|
A series of articles on “Nobel Prizes in Science & Technology” - Part 3 GS Robert Millikan: một nhà khoa học chân chính? Trần Trí Năng “…Thus the authorship of these papers was settled in our humble apartment about one month after Phyllis was born. People have frequently asked me if I had bad feelings toward Millikan for not letting me be a joint author with him on this first paper, which really led to his getting the Nobel Prize. My answer has always been no. It is obvious that I was disappointed as I had done considerable work on it, and had expected to be a joint author…” (from Harvey Fletcher’s autobiography released after his death in 1982) [1] Ngày 13 tháng 11, năm 1923, Hàn Lâm Viện Thụy Điển (The Royal Swedish Academy of Sciences) loan báo là GS Robert A. Millikan của University of Chicago/California Institute of Technology nhận giải Nobel về Vật lư “for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect” Đây là một khám phá lớn trong lănh vực vật lư hiện đại sau khi J.J. Thompson khám phá ra negative charge của electrons. Tuy nhiên GS Millikan đă bị cộng đồng khoa học sau này chỉ trích ở hai điểm chính : (i) điểm thứ nhất là ông dành tất cả công trạng của thí nghiệm và việc xác định điện tích của hạt electron cho chính riêng ông mặc dù Harvey Fletcher là người then chốt đă đóng góp lớn vào sư thành công này và (ii) và điểm thứ hai là ông đă không thành thực trong việc báo cáo dữ kiện thí nghiệm bằng cách chỉ chọn những kết quả ủng hộ lư thuyết và kết luận của ông thôi (cooking data) . Trong bài viết này, chúng tôi chú trọng về đóng góp khoa học quan trọng của oil-drop experiment của Millikan và Fletcher trong ngành vật lư hiện đại. Chúng tôi sẽ thảo luận nhiều về vai tṛ của Fletcher trong khám phá này ở bài viết sau; dựa vào sổ tay hồi kư của Fletcher được tiết lộ (theo nguyện vọng trong di chúc của ông) sau khi ông mất vào năm 1982. 1. Câu chuyện bên lề Sau gần hai giờ lái xe, chúng tôi đến Gettysburg nơi trận Nội Chiến ác liệt giữa hai miền Nam Bắc xảy ra vào năm 1863 . Con đường dài khoảng hơn 100 miles xuyên qua núi đồi trùng điệp của tiểu bang Pennsylvania trông thật ngoạn mục. Đến Pennsylvania này nhiều lần rôi; và lần nào tôi cũng thấy bị “quyến rũ” với sự hùng vĩ của thiên nhiên và nét phong phú về văn hóa và lịch sử của một trong 13 tiểu bang đầu tiên của xứ Mỹ này. Bầu trời hôm nay cao rộng thênh thang. Vài đám mây trắng trôi lờ lững về hướng xa. Khí hậu thật dễ chịu. Cái nắng cuối thu mang lại cho ḷng người một cảm giác nhẹ nhàng êm ái. Con phố nhỏ với nhiều di tích của thời Nội Chiến để lại [H́nh 1, bên trái]. Những nơi cứu thương giờ thành những thánh đường. Nơi lính rút quân giờ trở thành trạm xe buưt nhỏ nhắn dễ thương với vài người đứng đợi . Đi giữa con phố nhộn nhịp với khách viếng thăm mà tôi có cảm tưởng như đang đi giữa những cánh đồng hoang vu đồi cỏ hơn 100 năm trước. Chúng tôi lái xe chầm chậm qua nghĩa trang nơi hai bên Nam Bắc đánh nhau khốc liệt [H́nh 1, bên phải]. Nghe đâu đây những tiếng kêu than, hét ḥ, những tiếng súng …H́nh như ẩn hiện đâu đó những khuôn mặt trẻ già thuộc mọi lứa tuổi dấn thân vào cuộc chiến “hủy diệt” mà một số lớn trong chính họ không hiểu rơ nguyên nhân… Tiếng réo gọi cho nhau Người
chém. giết
nhau
H́nh 1. (bên trái) Khu phố Gettysburg và (bên phải) Nghĩa Trang Quốc Gia Gettysburg (Soldiers National Cemetery) nơi trận chiến ác liệt Nam Bắc xảy ra vào 1-3 tháng 7 năm 1863. Đây cũng là nơi mà Tổng thống Abraham Lincohn đọc bài diễn văn nổi tiếng (Gettysburg address) [2,3]
H́nh 2. Một phần trong bản thảo bài diễn văn Gettysburg với chữ viết của Tổng Thống Abraham Lincohn mà chúng tôi mua hôm thăm viếng Gettysburg. Bài nói chuyện dài chỉ có hai phút; nhưng được xem như là một trong những bài viết sâu sắc và hay nhất trong kho tàng văn chương tiếng Anh. (National Document Company). Rồi chúng tôi đi ngang qua khu đất nơi Tổng thống Abraham Lincohn đọc bài diễn văn nổi tiếng (Gettysburg address) vào ngày 19 tháng 11 năm 1863. Để cho dễ đọc, phần diễn văn trong H́nh 2 được viết lại như dưới đây: “Four score and seven years ago our fathers brought forth, on this continent a new nation, conceived in Liberty, and dedicated to the proposition that all men are created equal. Now we are engaged in a great civil war, testing whether that nation, or any nation so conceived and so dedicated, can long endure. We are met on a great battlefield of that war. We have come to dedicate a portion of that field, as a final resting place for those who here gave their lives that that nation might live. …that we here highly resolve that these dead shall not have died in vain- that this nation, under God, shall have a new birth of freedom- and that government of the people, by the people, for the people, shall not perish from the earth.” 2. Vài nét về GS Robert Millikan Sinh ở Morrison, Illinois, con của một mục sư đến từ Iowa,. GS Millikan [H́nh 3, bên trái] tốt nghiệp ở Oberlin College năm 1891 và nhận bắng PhD từ Columbia University vào năm 1895. Đến dạy ở University of Chicago vào năm 1896. Năm 1921, Millikan rời University of Chicago, trở thành giám đốc ở Norman Bridge Laboratory of Physics, của California Institute of Technology,Pasadena, California.. Ông cũng giữ chức vụ chairman of the Executive Council của trường từ năm 1921 cho đến khi ông về hưu vào năm 1945 và đă đóng vai tṛ rất lớn trong việc biến Caltech từ một trường nhỏ thành một trường về công nghệ hàng đầu trên thế giới. Thông minh, đẹp trai và rất ham làm việc. Có câu chuyện được kể lại là có lần ông măi mê sửa bản thảo luận văn nghiên cứu mà gần như quên bẵng việc đi dự dám cưới của chính ông. Millikan nổi tiếng với oil-drop experiment, một thí nghiệm đă dẫn đến “bằng chứng trực tiếp và rơ rệt về sự hiện diện của hạt electron ( serve as the most direct and unambiguous proof of the existence of the electron)” như như ông đă từng tuyên bố.
H́nh
3 . (h́nh bên
trái) GS Robert A. Millikan (22 tháng 3, 1868- 19 tháng 12, 1953).[4]
GS Millikan đă đóng góp nhiều trong lănh vực khoa học, giáo dục và đào tạo nhân tài. Ngoài việc góp phần vào nghiên cứu và đào tạo sinh viên xuất sắc ở University of Chicago và California Institute of Technology, ông c̣n là người đóng vai tṛ quan trọng ở hăng AT& T và Bell Telephone Laboratories với sinh viên tốt nghiệp của ông (kể cả Fletcher) giữ những vai tṛ then chốt của hăng. Trong nhiều năm, hầu hết những nghiên cứu về vật lư hiện đại đều nằm ở Âu Châu;. và những sinh viên Mỹ muốn học tập “nghiêm túc” về ngành này phải đi học ở Đức nhất là những trường ở Berlin, Gottingen. Chính Millikan cũng có du học môt năm ở Paris, Berlin và Gottingen. Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ hai mươi, những đại học như Hopkins, Cornell và Chicago cũng bắt đầu mở những chương tŕnh graduate studies về ngành vật lư và hóa học. Từ năm 1916, Robert Millikan của University of Chicago nổi tiếng trong việc giảng dạy và nghiên cứu về ngành vật lư hiện đại này. Ông lănh giải Nobel năm 1923 và có h́nh nằm trên trang b́a của tờ Time năm 1927. 3. Đánh giá Millikan như một nhà khoa học Năm 1910 Robert Millikan và Harvey Fletcher –sinh viên PhD của ông- đă khai thác thành công phương pháp đo điện tích của hạt electron (charge of an electron). Đột phá này được cộng đồng khoa học biết với cái tên “the oil drop experiment” . Millikan sau đó phát biểu nhiều bài viết về thí nghiệm này và trở thành một trong những nhà vật lư có uy tín lớn vào đầu thế kỷ thứ hai mươi. 3-1 Millikan đến làm việc tại University of Chicago GS Millikan đến làm việc tại Đại học Chicago (University of Chicago) vào năm 1896, vào thời điểm mà nền tảng căn bản của vật lư bắt đầu có những thay đổi lớn. Wilhelm Rontgen khám phá tia quang tuyến X; Henri Becquerel khám phá tia phóng xạ (radioactivity) và J.J. Thompson khám phá electrons với điện tích âm (negative charge). Millikan đến Đại học Chicago với tham vọng là muốn trở thành một nhà vật lư thực nghiệm hàng đầu trong ngành. Nhưng ước mơ này khó thực hiện v́ nhà trường bắt ông phải dùng 6 giờ mỗi ngày trong việc giảng dạy, soạn bài, viết tài liệu cho sinh viên và tham gia trong ủy ban viện soạn thảo chương tŕnh giảng dạy. Năm tháng trôi qua, ông “thất vọng” là không thể t́m ra được cái ǵ khả quan để đóng góp. Millikan bắt đầu chú tâm vào việc t́m một phương pháp để đo đạt điện tích của hạt electron v́ đây là đề tài rất nóng hổi trong công đồng khoa học lúc bấy giờ. Năm 1908, Millikan , cùng với một sinh viên PhD tên là Louis Begeman lập lại thí nghiệm của Harold A. Wilson, một nhà khoa học của Anh phát biểu 5 năm về trước. Trong thí nghiệm này, tia quang tuyến X dùng để tạo thành một đám mây bị iôn hóa (ionized cloud) giữa hai tấm bảng điện cực đặt ở vị trí nằm ngang với mục đích đo độ rơi của những hạt nhỏ bị tích điện (the rate of fall of the charge droplets) trong cụm mây hơi nước. Kết quả rất khó quan sát, nên Millikan áp đặt một cục pin với điện thế cao ở 4.000 Volt đủ để tạo điện tích trên những hạt nhỏ (droplets) nằm giữa hai tấm điện cực. Millikan và Bengeman phát biểu kết quả t́m được và xác định rằng kết quả từ thí nghiệm của hai người nhất quán (consistent) hơn là kết quả của Wilson. Nhưng kết quả mới này không đủ mạnh để gây tác động đáng kể trong cộng đồng khoa học. Sư đo đạt không chính xác và thiếu phần thuyết phục phần chính là v́ nước bốc hơi nhanh; thế nên những hạt droplets chỉ có thể thấy trong ṿng 2 giây hay ngắn hơn. Khó khăn này kéo dài hơn một năm cho đến mùa thu 1909 mà hai người vẫn chưa t́m được giải pháp nào tốt hơn! 3-2 Hợp tác giữa Millikan và Fletcher trong oil-drop experiment Với sự tận t́nh giúp đỡ của Millikan, Harvey Fletcher [H́nh 3, bên phải] , một sinh viên/cán bộ giảng dạy tốt nghiệp BS ở Brigham Young University , Utah đến làm nghiên cứu với Millikan vào mùa thu 1909. Fletcher đến gặp Millikan và Begeman để t́m đề tài làm luận văn PhD. Millikan và Begeman tŕnh bày và hướng dẫn Fletcher đi xem thiết bị đo điện tích hạt electron của hai người. Trong buổi họp này, Millikan tŕnh bày những khó khăn ông và Begeman gặp phải khi dùng hơi nước; rồi ba người thảo luận những hướng đi khác chẳng hạn như dùng glycerin, mercury hay oil để thay thế nước. Sau buổi họp, Millikan muốn Fletcher làm luận văn PhD về thí nghiệm này và muốn Fletcher tiếp tục thí nghiệm ông đang làm và t́m một chất khác ít bay hơi hơn nước để hạt droplets được giữ ở khoảng giữa hai điện cực đủ lâu để cho dễ quan sát; và kết quả v́ thế sẽ chính xác hơn. Fletcher tiết lộ trong sổ tay hồi kư của ông sau này là chính ông là người đề nghị dùng oil trong thí nghiệm này [1,6]. Millikan ủy thác cho Fletcher thiết lập một thiết bị khác tương tự như thiết bị Millikan và Begeman hiện có để đo điện tích của hạt electron. “This is your thesis; go and try one of these substances which will not evaporate”; Millan bảo Fletcher. Ngay buổi chiều hôm đó, Fletcher đi đến tiệm thuốc tây mua một ống phun (atomizer, giống như lọ dùng xịt dầu thơm) và dầu dùng trong đồng hồ (watch oil) để dùng trong thí nghiệm. Ông cũng đồng thời đến phân xưởng dành cho sinh viên t́m những vật liệu để thiết lập thiết bị đo điện tích của hạt electron như đă được giao phó. Trong thiết bị này như được diễn tả ở [H́nh 4, bên trái], tấm bảng điện cực phía trên nạp điện dương trong khi đó tấm bảng điện cực phía dưới nạp điện âm. Nằm giữa tấm điện cực phía trên có nhiều lỗ nhỏ. Một ống phun được dùng để phun những hạt dầu rất nhỏ (droplets mineral oil). Hạt dầu bị nạp điện bằng sức ma xát ( friction) khi chạy ngang qua miệng phun của ống phun.. Fletcher hoàn thành thiết bị ngay buổi chiều ngày hôm đó. Ngày hôm sau, Fletcher đến điều chỉnh thiết bị và bắt đầu làm thí nghiệm. Trong thí nghiệm này, những giọt dầu nhỏ (oil droplets) được nhỏ xuống từng giọt môt và dùng kính hiển vi để quan sát. Fletcher có thể thấy một luồng gồm những hạt dầu nhỏ rơi xuống từ lỗ hổng nhỏ ông tạo ra ở tấm điện cực nằm phía trên. Và khi ông bật công tắc điện, ông thấy một số hạt dầu rơi chậm lại hơn và một số hạt dầu khác rơi nhanh hơn. Qua kính hiển vi, những hạt dầu nằm trong buồng không khí giữa hai tấm điện cực sáng lên như “những vị sao đang lay động liên tục (stars in constant agitation)”.. Bằng cách đóng và mở công tắc điện và với sự điều chỉnh thời gian thích hợp ông có thể giữ hạt dầu chọn lựa nằm ở vị trí lơ lững giữa hai điện cực đủ lâu đủ để quan sát. Những giọt dầu này bị kéo xuống bởi lực trọng trường (gravity force) và được nâng lên với lực điện trường (electric force). Nếu nạp điện dương, , những hạt dầu này sẽ di chuyển về hướng tấm điện cực phía dưới Fg để tạo thăng bằng với lưc điện trường Fe nâng những hạt dầu đi lên. Nếu lực trọng trường bằng lực điện trường th́ những hạt dầu nhỏ này sẽ nằm lưng chừng giữa hai tấm điện cực khoảng một đến hai phút. Điện thế được điều chỉnh để những giọt dấu nằm giữa chừng và để có thể quan sát qua kính hiển vi. Fletcher thuật lại sau này là lúc đó ông muốn hét lên v́ bị kích động v́ ông biết một số hạt dầu được nạp với điện tích âm và một số khác được nạp với điện tích dương. Fletcher lập tức đi t́m Millikan để chỉ ông thiết bị và báo cáo những ǵ ông t́m được; nhưng Millikan không có ở văn pḥng. Ngày hôm sau, Millikan đến pḥng lab và rất phấn khởi và tin chắc là ông có thể xác định điện tích của hạt electron một cách chính xác hơn với thiết bị và phương pháp mới này của Fletcher. Để giúp cho việc quan sát này dễ dàng hơn, Millikan và Fletcher tạo những hash lines (H́nh 4, bên phải) để đo đường kính của hạt dầu. Bằng cách gia tăng điện thế (tức là gia tăng điện trường), ông nhận thấy rằng điện trường có tác dụng khác nhau trên điện tích của những hạt dầu. Những hạt dầu rơi ở những tốc độ khác nhau và tùy thuộc vào điện tích và độ iôn khác nhau. Fletcher lập lại nhiều thí nghiệm với những hạt dầu khác nhau, với những tốc độ rơi xuống và nâng cao khác nhau tùy thuộc vào sự kiểm soát hệ thống điện trường. Fletcher vẽ biểu đồ (chart) của khối lượng vs điện thế (mass vs voltage). Cứ tưởng tượng, Fletcher phải ngồi hàng giờ, ngày này qua ngày kia đếm từng giọt dầu vận chuyển xuống hay lên ở những điện thế khác nhau, chúng ta có thể khẳng định là Fletcher “kiên nhẫn” biết dường nào để thu thập dữ liệu. Fletcher và Millikan t́m thấy khôi lượng của những hạt dầu là bội số ( a multiple) của một con số rất nhỏ. Con số này chính là điện tích của hạt electron (electron charge) nằm trong khoảng 1.6x e-19 C.
H́nh
4. (h́nh bên
trái) Mô h́nh tương tự với thiết bị do Fletcher thiết lập để đo điện
tích của hạt electron; Ngoài việc t́m được giá trị cơ bản của điện tích, thí nghiệm này c̣n chứng minh rằng điện tích có thể lượng tử hóa (quantized) : có nghĩa là kết cấu cơ bản của điện tích không thể nhỏ hơn hạt electron. 3-3 Millikan phát biểu kết quả t́m được với môt mục đích Vào ngày 25 tháng 5 năm 1910, Millikan loan báo trên tờ Chicago Tribune là ông và Harvey Fletcher đă khai thác thành công một phương pháp để đo điện tích của hạt electron. Phương pháp này được biết với cái tên “ the oil drop experiment”, triển khai từ “phương pháp do ông tạo ra (method of my own)”. Đây là điều không đúng sự thật v́ thiết bị đầu tiên do Wilson phát biểu (như đă tŕnh bày ở phần trước) và dùng oil để thay nước là do Fletcher đề nghị [1]. Milikan lúc đó là PhD thesis advisor của Fletcher. Nghiên cứu của Millikan và Fletcher đưa đến hai kết quả khả quan : (1) phương pháp đo đạt chính xác điện tích e và (2) xác định tích số Ne ; N là hằng số Avagadro; con số này đạt được từ sự quan sát chuyển động Brown (Brownian motion). Một hôm Millikan đến căn pḥng trọ của vợ chồng Fletcher với sự ngạc nhiên của Fletcher và dàn xếp để tên ông ta là tác giả độc nhất trong bài báo đầu tiên về thí nghiệm dẫn đến sự xác định điện tích của hạt electron sẽ đăng ở tạp chí Science, số 30 tháng 9 năm 1910 [8] và cho phép Fletcher để tên một ḿnh trong một bài báo khác về tích số Ne, dựa vào chuyển động Brown và dùng để làm luận văn tiến sĩ [1,7] Dĩ nhiên là Millikan biết chắc là khám phá phương pháp xác định điện tích e sẽ làm ông nổi tiếng và muốn dành tất cả công trạng cho riêng một ḿnh ông. Đây là điểm chính về sự “ngược đăi” của Millikan đối với Fletcher. Fletcher hiểu rơ điều này. Mặc dù có phần bất măn, nhưng Fletcher chấp nhận v́ Millikan đă giúp ông được nhận vào graduate schools và t́m nguồn tài chánh trong thời gian ông học ở Đại học Chicago. Hai người vẫn giữ liên lạc nhau sau này. Để tránh phiền phức cho Millikan, Fletcher quyết định chỉ tiết lộ chi tiết sự kiện này sau khi hai người đều chết. Chi tiết về sự kiện này sẽ được thảo luận trong bài viết sau về Harvey Fletcher. 3-3 Millikan “cooking” data “Cooking” là một từ được dùng trong giới khoa học và kỷ thuật để ám chỉ hành động “chọn lựa” những dữ liệu (data) thích hợp và “băi bỏ” những dữ liệu không thích hợp để hổ trợ cho kết luận muốn thiết lập. Đây cũng là hành động thiếu đạo đức nghề nghiệp (misconduct) nhiều người biết về trường họp của GS Millikan [9]. Câu chuyện xảy ra như thế này: sau khi phát biểu bài báo về phương pháp đo và xác định điện tích của hạt electron (với tên ông thôi) vào 1910 với tựa đề “The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of Its Charge and the Corrrection of Stokes’s Law” đăng trong Tạp chí Science, 30 September, 1910, Millikan viết như sau “… Mr. Harvey Fletcher and myself, who have worked together on these experiments since December 1909 have studied in this way between December and May from one to two hundred drops which had initial charges from 1 to 150 and made from oil, mercury and glycerine and found in every case the original charge on the drop to be an exact multiple of the smallest charge which we found that the drop caught from the air. Có nhiều đoạn văn trong bài báo viết như thế này: Mr. Fletcher and my own mean times on a given drop generally differ from each other by less than 1/100 second…” . Millikan gặp phải sự “tranh luận” từ Felix Ehrenhaft, một nhà vật lư ở Vienna, Áo quốc. Ehrenhaft lập lại thí nghiệm và dùng một thiết bị giống như thiết bị của Millikan và Fletcher nhưng nhỏ hơn và t́m thấy điện tích e nhỏ hơn giá trị điện tích của Millikan. Để phản biện , Millikan làm thêm thí nghiệm (một ḿnh v́ lúc đó Fletcher đă tốt nghiệp và không c̣n ở Univ of Chicago nữa!). Và vào năm 1913, Millikan phát biểu một bài báo, xác định rằng điện tích của mỗi droplet là bội số của điện tích e với sai số rất nhỏ. Phát biểu này góp phần lớn vào quyết định của Hàn Lâm Viện Thụy Điễn trong việc trao Millikan giải Nobel Prize Vật Lư năm 1923. Nhưng theo tài liệu ở CalTech- California Institute of Technology [10], trong quyển sổ tay thí nghiệm, Millikan không ghi lại kết quả thực nghiệm của tất cả droplets ông đă đề cập. Ông báo cáo kết quả của 58 droplets, trong khi đó trong sổ tay thí nghiệm có trên gần 175 droplets trong thời gian 5 tháng từ 11 tháng 11 , 1911 đến 16 tháng 4 , 1912. Millikan chỉ báo cáo những kết quả thuận lợi để “hổ trợ” cho lư thuyết/ kết luận của ông thôi và bỏ những kết quả có thể hổ trợ tư thế của Ehrenhaft. Đây là một thí dụ điển h́nh về “data cooking” ( classic case of cooking!). T́nh trạng càng tệ hơn nữa là ông nói láo về sự kiện này. Trong bài báo 1913 , Millikan viết “ It is to be remarked, too, that this is not a selected group of drops, but represents all the drops experimented upon during 60 consecutive days, during which time the apparatus was taken down several times and set up new..”. Chuyện này không hề xảy ra. [10-12] 4. Lời kết GS Robert Millikan là một khuôn mặt lớn trong ngành vật lư vào đầu thế kỷ thứ hai mươi. Tuy nhiên việc làm của ông đối với sinh viên và “cooking data” khiến cho nhiều người trong cộng đồng khoa học chỉ trích và đặt nghi vấn là liệu ông có đủ tư cách đóng vai tṛ “khuôn mẫu” của một nhà giáo và một nhà khoa học chân chính đă được cộng đồng khoa học ngưỡng mộ hay không? Hành động của Harvey Fletcher, ngược lại rất đáng kính về quan điểm khoa học và về đạo đức làm người “mang ơn th́ phải trả”. Trong số tới, chúng tôi sẽ viết một bài về nhận vật này. 5. Tài liệu tham khảo
[1] Harvey Fletcher’s
autobiography.
Brigham Young Archives & National Academy of Sciences
[12] Broad and Wale (Science reporters) wrote “Betrayers of the
truth”in 1982
|
