www.ninh-hoa.com



 

Trở về d_bb  ĐHKH

 

Trở về Trang Tác Giả

 

 

 

Giáo Sư
Nguyễn Đức Tường

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Main Menu

 
 

 

 


GS
Nguyễn Đc Tường
Tiến sĩ Vật Lư Nguyên Tử
Đại học
GEORGIA Institute of Technology, HOA KỲ

Nguyên Giáo Sư Toán
Trường Đại Học OTTAWA, CANADA

 

 

 

 

Richard Feynman và Vật lư đương đại

 

 

                                         

Bài viết đă được đăng trong Kỷ yếu Hạt Higgs và Mô h́nh Chuẩn. Giáo sư Higgs được giải Nobel Vật lư 2013 do công tŕnh nghiên cứu, tiên đoán sự hiện hữu của hạt cơ bản này cách đây 50 năm. CERN Trung tâm Nghiên cứu Nguyên tử Âu châu đă khám phá ra hạt Higgs, kết quả công bố ngày 07-04-2012. Xin đọc bài Giới thiệu Kỷ yếu Hạt Higgs tại:

 

http://www.diendan.org/Doc-sach/gioi-thieu-ky-yeu-hat-higgs

  

 Richard Phillips Feynman

1918 – 1988

 

 PHẦN 1:

 

Richard Phillips Feynman là một trong một số nhỏ những nhà vật lư quan trọng nhất của thế kỷ 20, và có lẽ của mọi thế kỷ; theo tạp chí Anh Physics World, Feynman được bầu là một trong số 10 nhà vật lư lớn nhất của mọi thời đại. Bàn về cuộc đời và sự nghiệp của ông trong vài trang giấy là một việc làm phi lư v́ đó là một điều không thể, ngoại trừ ta bằng ḷng với một bài viết tóm tắt vài nét chính như công việc tôi đang làm để gửi tới người đọc.

 

Khi tôi bước vào cao học, phương danh của Feynman quen thuộc với tôi không phải qua những bài khảo cứu điên đầu mà là qua bộ sách gồm 3 cuốn The Feynman Lectures on Physics. The Feynman Lectures... gồm những bài giảng vật lư cơ bản dành cho sinh viên hai năm đầu đại học tại Caltech vào những năm 1961-1962. Qua bộ sách này, v́ không phải quá bận tâm về toán nên tôi có thể nghiền ngẫm về vật lư; chẳng những biết thêm được nhiều điều độc đáo mà nhiều thắc mắc, chưa hiểu rơ hay những câu hỏi chưa biết hỏi ai c̣n tồn đọng từ những năm trước, đă phần lớn được giải đáp.

 

Trong số những bài giảng độc đáo có một bài được chú thích là có mục đích giải trí v́ không liên quan đến những bài tiếp sau, nhan đề Nguyên lư Tác dụng Cực tiểu (The Principle of Least Action) mà ta sẽ c̣n gặp lại ở dưới; bài dài 14 trang giấy cỡ lớn, chữ in nhỏ, được giữ gần như nguyên văn. Đúng với phong cách của Feynman, bài giảng bắt đầu dễ dàng với mẩu chuyện cũ, thời ông c̣n đi học, từ từ như ḍng nước chảy, làm thế nào để nguyên lư tác dụng cực tiểu thiết lập lại được định luật Newton trong động lực, rồi làm thế nào nguyên lư này có thể dùng cho những bài toán vật lư khác. Toán được dùng tuy ít nhưng một sinh viên trung b́nh, nếu chú ư, có thể sớm thêm được một công cụ mới thuộc lớp trên là phép tính biến phân calculus of variations; điều chắc chắn là đối với một số lớn những người nghiên cứu hay giáo sư, sự thu nhập có lẽ được nhiều hơn. Bộ sách vẫn được tiếp tục in bán ngày nay; trực tiếp hay gián tiếp, trước hết, Feynman là ông thầy của nhiều thế hệ những người học vật lư.

 

Thế nhưng, h́nh ảnh đầu tiên về Feynman mà tôi c̣n giữ được là bức ảnh một anh chàng tinh nghịch ngồi đánh cái trống bongo, cả mắt lẫn miệng cùng cười, vô cùng khoái trá. Bức ảnh và giai thoại về Feynman khiến tôi nghĩ đến một thi hào của ta, Nguyễn Công Trứ. Tương truyền rằng thuở hàn vi, có một thời cụ Thượng Trứ làm “phụ tá” cho một cô hát ả đào. Sau này khi làm quan, một hôm ngồi sau màn nghe hát, quan nhận ra người cũ:

Giang sơn một gánh giữa đồng,

Thuyền quyên ứ hự anh hùng nhớ chăng?

 

Từ thời c̣n đi học, tôi cứ ṭ ṃ không biết anh chàng phụ tá này táy máy những ǵ và người đẹp “ứ hự” làm sao? Một ư tưởng ngộ nghĩnh là để cho Nguyễn Công Trứ gặp Feynman, kẻ tung người hứng, không sót một nhịp, nhiều sự lạ có thể xảy ra! Feynman là giáo sư ở Đại học Cornell chừng 5 năm, sống độc thân v́ góa vợ. Bị trầm cảm, ông thường đến mấy chỗ tụ họp của sinh viên, nhảy đầm gạ gẫm mấy cô freshman co-ed (sinh viên năm thứ nhất). Năm 1951, ông quyết định đổi trường và đến đại học Caltech, lấy lư do là một lần lái xe mùa đông bị tuyết, phải dừng xe để lắp xích vào bánh xe cho bớt trơn, đầu ngón tay tê cóng, quá mệt. Nhưng cũng có một truyền thuyết khác cho rằng Feynman đổi trường v́ mấy cô co-ed ở Cornell đă thuộc ḷng thói tật của ông, có lần một cô hỏi, “You must be Dick Feynman? Có lẽ đây là “ứ hự” của một thuyền quyên theo kiểu Mỹ.

Năm 1935, khi Feynman rời gia đ́nh, đi học ở Viện Công nghệ Massachusetts, MIT, thế giới vật lư đă qua được 5 năm khoảng thời gian đầu của thế kỷ mà George Gamow gọi là Ba mươi năm làm chấn động Vật lư  (Thirty Years that Shook Physics). Trong khoảng thời gian hơn 3 thập kỷ này, diện bộ và cấu trúc của thế giới vật lư, vĩ mô và vi mô, tồn tại đă ngoài 300 năm, bị hoàn toàn đảo lộn bởi hai lư thuyết mới: thuyết tương đối và thuyết lượng tử.

 

Trước hết là Einstein, đơn độc một ḿnh, trong cùng một năm (1905) đă cho xuất bản hai bài viết, một về thuyết tương đối hẹp (special relativity) và một về hiệu ứng quang điện (photoelectric effect). Chừng mười năm sau, Einstein cho ra đời thêm một lư thuyết nữa gọi là thuyết tương đối rộng (general relativity), cũng quan trọng không kém, nhưng khác xa dù có tên tương tự và có ít ảnh hưởng đến những khảo cứu vật lư trong thời gian này.

 

Vào đầu thế kỷ 19, những thí nghiệm của Young về nhiễu xạ và giao thoa đă chứng minh rất thuyết phục rằng ánh sáng có bản chất sóng chứ không phải là hạt (như theo thuyết của Newton). Giữa thế kỷ 19, lư thuyết điện từ của Maxwell giải quyết hầu như mọi vấn đề liên quan đến điện từ và khẳng định rằng điện từ trường chuyển động trong không gian (chân không) như một sóng với tốc độ cố định (thường viết tắt là c) và ánh sáng thường chỉ là một sóng điện từ. Thế nhưng, nếu nguồn sáng chuyển động với tốc độ v, ví dụ một chiếc xe hơi chạy 100 km/giờ, câu hỏi được đặt ra là một người quan sát sẽ thấy tốc độ của ánh sáng đèn xe là bao nhiêu, (c+100) km/giờ? Câu trả lời cho câu hỏi này có thể kéo theo những hệ quả lớn. Cuối thế kỷ 19, nổi lên vấn đề là có điều ǵ không ổn hoặc với lẽ thường (common sense) hoặc với lư thuyết điện từ của Maxwell. Với một tầm nh́n sâu sắc, Einstein giải quyết vấn đề bằng bài viết về thuyết tương đối hẹp, đưa vật lư sang một con đường mới.

 

Bài viết về quang điện của Einstein làm sáng tỏ cả 2 vấn đề: điện từ và lượng tử. Cuối thế kỷ 19 có một hiện tượng nan giải khác cũng cần được giải thích. Lấy một cái hộp kín (hốc) có khoan một lỗ nhỏ trên thành hộp, qua lỗ khoan, ta quan sát bức xạ phát ra từ bên trong hộp. Nhiều thí nghiệm chính xác cho thấy cường độ và phân bố quang phổ của bức xạ không phụ thuộc vào h́nh dạng và vật liệu làm hộp, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Bức xạ này mang tên bức xạ hốc đẳng nhiệt (isothermal cavity radiation) hay bức xạ của vật đen (black body radiation). Không có lư thuyết cổ điển nào có thể giải thích mọi kết quả của thí nghiệm. Một vài định luật, ví dụ, định luật Rayleigh-Jeans, tiên đoán đúng cho bức xạ có độ dài sóng dài nhưng là một tai họa cho bức xạ có độ dài sóng ngắn, thường được gọi là tai họa tử ngoại (ultraviolet catastrophe).

 

Năm 1900, Planck cho ra đời một lư thuyết mới gọi là thuyết lượng tử (quantum theory), giả định rằng năng lượng của bức xạ không liên tục mà quy tụ gọi là lượng tử (quantum, số nhiều: quanta) có năng lượng là một số nguyên lần một đơn vị cơ bản, đơn vị này tỷ lệ với tần số của bức xạ (E = hν, h: hằng số tỷ lệ, v: tần số của bức xạ). Với thuyết lượng tử, Planck giải thích được mọi hiện tượng liên hệ với bức xạ của vật đen, lư thuyết và thực nghiệm ăn khớp như chiếc găng với bàn tay.  

 

Khái niệm lượng tử là một ư kiến táo bạo, gợi ư ánh sáng có một cấu trúc vật chất, nhiều sách tiếng Anh dùng chữ lump: một cục để diễn tả; tuy thành công rực rỡ, hầu hết các nhà vật lư, kể cả Planck, coi lượng tử chỉ là một thủ thuật toán để giải bài toán khó. Bài viết về quang điện của Einstein thay đổi tất cả. Einstein cho rằng lượng tử có thật, đó là những hạt ánh sáng (nay gọi là photon) và là tính chất chung của điện từ. Để chứng minh, ông giải thích một hiện tượng nan giải khác, hiệu ứng quang điện: cho ánh sáng (có độ dài sóng) thích hợp chiếu lên một mặt kim loại, những hạt photon đập vào mặt kim loại sẽ khiến cho electron của kim loại bắn ra, nếu có cách thu thập được những electron đó ta sẽ có một ḍng điện.

Millikan không hồ hởi lắm với mấy cục ánh sáng; ông mất 10 năm trời, cố chứng minh Einstein sai nhưng cuối cùng thấy Einstein đúng. Năm 1916, Millikan công bố những kết quả thí nghiệm, đưa đến giải Nobel cho Planck năm 1918, Einstein năm 1921 và, sau cùng, Millikan năm 1923.

 

Vào thập kỷ 1920, tính nhị nguyên sóng-hạt của ánh sáng trở thành một thực tế. Năm 1924, Louis de Broglie đi một bước xa hơn; theo ông, vật chất cũng có thể có tính nhị nguyên sóng-hạt, cụ thể là electron với xung lượng p, khi biểu lộ tính chất sóng, sẽ là một sóng có độ dài sóng  λ = h/p, hệ thức tương tự như hệ thức cho bức xạ của Planck, với cùng hằng số tỷ lệ h. Năm 1927, thí nghiệm của Davisson và Germer (Hoa Kỳ), và George Thomson (con của J. J. Thomson, Anh) chứng minh được tính chất sóng của electron quả đúng như vậy.

 

Khác với thuyết tương đối, thuyết lượng tử được phát triển bởi một số nhà khoa học. Một trong những người đầu tiên, ta có thể kể Bohr. Bohr có một mô h́nh nguyên tử tương đối thành công, ngày nay vẫn c̣n trong những sách giáo khoa. Theo Bohr, nguyên tử có cấu trúc của một Thái Dương hệ thu nhỏ, với một hạt nhân ở giữa và electron chạy quanh trên những quỹ đạo đặc biệt có mức năng lượng khác nhau. Theo mô h́nh Bohr, electron chỉ có thể nhảy được từ mức năng lượng nọ sang mức năng lượng kia và phát ra ánh sáng theo luật lượng tử của Planck. Mô h́nh nguyên tử Bohr tính rất đúng nhiều quang phổ, đặc biệt là quang phổ của nguyên tử khinh khí. Nhưng tại sao electron chỉ có thể ở trên những quỹ đạo đặc biệt này? Câu trả lời của de Broglie là electron hiển thị như những sóng đứng quanh hạt nhân, phải là một số nguyên lần những độ dài sóng.

 

Cơ học lượng tử trưởng thành trong thời kỳ này. Một mặt, Heisenberg khai triển cơ học ma trận (matrix mechanics), v́ đặc tính gián đoạn của ma trận, rất hợp với tính chất hạt của vật chất; mặt khác, Schrödinger cho ra đời cơ học sóng (wave mechanics). Cả hai đều là cơ học lượng tử, tương đương nhau nhưng v́ sóng liên hệ trực tiếp với phương tŕnh vi phân, rất quen thuộc với các nhà nghiên cứu, nên phổ biến mạnh, nhanh hơn.

 

Vào thời điểm này, cơ học lượng tử không những là một lư thuyết vật lư sáng giá mà c̣n vô cùng hữu ích cho cả nghiên cứu hóa học đương đại. Tuy nhiên, đó vẫn chỉ là một thuyết phi tương đối, chưa đầy đủ và không thích hợp cho việc khảo sát những hạt chuyển động với tốc độ lớn. Năm 1928, Dirac thực hiện một tiến bộ rất quan trọng, cho ra đời cơ học lượng tử tương đối (relativistic quantum mechanics), bao gồm trong phương tŕnh cơ học lượng tử tất cả những đ̣i hỏi của thuyết tương đối hẹp.

 

Với phương tŕnh Dirac, ta có thể hiểu được những ǵ cần hiểu về electron và có những tiên đoán phù hợp với kết quả của mọi thí nghiệm. Không những thế, phương tŕnh Dirac c̣n tiên đoán cả sự hiện hữu của một hạt cơ bản mới, positron (tuy lúc đầu Dirac không “dám” có quyết đoán này v́ khi ấy hạt này chưa t́m thấy, và cho nó là proton), giống như electron về mọi phương diện, trừ tích điện, dương chứ không phải âm. Phương tŕnh Dirac sẽ có ảnh hưởng sâu sắc đến sự nghiệp của Richard Feynman, khi ấy là một cậu bé mười tuổi.

 

Năm 1932, Anderson làm thí nghiệm với tia vũ trụ, t́m được positron, và trong cùng năm Chadwick xác định được neutron. Dirac đoạt giải Nobel năm 1933, không ai đoạt giải năm 1934, Chadwick đoạt năm 1935 và sau cùng, Anderson, năm 1936.

 

Và như vậy, trong khoảng thời gian hơn 30 năm đầu của thế kỷ, ngoài những hạt mang tên chung tia vũ trụ (cosmic ray) đến từ vũ trụ, mà ta không biết ǵ nhiều hơn, ta biết vật chất gồm bốn hạt cơ bản: proton, neutron, electron, positron, hai hạt sau cùng được xác định là một cặp hạt và phản hạt. Về lư thuyết, ngoài trọng lực của Newton và điện từ của Maxwell, ta có thuyết tương đối và thuyết lượng tử đă bắt đầu trưởng thành. Riêng thuyết lượng tử c̣n có thêm những khái niệm đặc biệt mới mẻ, như xác xuất, nguyên lư bất định... Năm 1935 cũng là năm Dirac cho tái bản lần thứ hai cuốn The Principles of Quantum Mechanics, cuốn sách, qua nhiều lần sửa đổi, ngày nay vẫn là một cuốn nhập môn không thể thiếu về cơ học lượng tử. Đại khái đó là tóm tắt về t́nh trạng vật lư khi Feynman bắt đầu đại học ở MIT.

 

oOo

 

XEM PHẦN 2

 

 

 

 

 

 

 

GS Nguyễn Đc Tường

Tiến sĩ Vật Lư Nguyên Tử
Đại học
GEORGIA Institute of Technology, HOA KỲ

Nguyên Giáo Sư Toán
Trường Đại Học OTTAWA, CANADA

 

 

  

 

 

www.ninh-hoa.com