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 2:

 

Theo các tác giả viết tiểu sử, khi c̣n học trung học Feynman là một cậu học tṛ rất xuất sắc về toán. Ngay mới năm thứ hai ở trung học, Feynman đă tự học hết lượng giác, toán giải tích, h́nh học giải tích, toán vi tích phân... đến năm cuối cùng, ông dự thi đoạt giải Vô địch Toán của Đại học New York, số điểm cách biệt giữa ông và những đối thủ cận kề khiến cho các giám khảo phải bàng hoàng, kinh ngạc. Với thành tích như vậy nên khi vào MIT, Feynman định học môn toán là chuyện tự nhiên. Nhưng cũng giống như nhiều thanh thiếu niên Hoa Kỳ cùng lứa tuổi thời ấy, Feynman thích chơi nghịch đồ điện tử, máy móc, đặc biệt là vô tuyến điện. Toán rất hấp dẫn nhưng vẫn c̣n có chỗ thiếu sót, Feynman hỏi ông khoa trưởng ḿnh có thể làm được ǵ với toán? Ông khoa trưởng trả lời: “Nếu c̣n phải hỏi câu đó th́ chắc cậu không phải là người học toán. Như cô bé Goldilocks trong truyện thiếu nhi, nếm thử cháo của mấy con gấu, bát th́ nóng quá, bát th́ nguội quá, chỉ có một bát vừa phải, Feynman ghi tên học toán, đổi sang kỹ sư điện rồi sang vật lư; món sau cùng này vừa phải, just right, cho phép dùng cả trí óc lẫn chân tay nếu muốn. Dẫu vậy, năm Feynman tốt nghiệp Vật lư cũng là năm ông được mời tham gia đoàn đại diện MIT dự giải thi toán Putnam Mathematical Competition, một cuộc đấu trí toàn quốc uy tín nhất về Toán dành cho sinh viên đại học Bắc Mỹ (Hoa Kỳ và Canada); sau cuộc thi này Feynman được phong Putnam Fellow (tên chức vị của 5 người đứng đầu; riêng Feynman, ngoài tiền thưởng khác, c̣n được cấp học bổng để học ở Harvard.)

Thời gian này, ở MIT những lớp về cơ học lượng tử có chất lượng rất cao với những giáo sư có nhiều đóng góp cho vật lư đương đại. Hơn thế nữa, MIT có một chính sách rất thoáng là, ngoài những môn bắt buộc, sinh viên có thể ghi học thêm bất cứ môn nào khác ḿnh muốn, ở bất cứ tŕnh độ nào. Feynman đă ghi tên học nhiều lớp cao học như vật lư hạch nhân, tia vũ trụ, v.v. ngay khi c̣n là sinh viên năm thứ hai. Theo Giáo sư Philip Morse, Feynman có đủ điều kiện để có bằng cử nhân sau 3 năm nhưng MIT giữ ông lại đủ 4 năm. Trong năm sau cùng này, Feynman hầu như hoàn toàn bỏ th́ giờ vào công việc nghiên cứu, ông viết một bài về tia vũ trụ được đăng trong Physical Review, rồi cuối năm Giáo sư Slater khuyên ông viết thêm một bài nữa từ luận án tốt nghiệp mang tên Forces in Molecules đăng trong cùng tạp chí, định lư Feynman-Hellman rút ra từ bài này được dùng nhiều bởi các nhà nghiên cứu hóa học.

Đó là những năm sung sướng, thoải mái. MIT đối với ông là cả một thế giới kiến thức, ông muốn ở lại để tiếp tục học tiến sĩ nhưng Giáo sư John Slater không bằng ḷng, khuyên nên ra ngoài thế giới để nh́n cho rộng tầm mắt.

Năm 1939 Feynman từ giă MIT, ḷng đầy luyến tiếc. Với sự ủng hộ nhiệt t́nh của Slater và Morse, Feynman không những được vào Princeton mà c̣n được hưởng thêm trợ cấp (cũng phải thôi, ta nhớ lại Feynman chưa hề xin mà đă được cấp học bổng để học ở Harvard; Giáo sư Slater muốn đẩy Feynman đi khỏi Boston). Đây quả thực là một thế giới khác; tuy không đến nỗi quê mùa, nhưng là một người chân phương, giản dị, chàng trai đến từ Brooklyn qua ngả MIT không khỏi có chút vụng về, bỡ ngỡ. Princeton tổ chức rập theo các trường đại học cổ bên Anh như Oxford hay Cambridge, từ kiến trúc cho đến phong cách xă hội, tiếng Anh nói giọng “ăng-lê, y phục phải luôn luôn chỉnh tề ở trong khu đại học.

Feynman được sử dụng một căn pḥng trang nhă trong kư túc xá, một ṭa nhà uy nghi, cửa sổ kính màu, tường quanh nhà phủ kín cây leo. Sáng Chủ nhật, mới nhận pḥng được một tiếng đồng hồ, Feynman được vị giáo sư văn chương Pháp trông nom kư túc xá (“French littrachaw”, Feynman nhại giọng Oxford hay Cambridge) báo cho biết buổi chiều, theo nghi thức, sẽ có buổi họp uống trà tại nhà ông khoa trưởng. Tại buổi trà, c̣n đang phân vân chưa biết nên đứng hay ngồi th́ bà vợ ông khoa trưởng tới bên hỏi muốn dùng chanh hay kem cho nước trà, Feynman lúng túng trả lời, “Tôi xin cả hai, cảm ơn bà”, khiến bà này ngạc nhiên thốt lên, “Surely you’re joking, Mr. Feynman!”. Về sau, câu này trở thành tên một tập truyện best-seller của Feynman, kể lại những chuyện vui trong cuộc đời khoa học.

Đến Princeton, Feynman được hướng dẫn bởi John A. Wheeler, một giáo sư trẻ 28 tuổi, chỉ lớn hơn Feynman 7 tuổi. Buổi gặp gỡ chính thức đầu tiên, băn khoăn về tuổi trẻ của ḿnh và có lẽ cũng để phân biệt rơ ràng chức phận thầy-tṛ, Wheeler lên điệu, đóng bộ quan trọng quá lố. Lần gặp sau, Feynman giễu ông sao đó khiến cả hai, vốn dĩ chung bản chất “cá to kho mặn”, cùng phá lên cười, rất nhanh chóng hai người trở thành đôi bạn. Đó là một việc đáng mừng, Feynman về sau xin làm luận án tiến sĩ với Wheeler, cộng tác đưa đến nhiều kết quả tốt đẹp.

Như kể lại trong bài diễn văn Nobel, câu chuyện bắt đầu từ khi c̣n là sinh viên ở MIT, Feynman đă tự học qua những cuốn sách của Heitler và Dirac để t́m hiểu hiện trạng vật lư và nhận thấy lư thuyết lượng tử về điện từ vẫn c̣n những khó khăn chưa được giải quyết như năng lượng riêng (self-energy) của electron, nguyên do là hạt tích điện tương tác với chính nó hay điện lực tác dụng trên hạt tích điện đă sinh ra chính điện lực ấy. Một sự việc tưởng như ngớ ngẩn; với hăng hái của tuổi trẻ, Feynman giải quyết vấn đề bằng cách giả dụ một hạt tích điện chỉ có thể tương tác với những hạt tích điện khác. Và như vậy, Feynman dự định trước hết giải bài toán điện động lực cổ điển rồi hy vọng sau đó sẽ suy rộng ra thành thuyết lượng tử.

Feynman viết say sưa, “Đó là lúc bắt đầu, ư tưởng đối với tôi quá rơ ràng, và thanh lịch đến mức tôi yêu nó một cách tha thiết. Và, cũng giống như yêu mê một người đàn bà, t́nh yêu xảy ra khi ta không biết nhiều nên không thể nh́n thấy những khiếm khuyết của cô ta. Những khiếm khuyết này sẽ hiện rơ về sau nhưng nếu mối t́nh mănh liệt đủ, ta sẽ không rời xa cô nữa. Và như thế, do nhiệt t́nh ở tuổi thanh xuân, tôi vẫn bị thu hút bởi lư thuyết này, bất chấp tất cả những khó khăn.”

Tất nhiên, như hầu hết mọi mối t́nh đầu trong đời thường, khi lên học cao học Feynman nhận biết ḿnh đă lầm về ư nghĩ một hạt tích điện không tương tác với chính nó; lư do v́ luật bảo toàn năng lượng đ̣i hỏi sự có mặt của tính chống bức xạ (radiation resistance) của hạt tích điện, và đ̣i hỏi này tuyệt đối cần thiết. Nhưng vẫn say mê ư tưởng thanh lịch lúc ban đầu mối t́nh mănh liệt đủ Feynman vẫn t́m cách vớt vát, vẫn nghĩ rằng lư thuyết đó, cách nào đó, chứa đựng giải đáp cho những khó khăn của điện động lực lượng tử.

Feynman trở lại bài toán này, khảo sát tính chống bức xạ bằng cách xét hai tích điện tác dụng trên nhau, xem tích điện thứ nhất là nguồn và tích điện thứ hai, vật hấp thụ. Tính toán được kết quả không vừa ư; Feynman tŕnh bày với giáo sư Wheeler, ngay lập tức ông vạch ra những lầm lẫn mà một trong những lầm lẫn đó là tác dụng từ nguồn và tác dụng phản hồi từ vật hấp thụ đă không xảy ra ở cùng một thời điểm. Wheeler gợi ư phương tŕnh của Maxwell có hai lời giải tương ứng với hai loại sóng, sóng muộn (retarded waves) phát ra từ nguồn, theo chiều thời gian và sóng sớm (advanced waves) hội tụ về nguồn, ngược chiều thời gian. Người ta thường chỉ dùng sóng muộn và bỏ qua lời giải thứ hai là sóng sớm v́ nó đi ngược chiều thời gian, không thực tế. Wheeler và Feynman chấp nhận dùng cả sóng sớm, một việc làm tương đối táo bạo, và đă thành công giải thích được tính chống bức xạ; v́ vai tṛ quan trọng của vật hấp thụ trong cách chứng minh, đôi khi người ta gọi nó là ‎‎thuyết hấp thụ của bức xạ (absorber theory of radiation).

Trong nhiều tháng của năm 1940, Wheeler và Feynman bỏ th́ giờ để khảo sát tỉ mỉ những khía cạnh của hiện tượng điện từ này và khám phá ra rằng họ cũng có thể có được kết quả bằng cách dùng Nguyên lư Tác dụng Cực tiểu để diễn tả chuyển động của những hạt tích điện với tương tác trực tiếp của những hạt tích điện. Đây là một khám phá quan trọng, điện động lực cổ điển có thể được đặt dưới dạng mới mẻ và giản dị, không phụ thuộc phương tŕnh Maxwell (do đó sóng điện từ hay vấn đề trường field cũng không cần phải bận tâm đến) như chứng minh ở trên.

Feynman phát biểu trong bài diễn văn Nobel, “Một dạng giản dị như vậy có thể biểu thị cho toàn bộ điện động lực cổ điển, có nghĩa là ngoài trọng lực, chủ động là cho toàn bộ vật lư cổ điển Such a simple form could represent all of classical electrodynamics, which aside from gravitation is essentially all of classical physics. Nhưng đó cũng chính là t́nh yêu thuở ban đầu của Feynman, bây giờ chỉ làm sao cho nó biến thành thuyết lượng tử. Nhiều biến cố đă xảy ra trong thời gian này như việc tuyển Feynman và nhiều nhà khoa học khác để nghiên cứu chế tạo bom, làm gián đoạn mọi nghiên cứu khoa học, có lúc tưởng chừng Feynman đă không có thời giờ để viết xong luận án tiến sĩ.

Đầu năm 1942, Wheeler cảnh cáo Feynman phải viết cho xong luận án tiến sĩ trước khi quá muộn v́ chiến tranh, Feynman xin nghỉ được mấy tuần để viết. Tháng 6 năm 1942 Feynman chính thức nhận bằng PhD với luận án nhan đề The Principle of Least Action in Quantum Mechanics Nguyên lư Tác dụng Cực tiểu trong Cơ học Lượng tử.

Nguyên lư Tác dụng Cực tiểu bắt nguồn từ Nguyên lư Maupertuis ở thế kỷ 18. Nguyên lư này cùng nhiều nguyên lư chị em khác (Fermat, Huyghens...) có chung một đặc tính là để thực hiện một sự kiện nào đó ta cần một số lượng nhỏ nhất của một cái ǵ đó (rẻ nhất, ngắn nhất, nhanh nhất...). Vậy, ở đây ta chiêm ngưỡng một nguyên lư không những rất đẹp mà c̣n hàm ư đạo đức về sự trật tự, không phí phạm; suy luận từ nguyên lư ta có định luật cho hiện tượng tương ứng, quan sát được trong thiên nhiên, áp dụng cho mọi khoa học: động vật, thực vật, thiên thể trên trời... tóm lại, thật xứng đáng với Tác giả của chúng (“tác giả viết hoa). Maupertuis say sưa, t́m cách chứng minh sự hiện hữu của Thượng Đế, và nếu thành công, ta có thể có một chứng minh khoa học cho bất cứ khái niệm trừu tượng nào ví dụ như hạnh phúc có thật. Đây không phải chỉ là câu chuyện không đâu của thế kỷ 18, mới đây nhân dịp Higgs được giải Nobel, báo The Guardian thuật lại chuyện Higgs than phiền rằng nhiều người xem sự việc xảy ra ở CERN, t́m ra được hạt Higgs boson hay God particle, như là một chứng minh Thượng Đế hiện hữu.

Bỏ chuyện thần học sang một bên, tinh thần của nguyên lư trên cũng là nguồn của những khái niệm về thẩm mỹ và tất nhiên rất hữu ích trong khoa học. Nguyên lư Tác dụng Cực tiểu trong Cơ học Lượng tử là một luận án tiến sĩ sâu sắc, có tính chất khai phá tuy được soạn trong một khoảng thời gian rất hạn hẹp, Feynman viết ra nguyên tắc tổng quát trong việc khảo sát cơ học lượng tử cùng khai triển hệ h́nh thức toán học, đặc biệt là khái niệm tích phân quỹ đạo. Feynman nhấn mạnh luận án tự nó đầy đủ, độc lập và không khai thác thêm tác dụng cực tiểu áp dụng trong điện động lực lượng tử, những áp dụng này được dành cho tương lai sau khi nghiên cứu được hoàn thiện. Hơn nữa, tất cả phân tích chỉ được áp dụng cho những hệ phi tương đối (non-relativistic) v́ suy diễn trong trường hợp tương đối hiện chưa được biết; do đó luận án gần như bị bỏ quên.

Ta đă biết ba nhà vật lư lỗi lạc cùng được giải Nobel Vật lư năm 1965 v́ phát triển đồng thời điện động lực lượng tử Quantum Electrodynamics Tomonaga, Schwinger, Feynman. Tomonaga là người đi trước tiên; phương pháp của Tomonaga và của Schwinger tương tự như nhau, Tomonaga tương đối giản dị c̣n Schwinger, một virtuoso về toán, thường rất cầu kỳ.

Riêng Feynman có phương pháp khác hẳn, toán không thua ai nhưng vật lư c̣n có phần nhạy bén hơn v́ trực giác rất cao. Trong suốt thời gian 5 đến 7 năm trong và sau chiến tranh, thông tin thường chỉ riêng tư giữa một số nhỏ các nhà vật lư làm việc chung với nhau. Đó cũng là thời gian Feynman hoàn tất thuyết QED (Quantum Electro-dynamics), phát triển giản đồ Feynman (Feynman diagram) cùng tính tích phân quỹ đạo (path integrals). Những khám phá của Feynman tỏ ra vô cùng hữu hiệu. Có nhiều huyền thoại về tính toán nhanh kỷ lục của ông như chuyện một nhà vật lư nói chuyện với Feynman về một vấn đề ǵ đó trong một hội nghị, ngày hôm sau so sánh kết quả, lời giải của Feynman c̣n tổng quát hơn công lao trong 6 tháng trời của nhà vật lư kia.

 

oOo

 

XEM PHẦN 3

 

 

 

 

 

 

 

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