Bảy Bài Giảng Ngắn Về
Vật Lý
Carlo Rovelli
(Seven Brief Lessons on
Physics)
BÀI GIẢNG THỨ HAI
Quanta
Hai cột trụ của vật lý thế kỷ 20 – thuyết
tương đối tổng quát, đã nói về nó trong bài giảng thứ nhất và cơ học quantum, vốn
tôi đang nói về nó ở đây – chúng không thể nào khác nhau được hơn nữa. Cả
hai lý thuyết đều dạy chúng ta rằng cấu trúc đúng thực của tự nhiên, nếu so
với như nó hiện bên ngoài, thì tinh tế hơn nhiều. Nhưng thuyết tương đối
tổng quát là một khối ngọc nén: được nghĩ ra từ não thức duy nhất, của
Albert Einstein, nó là một viễn kiến đơn giản và mạch lạc về lực hấp dẫn,
không gian và thời gian. Cơ học quantum, hay ‘thuyết quantum’, mặt khác, đã dành được sự thành công thực nghiệm không
gì sánh bằng và đã dẫn đến những ứng dụng làm thay đổi đời sống hàng ngày của
chúng ta (cômputơ mà tôi dùng để viết, thí dụ); thế nhưng sau hơn
một thế kỷ nó ra đời, nó vẫn còn phủ kín trong sự bí ẩn và không thể thấu
hiểu hoàn toàn được. [1]
Einstein đã cho thấy rằng ánh sáng được
tạo thành từ những gói nhỏ: những particle ánh sáng. Ngày nay chúng ta gọi
những particle sáng này là những ‘photon’. Ông
đã viết, trong phần giới thiệu về bài viết của ông:
Dường như với tôi
rằng những quan sát kết hợp với sự phóng xạ của vật thể đen [3], fluorescence, [4] sự sản xuất những tia cực
âm từ ánh sáng cực tím, và những hiện tượng liên quan khác kết nối
với sự phát xạ hay chuyển đổi của ánh sáng thì đều hiểu dễ dàng hơn, nếu
người ta giả định rằng năng lượng của ánh sáng thì đã phân phối không liên
tục trong không gian. Thuận theo giả định được xem xét ở đây, năng lượng
của một tia sáng tỏa ra từ một điểm nguồn thì không được phân bố liên
tục trên một không gian ngày càng tăng rộng, nhưng gồm một số lượng giới hạn của ‘quanta năng lượng’ vốn
được định vị trí ở những điểm trong không gian, di chuyển nhưng không phân
chia, và chúng chỉ có thể được sản xuất và hấp thu như những đơn vị toàn
vẹn.
Những dòng đơn giản và rõ ràng này là
giấy khai sinh thực của thuyết quantum. Lưu ý mở đầu tuyệt vời ‘Có vẻ
như với tôi ...’, gợi nhớ lại ‘tôi nghĩ ...’ vốn Darwin giới thiệu trong
những sổ ghi tay của ông ý tưởng vĩ đại rằng những loài tiến hóa, hay ‘sự do dự’
Faraday đã nói, khi giới thiệu lần đầu tiên ý tưởng cách mạng về những
trường điện từ. Những do dự của những thiên tài.
Công trình của Einstein thoạt đầu được
những đồng nghiệp đã coi như những bài viết non dại của một người trẻ xuất
chúng đặc biệt. Sau đó đã là cùng công trình đó khiến ông đã nhận giải
Nobel. Nếu Planck là cha đẻ của lý thuyết, Einstein là người mẹ nuôi dưỡng
nó.
Nhưng giống như tất cả những đứa con,
lý thuyết sau đó đã đi theo đường riêng của nó, chính Einstein đã không
nhận ra. Trong chục năm thứ hai và thứ ba của thế kỷ hai mươi, đó là Niels
Bohr [5], nhà vật lý Denmark, đã đi
trước trong sự phát triển của nó. Bohr đã là người hiểu rằng năng
lượng của những electron trong atom
chỉ có thể nhận lấy những năng xuất nhất định nào đó, giống như năng lượng của
ánh sáng, và quan trọng là những electron chỉ có thể ‘nhảy’ qua lại giữa quỹ
đạo của một atom và quỹ đạo của một atom khác với những năng lượng cố định, sau
khi phát ra hay hấp thụ một photon khi chúng nhảy. Đây là những ‘bước nhảy quantum’ nổi tiếng. Và đã
là trong viện nghiên cứu của ông ở Copenhagen, nơi những não thức trẻ tuổi xuất
sắc nhất của thế kỷ tập hợp lại với nhau, để thăm dò và cố gắng mang trật
tự đến với những phương diện khó hiểu của hành vi ứng xử trong thế giới atom, và
từ đó xây dựng một lý thuyết mạch lạc. Năm 1925, những phương trình của
lý thuyết cuối cùng đã xuất hiện, thay thế toàn bộ cơ học của Newton.
Thật khó để tưởng tượng một thành tích
lớn hơn. Tác động ngay lập tức, mọi sự vật việc đều có ý nghĩa và bạn
có thể tính toán mọi sự vật việc. Lấy một thí dụ: bạn có nhớ bảng tuần
hoàn những nguyên tố, được Mendeleev đưa ra, liệt kê tất cả những chất cơ
bản có thể có vốn vũ trụ được tạo ra từ chúng, từ hydrogen đến uranium, và
treo trên tường những lớp học? Tại sao đúng chỉ những nguyên tố này được
liệt kê ở đó và tại sao bảng tuần hoàn có cấu trúc đặc biệt này,
với những chu kỳ, và với những nguyên tố có những thuộc tính đặc thù này? Câu
trả lời là mỗi nguyên tố tương ứng với một giải đáp của phương trình chính
của cơ học quantum. Toàn bộ của hóa học hiện lên từ một phương trình duy
nhất.
Người đầu tiên viết những phương trình
của lý thuyết mới, dựa chúng trên những ý tưởng làm chóng mặt, sẽ là một thiên
tài trẻ tuổi người Germany, Werner Heisenberg.[6]
Heisenberg đã tưởng tượng rằng những electron
không phải lúc nào cũng có. Chúng chỉ
có khi ai đó hay một gì đó nhìn chúng, hay đúng hơn, khi chúng giao tiếp với
một gì đó khác. Chúng hóa thành vật chất ở một chỗ, với một xác suất
có thể tính toán được, khi va chạm với một gì đó khác. Những ‘bước
nhảy quantum’ từ một quỹ đạo này sang quỹ đạo khác là phương tiện duy nhất
chúng có để mang tư thế là ‘thực’: một electron là một tập hợp của những bước
nhảy từ một giao tiếp này sang giao tiếp khác. Khi không có gì động
đến nó, nó không chính xác ở bất cứ nơi nào. Nó thì không ở một ‘nơi’ nào hết cả.
Có vẻ như Tạo hóa khi đặt bút vẽ bản nháp
tạo dựng thực tại, đã không mạnh tay với một đường liền lạc đậm nét, nhưng chỉ nhẹ
một đường rải rác những chấm chấm nhạt.
Trong cơ học quantum không đối tượng
nào có một vị trí ấn định, trừ sau khi đâm đầu va thẳng vào một gì đó khác. Để
mô tả nó trong thể cách đang-bay, giữa một giao tiếp này và một giao tiếp khác, chúng
ta dùng một công thức toán học trừu tượng vốn không hiện hữu trong không gian
thực, chỉ trong không gian toán học trừu tượng. Nhưng còn tệ hại thêm
hơn: những bước nhảy qua lại này, với nó mỗi đối tượng chuyển từ chỗ này
sang một chỗ khác, không xảy ra trong một cách có thể tiên đoán được,
nhưng phần lớn thì ngẫu nhiên. Không thể nào đoán trước được chỗ nào
một electron sẽ lại hiện ra, nhưng chỉ tính toán được xác suất rằng nó sẽ nảy lên ở đây hay bật lên ở kia. Vấn đề của
xác suất đi vào trung tâm của vật lý,
ở đó mọi sự vật việc đã xem như đều được những luật chặt chẽ qui định, vốn
chúng thì phổ quát và không thể hủy ngang.
Điều này có vẻ phi lý phải không? Với
Einstein nó cũng có vẻ phi lý. Một mặt, ông đã đề cử Heisenberg cho giải
Nobel, sau khi nhìn nhận rằng Heisenberg đã hiểu được một gì đó nền tảng về
thế giới; trong khi về mặt khác, ông không bỏ lỡ bất kỳ dịp nào để càu
nhàu rằng điều này đã không có nghĩa lý gì nhiều!
Những con sư tử trẻ của nhóm Copenhagen
sửng sốt mất tinh thần: Sao Einstein
lại có thể nghĩ về điều này như thế? Người cha tinh thần của họ, người đã cho
thấy sự can đảm để nghĩ điều không thể nghĩ, bây giờ lại thối lui và sợ nhảy
bước mới này vào cái chưa biết vốn chính ông đã khởi động. Cũng vẫn là cùng
một Einstein, người đã cho thấy thời gian không như nhau ở mọi nơi và không
gian thì cong, bây giờ đang nói rằng thế giới thì không thể là sự lạ lùng này.
Kiên nhẫn, Bohr đã giải thích những ý
tưởng mới cho Einstein. Einstein phản đối. Ông nghĩ ra những thí
nghiệm suy tưởng để cho thấy rằng những ý tưởng đã mâu thuẫn: ‘Hãy tưởng
tượng một hộp đầy ánh sáng, từ [hộp đó] chúng ta cho một photon duy nhất
thoát ra trong một khoảnh khắc ...’ Như thế, bắt đầu một trong những thí
dụ nổi tiếng của ông, thí nghiệm ‘hộp đầy ánh sáng’ suy nghĩ trong đầu. Cuối
cùng, Bohr luôn tìm được một trả lời để bác bỏ những phản đối
này. Trong nhiều năm, họ đã tiếp tục đối thoại qua những bài giảng,
thư từ, bài viết ... Trong tiến trình trao đổi, hai con người vĩ
đại này đều đã phải lui về bước cũ, để thay đổi suy nghĩ của họ. Einstein
phải thừa nhận rằng không thực sự có mâu thuẫn trong những ý
tưởng mới. Bohr sẽ phải nhìn nhận rằng mọi sự vật việc đã không đơn giản
và rõ ràng như ông đã nghĩ ban đầu. Einstein đã không muốn bớt nghiêm khắc
về những gì với ông đã là vấn đề chính: rằng có một thực tại khách
quan độc lập với bất cứ ai tiếp xúc với dù bất cứ là gì. Bohr đã không
chịu bớt nghiêm khắc về sự hợp thức của cách thức sâu xa mới, trong
đó thực tại đã được khái niệm hóa bằng lý thuyết mới. Cuối
cùng, Einstein nhìn nhận rằng lý thuyết là một bước tiến khổng lồ
trong sự hiểu biết của chúng ta về thế giới, nhưng vẫn tin
rằng mọi sự vật việc không thể kỳ lạ
như nó được đưa ra – rằng ‘đằng sau’ nó phải có thêm một giải thích hợp lý
hơn nữa.
Một thế kỷ sau, chúng ta vẫn ở một chỗ.
Những phương trình của cơ học quantum và những hệ quả của chúng đều được
những nhà vật lý, kỹ sư, hóa học và sinh vật học dùng hàng ngày trong những lĩnh
vực khác biệt và rộng lớn: Chúng hết sức hữu ích trong tất cả kỹ thuật thời nay. Nếu
không có cơ học quantum thì tất đã không có những transistor. Thế nhưng, chúng vẫn còn là bí ẩn. Vì chúng
không mô tả những gì xảy ra với một hệ thống vật lý, nhưng chỉ một hệ
thống vật lý tác động một hệ thống vật lý khác như thế nào.
Điều này có nghĩa là gì? Rằng yếu
tính thực tại của một hệ thống thì không thể diễn tả được? Có phải nó
có nghĩa là chúng ta thiếu chỉ một mảnh của câu hỏi hiểm hóc? Hay
điều đó có nghĩa là, dường như với tôi, rằng chúng ta phải chấp nhận ý
tưởng rằng thực tại chỉ là sự tác động
qua lại? Kiến thức của chúng ta tăng lên, trong những hạn định thực. Nó
cho phép chúng ta làm những sự việc mới vốn trước đây thậm chí chúng ta đã
không tưởng tượng được. Nhưng sự tăng trưởng kiến thức đó đã mở ra
những câu hỏi mới. Những bí ẩn mới. Những ai là người dùng những phương
trình của lý thuyết trong phòng thí nghiệm cứ tiếp tục bất chấp, nhưng
trong những bài báo và hội nghị ngày càng nhiều trong những năm gần
đây, những nhà vật lý và triết gia tiếp tục tìm kiếm. Thuyết quantum là
gì, một thế kỷ sau khi ra đời? Một nhảy lao sâu xuống trong bản chất của
thực tại? Một nhầm lẫn ngu dốt nhưng hoạt động, do ngẫu nhiên? Phần của một trò
chơi ghép hình còn thiếu xót? hay một manh mối cho một gì đó sâu xa về cấu
trúc của thế giới mà chúng ta chưa ‘tiêu hóa’ được đúng cách?
Khi Einstein chết, đối lập lớn nhất của
ông, Bohr đã tìm được những lời ngưỡng phục cảm động dành cho ông. Vài năm
sau, đến phiên Bohr chết, ai đó chụp một tấm ảnh tấm bảng đen trong phòng học
của ông. Có một hình vẽ trên đó. Một hình vẽ của ‘hộp đầy ánh sáng’ trong
thí nghiệm tưởng tượng của Einstein. Cho đến sau cùng, khao khát tự thách
thức và hiểu thêm. Và cho đến tận cùng: hoài nghi (khoa học).
Lê Dọn Bàn tạm dịch – bản nháp thứ nhất
(Dec/2018)
(Còn tiếp... →)
http://chuyendaudau.blogspot.com/
http://chuyendaudau.wordpress.com
(Dec/2018)
(Còn tiếp... →)
http://chuyendaudau.blogspot.com/
http://chuyendaudau.wordpress.com
[1] Quantum: (Latin=amount: số lượng, nhiều
quantum= quanta), trong vật lý dùng để
chỉ đơn vị riêng rẽ nhỏ nhất có thể có của bất kỳ thuộc tính vật lý nào, chẳng
hạn như năng lượng hay vật chất.
Năm 1900, Max Planck đã dùng từ này trong trong một
bài thuyết trình trước Hội vật lý Germany. Planck đã tìm cách khám phá lý do
phóng xạ từ một vật thể phát sáng, đổi màu từ đỏ, sang da cam, và cuối cùng
thành màu xanh, khi nhiệt độ tăng lên. Ông thấy nếu giả định phóng xạ thì dưới
dạng những đơn vị riêng rẽ, như những gói nhỏ, chứ không phải dưới dạng sóng điện
từ liên tục, vốn vẫn giả định từ trước, vấn đề của ông như thế có thể có giải
đáp. Planck đã viết một phương trình toán học, đưa ra một con số mới đại diện
cho những đơn vị năng lượng riêng lẻ cực nhỏ. Ông gọi là những đơn vị năng lượng
là quanta.
[2]
Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) nhà lý thuyết vật lý Germany, đã sáng
lập lý thuyết quantum với ý tưởng ông nêu rằng những vật thể nóng chỉ tỏa ra những
lượng được cho phép, có hạn định, nào đó của năng lượng, tất cả chúng đều là những
bội số của một con số được gọi là hằng số
Planck. Max Planck đã vĩnh viễn thay đổi Vật lý và sự hiểu biết của chúng
ta về thế giới, khi ông tìm thấy rằng những vật thể nóng không tỏa ra một loạt
trơn tru, liên tục của năng lượng, như đã được giả định trong vật lý cổ điển.
Thay vào đó, ông tìm thấy rằng năng lượng phát ra bởi những vật thể nóng có những lượng khác biệt, với tất cả những
lượng khác đều bị cấm. Khám phá này đã là khởi đầu của thuyết quantum – một vật lý hoàn toàn mới – thay thế vật lý cổ điển,
ứng dụng trong thế giới kích thước cực nhỏ của những atom. Lý thuyết quantum đã
cách mạng sự hiểu biết của chúng ta về những tiến trình với kích thước atom và
sub-atom, cũng như thuyết tương đối của Albert Einstein đã cách mạng sự hiểu biết
của chúng ta về lực hấp dẫn, không gian và thời gian.
Planck ra đời ở Kiel, năm 1858, vùng bờ biển bắc
Germany. Max học trung học tại Maximilians Gymnasium – một trường dành cho trẻ
em có năng khiếu. Một trong những thày giáo của ông, nhà toán học Hermann
Müller, nhận thấy Max có thiên khiếu đặc biệt về toán, đã dạy thêm thiên văn học
và cơ học cho ông. Müller cũng dạy người học trò trẻ tuổi cách hình dung những
định luật vật lý trong não thức của mình – một vũ khí quan trọng trong kho vũ
khí của những nhà vật lý vĩ đại. Thường xảy ra rằng những người có tài năng
toán học cũng có tài năng âm nhạc, và đây cũng là trường hợp Max Planck, ông
sáng tác nhạc cổ điển, và chơi cello và piano thuần thành nhà nghề. Như thể thế
vẫn chưa đủ, ông cũng còn có một giọng hát tuyệt vời. Trước khi rời trường
trung học, Planck quyết định sẽ theo đuổi khoa học như một sự nghiệp, trong khi
âm nhạc vẫn là một sở thích phụ ham thích.,Về sau, ông nhớ lại lý do ông đã chọn
để trở thành một nhà khoa học: ‘như một kết quả trực tiếp của khám phá rằng lý
luận thuần túy có thể cho phép con người có được cái nhìn sâu xa về những tiến
trình của thế giới tự nhiên trên chúng ta’.
Khi theo học ở đại học ở Berlin, hai nhà vật lý nổi tiếng
– Hermann von Helmholtz và Gustav Kirchhoff đã là những giáo sư của ông.
Helmholtz đã trở thành người bạn thân thiết với Max. Một trong những đam mê của
Helmholtz trong vật lý là nhiệt động lực học. Planck ngày càng bị cuốn hút với
lý thuyết nhiệt động lực học. Ông bắt đầu chương trình làm việc của riêng mình
trong lĩnh vực này, Năm 21 – Planck nhận bằng tiến sĩ vật lý với vinh dự cao nhất
– summa cum laude. Năm 1892, Planck
trở thành một giáo sư về vật lý lý thuyết của đại học Berlin. Hai trong số những
sinh viên ban tiến sĩ của Planck sau được giải thưởng Nobel về vật lý: Max von
Laue và Walther Bothe. Trong khung cảnh đó, tất cả như đã sửa soạn cho khám phá
quan trọng của Planck: thuyết cơ học
quantum.
Để những quan sát phù hợp với lý thuyết đang có,
Planck đã đưa ra một đề nghị cách mạng. Nếu ai chưa quen với thuyết quantum, muốn
hiểu những gì ông đưa ra, hãy nhớ lại những bảng nhân, có thể làm vấn đề thành
dễ hiểu hơn – thí dụ, bảng nhân (‘cửu
chương’) của 3 là: 3, 6, 9, 12, 15 ... –
trong đó chỉ số những số chia chẵn cho 3, mới là những số thành, nghĩa
là mới được ‘cho phép’, và tất cả những con số khác đều ‘bị cấm’. Ý tưởng của
Planck là năng lượng được phát ra theo cách tương tự. Ông giả định rằng chỉ một lượng nhất định nào đó của năng lượng
có thể được phát ra – tức là quanta.
Ngược với vật lý cổ điển cho rằng tất cả những số lượng của năng lượng thì đều
có thể có được. Đây là sự ra đời của lý thuyết quantum. Planck nhận thấy rằng
thuyết mới của ông, dựa trên quanta của
năng lượng, đã tiên đoán chính xác được những bước sóng của ánh sáng phản xạ bởi một vật thể đen. Planck tìm thấy năng lượng được mang bởi phóng xạ điện
từ phải chia hết (chẵn) cho một số được gọi là hằng số Planck, ký hiệu bằng chữ h. Năng lượng sau đó có thể được tính từ phương trình:
E = hν
trong đó E là năng lượng, h là hằng số Planck, và ν là
tần số của phóng xạ điện từ. Hằng số Planck là một số lượng rất nhỏ. Kích thước
nhỏ của nó giải thích tại sao những nhà thí nghiệm về thời gian đã không nhận
ra rằng năng lượng điện từ thì đã quantum hóa. Hằng số Planck = 6,626 x 10-34 J
s.
Planck không có ý định đánh đổ vật lý cổ điển. Ý định
của ông là tìm ra một lý thuyết phù hợp với những quan sát thực nghiệm. Thế
nhưng, ý nghĩa của sự khám phá của ông đã là hết sức quan trọng. Lý thuyết
quantum – nhận thức rằng tự nhiên có những trạng thái ‘được phép’ và ‘bị cấm’ –
đã ra đời, khiến cách chúng ta giải thích tự nhiên sẽ không bao giờ còn giống
như trước nữa. Planck nhận giải Nobel Vật lý năm 1918, về: “[những gi] mà ông
đã mang đến tiến bộ cho Vật lý, qua khám phá của ông về năng lượng quanta.”
[3] Blackbody: vật thể đen hay khối lượng đen: một vật thể vật lý,
trong lý thuyết, hấp thụ tất cả những phóng xạ điện từ xảy ra hướng tới nó, bất
kể tần số hay góc tác động.
[4] fluorescence: trong vật lý, là sự phát sáng hay phóng xạ khác từ những
atoms hay molecules bị bắn phá bởi những hạt, chẳng hạn như những electron, hay
bởi phóng xạ từ một nguồn riêng biệt.
[5] Niels Bohr (1885-1962) Niels Bohr
đã hoàn toàn chuyển đổi cái nhìn của chúng ta về atom và thế giới. Sau khi ý thức
rằng vật lý cổ diển thất bại thảm hại khi sự vật việc cực nhỏ – nhỏ hơn những
atom, ông đã mô hình lại atom (mô hình Rutherford–Bohr), trong đó những electrons được ‘cho phép’ giữ những
quĩ đạo quanh nucleus, trong khi những quĩ đạo khác bị cấm. Sau đó, trong vai
trò kiến trúc sư chính của nhóm Copenhagen diễn giải cơ học quantum, ông đã
giúp vào việc biến đổi lại cách chúng ta hiểu tự nhiên vận hành thế nào trong
những mức độ atom.
[6] Werner Heisenberg (1901-1976) nhà vật lý và triết gia
người Germany, được ghi nhận với
những đóng góp hết sức quan trọng cho cơ học quantum. Ông đã nghĩ ra một phương
pháp để công thức cơ học quantum dùng những matrix (ma-trận), qua đó đã nhận giải
Nobel Vật lý 1932. Heisenberg được coi là một trong những nhân vật có ảnh hưởng
nhất trong vật lý nuclear, vật lý particle và lý thuyết trường quantum.
