Trăm Năm Vật Lý: 1905 - 2005

Trương Văn Tân -  Exryu 70 Úc

Năm 2005 được các nhà vật lý trên thế giới chọn làm Năm Thế Giới Vật Lý (World Year of Physics) để kỷ niệm 100 năm những thành tựu vĩ đại của Albert Einstein. Các tạp chí khoa học như Scientific American [1], Nature [2] đã phát hành đặc san kỷ niệm Năm Thế Giới Vật lý mà cũng là Năm Einstein (Einstein's Year). Vào năm 1905, khi Einstein vừa tròn 26 tuổi ông là một nhân viên bình thường của "Văn Phòng Kiểm Tra Bằng Phát Minh" (Patent Office) tại Bern (Thụy Sĩ), tại đây ông đã liên tiếp viết năm bài báo cáo khoa học với ba đề tài khác nhau để đăng lên tạp chí vật lý nổi tiếng của Đức lúc bấy giờ, Annalen der Physik. Những bài báo nầy đã làm một cuộc cách mạng trong khoa học và ảnh hưởng của nó trong lĩnh vực lý thuyết cũng như áp dụng vẫn còn lớn mạnh cho đến ngày hôm nay.

Một vài năm trước đó (1901), Einstein đã bị trường Đại Học Zurich đánh rớt học vị tiến sĩ và bác bỏ luận án của ông về một nghiên cứu xuất sắc liên quan đến động học của thể khí (kinetic theory of gas). Mặc dù bị đánh rớt, ông vẫn kiên trì tiếp tục nghiên cứu trong khoảng thời gian rảnh rỗi khi làm việc tại "Văn Phòng Kiểm Tra" và bằng khả năng thiên tài của mình qua năm bài báo cáo trong Annalen der Physik Einstein đã thành hình ba lý thuyết vật lý mang tính đột phá và cách mạng hóa tư duy khoa học con người. Ba lý thuyết nầy là: (1) Thuyết tương đối hẹp (Special theory of relativity), (2) Hiệu ứng quang điện (Photoelectric effect) và (3) Chuyển động Brown (Brownian motion). Ba lý thuyết nói đến ba hiện tượng khác nhau không có liên hệ trên mặt lý luận nhưng có ảnh hưởng sâu xa đến nền tảng của khoa học. Người ta thường xem "Thuyết tương đối" như là một biểu tượng của Einstein, mặc dù hai lý thuyết kia cũng là những đóng góp thiên tài của ông. Thật vậy, khi Hàn Lâm Viện Thụy Điển trao cho ông giải Nobel Vật Lý vào năm 1921, ông đã được tuyên dương là đã có những đóng góp ưu việt cho "lý luận trong vật lý, nhất là sự khám phá về qui luật của hiệu ứng quang điện".

Bộ óc thiên tài của Einstein lúc nào cũng đi trước thiên hạ, tiên đoán những sự kiện mà hằng chục năm sau người ta mới kiểm chứng được. Ông cũng cho chúng ta biết những sự việc vượt qua những cảm nhận thông thường cơ hồ chỉ xuất hiện trong những truyện khoa học giả tưởng hay cổ tích thần thoại. Thuyết tương đối của Einstein đã làm thay đổi lối suy nghĩ cổ điển về thời gian và không gian dựa trên những cảm giác bình thường mà cơ học Newton đã dùng làm cơ sở. Không phải Newton sai nhưng qui luật Newton chỉ đúng khi chúng ta di chuyển ở tốc độ bình thường. Lúc đó 1 giây là 1 giây, 1 mét là 1 mét. Tuy nhiên, khi chúng ta di chuyển với một tốc độ gần tốc độ ánh sáng thời gian và không gian sẽ bị co lại. Khi thành hình xong thuyết tương đối, Einstein vui miệng thốt lên "Ông Newton ơi! Hãy tha thứ cho tôi".... Có người hỏi Einstein thế nào là khái niệm thời gian trong thuyết tương đối và xin ông giải thích một cách đơn giản nhất. Ông hóm hỉnh trả lời "Khi anh ngồi trên đống lửa 1 giây anh cảm thấy như 1 giờ, nhưng khi một cô gái trẻ đẹp ngồi trên đùi anh 1 giờ anh có cảm giác như 1 giây!".

Muốn trẻ mãi không già theo thuyết tương đối của Einstein, ta phải di chuyển thật nhanh để tận hưởng tuổi thanh xuân được kéo dài nhờ vào vận tốc. Tốc độ ánh sáng là 300 000 km/giây; trong một giây ánh sáng có thể đi vòng quanh thế giới 7.5 lần. Nếu ta ngồi trên một phi thuyền bay với tốc độ bằng 99% tốc độ ánh sáng ta sẽ làm chậm quá trình lão hóa 7 lần; ta đi chơi 10 năm trên phi thuyền thì trên trần thế 70 năm đã trôi qua. Khi ta tăng tốc độ của phi thuyền đến 99.9% của tốc độ ánh sáng thì sau 10 năm chu du 280 năm đã trôi qua [3]. Lúc trở về quả đất ta chỉ gặp chắt chít của những người bạn 280 năm trước đó! Thuyết tương đối của Einstein đúng là trái đào tiên "cải lão hoàn đồng". Ta sẽ thành một Từ Thức hay một Urashima Taro hiện đại. Chỉ khác Từ Thức của Trung Quốc là ta phải ở mãi trong phi thuyền nên không có màn vui chơi phè phởn thâu đêm suốt sáng với các nàng tiên nữ ở đỉnh Vu Sơn hay với các nàng long nữ Thủy Cung như chú Urashima Taro của Nhật Bản. Nhà thơ Hàn Mặc Tử của Việt Nam cũng có lần mơ mộng:

Tây Thi nàng hỡi bao nhiêu tuổi
Vẻ đẹp mê tơi đến nõn nà
Tôi lạy muôn vì tinh tú nhé
Xin đừng lay chuyển để thời gian
Chậm đi cho kẻ tôi yêu dấu
Vẫn giữ màu tươi một mỹ nhân [4]

Hàn Mặc Tử sẽ không phải khẩn cầu muôn vì tinh tú nếu vài ngàn năm trước đó Tây Thi bước lên một chiếc phi thuyền bay với một tốc độ cỡ 99.99% tốc độ ánh sáng thì có lẽ nhà thơ đã gặp người trong mộng!

Hiệu ứng quang điện được xem là một trong những thành tựu to lớn của Einstein. Hiệu ứng nầy mô tả khả năng của ánh sáng (quang) khi được chiếu trên bề mặt kim loại có thể đánh bật (dislodge) electron (điện) ra khỏi bề mặt nầy. Hiện tượng nầy đã được ghi nhận bởi các nhà khoa học Pháp vào năm 1839 nhưng phải đợi mãi đến năm 1905 mới được Einstein giải thích rõ ràng dựa trên đặc tính lượng tử của ánh sáng (quantum properties of light). Nếu dựa vào lý luận của vật lý cổ điển theo đó "ánh sáng là luồng sóng liên tục mà năng lượng của nó phân bố trên mặt sóng", thì ánh sáng không bao giờ đủ sức để đẩy electron ra khỏi bề mặt kim loại. Để giải thích hiệu ứng quang điện Einstein đưa ra khái niệm hạt photon (quang tử) mà ánh sáng lúc nầy không phải là sóng nữa mà là những hạt photon mang những bó năng lượng bắn lên bề mặt kim loại để tống electron của kim loại ra ngoài. Đặc tính nhị nguyên của ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt nói lên hai mặt của sự vật "đi với thầy chùa mặc áo cà sa, đi với ma mặc áo giấy"! Năm 1923, de Broglie đã đưa ra một giả thuyết ngược lại nhưng cũng không kém phần táo bạo. Theo ông hạt vật chất (thí dụ: electron) cũng có những đặc tính của sóng như hiện tượng nhiễu xạ (diffraction) hoặc giao thoa (interference). Như vậy, sóng có thể là hạt mà hạt cũng có thể là sóng. Tính chất nhị nguyên của sóng và hạt cho thấy sự hài hòa và cân bằng của sự vật; hai biểu hiện tưởng chừng như riêng lẻ mà thật ra là hai mặt của một thể thống nhất. Hiệu ứng quang điện đưa đến sự khám phá laser và ngày hôm nay có những áp dụng quan trọng như chế tạo pin mặt trời (solar cell), những bộ cảm biến (sensor) gắn vào cửa đóng mở tự động ở các văn phòng hoặc những linh kiện quang học dùng trong video camera.

Người ta chỉ biết Einstein nổi tiếng với những chuyện có "tầm vóc" như: vận tốc của ánh sáng, vận mạng của vũ trụ hay bản chất của thời gian. Thật ra, những "chuyện nhỏ" như sự chuyển động của hạt bụi cũng không lọt ra ngoài sự quan sát của Einstein. Công trình của Einstein về việc định lượng hóa chuyển động Brown có lẽ ít được người ta biết đến. Chuyển động được mang tên Brown là vì do nhà thực vật học Robert Brown quan sát đầu tiên ở thế kỷ thứ 19. Dưới ống kính hiển vi, Brown nhìn thấy những hạt bông phấn vừa lơ lửng trong nước vừa nhảy loạn xạ (random). Thoạt đầu Brown tin rằng vì là thực vật nên bông phấn là một vật "sống" (alive) tự nó có thể tùy tiện di động! Tuy nhiên khi Brown dùng bột mài từ đá, những hạt bột đá cho một hiện tượng tương tự. Đây là một hiện tượng chung cho hệ thống colloids, tức là những dung dịch mang những hạt nhỏ (~ 1 mm) lơ lửng nhưng không trầm hiện (thí dụ: nước sơn, nước bùn, nước phù sa). Phân tích dựa trên lý luận động học của phân tử (molecular kinetics) Einstein [5] đã cho chúng ta biết được một cách chính xác rằng sự di động xem chừng như là "vô nguyên tắc" của hạt bụi, bông phấn hay hạt bùn trong nước chẳng qua là do sự xô đẩy va chạm của những phân tử nước di động. Hình ảnh nầy cũng giống như một ông khổng lồ (hạt bụi hay hạt bông phấn) bị bao vây và xô đẩy giữa một rừng người tí hon (phân tử nước) [6]. Những phân tử nầy di động được là do sự kích động nhiệt. Vì vậy, nhiệt độ càng cao sự xô đẩy càng nhiều và sự di chuyển càng nhanh. Những hạt nhỏ luôn luôn di động được nhờ nhiệt của môi trường xung quanh nên sự trầm hiện và ngưng tụ giữa các hạt không bao giờ xảy ra. Đó là đặc tính của những dung dịch colloids. Nhưng câu chuyện của chuyển động Brown không chỉ hạn chế ở khoa học tự nhiên. Phương pháp toán học dùng để dự đoán những bước "túy quyền" (võ của người say) của Einstein được các nhà phân tích kinh tế hiện đại áp dụng để phân tích sự lên xuống thị trường chứng khoán và chỉ số của các cổ phiếu.

Cùng với các nhà vật lý lỗi lạc khác Einstein đã có những đóng góp to lớn để tạo ra môn cơ học lượng tử (quantum mechanics) và cơ học thống kê (statistical mechanics) ở đầu thế kỷ thứ 20. Tiếc thay, mặc dù ông là một trong những người tiên phong đưa ra khái niệm lượng tử ông phủ nhận tính xác suất của cơ học lượng tử và nguyên lý bất định của Heisenberg. Bộ óc dù thiên tài nhưng mang tính cố chấp chỉ đưa đến sai lầm. Trong những năm còn lại của cuộc đời ông sự cố chấp đã cô lập ông với những người bạn đồng nghiệp. Cũng trong khoảng thời gian nầy ông đã cố gắng nhưng không thành công trong việc đưa ra một khung lý luận để thành hình lý thuyết trường thống nhất (unified field theory) trong đó ông muốn chứng minh trọng trường (gravitation field) và điện từ trường (electromagnetic field) chỉ là hai mặt của một vấn đề. Những người đi sau tiếp tục công trình nầy với một thái độ phóng khoáng hơn, họ không mang thiên kiến của Einstein mà còn chấp nhận thuyết lượng tử là một lý luận không thể thiếu trong việc thành hình lý thuyết trường thống nhất mà bây giờ được gọi là thuyết của tất cả mọi lực (theory of everything). Giải Nobel Vật Lý năm 2004 đã trao cho Gross, Politzer và Wilczek đánh dấu một bước ngoặc lớn trên con đường đi đến việc hoàn chỉnh của lý thuyết nầy.

Nguyên lý bất định của Heisenberg đã cho chúng ta hình dung được vũ trụ khi còn trong trứng nước và đưa chúng ta đến thời điểm 10^-43 giây (0.000000…….1 giây, 42 con số không sau dấu chấm) sau Big Bang (tức là thời điểm zero). Thời điểm 10^-43 giây rất gần zero nhưng vẫn chưa phải zero. Thời điểm nầy được gọi là thời gian Planck hay "bức tường" Planck. Bức tường nầy nói lên giới hạn của vật lý hiện đại, nhưng nó không phải là chướng ngại vật tồn tại vĩnh viễn ngăn chận sự tiến hóa của tư duy con người. Người ta tin rằng sau khi thuyết của tất mọi lực (theory of everything) được thành lập, bức tường Planck sẽ sụp đổ. Lúc đó, vật lý không những sẽ đưa chúng ta đến thời điểm zero của Big Bang mà còn có thể cho biết những hiện tượng xảy ra trước đó.

Trong việc truy tìm nguồn gốc của vũ trụ, mười năm trước đây một câu hỏi táo bạo được đặt ra "Trước Big Bang là gì?". Để trả lời câu hỏi nầy hai lý thuyết quan trọng mà người ta cho một cái tên chung là "pre-Big Bang theory" (lý thuyết trước-Big-Bang) ra đời. Đó là lý thuyết dây (string theory) [7] và thuyết "loop quantum gravity" [8]. Hai lý thuyết nầy cũng dựa trên cơ sở lượng tử cho rằng Big Bang không phải là khởi điểm của vũ trụ mà chỉ là kết quả của một trạng thái có trước đó (pre-existing state). Như một thói quen, ta thường có khuynh hướng áp đặt điểm khởi đầu cho mọi sự việc như vẽ một đường thẳng với một khởi điểm. Đây có thể là một "thiên đường mù" mà người ta ùa vào tranh nhau giải thích cái khởi điểm không bao giờ hiện hữu. Mặt khác, ta có thể vẽ một vòng tròn mà trong đó một chuỗi sự kiện xảy ra liên tục tuần tự "vô sinh vô diệt" không bao giờ dứt.

Cho đến đầu thế kỷ 20 chưa bao giờ trong lịch sử nhân loại và khoa học người ta thấy một "thiên hà" qui tụ đông đảo những ngôi sao khoa học sáng chói như Bohr, Planck, Heisenberg, de Broglie, Curie, Rutherford, Nerst, Langevin v.v... mà trong đó Einstein là một ngôi sao đầu đàn. Một trăm năm kỷ niệm những thành tựu siêu việt của một thiên tài cũng là một trăm năm tôn vinh môn cơ học lượng tử đã được xem như thành quả của một công trình nghiên cứu tập thể qua nhiều thế hệ. Công trình nầy đã định thức hóa và thăng hoa tư duy suy luận con người để giải thích từ những cái to nhất như vũ trụ cho đến những cái nhỏ nhất như hạt sơ cấp. Những công trình đó đã được xác nhận bằng thực nghiệm và quan sát. Trên cơ sở cơ học lượng tử, những sự kiện vật lý đã được mô tả bằng những phương trình toán học chính xác và cũng từ đó con người đã biết lợi dụng những định luật khoa học vào cuộc sống đời thường. Không biết đáng vui hay đáng buồn, khi những phương trình nầy không bao giờ có những tham số hay biến số đại diện cho sự can thiệp tùy tiện của thần linh hay thượng đế.

Đương nhiên, con người sẽ không bao giờ hiểu hết thiên nhiên, vì thiên nhiên còn nhiều bí ẩn thì mới tiếp tục cung cấp chất liệu kích thích sự tiến bộ của khoa học. Thiên nhiên cũng như một "jigsaw puzzle" mà khoa học cố gắng làm thành một bức tranh hoàn mỹ. Có những khoảng trống nơi mà khoa học chưa giải thích được thì ở đấy thần linh xuất hiện. Nhưng khi có ánh sáng khoa học soi vào những khoảng trống tăm tối này thì thần linh sẽ trở thành những bóng ma cuốn gói ra đi. Dù cho thiên nhiên được "khai sinh" bởi một Đấng Tối Cao thì sẽ có một lúc Khoa Học khiêm tốn hỏi rằng "Ông ơi! Ông là ai và ông từ đâu đến?". Và các nhà khoa học cũng không ngần ngại đặt Đấng Tối Cao dưới ống kính hiển vi để quan sát hay "kính nhi viễn chi" chân dung của Ngài bằng viễn vọng kính từ xa….

Một trăm năm vật lý đã giúp con người rủ bỏ được sự kềm kẹp của cơ học cổ điển Newton và để lại cho chúng ta một kho tàng kiến thức khoa học vĩ đại với những áp dụng thực tiễn đóng góp vào sự phong phú và đa dạng của đời sống con người; những áp dụng mà cách đây một trăm năm người ta không bao giờ tưởng tượng nổi dù ở trong giấc mơ hoang tưởng nhất. Những nhà khoa học vẫn tiếp tục con đường vô tận của nghiên cứu từ thế hệ nầy qua thế hệ khác và ta có thể loại suy từ những thành công vượt bực của những nỗ lực nghiên cứu hiện nay đến một trăm năm kế tiếp là con người sẽ hiểu rõ hơn về sự hiện hữu của mình, của thế giới xung quanh và của vũ trụ. Lúc đó những khái niệm lâu đời trong Triết Học phương Đông sẽ hòa nhập với những phương trình toán học của Khoa Học phương Tây và hình ảnh của một Đấng Tối Cao vạn năng có thể chỉ còn là một huyền thoại của một câu chuyện thời Trung Cổ.

Xuân Ất Dậu (2005)

TVT

Ghi chú và tài liệu đọc thêm:

(1)  Scientific American, Special Issue "Beyond Einstein", September 2004

(2)  Nature, 20 January 2005

(3)  Trinh Xuan Thuan, "Giai điệu bí ẩn và con người đã tạo ra vũ trụ" (Phạm Văn Thiều dịch), NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội 2000

(4)  Cám ơn anh NTQ đã chép lại bài thơ

(5)  Albert Einstein, "Investigations on the theory of the Brownian movement", Dover Publications, 1956

(6)  Hoạt cảnh "người khổng lồ và người tí hon" có thể xem ở website www.phy.ntnu.edu.tw/java/gas2D/gas2D.html

(7)  Scientific American, May 2004, pp 55

(8)  Scientific American, January 2004, pp 66