Đang tải... (xem toàn văn)
Giải Nobel về Vật lý 1901 2004 Giải Nobel về Vật lý 1901 2004 Dạ Trạch 15 tháng 12 năm 2004 Nguyên tác "The Nobel Prize in Physics 1901 2000" cuả Erik B Karlsson Dạ Trạch dịch thuật và hiệu đính Vật l[.]
Giải Nobel Vật lý 1901-2004 Dạ Trạch 15 tháng 12 năm 2004 Nguyên tác: "The Nobel Dạ Trạch dịch thuật hiệu đính Prize in Physics 1901-2000" cuả Erik B Karlsson Vật lý gì? Vật lý coi môn khoa học khoa học tự nhiên Vật lý nghiên cứu thành phần vật chất tương tác chúng nghiên cứu nguyên tử việc tạo thành phân tử chất rắn Vật lý cố gắng đưa mô tả thống tính chất vật chất xạ, bao quát nhiều loại tượng Trong số ứng dụng, vật lý gần với hóa học cổ điển số ứng dụng khác thường liên quan chặt chẽ đến đối tượng nghiên cứu nhà thiên văn học Các xu hướng vật lý hướng đến vi sinh học Mặc dù hóa học thiên văn học ngành khoa học hoàn toàn độc lập, hai coi vật lý sở nghiên cứu lĩnh vực, khái niệm công cụ vấn đề khoa học Phân biệt vật lý hóa học số lĩnh vực thường khó Điều minh chứng vài lần lịch sử giải Nobel Dưới nhắc đến số giải Nobel hóa học đặc biệt giải có liên hệ chặt chẽ đến cơng trình mà người đoạt giải Nobel vật lý thực Đối với thiên văn học, tình lại khác khơng có giải Nobel cho thiên văn học nên từ đầu, phát kiến thiên văn học trao giải Nobel vật lý Từ vật lý cổ điển đến vật lý lượng tử Năm 1901, giải Nobel trao lĩnh vực vật lý cổ điển dựa tảng vững nhà vật lý hóa học vĩ đại kỉ thứ 19 tạo nên Hamilton đưa công thức mô tả động học vật rắn từ năm 1830 Carnot, Joule, Kelvin Gibbs phát triển nhiệt động học tới mức hồn thiện nửa cuối kỉ Các phương trình tiếng Maxwell chấp nhận mô tả tổng quát tượng điện từ ứng dụng xạ quang học sóng radio lúc Hetz phát Tất thứ, bao gồm tượng sóng, phù hợp với tranh vật lý dựng chuyển động học thành phần vật chất tự thể tượng vĩ mô khác Một số nhữung nhà quan sát cuối thể kỉ 19 cho rằng, việc cho nhà vật lý làm giải vấn đền nhỏ vấn đề lớn xây dựng gần hết Tuy vậy, thỏa mãn tranh vật lý kéo dài không Thời điểm bước sang kỉ thời điểm quan sát tượng mà vật lý lúc không lý giải ý tưởng cực sở vật lý lý thuyết đưa Chúng ta cần nhìn lại trùng hợp lịch sử mà Alfred Nobel khơng thấy trước được, việc trao giải thưởng Nobel bắt đầu lúc để ghi cơng đóng góp bật mở thời đại vật lý vào giai đoạn Một tượng khơng giải thích vài năm cuối kỉ 19 việc Wilhelm Conrad Rontgen, người trao giải Nobel vật lý (1901) phát tia X vào năm 1895 Lại nữa, năm 1896 Antoine Henri Becquerel phát tượng phóng xạ hai vợ chồng nhà bác học Marie Pierre Curie tiếp tục nghiên cứu chất tượng Lúc giờ, người ta chưa hiểu nguồn gốc tia X, người ta nhận tồn tượng che dấu giới tượng (mặc dù lúc đầu người ta chưa thấy ứng dụng thực tiễn việc chẩn đốn bệnh tia X) Nhờ cơng trình tượng phóng xạ, Becquerel vợ chồng Curie trao giải Nobel năm 1903 (một nửa giải cho Becquerel nửa cho vợ chồng Curie) Cùng với cơng trình Ernest Rutherford (người đạt giải Nobel hóa học năm 1908) người ta hiểu thực nguyên tử bao gồm hạt nhân nhỏ khơng phải phần tử khơng có cấu trúc người ta nghĩ trước Người ta cịn thấy số hạt nhân ngun tử lại khơng bền, chúng phát xạ anpha, betha gamma Đó cách mạng lúc giờ, với nhiều cơng trình vật lý khác, người vẽ tranh cấu trúc nguyên tử Năm 1897, Joseph J Thomson phát tia phát từ ca-tốt ống chân khơng hạt có mang điện tích Ơng chứng minh rằng, tia gồm hạt rời rạc mà sau gọi hạt điện tử Ông đo tỉ số khối lượng hạt điện tích (âm) hạt thấy giá trị phần nhỏ so với giá trị dự đoán nguyên tử mang điện Và sau người ta thấy hạt có khối lượng nhỏ bé mang điện tích âm phải viên gạch với hạt nhân mang điện tích dương tạo nên tất loại nguyên tử Thomson nhận giải Nobel vào năm 1906 Trước năm (1905), Phillip E.A von Lenard làm sáng tỏ nhiều tính chất thú vị tia phát từ ca-tốt khả sâu vào kim loại tạo huỳnh quang Sau đó, vào năm 1912, Robert A Millikan lần đo xác điện tích điện tử phương pháp giọt dầu (oildrop), điều dẫn ông đến giải Nobel năm 1923 Millikan trao giải cho cơng trình hiệu ứng quang điện Vào đầu kỉ 20, phương trình Maxwell có mặt vài chục thập kỉ, nhiều câu hỏi chưa giải đáp: môi trường môi trường trung gian dẫn chuyền sóng điện từ (trong có ánh sáng) hạt tải điện có phải nguyên nhân phát xạ ánh sáng hay không? Albert A Michelson phát triển phương pháp giao thoa, theo phương pháp khoảng cách hai vật thể đo số bước sóng ánh sáng (hoặc phần nhỏ chúng) Điều làm cho việc xác định chiều dài xác trước nhiều Rất nhiều năm sau, Văn phòng đo lường quốc tế (Bureau International de Poids et Mesures) Paris định nghĩa đơn vị mét sở số bước sóng xạ đặc biệt thay cho định nghĩa trước chiều dài platin Dùng giao thoa kế đó, Michelson W Morley tiến hành thí nghiệm tiếng, thí nghiệm kết luận vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động tương đối nguồn sáng người quan sát Thí nghiệm bác bỏ giả thuyết trước coi ê-te (ether) môi trường truyền ánh sáng Michelson nhận giải thưởng Nobel năm 1907 Các chế phát xạ ánh sáng hạt tải điện Hendrik A Lorentz nghiên cứu Ông người áp dụng phương trình Maxwell vào việc dẫn điện vật chất Lý thuyết ơng áp dụng vào xạ gây dao động nguyên tử, vào bối cảnh đó, lý tuyết giải thích thí nghiệm quan trọng Vào năm 1896, Pieter Zeeman nghiên cứu hiệu ứng điện từ ánh sáng tìm tượng quan trọng, vạch phổ Natri bị đốt cháy từ trường mạnh bị tách thành nhiều vạch Hiện tượng giải thích chi tiết lý thuyết Lorentz lý thuyết áp dụng cho dao động điện tử Lorentz Zeeman chia giải Nobel năm 1902, chí trước Thomson (phát điện tử) Sau đó, Johannes Stark chứng minh ảnh hưởng trực tiếp điện trường lên phát xạ ánh sáng nhờ việc phát chùm nguyên tử (chùm tia a-nốt gồm nguyên tử phân tử) điện trường mạnh Ông quan sát tách phức tạp vạch phổ dịch chuyển Doppler phụ thuộc vận tốc nguồn phát Stark nhận giải Nobel năm 1919 Với bối cảnh đó, việc xây dựng mơ hình chi tiết nguyên tử, vấn đề tồn khái niệm từ thời cổ đại coi thành phần khơng có cấu trúc vật lý cổ điển, thực Bắt đầu từ kỉ 19, người ta có tài liệu thực nghiệm vạch phổ đặc trưng phát vùng nhìn thấy từ loại nguyên tử khác Bức xạ tia X đặc trưng Charles G Barkla (Nobel 1917) phát bổ sung thêm cho tài liệu Barkla phát điều sau Max von Laue (Nobel 1914) xác định chất sóng xạ nhiễu xạ tia X Phát Laue trở thành nguồn thông tin quan trọng cấu trúc bên nguyên tử Tia X đặc trưng Barkla chùm tia thứ cấp, đặc trưng cho nguyên tố, phát xạ từ ống phát tia X (nhưng không phụ thuộc vào công thức hóa học mẫu) Karl Manne G Siegbahn nhận thấy đo phổ tia X đặc trưng tất nguyên tố cho biết cách có hệ thống lớp điện tử thêm vào từ nguyên tố nhẹ tới nguyên tố nặng Ông thiết kế máy đo quang phổ xác cho mục đích Và nhờ người ta xác định khác lượng lớp điện tử khác qui tắc cho việc dịch chuyển xạ lớp Ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1924 Tuy vậy, hóa để hiểu sâu cấu trúc nguyên tử, người ta cần nhiều nhiều khái niệm thơng thường vật lý cổ điển mà khó tưởng tượng Vật lý cổ điển coi chuyển động liên tục việc trao đổi lượng liên tục Vậy nguyên tử lại phát xạ có đỉnh cực đại? Ở đây, vấn đề có nguồn gốc từ cuối kỉ thứ 19 cho đầu mối quan trọng để giải thích thắc mắc Wilhelm Wien nghiên cứu xạ “vật đen” (black-body) từ vật rắn nóng (tương phản với xạ ngun tử khí có phân bố tần số liên tục) Sử dụng điện động học cổ điển (classical electrodynamics), ông tới biểu thức cho phân bố tần số xạ cho dịch chuyển bước sóng có cường độ cực đại nhiệt độ vật đen bị thay đổi (định luật dịch chuyển Wien, hiệu việc xác định nhiệt độ mặt trời chẳng hạn) Ông trao giải Nobel năm 1911 Hình1: (từ trái) Rongent (1845-1923), Thomson(1856-1940), Bohr(1885-1962), Planck(1858-1947) Tuy vậy, Wien rút công thức phân bố phù hợp với thực nghiệm cho hai vùng bước sóng dài bước sóng ngắn Vấn đề khơng giải Max K E L Planck đưa ý tưởng hoàn toàn lượng phát xạ phát lượng gián đoạn, có giá trị định gọi lượng tử (quanta) Một lượng tử lượng có giá trị lớn bước sóng nhỏ có giá trị nhỏ bước sóng lớn (lượng tử lượng số Plank nhân với tần số lượng tử đó) Đây coi đời vật lý lượng tử Wien nhận giả Nobel năm 1911 Plank nhận năm sau đó, vào năm 1918 Các chứng quan trọng chứng minh ánh sáng phát theo lượng tử lượng củng cố lời giải thích Albert Eistein hiệu ứng quang điện (được Hetz quan sát lần vào năm 1887) Hiệu ứng quang điện bao gồm phần mở rộng lý thuyết Plank Einstein nhận giải Nobel vật lý năm 1921 (trao giải năm 1922) hiệu ứng quang điện “những đóng góp cho vật lý lý thuyết” (điều ám bối cảnh khác) Trong thí nghiệm sau này, James Franck Gustav L Hertz chứng minh hiệu ứng quang điện ngược (inverse of the photoelectric effect, tức điện tử va chạm với nguyên tử cần lượng tối thiểu để sinh lượng tử ánh sáng với lượng đặc trưng phát từ va chạm đó) chứng minh tính đắn lý thuyết Plank số Plank Franck Hertz nhận giải Nobel năm 1926 Cũng vào khoảng thời gian đó, Arthur H Compton (người nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1927) nguyên cứu mát lượng quang tử (photon, lượng tử sóng điện từ) tia X tán xạ lên hạt vật chất cho thấy lượng tử chùm tia X có lượng lớn lượng ánh sáng nhìn thấy 10.000 lần chúng tuân theo qui tắc lượng tử Charles T R Wilson (xem đây) nhận nửa giải Nobel năm 1927 tạo dụng cụ quan sát tán xạ lượng cao dùng để chứng minh tiên đoán Compton Với khái niệm sở lượng tử hóa lượng, tình hình vật lý thúc đẩy phiêu lưu vào giới bí ẩn vật lý vi mô Cũng giống số nhà vật lý tiếng trước đó, Niels H D Bohr làm việc với mơ hình hành tinh ngun tử điện tử quay xung quanh hạt nhân Ơng thấy vạch phổ sắc nét phát từ ngun tử giải thích cách cho điện tử quay xung quanh hạt nhân quĩ đạo tĩnh đặc trưng mô men góc bị lượng tử hóa (bằng số nguyên lần số Plank chia cho 2*pi) Ông cho thấy lượng phát xạ khác trạng thái lượng bị lượng tử hóa Giả thiết ơng đưa có xuất phát điểm từ vật lý cổ điển từ lý thuyết Plank Mặc dầu giả thiết giải thích số đặc điểm đơn giản quang phổ nguồn gốc người ta sớm chấp nhận phương pháp Bohr điểm khởi đầu đắn, ông nhận giải Nobel năm 1922 Hóa muốn hiểu sâu tính chất xạ vật chất (cho đến lúc người ta coi hai thực thể hồn toàn riêng biệt) người ta cần thêm tiến mô tả lý thuyết giới vi mô Năm 1923, Louis-Victor P R de Broglie phát biểu hạt vật chất có tính chất sóng sóng điện từ thể tính chất hạt dạng quang tử Ông phát triển cơng thức tốn học cho tính lưỡng tính này, có cơng thức mà sau gọi “bước sóng de Broglie” cho hạt chuyển động Các thí nghiệm ban đầu Clinton J Davisson thực điện tử thể tính chất phản xạ giống sóng đập vào tinh thể thí nghiệm lặp lại nhiều lần chứng minh giả thiết lưỡng tính de Broglie Một thời gian sau George P Thomson (con trai J J Thomson) đưa nhiều thí nghiệm cải tiến nhiều cho biết tượng tán xạ điện tử lượng cao sâu vào kim loại De Broglie nhận giải Nobel năm 1929 sau Davisson Thomson chia giải Nobel năm 1937 Điều cần làm phải đưa phương trình tốn học mơ tả lý thuyết thay cho học cổ điển mà lý thuyết giải thích đắn tượng qui mơ nguyên tử xạ chúng Từ năm 1924 đến 1926 khoảng thời gian phát triển cao độ lĩnh vực Erwin Schrödinger phát triển thêm ý tưởng de Broglie viết báo “Lượng tử hóa tốn trị riêng” vào đầu năm 1926 Ông tạo gọi “cơ học sóng” (wave mechanics) Nhưng năm trước Werner K Heisenberg bắt đầu phương pháp tốn học hồn tốn khác gọi “cơ học ma trận” (matrix mechanics) cách ông thu kết tương tự kết mà Schrưdinger đưa sau Cơ học lượng tử Schrodinger Heisenberg khởi đầu từ tranh cảm tính quĩ đạo cổ điển nguyên tử Nó ngụ ý có giới hạn tự nhiên việc xác định xác đồng thời đại lượng vật lý (hệ thức bất định Heisenberg - Heisenberg's uncertainty relations) Hình2:(từ trái) Lamb(1913- ), Kusch(1911-1993) Schrưdinger(1887-1961), Dirac(1902-1984) Heisenberg trao giải Nobel năm 1932 cho việc phát triển học lượng tử, Schrưdinger Paul A M Dirac nhận giải vào năm sau Cơ học lượng tử Schrodinger Heisenberg vận tốc lượng tương đối thấp chuyển động “quĩ đạo” (orbital) điện tử hóa trị ngun tử Nhưng phương trình khơng thỏa mãn u cầu xác định từ nguyên lý Eistein cho hạt chuyển động nhanh Dirac sửa đổi công thức tính đến lý thuyết tương đối hẹp Eistein cho thấy lý thuyết không bao gồm thông số tương ứng cho tự quay điện tử xung quanh gọi spin (do giải thích mơ men từ nội điện tử cấu trúc tinh tế quan sát phổ ngun tử) mà cịn tiên đốn tồn loại hạt hoàn toàn gọi phản hạt (antiparticles) có khối lượng khối lượng điện tử mang điện tích dương Phản hạt điện tử Carl D Anderson (được trao nửa giải Nobel năm 1936) phát năm 1932 gọi positron Giải Nobel năm sau trao cho người có đóng góp quan trọng khác cho phát triển học lượng tử Max Born, thầy Heisenberg vào năm đầu thập niên 20 có cơng trình quan trọng mơ tả tốn học giải thích vật lý Ông nhận nửa giải nobel vào năm 1954 cho cơng trình ơng ý nghĩa thống kê hàm sóng Wolfgang Pauli đưa nguyên lý loại trừ (exclusion principle – trạng thái lượng tử có điện tử mà thơi) dựa sở lý thuyết bán cổ điển Bohr Sau này, người ta thấy nguyên lý Pauli liên quan đến tính đối xứng hàm sóng hạt có spin bán nguyên nói chung gọi hạt fermion để phân biệt với hạt boson có spin số nguyên lần số Plank chia cho 2*pi Nguyên lý loại trừ có nhiều hệ quan trọng nhiều lĩnh vực vật lý Pauli nhận giải Nobel năm 1945 Việc nghiên cứu spin điện tử tiếp tục mở chân trời vật lý Các phương pháp xác để xác định mô men từ hạt tự quay phát triển vào năm 30 40 cho nguyên tử hạt nhân (do Stern, Rabi, Bloch Purcell thực hiện, xem phần dưới) Năm 1947 họ đạt đến độ xác mà Polykarp Kusch phát biểu mơ men từ điện tử khơng có giá trị Dirac tiên đoán mà khác đại lượng nhỏ Vào thời gian Willis E Lamb nghiên cứu vấn đề tượng tự spin điện tử tương tác với trường điện từ việc nghiên cứu cấu trúc tinh tế (fine structure) quang phổ phát từ nguyên tử Hidro với phương pháp cộng hưởng tần số radio có độ phân giải cao Ông quan sát thấy tách cấu trúc tinh tế luôn sai khác với giá trị Dirac lượng đáng kể Các kết làm cho người ta phải xem lại khái niệm đằng sau ứng dụng lý thuyết lượng tử vào tượng điện từ, lĩnh vực Dirac, Heisenberg Pauli khởi đầu vài khiếm khuyết Kusch Lamb nhận giải Nobel năm 1955 Trong điện động học lượng tử (quantum electrodynamics – gọi tắt DDHLT), lý thuyết nhiễu loạn lượng tử mơ tả hạt tích điện tương tác thơng qua trao đổi quang tử Mơ hình cũ DDHLT bao gồm trao đổi quang tử riêng lẻ, Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger Richard P Feynman nhận tình lại phức tạp nhiều tán xạ điện tử-điện tử bao gồm trao đổi vài quang tử Một điện tích điểm “trần trụi” khơng tồn tranh họ Điện tích ln tạo đám cặp hạt-phản hạt ảo (virtual particle-antiparticle) xung quanh nó, đó, mơ men từ hiệu dụng thay đổi Coulomb bị biến đổi khoảng cách ngắn Các tính tốn từ mơ hình tái tạo lại liệu thực nghiệm Kusch Lamb với độ xác ngạc nhiên mơ hình DDHLT coi lý thuyết xác có Tomonaga, Schwinger Feynman nhận giải Nobel vật lý năm 1965 Bước phát triển DDHLT có tầm quan trọng vĩ đại việc mô tả tượng vật lý lượng cao Khái niệm sinh cặp từ trạng thái chân không trường lượng tử (quantized field) khái niệm sở lý thuyết trường đại tương tác mạnh sắc động học lượng tử (quantum chromodynamics) Khía cạnh khác học lượng tử lý thuyết trường lượng tử tính đối xứng hàm sóng trường Các tính chất đối xứng tương ứng với trao đổi hạt đồng dựa nguyên lý loại trừ Pauli nói trên, đối xứng tương ứng với biến đổi không gian trở nên quan trọng không Năm 1956, Lý Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) Dương Chấn Ninh (Chen Ning Yang) tương tác vật lý khơng tn theo đối xứng gương (tức là, chúng khác hệ tọa độ quay trái quay phải) Điều có nghĩa tính chất “chẵn lẻ” hàm sóng, kí hiệu “P” khơng bảo tồn hệ chịu tương tác tính chất đối xứng gương bị thay đổi Cơng trình hai ơng điểm khởi đầu cho nghiên cứu chuyên sâu hiệu ứng sau người ta thấy phân rã hạt betta pi thành hạt muy tương tác yếu gây không bảo tồn tính chẵn lẻ (xem thêm phần dưới) Lý Dương nhận giải Nobel năm 1957 (*Bổ sung: định luật bảo toàn rút từ tính chất đối xứng Tính đối xứng đồng không gian thời gian làm cho lượng, xung lượng, mơ men xung lượng bảo tồn Do đó, tính đối xứng bảo tồn liên hệ chặt chẽ – ND*) Các tính chất đối xứng khác học lượng tử có liên hệ với thay hạt phản hạt (gọi giao hốn điện tích – charge conjugation, kí hiệu “C”) Trong trường hợp chuyển đổi phóng xạ mà Lý Dương nghiên cứu, người ta thấy tính chẵn lẻ khơng bảo tồn, tồn đối xứng hạt phản hạt phá vỡ tính chẵn lẻ theo cách trái ngược hồn tồn tốn tử tổ hợp C*P bảo tồn tính đối xứng Nhưng ngun lý bảo tồn C*P kéo dài khơng James W Cronin Val L Fitch phát phân rã hạt “meson K” vi phạm nguyên lý trên, vi phạm qui mơ nhỏ Cronin Fitch đưa phát vào năm 1964 họ nhận giải Nobel năm 1980 Hệ phát (bao gồm câu hỏi tính đối xứng q trình tự nhiên đảo ngược thời gian – gọi đối xứng T) thảo luận ngày chạm đến tảng sâu vật lý lý thuyết đối xứng P*C*T ln coi bảo toàn Người ta biết trường điện từ có tính chất gọi “đối xứng chuẩn” (gauge symmetry), tức phương trình trường giữ nguyên dạng điện từ nhân lên với số pha học lượng tử định Người ta tương tác yếu (weak interaction) có tính chất năm 1960, Sheldon L Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg đưa lý thuyết thống tương tác yếu tương tác điện từ Họ chia giải Nobel năm 1979 lý thuyết thống đặc biệt tiên đoán họ loại tương tác yếu đặc biệt điều hòa “dòng neutron – neutron current” thực nghiệm kiểm chứng gần Giải Nobel vật lý cuối kỉ 20 trao cho Gerhardus 't Hooft Martinus J G Veltman Họ tìm cách để tái chuẩn hóa lý thuyết “điện-yếu” (electro-weak), loại bỏ điểm kì dị tính tốn lượng tử (giống DDHLT giải toán với tương tác Coulomb) Cơng trình họ cho phép tính tốn chi tiết đóng góp tương tác yếu vào tương tác hạt nói chung, chứng minh tính hiệu lý thuyết dựa bất biến chuẩn cho tất tương tác vật lý Cơ học lượng tử phần mở rộng lý thuyết trường lượng tử thành tựu vĩ đại kỉ 20 Bản phác thảo đường từ vật lý cổ điển đến vật lý đại dẫn chặng đường dài đến tranh thống hạt lực tự nhiên Nhưng cịn nhiều việc phải làm đích cịn xa phía trước Ví dụ cịn phải thống lực điện-yếu với lực hạt nhân “mạnh” với lực hấp dẫn Nhưng đây, người ta nhận thấy mô tả lượng tử giới vi mơ có ứng dụng khác: tính tốn tính chất hóa học hệ phân tử (đôi lúc mở rộng cho sinh học phân tử) cấu trúc chất rắn, ngành mà thu số giải Nobel vật lý hóa học Từ giới vi mơ đến giới vĩ mô Phần trước “Từ vật lý cổ điến đến vật lý lượng tử” đưa từ tượng giới vĩ mô mà gặp hàng ngày tới giới lượng tử nguyên tử, điện tử hạt nhân Bắt đầu từ ngun tử, cơng trình người đạt giải Nobel cho hiểu biết sâu sắc giới hạ nguyên tử (subatomic) thành phần nhỏ bé Chúng ta nhận thấy rằng, nửa đầu kỉ 20, khám phá tính chất giới vi mơ hạt tương tác cần thiết để hiểu lịch sử cấu thành tiến hóa cấu trúc lớn vũ trụ - giới vĩ mô Tại thời điểm tại, vật lý, vật lý thiên văn vũ trụ học liên hệ với chặt chẽ, trình bày vài ví dụ Một mối liên hệ khác liên kết thực thể nhỏ lớn vũ trụ lý thuyết tương đối Albert Einstein Einstein đưa lý thuyết tương đối hẹp lần vào năm 1905 (special theory of relativity) với phương trình cho biết mối liên hệ khối lượng lượng E=mc2 Và vào thập kỉ tiếp theo, ông tiếp tục đưa lý thuyết tương đối rộng (general theory of relativity) liên hệ lực hấp dẫn với cấu trúc không gian thời gian Tất tính tốn khối lượng hiệu dụng hạt lượng cao, biến đổi lượng phân rã phóng xạ tiên đoán Dirac tồn phản hạt, dựa lý thuyết tương đối ông Lý thuyết tương đối rộng sở cho tính tốn chuyển động thang vĩ mơ vũ trụ, kể giả thiết tính chất hố đen Eistein nhận giải Nobel vào năm 1922 lại cơng trình hiệu ứng quang điện thể chất hạt ánh sáng (*Có lẽ ủy ban trao giải thưởng thận trọng không trao giải Nobel cho ông lý thuyết tương đối Họ sợ rằng, lý thuyết quan trọng vậy, sai để lại hậu lớn, Eistein trao giải hiệu ứng quang điện, vấn đề quan trọng nhiều so với thuyết tương đối - ND*) Các nghiên cứu Becquerel, vợ chồng Curie Rutherford nảy sinh câu hỏi: đâu nguồn lượng hạt nhân phóng xạ để trì việc phát xạ anpha, betha gamma khoảng thời gian dài mà vài người số họ quan sát được? hạt anpha hạt nhân có tạo thành từ hạt hay không? Câu hỏi (có vẻ vi phạm định luật bảo tồn lượng, định luật quan trọng vật lý) có câu trả lời từ lý thuyết biến tố (transmutation theory) Rutherford Frederick Soddy (Nobel hóa học 1921) Họ theo dõi chi tiết chuỗi phân rã phóng xạ khác so sánh lượng phát với thay đổi khối lượng hạt nhân mẹ hạt nhân Họ tìm thấy hạt nhân thuộc nguyên tố hóa học có khối lượng khác gọi “đồng vị” (isotope) Một giải Nobel trao vào năm 1922 cho Francis W Aston việc tách phổ-khối lượng (mass-spectroscopic) số lớn đồng vị ngun tố khơng phóng xạ Cùng lúc Marie Curie nhận giải Nobel lần thứ hai (lần hóa học) phát nguyên tố hóa học radium polonium Khối lượng đồng vị số nguyên lần khối lượng proton, proton Rutherford phát lần ông chiếu tia anpha hạt nhận nguyên tử Ni-tơ Nhưng đồng vị tạo thành từ proton nguyên tố hóa học có giá trị tổng điện tích hạt nhân Thơng thường proton chiếm không đến nửa khối lượng hạt nhân, điều có nghĩa số thành phần khơng mang điện có mặt hạt nhân James Chadwick lần tìm thấy chứng cho hạt đó, gọi hạt neutron ông nghiên cứu phản ứng hạt nhân năm 1932 Ông nhận giải Noebel vật lý năm 1935 Ngay sau phát Chadwick, Enrico Fermi số người khác bắt tay vào nghiên cứu neutron phương pháp để tạo phản ứng hạt nhân mà gây phóng xạ “nhân tạo” Fermi thấy xác suất phản ứng cảm ứng-hạt nhân (neutron-induced reactions, không bao gồm biến đổi nguyên tố) tăng lên neutron bị làm chậm điều cho nguyên tố nặng giống với nguyên tố nhẹ, trái ngược với phản ứng cảm ứng hạt mang điện (*ví dụ proton*) Ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1938 Một nhánh vật lý gọi “vật lý hạt nhân” hình thành dựa giả thiết hạt nhân tạo thành từ proton neutron vài thành tựu quan trọng ghi nhận giải Nobel Ernest O Lawrence, người nhận giải Nobel vật lý năm 1939 xây máy gia tốc hạt gia tốc việc gia tăng lượng cho hạt sau vòng quay từ trường Bằng máy gia tốc ơng gia tốc hạt nhân tới lượng cao mà phản ứng hạt nhân xảy ông thu kết quan trọng Ngài John D Cockcroft Ernest T S Walton gia tốc hạt việc tác động trực tiếp điện cao ông trao giải vào năm 1951 cho cơng trình nghiên cứu biến tố (*nguyên tố mẹ biến đổi thành ngun tố thơng qua phóng xạ*) Otto Stern nhận giải Nobel vật lý năm 1943 cho phương pháp thực nghiệm ơng để nghiên cứu tính chất từ hạt nhân, đặc biệt xác định mô men từ proton Isidor I Rabi làm tăng độ xác lên hai bậc việc xác định mô men từ vủa hạt nhân kĩ thuật cộng hưởng tần số radio, đó, ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1944 Các tính chất từ hạt nhân cung cấp thông tin quan trọng để hiểu chi tiết proton neutron tạo nên hạt nhân Sau đó, vào nửa cuối kỉ vài nhà vật lý lý thuyết trao giải cho cơng trình mơ hình hóa lý thuyết hệ nhiều hạt vậy: Eugene P Wigner (nửa giải), Maria Goeppert-Mayer (một phần tư) and J Hans D Jensen (một phần tư) vào năm 1963 Aage N Bohr, Ben R Mottelson L James Rainwater vào năm 1975 Chúng ta trở lại cơng trình phần “Từ đơn giản đến phức tạp” Ngay từ năm 1912 Victor F Hess (giải Nobel năm 1936 với Carl D Anderson) thấy xạ có khả sâu vào vật chất đến với từ khoảng khơng ngồi vũ trụ “Bức xạ vũ trụ” ghi nhận buồng ion hóa sau buồng mây (cloud chamber) Wilson (người nhắc đến phần trước) Các tính chất hạt đốn từ vạch cong hạt để lại buồng ion hóa tác dụng từ trường mạnh bên Theo cách đó, C D Anderson phát positron Anderson Patrick M S Blackett cho thấy rằng, tia gamma (cần lượng quang tử hai lần me*c2, me khối lượng điện tử) sinh cặp điện tử-phản điện tử ngược lại, điện tử phản điện tử hủy tạo tia gamma bị Blackett nhận giải Nobel vật lý năm 1948 cho việc phát triển buồng mây sau phát minh mà cơng thực đển làm việc Mặc dù sau này, máy gia tốc phát triển nhiều, xạ vũ trụ nguồn hạt lượng cao chủ yếu vài thập kỉ (và hạt từ xạ vũ trụ có lượng lớn lượng hạt tạo từ máy gia tốc lớn trái đất, cường độ xạ vũ trụ nhỏ) cung cấp hình ảnh ban đầu giới hạ hạt nhân mà lúc người hoàn toàn chưa biết Một loại hạt gọi meson phát năm 1937 có khối lượng xấp xỉ 200 lần khối lượng điện tử (nhưng nhẹ proton 10 lần) Năm 1946, Cecil F Powell làm sáng tỏ tượng cho thực có nhiều loại hạt tồn Một số có tên “meson pi” phân rã thành hạt khác gọi “meson muy” Powell nhận giải Nobel vật lý năm 1950 Lúc nhà lý thuyết nghiên cứu lực mà giữ proton neutron lại hạt nhân Năm 1935, Hideki Yukawa giả thiết lực tương tác “mạnh” (strong force) truyền hạt trao đổi (*có hai loại hạt: hạt thực có spin bán nguyên hạt truyền tương tác hay gọi hạt trao đổi, hạt có spin ngun, ví dụ hạt gravion hạt truyền tương tác hấp dẫn – ND*), giống lực điện từ giả thiết truyền thông qua trao đổi quang tử ảo lý thuyết trường lượng tử Yukawa cho hạt phải có khối lượng khoảng 200 lần khối lượng điện tử để giải thích tầm tác dụng ngắn lực tương tác mạnh mà thực nghiệm tìm Hạt meson pi mà Powell tìm có tính chất phù hợp để “hạt Yukawa” Ngược lại, hạt meson muy lại có tính chất hồn tồn khác (và tên sau đổi thành “muon”) Yukawa nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1949 Mặc dù nghiên cứu sau chế lực tương tác mạnh phức tạp tranh Yukawa nhiều ông coi người tiên phong nhiên cứu hạt truyền tương tác mạnh Có thêm hạt phát vào năm 1950, từ xạ vũ trụ từ va chạm hạt gia tốc Vào cuối năm 50, máy gia tốc đạt lượng vài tỉ eV (electronvolt), tức cặp hạt với khối lượng khối lượng proton tạo từ chuyển đổi lượng-khối lượng Phương pháp nhóm nghiên cứu Owen Chamberlain Emilio Segrè sử dụng lần họ xác định nghiên cứu phản proton vào năm 1955 (họ chia giải Nobel năm 1959) Các máy gia tốc lượng cao cho phép cho phép nghiên cứu cấu trúc proton neutron chi tiết trước nhiều Robert Hofstadter phân biệt chi tiết cấu trúc điện từ nucleon nhờ quan sát tán xạ chúng lên điện tử lượng cao Ông nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1961 Hạt hạt kia, hạt meson phản hạt tương ứng chúng xuất nhờ vết phim chụp máy thu hạt tích điện Sự tồn hạt neutrino tiên đoán từ lý thuyết Pauli vào năm 30 ghi nhận Các chứng trực tiếp thực nghiệm hạt neutrino C L Cowan Frederick Reines cung cấp vào năm 1957 đến năm 1995, công trình trao nửa giải Nobel (lúc Cowan chết, ơng chết năm 1984) Neutrino có mặt q trình liên quan đến tương tác “yếu” (như phân rã hạt betha hạt meson pi thành hạt muon) cường độc chùm hạt tăng lên, máy gia tốc tạo chùm neutrino thứ cấp Leon M Lederman, Melvin Schwartz Jack Steinberger phát triển phương pháp vào năm 60 chứng minh hạt neutrino kèm phân rã meson pi thành muon không đồng với neutrino liên quan đến điện tử phân rã hạt betha, chúng hai hạt riêng biệt gọi hạt “neutrino điện tử” “neutrino muon” Bây giờ, nhà vật lý bắt đầu phân biệt số thứ tự hạt: hạt điện tử (e), hạt muon (muy), neutrino điện tử (nuy e), neutrino muon (nuy muy) phản hạt chúng tìm thấy chúng thuộc lớp gọi “lepton” Các hạt không tương tác lực tương tác mạnh, ngược lại, hạt proton, neutron, meson hyperon (tập hợp hạt có khối lượng lớn khối lượng proton) lại xác định lực tương tác mạnh Các hạt lepton mở rộng Martin L Perl nhóm nghiên cứu ông phát hạt lepton “tau” có khối lượng lớn điện tử muon Perl chia giải Nobel với Reines vào năm 1995 Tất lepton coi hạt bản, tức chúng giống điểm cấu trúc nội, proton,… lại Murray Gell-Mann người khác cố gắng phân loại hạt tương tác mạnh (gọi “hardron”) thành nhóm có liên hệ kiểu tương tác giống Gell-Mann nhận giải Nobel năm 1969 Hệ thống ông dựa giả thiết tất hạt tạo thành từ hạt nguyên tố gọi hạt “quark” Bằng chứng thực việc nucleon tạo thành từ hạt giống quark đến từ cơng trình Jerome I Friedman, Henry W Kendall Richard E Taylor Họ “nhìn thấy” hạt cứng bên lepton nghiên cứu tán xạ không đàn hồi điện tử (các điện tử có lượng lớn lượng mà Hofstadter dùng trước đó) lên lepton Do đó, họ chia giải Nobel năm 1990 Người ta hiểu tất hạt tương tác mạnh tạo thành từ quark Vào năm 70, hạt có thời gian sống ngắn phát cách độc lập nhóm Burton Richter Samuel C C Ting Đó loại hạt quark chưa biết vào lúc đặt tên “đẹp” (charm) Hạt quark khơng có mối liên hệ đến hệ thống hạt Burton Ting chia giải Nobel năm 1976 Mơ hình chuẩn vật lý hạt phân chia hạt thành họ, họ thứ gồm: quark (và phản quark) hai lepton, lepton có quark “thuận” (up) “nghịch” (down), điện tử neutrino điện tử; họ thứ hai gồm: quark “lạ” (strange) quark “đẹp”, muon neutrino muon; họ thứ ba gồm: quark thuận, quark ngược, tau tau neutrino Các hạt truyền tương tác tương tác điện yếu quang tử, hạt Z hạt boson W tương tác mạnh hạt gluon Năm 1983, Carlo Rubbia nhóm nghiên cứu ơng chứng minh tồn hạt W Z buồng va chạm proton-phản proton với lượng đủ cao để tạo hạt nặng Rubbia chia giải năm 1984 với Simon van der Meer, người có phát minh quan trọng việc xây dựng buồng va chạm Họ suy đốn có hạt khác tạo lượng cao lượng máy gia tốc thời, đến khơng có chứng thực nghiệm điều Vũ trụ học ngành khoa học nghiên cứu cấu trúc tiến hóa vũ trụ đối tượng nấc thang vĩ mơ Các mơ hình xây dụng tính chất hạt biết tương tác chúng tính chất khơng-thời gian hấp dẫn Mơ hình vụ nổ lớn mơ tả kịch cho tiến hóa vũ trụ thời điểm Một tiên đốn mơ hình tồn xạ vũ trụ mà Arno A Penzias Robert W Wilson tìm vào năm 1960 Họ nhận giải Nobel vật lý năm 1978 Bức xạ tàn dư trình va chạm giả thiết xuất vào giai đoạn sớm sau vụ nổ lớn Nhiệt độ cân thời kì vũ trụ độ Kenvin Nhiệt đó gần đồng theo tất hướng quan sát khác nhau; sai khác nhỏ khỏi giá trị đồng nghiên cứu nói cho biết nhiều lịch sử sớm vũ trụ Khoảng không vũ trụ ví đấu trường lớn cho hạt tương tác với điều kiện đặc biệt (mà tạo phịng thí nghiệm trái đất) tạo cách tự phát Các hạt gia tốc tới lượng cao máy gia tốc trái đất, phản ứng hạt nhân xảy bên sao, lực hấp dẫn nén hạt đến mật độ cực cao Hans A Bethe lần mơ tả chu kì Hydro các-bon lượng giải phóng ngơi kết hợp proton thành hạt nhân Hê-li Vì đóng góp này, ơng nhận giải Nobel vật lý vào năm 1967 Subramanyan Chandrasekhar tính tốn lý thuyết q trình tiến hóa ngơi sao, đặc biệt ngơi kết thúc đời trạng thái gọi “sao lùn trắng” (white dwarf) D ưới số điều kiện đặc biệt, sản phẩm cuối “sao neutron”, vật thể cực đặc tất proton biến thành neutron Trong vụ nổ siêu (supernova), nguyên tố nặng tạo q trình tiến hóa bay vào khoảng không vũ trụ William A Fowler làm sáng tỏ chi tiết mặt lý thuyết thực nghiệm (sử dụng máy gia tốc) phản ứng hạt nhân quan trọng ngơi hình thành nguyên tố nặng Fowler Chandrasekhar nhận giải Nobel vật lý năm 1983 Ánh sáng nhìn thấy xạ vũ trụ khơng phải sóng điện từ mà đến với từ khoảng khơng vũ trụ Tại bước sóng dài hơn, thiên văn vô tuyến cung cấp thông tin vật thể vũ trụ mà quan sát phổ quang học Ngài Martin Ryle phát triển phương pháp tín hiệu từ vài kính thiên văn đặt cách xa kết hợp với để làm tăng độ phân giải đồ nguồn sóng radio từ bầu trời Antony Hewish nhóm nghiên cứu ông thực phát minh ngẫu nhiên vào năm 1964 sử dụng kính thiên văn Ryle: vật thể không xác định gọi pulsar phát xung tần số sóng radio với tốc độ lặp lại xác định Những vật thể sau xác định neutron, hoạt động hải đăng quay nhanh phát sóng radio chúng cục nam châm mạnh Ryle Hewish chia giải Nobel vật lý năm 1974 Năm 1974 tìm kiếm pulsar đối tượng nhà thiên văn vơ tuyến, bất ngờ khác đến vào mùa hè năm Russell A Hulse Joseph H Taylor, Jr ý đến điều biến chu kì tần số xung pulsar phát gọi PSR 1913+16 Đó pulsar đơi ghi nhận, đặt tên neutron phát sóng radio thành phần hệ đôi có kích thước gần Các quan sát 20 năm hệ cho thấy chứng sóng hấp dẫn Sự suy giảm tần số quay phù hợp với tính tốn dựa lý thuyết Einstein mát lượng gây phát sóng hấp dẫn Hulse Taylor chia giải Nobel vật lý vào năm 1993 Tuy việc thu trực tiếp sóng hấp dẫn trái đất chưa thực Từ đơn giản đến phức tạp Nếu tất tính chất hạt lực tương tác chúng biết chi tiết liệu đốn tính chất hệ gồm hạt khơng? Việc tìm kiếm thành tố tự nhiên tìm kiếm mơ tả lý thuyết tương tác chúng (ở tầm vĩ mơ vi mơ) khuyến khích phần học thuyết giản hóa luận (reductionistic) Tất nhà khoa học khơng cho có tồn phương pháp tổng hợp mặt ngun lý Nhưng chí tính tốn tính chất hệ phức nhanh chóng trở thành bất khả thi số hạt tương tác hệ tăng lên Do người ta mơ tả hệ nhiều hạt phức mơ hình đơn giản hóa, đó, đặc điểm quan trọng thành phần hạt tương tác dùng điểm khởi đầu Người ta thường xuyên thấy hệ phức thể đặc điểm gọi “tính chất chung” mà khơng thể đốn từ tương tác thành phần chúng Hạt nhân nguyên tử Các hệ phức từ quan điểm nhà giản hóa luận thành phần cấu thành hạt nhân, tức neutron proton tạo thành từ quark gluon Hệ thứ hai hạt nhân nguyên tử, theo phép gần bậc một, tạo thành từ hạt nucleon Mơ hình cấu trúc hạt nhân mơ hình lớp hạt nhân, Maria Goeppert-Mayer Johannes D Jensen đưa vào cuối năm 40, họ nhận thấy hạt nhân với hình gần hình cầu nucleon bên ngồi lấp đầy mức lượng giống điện tử nguyên tử Tuy vậy, trật tự nucleon lại khác với điện tử xác định chung kết cặp spin-quĩ đạo mạnh lực hạt nhân Mơ hình họ giải thích hạt nhân lại đặc biệt ổn định với số xác định (magic number – số kì diệu) proton Họ chia giải Nobel vật lý năm 1963 với Eugene Wigner, người cơng thức hóa nguyên lý đối xứng quan trọng vật lý hạt nhân vật lý hạt Hạt nhân có số nucleon khác với số kì diệu lại khơng phải hình cầu Niels Bohr nghiên cứu mơ hình giọt chất lỏng áp dụng cho hạt nhân bị biến dạng (có thể có dạng hình e-líp), vào năm 1939 người ta thấy kích thích hạt nhân bị biến dạng mạnh dẫn đến phân chia hạt nhân, tức hạt nhân bị phá vỡ thành hai mảnh lớn Otto Hahn nhận giải Nobel hóa học năm 1944 cho phát trình Hình phi cầu hạt nhân biến dạng sinh thêm bậc tự giống dao động tập thể hạt nhân James Rainwater, Aage Bohr (con trai Niels Bohr) Ben Mottelson phát triển mơ hình mơ tả kích thích hạt nhân họ nhận giải Nobel vật lý năm 1975 Các mơ hình hạt nhân nhắc đến khơng dựa ngun lý chung, có tính định hướng mà cịn dựa thơng tin ngày tăng phổ hạt nhân Harold C Urey phát deuterium, đồng vị nặng hydro, thế, ơng trao giải Nobel hóa học vào năm 1934 Fermi, Lawrence, Cockcroft, Walton nhắc đến phần trước phát triển phương pháp để tạo đồng vị hạt nhân không bền Edwin M McMillan Glenn T Seaborg nhận giải Nobel hóa học năm 1951 mở rộng bảng đồng vị hạt nhân tới nguyên tố nặng Năm 1954, Walther Bothe Max Born (người nhắc đến trên) nhận giải Nobel vật lý phát triển phương pháp trùng hợp cho phép người nghiên cứu quang phổ lựa chọn chuỗi xạ hạt nhân có liên quan từ phân rã hạt nhân Phương pháp lại hóa quan trọng, đặc biệt nghiên cứu trạng thái kích thích hạt nhân tính chất điện từ chúng Nguyên tử Khi xem xét hệ nhiều hạt, việc nghiên cứu lớp điện tử nguyên tử dễ hạt nhân (hạt nhân thực không bao gồm proton neutron mà nhiều thành phần nguyên tử, hạt “ảo” có thời gian sống ngắn) Đó lực điện từ yếu đơn giản lực hạt nhân “mạnh” giữ thành phần hạt nhân lại với Cơ học lượng tử Schrodinger, Heisenberg, Pauli phần mở rộng tương đối tính Dirac mơ tả tốt tính chất điện tử nguyên tử Tuy vậy, tốn có từ lâu chưa giải quyết, tức vấn đề toán học liên quan đến tương tác lẫn điện tử sau tính đến lực hút hạt nhân mang điện tích dương Một khía cạnh vấn đề đế cập người đạt giải Nobel hóa học (1998), Walter Kohn Ông phát triển phương pháp “hàm mật độ” (density functional method) áp dụng vào nguyên tử tự áp dụng cho điện tử phân tử chất rắn Vào đầu kỉ 20, bảng tuần hoàn ngun tố hóa học chưa hồn thiện Lịch sử ban đầu giải Nobel bao gồm phát số nguyên tố thiếu Lord Raleigh (John William Strutt) ý đến khác khối lượng nguyên tử tương đối mẫu ô-xi ni-tơ tách trực tiếp từ khơng khí quanh ta với mẫu tách từ thành phần hóa học Ơng kết luận khí phải có chứa thành phần chưa biết, nguyên tố argon có khối lượng nguyên tử 20 Ông nhận giải Nobel vật lý năm 1904, năm với ngài William Ramsay nhận giải Nobel hóa học tách ngun tố Hê-li Trong nửa cuối kỉ 20, có phát triển vượt bậc phổ độ xác ngun tử, mà nhờ người ta đo dịch chuyển trạng thái nguyên tử phân tử mà rơi vào vùng vi sóng ánh sáng khả kiến Vào năm 50, Alfred Kastler (người nhận giải Nobel năm 1966) đồng nghiệp cho thấy điện tử nguyên tử đặt vào trạng thái kích thích lọc lựa cách sử dụng ánh sáng phân cực Sau phân rã phóng xạ, ánh sáng phân cực làm cho spin nguyên tử trạng thái định hướng Cảm ứng dịch chuyển tần số radio mở khả đo tính chất trạng thái bị lượng tử hóa điện tử nguyên tử cách xác trước nhiều Một hướng phát triển song song dẫn đến việc phát maser laser dựa “khuyếch đại phát xạ kích thích sóng vơ tuyến” (amplification of stimulated emission of radiation) trường điện từ vùng vi sóng khả kiến (ánh sáng) – hiệu ứng mà mặt nguyên lý tiên đoán từ phương trình Einstein vào năm 1917 không quan tâm đặc biệt tận đầu năm 50 Charles H Townes phát triển maser vào năm 1958 Nikolay G Basov Aleksandr M Prokhorov thực cơng trình lý thuyết nguyên lý maser Maser sử dụng dịch chuyển kích thích phân tử ammonia Nó phát xạ vi sóng mạnh khơng giống xạ tự nhiên (với quang tử có pha khác nhau) Độ sắc nét tần số maser trở thành công cụ quang trọng kĩ thuật, xác định thời gian mục đích khác Townes nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1964, Basov Prokhorov chia nửa giải lại Đối với xạ khả kiến, sau laser phát triển số phịng thí nghiệm Nicolaas Bloembergen Arthur L Schawlow nhận nửa giải Nobel năm 1981 cho cơng trình nghiên cứu phổ laser xác nguyên tử phân tử Một nửa giải năm trao cho Kai M Siegbahn (con trai Manne Siegbahn), người phát triển phương pháp có độ xác cao để xác định phổ nguyên tử phân tử dựa vào điện tử phát từ lớp điện tử bên bị tác động chùm tia X có lượng xác định Phổ điện tử ơng sử dụng làm cơng cụ phân tích nhiều ngành vật lý hóa học Sự tác động có điều khiển điện tử nguyên tử trường điện từ tiếp tục cung cấp thông tin chi tiết cấu trúc trạng thái điện tử nguyên tử Norman F Ramsey phát triển phương pháp xác dựa hưởng ứng điện tử tự chùm nguyên tử với trường điện từ tần số radio, Wolfgang Paul phát minh “bẫy” nguyên tử tạo thành từ điện trường từ trường tác động lên tồn thể tích mẫu Nhóm nghiên cứu Hans G Dehmelt người cách li hạt riêng lẻ (trong trường hợp phản điện tử) nguyên tử riêng lẻ bẫy Lần đầu tiên, nhà thực nghiệm có “thể giao tiếp” với nguyên tử riêng biệt tín hiệu vi sóng laser Điều cho phép nghiên cứu khía cạnh tính chất học lượng tử làm tăng độ xác việc xác định tính chất nguyên tử chuẩn hóa thời gian Paul Dehmelt nhận nửa giải Nobel năm 1989 nửa giải lại trao cho Ramsey Bước cuối tiến làm cho nguyên tử bẫy chuyển động chậm đến mức, trạng thái cân nhiệt mơi trường khí, chúng tương ứng với nhiệt độ vài micro Kenvin Điều thực cách cho chúng vào để làm nguội laser thông qua tập hợp hệ thống thiết kế thông minh Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji William D Phillips thực nhóm nghiên cứu thao tác lên nguyên tử thơng qua q trình va chạm với quang tử laser Cơng trình họ nhìn nhận giải Nobel năm 1997, hứa hẹn ứng dụng quan trọng kĩ thuật đo lường bổ sung thêm tính xác việc xác định định lượng nguyên tử Hình3:(từtái) Kohn(1923-), Kastler(1902-1984), Townes(1915-?), Raman(1888-1970) Phân tử plasma Các phân tử tạo thành từ nguyên tử Chúng tạo mức phức tạp nghiên cứu hệ nhiều hạt Nhưng nghiên cứu phân tử thường coi nhánh hóa học (ví dụ giải Nobel hóa học năm 1936 trao cho Petrus J W Debye), trao giải Nobel vật lý Chỉ có ngoại lệ cơng trình Johannes Diderik van der Waals, ơng đưa phương trình trạng thái phân tử cho chất khí tính đến tương tác lẫn phân tử giảm thể tích tự gây kích thước hữu hạn chúng Các phương trình van der Waals điểm quan trọng việc mơ tả q trình ngưng tụ chất khí thành chất lỏng Ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1910 Jean B Perrin nghiên cứu chuyển động hạt nhỏ lơ lửng nước nhận giải Nobel năm 1926 Nghiên cứu ông cho phép khẳng định lý thuyết thống kê Einstein chuyển động Brown định luật điều khiển trình cân hạt lơ lửng chất lỏng chịu tác dụng trọng lực Năm 1930, ngài Sir C Venkata Raman nhận giải Nobel vật lý cho quan sát ông chứng tỏ ánh sáng tán xạ từ phân tử bao gồm thành phần có tần số bị dịch chuyển tương ứng với ánh sáng đơn sắc Sự dịch chuyển gây tăng giảm lượng đặc trưng phân tử chúng thay đổi chuyển động quay dao động Phổ Raman nhanh chóng trơ thành nguồn thông tin quan trọng cung cấu trúc động học phân tử Plasma trạng thái khí vật chất ngun tử phân tử bị ion hóa mạnh Lực điện từ ion dương ion điện tử đóng vai trị trội điều làm tăng tính phức tạp nghiên cứu plasma so với nguyên tử phân tử trung tính Năm 1940, Hannes Alfvén chứng minh loại chuyển động tập thể mới, gọi “sóng từ-thủy động lực học” (magneto-hydrodynamical wave) sinh hệ plasma Các sóng đóng vai trịn quan trọng việc xác định tính chất plasma, phịng thí nghiệm khí trái đất vũ trụ Alfvén nhận nửa giải Nobel năm 1970 Vật lý chất rắn Các tinh thể đặc trưng xắp xếp đặn nguyên tử Sau phát tia X không lâu, Max von Laue nhận thấy rằng, tia X bị tán xạ qua tinh thể chất rắn giống ánh sáng qua cách tử quang học (optical grating) Có tượng bước sóng tia X thông thường trùng với khoảng cách nguyên tử chất rắn Ngài William Henry Bragg (cha) and William Lawrence Bragg (con) lần dùng tia X để đo khoảng cách nguyên tử phân tích xếp hình học ngun tử tinh thể đơn giản Vì cơng trình tiên phong việc nghiên cứu tinh thể học tia X (mà sau phát triển đến trình độ cao), họ trao giải Nobel vật lý, Laue năm 1914 cha Bragg năm 1915 Cấu trúc tinh thể trạng thái ổn định nhiều trạng thái rắn mà nguyên tử xắp xếp nhiệt độ áp suất thông thường Vào năm 30, Percy W Bridgman phát minh dụng cụ mà nhờ nghiên cứu thay đổi cấu trúc tinh thể, tính chất điện, từ, nhiệt chất rắn áp suất cao Rất nhiều tinh thể thể chuyển pha điều kiện đặc biệt Sự xếp hình học nguyên tử bị thay đổi đột ngột áp suất định Bridgman nhận giải Nobel vật lý năm 1946 cho phát minh lĩnh vực vật lý áp suất cao Vào năm 40, nhờ phát triển máy phản ứng phân rã hạt nhân, nhà thực nghiệm thu neutron lượng thấp Người ta thấy rằng, giống tia X, neutron hiệu việc xác định cấu trúc tinh thể bước sóng de Broglie hạt nhân cỡ khoảng cách nguyên tử chất rắn Clifford G Shull có nhiều đóng góp cho phát triển kĩ thuật nhiễu xạ neutron việc xác định cấu trúc tinh thể, cho biết rằng, xếp mô men từ nguyên tử vật liệu có trật tự từ làm tăng nhiễu xạ neutron, cung cấp công cụ mạnh để xác định cấu trúc từ Shull nhận giải Nobel vật lý năm 1994 với Bertram N Brockhouse, chuyên gia khía cạnh khác tán xạ neutron chất rắn: neutron kích thích kiểu dao động phonon tinh thể gây suy giảm lượng Do đó, Brockhouse phát triển máy phổ neutron chiều, nhờ thu toàn vẹn đường cong tán sắc (năng lượng phonon hàm véc-tơ sóng) Các đường cong tương tự thu đổi với dao động mạng từ (kiểu magnon) John H Van Vleck có đóng góp đặc biệt cho lý thuyết từ học chất rắn vào năm sau đời học lượng tử Ơng tính tốn ảnh hưởng liên kết hóa học lên nguyên tử thuận từ giải thích phụ thuộc vào nhiệt độ từ trường ngồi tính chất từ Đặc biệt ông phát triển lý thuyết trường tinh thể hợp chất kim loại chuyển tiếp, điều vơ quan trọng việc tìm hiểu tâm hoạt động hợp chất dùng cho vật lý laser sinh học phân tử Ông nhận giải Nobel vật lý với Philip W Anderson ngài Nevill F Mott (xem đây) Các nguyên tử từ tính có mơ men từ xếp theo phương thể tích định (vật liệu gọi vật liệu sắt từ), mơ men có độ lớn lại xếp đan xen “thuận” đến “nghịch” (vật liệu phản sắt từ), xếp đan xen độ lớn lại khác (vật liệu ferri từ,…) Louis E F Néel đưa mô hình mơ tả vật liệu phản sắt từ ferri từ, thành phần quan trọng nhiều dụng cụ chất rắn Các vật liệu nghiên cứu nhiều kĩ thuật nhiễu xạ neutron nói Néel nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1970 Trật tự nguyên tử tinh thể chất rắn nhiều loại trật tự từ khác ví dụ tượng trật tự nói chung tự nhiên hệ xếp cho có lợi mặt lượng cách chọn trạng thái đối xứng định Các tượng tới hạn, tượng mà tính đối xứng bị thay đổi (ví dụ nhiệt độ thay đổi chẳng hạn), có tính phổ qt cao cho loại chuyển pha khác nhau, mà bao gồm chuyển pha từ Kenneth G Wilson, người nhận giải Nobel vật lý năm 1982, phát triển lý thuyết gọi lý thuyết tái chuẩn hóa (renormalization theory) cho tượng tới hạn liên hệ với chuyển pha, lý thuyết ứng dụng lý thuyết trường vật lý hạt Các tinh thể lỏng tạo lớp vật liệu đặc biệt có nhiều đặc tính lý thú, quan điểm tương tác chất rắn ứng dụng kĩ thuật Pierre-Gilles de Gennes phát triển lý thuyết cho tinh thể lỏng chuyển pha có độ trật tự khác Ơng sử dụng học thống kê để mô tả xếp động lực học chuỗi polymer, cách cho thấy rằng, phương pháp phát triển cho tượng trật tự hệ đơn giản khái quát hóa cho hệ phức tạp có mặt “chất rắn mềm” Vì đóng góp đó, ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1991 Một dạng chất lỏng đặc biệt quan tâm nghiên cứu chất lỏng hê-li Tại áp suất thơng thường, hê-li chất hóa lỏng nhiệt độ thấp Hê-li có hiệu ứng đồng vị mạnh nhất, từ hê-li (4) hóa rắn nhiệt độ 4.2 độ Kenvin, hê-li (3) hóa rắn nhiệt độ 3.2 độ Kenvin Heike Kamerlingh-Onnes người hóa lỏng hê-li vào năm 1909 Ơng nhận giải Nobel vật lý năm 1913 cho kết hêli lỏng cho nghiên cứu ông tính chất vật chất nhiệt độ thấp Lev D Landau đưa khái niệm (ví dụ chất lỏng Landau) liên quan đến hệ nhiều hạt chất rắn áp dụng khái niệm vào lý thuyết hê-li lỏng để giải thích tượng đặc biệt hê-li (4) tượng siêu chảy (xem đây), kích thích “roton”, tượng âm học Ơng trao giải Nobel năm 1962 Vào năm 20 30, Pyotr L Kapitsa phát triển số kĩ thuật thực nghiệm để thực nghiên cứu tượng nhiệt độ thấp Ông nghiên cứu nhiều khía cạnh hê-li (4) lỏng cho thấy hê-li lỏng có tính siêu chảy (tức chảy khơng có ma sát) nhiệt độ thấp 2.2 độ Kenvin Sau tượng siêu chảy hiểu thể mối liên hệ lượng tử tượng ngưng tụ Bose-Einstein (được tiên đoán lý thuyết vào năm 1920) nhiều tính chất giống trạng thái siêu dẫn điện tử số chất dẫn điện đặc biệt Kapitsa trao nửa giải Nobel vật lý năm 1978 Hê-li (3) lại thể hiện tượng đặc biệt, hạt nhân hê-li có spin khác khơng khơng giống hê-li (4) Do đó, giống hạt fermion không bị ngưng tụ Bose-Einstein hạt boson Tuy vậy, giống vật liệu siêu dẫn (xem đây), cặp hạt có spin bán nguyên tạo thành hạt “giả boson” bị ngưng tụ gây nên trạng thái siêu chảy Hiện tượng siêu chảy hêli (3) xảy nhiệt độ thấp hê-li (4) hàng ngàn lần David M Lee, Douglas D Osheroff Robert C Richardson phát ra, họ nhận giải Nobel vật lý năm 1996 Họ quan sát thấy pha siêu chảy khác cho thấy cấu trúc xoáy phức tạp tượng lượng tử thú vị Các điện tử chất rắn bị định xứ xung quanh nguyên tử chúng chất cách điện, chúng chuyển động qua lại vị trí nguyên tử chất dẫn điện chất bán dẫn Vào đầu kỉ 20, người ta biết kim loại phát điện tử bị nung nóng, người ta khơng biết điện tử phát bị kích thích nhiệt tương tác hóa học với mơi trường khí xung quanh Bằng thực nghiệm tiến hành mơi trường có chân khơng cao, cuối cùng, Owen W Richardson xác định phát xạ điện tử hiệu ứng nhiệt ông thiết lập định luật phân bố của điện tử theo vận tốc Và đó, Richardson nhận giải Nobel năm 1928 Cấu trúc điện tử xác định tính chất điện, từ quang chất rắn cịn có vai trị quan trọng đến tính chất nhiệt Một nhiệm vụ quan trọng nhà vật lý kỉ 20 đo trạng thái động học điện tử mơ hình hóa tính chất chúng để hiểu tổ chức điện tử loại chất rắn khác Điều tự nhiên tượng khác thường thu hút mạnh mẽ nhà vật lý chất rắn Điều phản ánh giải Nobel vật lý: vài giải trao các phát liên quan đến siêu dẫn tượng đặc biệt thể số chất bán dẫn Siêu dẫn lần phát từ sớm, từ năm 1911 Kamerlingh-Onnes thấy điện trở thủy ngân giảm xuống nhỏ phần tỉ giá trị bình thường bị làm lạnh thấp nhiệt độ chuyển pha Tc khoảng độ Kenvin Như nhắc phần trên, ông nhận giải Nobel năm 1913 Tuy vậy, thời gian dài người ta không hiểu điện tử chuyển động mà khơng bị cản trở chất siêu dẫn nhiệt độ thấp Nhưng vào đầu năm 60, Leon N Cooper, John Bardeen J Robert Schrieffer đưa lý thuyết dựa ý tưởng cặp điện tử (có spin hướng chuyển động ngược nhau) giảm lượng lượng Eg cách chia xẻ cách xác độ biến dạng mạng tinh thể chúng chuyển động Các cặp Cooper hành động giống hạt boson Sự tạo cặp cho phép chúng chuyển động chất lỏng liên kết, khơng bị ảnh hưởng kích thích nhiệt (có lượng kT) nhỏ lượng tạo thành kết cặp (Eg) Lý thuyết BCS trao giải Nobel vật lý năm 1972 Đột phá việc hiểu sở học lượng tử dẫn đến tiến mạch siêu dẫn: Brian D Josephson phân tích dịch chuyển hạt tải điện hai kim loại siêu dẫn ngăn cách lớp vật liệu dẫn điện thường mỏng Ơng tìm thấy pha lượng tử xác định tính chất dịch chuyển hàm dao động điện bên đặt lên chuyển tiếp Hiệu ứng Josephson có ứng dụng quan trọng phép đo xác thiết lập mối liên hệ điện tần số Josephson nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1973 Ivar Giaever, người phát minh nghiên cứu tính chất chi tiết “chuyển tiếp đường ngầm” (tunnel junction) (một hệ thống điện tử dựa chất siêu dẫn) chia nửa giải lại với Leo Esaki cho cơng trình nghiên cứu hiệu ứng đường ngầm chất bán dẫn (xem đây) Mặc dầu có nhiều hợp kim hợp chất siêu dẫn phát khoảng 75 năm sau phát Kamerlingh-Onnes, tượng siêu dẫn xem tượng xảy nhiệt độ thấp, với nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn thấp 20 độ Kenvin Cho nên J Georg Bednorz K Alexander Müller cho thấy Ơ-xít Lanthan-đồng có pha thêm Ba-rri có nhiệt độ chuyển pha 35 độ Kenvin người ngạc nhiên Và sau đó, phịng thí nghiệm khác cơng bố hợp chất có cấu trúc tương tự có tính siêu dẫn nhiệt độ khoảng 100 độ Kenvin Phát “siêu dẫn nhiệt độ cao” khởi động sóng vật lý đại: tìm hiểu chế cho tính siêu dẫn vật liệu đặc biệt Bednorz Müller nhận giải Nobel năm 1987 Chuyển động điện tử kim loại trạng thái dẫn điện bình thường mơ hình hóa lý thuyết đến độ phức tạp chưa có từ có mặt học lượng tử Một bước tiến lớn ban đầu việc đưa vào khái niệm sóng Bloch, hàm sóng lấy tên nhà vật lý Felix Bloch (người nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1952 cho công trình nghiên cứu cộng hưởng từ) Một khái niệm quan trọng “chất lỏng điện tử” (electron fluid) chất dẫn điện Lev Landau (xem phần hê-li lỏng) Philip W Anderson có đóng góp quan trọng vào lý thuyết cấu trúc điện tử kim loại, đặc biệt bất đồng hợp kim nguyên tử từ tạp chất kim loại Nevill F Mott nghiên cứu điều kiện chung cho tính dẫn điện điện tử chất rắn đưa công thức xác định điểm mà chất bán dẫn biến thành chất dẫn điện (chuyển pha Mott) thành phần thơng số bên ngồi bị thay đổi Anderson Mott chia nửa giải Nobel năm 1977 nửa giải trao cho John H Van Vleck cho nghiên cứu lý thuyết cấu trúc điện tử hệ từ trật tự Một giải Nobel vật lý trước (1920) trao cho Charles E Guillaume cho phát cho thấy giãn nở nhiệt số thép ni-ken (hợp kim gọi invar) không Giải Nobel trao chủ yếu tầm quan trọng hợp kim invar phép đo xác dùng vật lý, ngành đo đạc đặc biệt thước mét chuẩn đặt Paris Các hợp kim dùng rộng rãi dụng cụ có độ xác cao đồng hồ, … Các sở lý thuyết phụ thuộc vào nhiệt độ độ giãn nở giải thích gần Và (1998), Walter Kohn nhận giải Nobel hóa học cho phương pháp ông xử lý tương quan trao đổi lượng tử , mà nhờ người ta vượt qua giới hạn tính tốn cấu trúc điện tử chất rắn phân tử Trong chất bán dẫn, độ linh động điện tử bị giảm mạnh có tồn vùng cấm lượng điện tử gọi khe lượng Sau người ta hiểu vai trò tạp chất cho điện tử nhận điện tử si-líc siêu (và sau cịn có vật liệu khác), chất bán dẫn sử dụng làm phận điện kĩ thuật William B Shockley, John Bardeen (xem thêm lý thuyết BCS) Walter H Brattain tiến hành nghiên cứu siêu dẫn phát triển transistor loại Đó bình minh kỉ nguyên “linh kiện điện tử” Họ nhận giải Nobel năm 1956 Sau Leo Esaki phát triển đi-ốt đường ngầm, linh kiện điện tử có điện trở vi phân âm, tính chất kĩ thuật thú vị Nó tạo thành từ hai chất bán dẫn pha tạp loại “n” loại “p”, có đầu dư điện tử đầu khác thiếu điện tử Hiệu ứng đường ngầm xuất điện dịch lớn khe lượng chất bán dẫn Ông chia giải Nobel vật lý năm 1973 với Brian D Josephson Với kĩ thuật đại, người ta tạo màng mỏng cấu trúc xác định từ vật liệu bán dẫn chúng thể tiếp xúc trực tiếp với Với cấu trúc không đồng vậy, người không bị giới hạn vào khe lượng chất bán dẫn si-lic germani Herbert Kroemer phân tích lý thuyết độ linh động điện tử lỗ trống chuyển tiếp không đồng Lý thuyết ông dẫn đến việc tạo transistor với đặc trưng cải tiến nhiều mà sau gọi HEMT (high electron mobility transistors – transistor có độ linh động điện tử cao), HEMT quan trọng linh kiện điện tử tốc độ cao ngày Kroemer giả thiết cấu trúc không đồng kép tạo điều kiện cho hoạt động laser, khoảng thời gian với Zhores I Alferov đưa ý tưởng Sau Alferov tạo laser bán dẫn xung vào năm 1970 Sự kiện điểm khởi đầu kỉ nguyên dụng cụ quang điện dùng đi-ốt laser, đầu đọc đĩa CD, đầu đọc mã vạch cáp quang viễn thông Và gần đây, Alferov Kroemer chia nửa giải Nobel vật lý năm 2000, nửa giải lại tay Jack S Kilby, đồng phát minh mạch điện tử tích hợp (xem phần sau Vật lý Kĩ thuật) Khi áp điện cực lên hệ cấu trúc khơng đồng nhất, người ta tạo “các màng ngược” (inversion layers), hạt tải điện chuyển động không gian hai chiều Các màng lại hóa có tính chất thú vị kì lạ Năm 1982, Klaus von Klitzing phát hiệu ứng Hall lượng tử Khi từ trường mạnh đặt vng góc với mặt phẳng màng giả hai chiều, điều kiện lượng tử lại khơng tăng cách tuyến tính với tăng từ trường mà lại tăng cách nhảy bậc biên mẫu Điện trở Hall bậc có giái trị h/ie2 i số nguyên tương ứng với quĩ đạo điện tử bị lượng tử hóa Hiệu ứng cho phép đo tỉ số số xác, có hệ quan trọng kĩ thuật đo lường, von Klitzing nhận giải Nobel vật lý năm 1985 Một ngạc nhiên đến sau Daniel C Tsui Horst L Störmer thực nghiên cứu kĩ hiệu ứng Hall lượng tử sử dụng màng ngược vật liệu siêu Trạng thái ổn định xuất hiệu ứng Hall không từ trường tương ứng với lấp đầy quĩ đạo một, hai, ba v.v giá trị điện tích điện tử mà cịn điện tích khơng ngun! Điều hiểu dựa vào khái niệm chất lỏng lượng tử (quantum fluid) mà chuyển động điện tử độc lập có điện tích e thay kích thích hệ nhiều hạt mà hệ cư xử (trong từ trường mạnh) thể điện tích có giá trị e/3, e/5,… tham gia vào Robert B Laughlin phát triển lý thuyết mô tả trạng thái vật chất chia giải Nobel vật lý năm 1998 với Tsui and Stưrmer Đơi phát lĩnh vực vật lý hóa lại có ứng dụng quan trọng lĩnh vực vật lý khác Một ví dụ liên quan đến vật lý chất rắn quan sát Rudolf L Mössbauer vào cuối năm 50 Hạt nhân ngun từ hấp thụ bị kích thích cộng hưởng tia gamma phát từ nguyên tử phát xạ chọn cách hợp lý nguyên tử hai trường hợp bắn cho giật lùi chúng loại trừ Năng lượng bị lượng tử hóa hạt nhân điện từ trượng nội chất rắn xác định lượng tương ứng với vị trí khác cộng hưởng mà cộng hưởng sắc nét Phát trở nên quan trọng việc xác định cấu trúc điện từ nhiều vật liệu Mössbauer nhận nửa giải Nobel vật lý năm 1961 với R Hofstadter Hình4:(từ trái) Landau(1908-1960), Klitzing(1943-), Glaser(1926-), Einstein(1879-1955) Vật lý kĩ thuật Rất nhiều phát minh thực nghiệm lý thuyết nhắc có ảnh hưởng lớn đến phát triển dụng cụ kĩ thuật việc mở lĩnh vực vật lý hoàn toàn đưa ý tưởng để tạo dụng cụ kĩ thuật Các ví dụ dễ thấy cơng trình Shockley, Bardeen, Brattain mà dẫn đến transitor khởi đầu cách mạng điện tử; nghiên cứu Townes, Basov, Prokhorov dẫn đến việc phát triển maser laser Cũng nên nhắc lại máy gia tốc hạt công cụ quan trọng vài lĩnh vực khoa học vật liệu y học Các cơng trình khác vinh danh giải Nobel ngày có thiên hướng mặt kĩ thuật chúng có tầm quan trọng đặc biệt việc xây dựng linh kiện để phát triển ngành liên lạc thông tin Một giải Nobel cách lâu (1912) trao cho Nils Gustaf Dalén cho phát minh “van mặt trời” (sun-valve) tự động dùng rộng rãi cột mốc phao ngành hàng hải Phát minh dựa khác xạ nhiệt từ vật có độ phản xạ ánh sáng khác nhau: số ba song song dụng cụ ơng có màu đen, điều làm tăng sai khác việc hấp thụ nhiệt dãn nở nhiệt thời gian mặt trời chiếu vào Hiệu ứng dùng để ngắt nguồn cấp khí tự động vào ban ngày làm giảm nhiều nhu cầu bảo dưỡng biển Các dụng cụ kĩ thuật quang chủ đề cho vài giải Nobel Khoảng đầu kỉ 20, Gabriel Lippmann phát triển phương pháp chụp ảnh màu sử dụng hiệu ứng giao thoa ánh sáng Một gương đặt tiếp xúc với thể nhũ tương nhạy quang phủ kim loại cho chúng bị chiếu sáng, ánh sáng phản xạ gương làm tăng sóng đứng thể nhũ tương Việc tráng ảnh làm cho hạt bạc (trong thể nhũ tương đó) bị phân tầng gương chiếu sáng lên kim loại ảnh tạo thành có màu sắc tự nhiên thật Giải Nobel năm 1908 trao cho Lippmann Không may, phương pháp Lippmann nhiều thời gian phơi sáng Sau phương pháp bị thay kĩ thuật nhiếp ảnh khác lại có nhiều ứng dụng kĩ thuật tạo ảnh ba chiều chất lượng cao Trong hiển vi quang học, Frits Zernike cho thấy chí vật hấp thụ xạ yếu (trong suốt nhìn mắt thường) nhìn thấy chúng tạo thành từ vùng có hệ số khúc xạ ánh sáng khác Trong kính “hiển vi nhạy pha” (phase-contrast microscope) Zernike, người ta phân biệt vệt sáng có pha bị thay đổi qua vùng khơng đồng Kính hiển vi loại có tầm quan trọng đặc biệt việc quan sát mẫu sinh học Zernike nhận giải Nobel vật lý năm 1953 Vào năm 40, Dennis Gabor đề nguyên lý ảnh ba chiều Ông tiên đốn tia sáng tới giao thoa với tia phản xạ từ mảng hai chiều tạo ảnh ba chiều vật thể Tuy vậy, việc thực ý tưởng phải đợi đến laser phát Laser cung cấp ánh sáng cố kết cần thiết cho quan sát tượng giao thoa nói Gabor nhận giải Nobel năm 1971 Hiển vi điện tử có ảnh hưởng sâu rộng nhiều lĩnh vực khoa học tự nhiên Ngay sau C J Davisson and G P Thomson phát ta chất sóng điện tử, người ta nhận thấy bước sóng ngắn điện tử lượng cao làm tăng độ phân giải so với hiển vi quang học Ernst Ruska tiến hành nghiên cứu quang điện tử thiết kế kính hiển vi điện tử họat động vào năm đầu thập niên 30 Nhưng phải 50 sau ông nhận giải Nobel vật lý Ruska nhận nửa giải Nobel vật lý vào năm 1986, nửa giải lại chia cho Gerd Binnig Heinrich Rohrer, hai người phát triển phương pháp khác hẳn để thu ảnh với độ phân giải cực cao Phương pháp họ ứng dụng nghiên cứu bề mặt chất rắn dựa hiệu ứng đường ngầm điện tử Các điện tử nguyên tử đầu kim loại nhọn chui sang nguyên tử từ bề mặt chất rắn đầu nhọn kim loại di chuyển đến gần bề mặt (khoảng nm) Bằng cách giữ cho dịng điện tử chui ngầm cố định di chuyển đầu nhọn theo bề mặt chất rắn, người ta có ảnh ba chiều bề mặt chất rắn cần nghiên cứu Bằng phương pháp này, ta nhìn thấy ngun tử bề mặt Viễn thông thành tựu kĩ thuật vĩ đại kỉ 20 Vào năm 90 kỉ 19, Guglielmo Marconi làm thí nghiệm với sóng điện từ Hetz phát vào lúc Ơng người liên lạc trạm phát sóng mặt đất với “ăng-ten” đặt cao có vai trị tương tự trạm thu sóng Trong thí nghiệm Hetz tiến hành phạm vi phịng thí nghiệm Marconi mở rộng khoảng cách truyền tín hiệu đến vài km Carl Ferdinand Braun (cha đẻ ống Braunian, dao động kế chùm ca-tốt – cathode ray oscilloscope) thực cải tiến, ông đưa mạch cộng hưởng vào máy phát dao động Hetz Độ hòa âm khả tạo dao động mạnh không bị chặn làm tăng dải truyền sóng, vào năm 1901, Marconi thành cơng việc thu phát sóng vơ tuyết vượt Đại Tây Dương Marconi Braun nhận giải Nobel vật lý năm 1909 Vào thời điểm này, người ta khơng hiểu làm mà sóng vơ tuyến truyền với khoảng cách xa (thực tế, chúng truyền đến bên trái đất), nhớ người biết sóng vơ tuyến có chất giống ánh sáng, chúng truyền theo đường thẳng khơng gian Cuối ngài Edward V Appleton chứng minh thực nghiệm cho thấy giả thiết trước Heaviside Kennelly sóng vơ tuyến bị phản xạ lớp khơng khí có độ dẫn khác khí Appleton đo giao thoa sóng trực tiếp sóng phản xạ với bước sóng khác xác định độ cao lớp Heaviside, ơng cịn tìm lớp cao lớp Heaviside gọi lớp Appleton Appleton nhận giải Nobel vật lý năm 1947 Các tiến vật lý hạt nhân vật lý hạt phụ thuộc nhiều vào kĩ thuật cao (và lại thúc đẩy kĩ thuật phát triển) Điều minh họa cơng trình Cockcroft Walton cho việc phát triển máy gia tốc tĩnh điện tuyến tính (linear electrostatic accelerator) cơng trình Lawrence cho phát triển cyclotron tĩnh điện tuyến tính Việc ghi nhận hạt lượng cao thử thách kĩ thuật, thành cơng vấn đề ghi nhận vài giải Nobel Giải Nobel vật lý năm 1958 chia cho Pavel A Cherenkov, Il'ja M Frank Igor Y Tamm cho phát giải thích họ hiệu ứng Cherenkov Đó phát xạ ánh sáng nón có góc mở đặc biệt xung quanh hướng hạt mang điện, vận tốc vượt vận tốc ánh sáng mơi trường mà chuyển động Vì góc nón sử dụng để xác định vận tốc hạt, cơng trình nhà vật lý nhanh chóng trở thành sở cho phát triển đầu thu hiệu