauli vẫn phải
rời Zurich để tới Mỹ vào những năm
1940-1945 vì lý do “các cụ tổ của ông có tới 75% dòng
máu Do Thái”. Tại đó, trong khi làm việc về các lý
thuyết các phân tử spin độc lập, ông suy nghĩ
về việc biến chuyển cái nền tảng, theo cách
gọi của Heisenberg, “làm suy đồi đạo
đức nghề nghiệp của chủ nghĩa vật
chất” xuất phát từ chủ nghĩa nguyên tử
của Desmocrite và cơ học chuyển động
của các điểm vật chất theo quan điểm
của Newton. Vật chất có thể được coi
như một tập hợp của các hạt va chạm
lẫn nhau kiểu như khi đã đánh billard vậy.
Pauli đã đi ngược lại thời kỳ hình thành
của bản thể học, nghĩa là vào đầu
của thế kỷ XVII, khi mà Johannes Kepler đã tìm ra
được các quy luật của cơ học không gian.
Pauli khám phá ra rằng việc lý giải tự nhiên của
Kepler thường hay được gắn với các
“nguyên mẫu” để dễ dàng được chấp
nhận. đặc biệt từ ý tưởng rằng
các số tự nhiên là một nguyên mẫu của thế
giới, Kepler đã suy ra rằng lý giải tự nhiên
phải được định lượng và
điều này đã ám ảnh ông ngay từ những bước
đầu tiên. Kết quả là một cuộc luận
chiến đã xảy ra giữa ông với nhà giả kim
Fludd, người kiên quyết với quan điểm
tự nhiên phải được giải thích bằng
định tính. Đây chính là “va chạm lớn giữa
cách nghĩ huyền bí của thuật giả kim và tư
duy của các nhà khoa học tự nhiên (mới xuất
hiện vào đầu thế kỷ XVII). Những nghiên
cứu gần đây cũng đã khẳng định
lại quá trình chuyển tiếp đầy mâu thuẫn
giữa hai lối tư duy đó.
Thành công trong
các bước đi của Kepler và những người
kế thừa ông đã hướng vật lý tới
một quan niệm cơ học có tính tự nhiên hơn.
Quan niệm này sau được gắn thêm khái niệm
quan sát với các tiến trình vật lý: một hiện
tượng về nguyên tắc có thể được
miêu tả mà không cần tham khảo tới sự quan sát
của con người. Nhưng vật lý nguyên tử đã
chỉ ra rằng việc miêu tả một quá trình không
thể được tham dẫn từ bất kỳ quan
sát nào. Kết luận của Pauli: “Trong thể kỷ XVII,
người ta đã tiến được những
bước khá xa” trong quan niệm về cơ học.
ANH TRÍ dịch từ
La Recherche (Tạp chí Tia Sáng, số 1, tháng 1.2005)