Tranh luận của các nhà khoa hoc về Nguyên tử potx

Trước kia thế giới khoa học không quan tâm tới nhận thức của Avogadro nhưng đến nay,lời xác nhận lại của Cannizzaro lại được mọi người tán thành vì giới khoa học đang đi vào ngõ bítrong

NGUYÊN TỬ và TRANH LUẬN CỦA CÁC ThIÊN TÀI

 Châu Âu thế kỷ XVIII

 Thế Kỷ XIX những công trình vĩ đại

 Tranh luận của các thiên tài

 Hạt Quark

II - Tài Liệu Tham Khảo

- Lịch Sử Vật Lý

- Atom – Professor Jim Khalili

* The clash of the titans

* The key to the cosmos

* The illusion of reality

- Vật lý Nguyên tử - Phan văn Thích

- Atomic Physics - Max Born

- A Brief History of Time – Stephen Hawking

- http://vi.wikipedia.org

-

Khởi Nguồn Của Nguyên Tử

*****

Chúng ta đang sống trong cuộc sống mà nền khoa học công nghệ thay đổi từng ngày Tất

cả những hiểu biết của chúng ta về những vật xung quanh đã tiến đến ngưỡng hay chưa? Chúng

ta hiểu chúng dựa trên nguyên tắc nào?Câu hỏi “ vật chất cấu tạo từ đâu?” đặt ra cho bất kỳ họcsinh phổ thông nào,thì câu trả lời đó là Nguyên Tử và những cách sắp xếp của chúng Vậynguyên tử đã được định nghĩa như thế nào? Và nó có cấu tạo ra sao? Để trả lời các câu hỏi đóchúng ta cùng quay ngược dòng thời gian theo dõi quá trình khám phá và nghiên cứu về nguyên

tử cùng với đó là tranh luận của các nhà đại tài trong lĩnh vực vật lý nguyên tử

Trong thời cổ đại Hy Lạp. 500 năm trước Công Nguyên,Anaxagoras đã suy nghĩ về vạn vật và đi đến kết luận rằng nếu lấy mộtvật rồi chia làm hai, phân nửa lấy được lại chia làm hai và cứ tiếp tụcviệc chia đôi đó, người ta sẽ không bao giờ đi tới cùng được, nghĩa làcòn có thể tiếp tục công việc chia đôi cho tới ngày tận thế Như vậyAnaxagoras đã quan niệm vật chất được cấu tạo nên không phải donhững thành phần rất nhỏ xác định khiến cho việc phân đôi không baogiờ ngừng

Trái với lý thuyết của Anaxagoras kể trên, Democritus lại chorằng vật chất được cấu tạo do những thành phần cực nhỏ, xác định.Những thành phần cực nhỏ này là lý lẽ cuối cùng của vật chất và được gọi là “nguyên tử”=atomos “=” không cắt chia được Lucretius, một môn đệ của Democritus, đã thuật lại rằngDemocritus tin tưởng không có một sức mạnh nào trên thế gian có thể phá hủy được nguyên tử.        Nhưng lý thuyết của Democritus lại không được các nhà triết học khác chấp nhận.Aristotle, nhà đại hiền triết mà lý thuyết đã ngự trị trong 2,000 năm trên kiến thức của NhânLoại, đã không chấp nhận nguyên tử Aristotle  cho rằng trong vũ trụ chỉ có 4 thành phần chính

là lửa, nước, không khí và đất Các chất này được kết hợp với linh khí (hyle) để xác định tínhchất của sự vật Con người là một sự kết hợp siêu đẳng của mọi thành phần Chính vì hai quanniệm sai nhầm sau đây của Aristotle mà kiến thức của Nhân Loại đã bị thiệt hại nặng nề: sự xácđịnh không có trạng thái nguyên tử nơi vật chất và sự kết hợp 4 thành phần với linh khí

Châu Âu Thời Phục HưngThế rồi các giáo điều của Aristotle đã ngự trị cho tới thời Phục Hưng Một trong các nhàtrí thức đầu tiên đã phản đối những thành kiến dị đoan cũ là Francis Bacon Bacon là luật giakiêm chính trị gia dưới triều đại Nữ Hoàng Elizabeth và Vua James I, đã tố cáo Aristotle là đãpha thêm màu sắc và làm sai lệch triết học tự nhiên bằng những thành kiến của mình Qua tácphẩm Novum Organum, Bacon đã tán thành ý tưởng của Democritus về tính chất của sự vật.Mặc dù Bacon không phải là một nhà thực nghiệm, nhưng các nguyên tắc luận lý do ông đặt ra

đã ảnh hưởng sâu rộng đến các nhà khoa học sau thời đại của ông

Kế tiếp ý tưởng của Bacon là tư tưởng của Robert Boyle Boyle đã khám phá ra rằng thểtích của một chất khí phụ thuộc vào áp suất của chất khí đó Để cắt nghĩa sự nén được và bànhtrướng được của các chất khí, Boyle đã cho rằng chất khí được cấu tạo do các hạt (corpuscles) rấtnhỏ nằm giữa các khoảng trống và các hạt này phải ở trong trạng thái luôn luôn dao động Sựkhác biệt về 3 trạng thái vật lý hay 3 thể rắn, lỏng và hơi là do các hạt đó ở trong tình trạng bịgiam hãm hay tự do Cùng với Boyle đã chấp nhận giả thuyết nguyên tử vào năm 1679, còn cóIsaac Newton và như vậy vào cuối thế kỷ XVII, làm sống lại lý thuyết của Democritus là ba nhàkhoa học người Anh Bacon, Boyle và Newton

Thế Kỷ XVIITới đầu thế kỷ XVIII, nhiều nhà khoa học còn “tiếc rẻ “ lý thuyết của Aristotle và do đó,nhiều điều bổ túc đã được phát minh để cứu vãn lý lẽ về các thành phần của Aristotle Năm

1729, Georg Ernst Stahl, y sĩ của Vua Phổ và cũng là nhà hóa học “tài tử “, đã phát minh ra mộtthứ “vô vật chất” mới (unsubstantial substance) gọi tên là “phlogiston” để cắt nghĩa sự cháy vàoxít hóa Stahl đã cho phlogiston các đặc tính sau đây: không màu, không mùi, không vị vàkhông trọng lượng Theo Stahl, phlogiston là căn nguyên của sự cháy Có thứ vật chất chứaphlogiston, có thứ không Khi một vật cháy, phlogiston bốc ra từ nơi “có “ sang nơi “không có “

và vật nào có nhiều phlogiston sẽ cháy bừng bừng trong không khí, trong khi không khí là nơikhông có chút phlogiston nào

        Khi phlogiston thoát ra từ một vật chất, nó để lại “tro” mà theo như Aristotle thời trước,

đó là thành phần “đất” Để giải đáp tại sao một thứ kim khí khi mất phlogiston, tức là rỉ sét, lạinặng hơn, các người ủng hộ lý thuyết phlogiston đã trả lời rằng “vì phlogiston có trọng lượng âm

và làm vật nhẹ hơn khi có nó “

        Lý thuyết về phlogiston của Stahl đã là giải pháp cuối cùng để cứu vãn tư tưởng chìm dầndần của Aristotle Nều trước kia giáo điều Aristotle đã làm lý thuyết nguyên tử bị bỏ quên 2,000năm thì ngày nay, phlogiston cũng làm sai lệch sự diễn tả về vật chất của nhiều nhà khoa học.        Vào năm 1774, Joseph Priestley, nhà thần học kiêm khoa học người Anh, đã dùng một

nhiệt lượng đã làm bay ra một thứ khí và để lại một kim loại lỏng: thủy ngân Priestley đã hứnglấy thứ khí này để nghiên cứu đặc tính và thấy rằng bên trong khí này, một cây nến cháy sánghơn và mạnh hơn là trong không khí Thực ra, thứ khí này là “Oxygen” nhưng Priestley đã bỏ lỡmột cơ hội khám phá vô cùng quan trọng cũng vì ông tin tưởng vào lý thuyết phlogiston.

        Priestley cho rằng chất khí bay ra đó (Oxygen) vì thiếu hụt phlogiston, nên nó đã chiếmlấy một cách mạnh mẽ phlogiston của cây nến, vì vậy ông gọi thứ khí bay ra đó là “không khíthiếu phlogiston”(dephlogisticated air) Priestley quan niệm rằng trong không khí còn một chútphlogiston và chỉ có thứ khí kể trên là hoàn toàn không còn chút phlogiston nào

        Lý thuyết phlogiston còn làm sai nhầm một nhà bác học lừng danh khác, là HenryCavendish Vào năm 1766, Cavendish đã khám phá ra khí “Hydrogen” và khi pha trộn khí nàyvới “không khí thiếu phlogiston” của Priestley rồi bật một tia lửa điện, Cavendish đã lấy đượcnước Nhưng Cavendish đã cắt nghĩa hiện tượng đó sai nhầm hẳn,bằngcách cho rằng Hydrogen

là “nước dư phlogiston”(overphlogisticated water) trong khi Oxygen là “nước thiếu phlogiston”.        Như vậy lý thuyết về nguyên tử lại phải chờ một người nhìn xa biết rộng khác và ngườinày chính là Antoine  Laurent Lavoisier Lavoisier hơn hẳn các nhà khoa học đồng thời với ông

ở chỗ ông quan tâm về một dụng cụ: cái cân rất nhậy

        Lavoisier đã thực hiện lại thí nghiệm của Priestley bằng cách đun thủy ngân trong mộtbình kín và đã thấy rằng trọng lượng tăng thêm của thủy ngân bằng trọng lượng mất đi củakhông khí và khi đun thêm oxít thủy ngân, ông lại được thứ khí có trọng lượng bằng với trọnglượng không khí đã mất ban đầu Tin tưởng vào sự cân đúng, Lavoisier thấy rằng vật chất khôngđược tạo ra hay bị hủy diệt mà đã phối hợp với nhau để tạo nên các chất mới Điều này đã đưaLavoisier đến sự phân biệt giữa hợp chất và đơn chất, tức là chất không thể làm cho đơn giảnhơn

        Lý thuyết của Lavoisier vào thời đó cũng chưa được chấp nhận ngay Có nhà khoa họcnói rằng nếu có các đơn chất chưa được phối hợp để tạo ra hợp chất thì lại không có gì chứng tỏ

tỉ lệ các đơn chất phối hợp đó luôn luôn không thay đổi mà trái lại, tỉ lệ đó còn thay đổi với thờigian và không gian Hầu Tước Berthelot cũng có ý tưởng này

       Pierre  Marcellin Berthelot  đã nghiên cứu cùng Lavoisier và đã được Napoléon chọn làm

cố vấn về Khoa Học trong chuyến viễn chinh Ai Cập vào năm 1789 Theo Berthelot, các đơnchất phối hợp với nhau theo các tỉ lệ không hạn định và vì tỉ lệ của Hydrogen và Oxygen để tạothành nước khác nhau nên nước của dòng sông Nile khác hẳn với nước của dòng sông Seine Ýtưởng này của Berthelot bị Joseph Louis Proust cho là vô nghĩa Proust cho rằng nước có cùngcách cấu tạo mặc dù căn nguyên của nó và cuộc tranh luận giữa hai nhà khoa học Pháp đã kéodài trong 6 năm trường, và chỉ chấm dứt khi xuất hiện tác phẩm của một nhà khoa học ngườiAnh John Dalton

Thế Kỷ XIXVào năm 1808, John Dalton cho xuất bản cuốn sách “Lý Thuyết Nguyên Tử “ (TheAtomic Theory) Dalton đã xác định rằng tất cả vật chất đều do nguyên tử tạo thành và không thể

phân chia nguyên tử ra thứ nhỏ hơn được Ngoài ra Dalton còn đọc Định luật tỉ lệ không đổi(Law of Constant Proportions) và Định luật bội số tỉ lệ (Law of Multiple Proportions).

        Lý thuyết Nguyên tử của Dalton được thế giới khoa học chấp nhận ngay Nhưng Dalton

đã nhầm lẫn khi nói về “các nguyên tử của hợp chất”(the atoms of compounds) mà không đề cậpđến phân tử, nên đã tìm ra trọng lượng nguyên tử của Oxygen là 8 và công thức của nước là H2Ocũng như công thức của Ammoniac là NH3 khiến cho trọng lượng nguyên tử của Nitrogen chỉbằng 1/3 trọng lượng chính thức

        Một năm sau ngày Dalton phổ biến lý thuyết Nguyên tử, Gay-Lussac đề cập đến lý thuyết

về thể tích của các khí tác dụng (Theory of the Volumes of Reacting Gases) Cả hai lý thuyết củaDalton và Gay-Lussac đã được Amedeo Avogadro sử dụng cùng với lý thuyết nguyên tử củachính ông để tính ra số phân tử và thể tích của các chất khí Vào năm 1814, André Marie Ampère

đã làm nhiều thí nghiệm và xác nhận kết quả của Avogadro nhưng thế giới khoa học thời bấy giờ

đã làm ngơ trước lời loan báo của nhà khoa học người Pháp này

        Năm 1818 khi chưa đến 40 tuổi, Joans Jakob Berzelius đã phổ biến một bảng gồm hơn2,000 đơn chất và hợp chất, và đã kiểm soát lại một cách thực nghiệm các định luật của Dalton

Do thấy rằng nhiều chất kết hợp với Oxygen hơn, Berzelius đề nghị dùng Oxygen làm chất cănbản trong việc so sánh trọng lượng nguyên tử Đây là một tiến triển đáng kể và thế giới khoa họcchấp nhận liền ý tưởng này Vì Oxygen nặng hơn Hydrogen chừng 16 lần nên Oxygen được coi

có trọng lượng nguyên tử là 16 Ngoài ra Berzelius còn dùng chữ đầu của tên La Tinh hay HyLạp của các đơn chất vào việc viết các công thức và phương trình hóa học

        Tới năm 1860, khi các nhà hóa học họp hội nghị tại Karlsruhe để tìm cách giải quyết cácngõ bí về phân tích hóa học thì Julius Lothar Meyer (1830 - 1895) , một trong các nhà hóa họchữu hạng, nhận được một bản thảo do Cannizzaro gửi đến Stanislao Cannizzaro, giáo sư hóa họctại Đại Học Gênes, đã viết ra tập “Phác họa về một Đường lối triết Lý Hóa học” (Sketch of aCourse of Chemical Philosophy) Đây là các bài ghi lại những gì ông đã dạy cho các sinh viênhóa học tại Gênes từ năm 1854 Cannizzaro đã xác nhận lại lý thuyết của Avogadro hơn 40 năm

về trước theo đó, ở cùng một nhiệt độ và dưới cùng một áp suất, các thể tích bằng nhau của nhiềuchất khí có cùng một số phân tử

        Trước kia thế giới khoa học không quan tâm tới nhận thức của Avogadro nhưng đến nay,lời xác nhận lại của Cannizzaro lại được mọi người tán thành vì giới khoa học đang đi vào ngõ bítrong việc khảo sát nguyên tử và các phản ứng hóa học, vì sự ủng hộ của nhà hóa học nhiều uytín Lothar Meyer và nhất là vì Cannizzaro đã đề cập tới một phương pháp cải biến từ tiêu chuẩncủa Avogadro trong việc đo tỉ trọng của các chất khí

        Avogadro trước kia đã dùng phân tử của Hydrogen làm đơn vị trong khi Cannizzaro lại

đề nghị dùng phân nửa của phân tử tức là nguyên tử Ý tưởng này đã khiến cho các nhà hóa họcnhận thức được sự khác biệt giữa nguyên tử và phân tử, và lại biết rằng dù cho phần lớn các phân

tử của nhiều đơn chất ở thể khí do hai nguyên tử tạo thành, nhưng chỉ có một nửa phân tử, tức lànguyên tử, tác dụng trong các phản ứng hóa học

        Nhờ các định luật của Avogadro-Cannizzaro về chất khí, trọng lượng nguyên tử củanhiều đơn chất được tìm thấy và điều này khiến cho các nhà khoa học nghĩ đến việc xếp hạngcác đơn chất theo trọng lượng nguyên tử Dimitri Ivanovitch Mendeleev(1834-1907):  là ngườiđầu tiên thành công trong việc xếp các chất vào một bảng khiến cho các đơn chất thuộc cùng một

họ có cùng một số các tính chât hóa học Bảng Tuần Hoàn của Mendeleieff thời đó còn để nhiềukhoảng trống và trong các năm 1875, 1879 và 1886, 3 đơn chất mới được tìm thấy và các chấtnày được điền đúng vào 3 chỗ trống trong bảng, đó là các chất Gallium, Scandium vàGermanium Như vậy vào năm 1895 tức là sau 2,500 năm, nguyên tử mới chính thức trở thành

sự thật và các nhà khoa học đều công nhận lý thuyết của Democritus là đúng

        Vào khoảng đầu năm 1896, các báo chí tại châu Âu đều đăng tải một tin phát xuất từVienne Theo tin tức này, một giáo sư người Đức tên là Wilhelm Roentgen thuộc trường ĐạiHọc Wurzburg, vừa mới khám phá ra một phương pháp chụp các vật đã được cất dấu, ngay cảxương chân tay của con người Tin khoa học này đã khiến cho mọi phòng thí nghiệm đều thựchiện lại việc chụp hình các xương tay, xương chân, xương đùi Các nhà y học đã nhận biết ngaygiá trị của phát minh kể trên áp dụng vào việc tìm hiểu các bộ phận ẩn khuất trong cơ thể và tiasáng đã được dùng vào việc chụp ảnh đó được Roentgen gọi tên là tia X

        Người ta không được nghe nói do trường hợp nào Roentgen đã khám phá thấy tia Xnhưng có lẽ do một sự tình cờ Trong phòng thí nghiệm của trường Đại Học, Roentgen đã dùngống tia âm cực và một cuộn dây Ruhmkorff, với hai thứ dụng cụ đơn giản này, Roentgen đã khảocứu thứ tia mới lạ đó và thấy rằng khi đưa ra các bản thu ảnh, các bản nhậy cảm này đã bị tia Xtác dụng như thể ánh sáng mặt trời hay ánh sáng đèn

        Trong nhiều tháng vào năm 1895, Roentgen đã khảo sát nhiều lần tia X rồi công bố kếtquả vào dịp lễ Giáng Sinh năm đó Tại Wurzburg thời đó có một hội khoa học thường nhận cácbài khảo cứu để đăng tải dưới hình thức tờ phúc trình Ngày thứ Bẩy sau lễ Giáng Sinh,Roentgen đưa bản thảo cho viên thư ký của hội để rồi 10 ngày sau, ông ta nhận được các tập bàiviết 10 trang Roentgen đã gửi các tập bài này tới các nhà khoa học danh tiếng của châu Âu, kèmtheo là các tấm ảnh do ông chụp được bằng tia X

        Tại nước Pháp, các nhà khoa học thuộc Viện Hàn Lâm được thông báo về phát minh củaRoentgen nhờ tập bài gửi tới tay Henri Poincaré, nhà toán học kiêm vật lý học Vào buổi chiềungày 20/1/1896, Henri Poincaré đã trình bày trước Hàn Lâm Viện Khoa Học các bức ảnh chụpxương tay do Oudin và Barthélémy thực hiện theo tờ phúc trình của Roentgen Trong dịp nàyHenri Poincaré cũng giải đáp các câu hỏi cho các nhà khoa học Pháp có mặt trong buổi họp

Trong số các thính giả của buổi trình bày này có Henri Becquerel, giáo sư vật lý tại ViệnBảo Tàng Lịch Sử Thiên Nhiên (Musée d’Histoire Naturelle) Henri Becquerel cũng là một nhàvật lý thuộc Hàn Lâm Viện Khoa Học giống như cha và ông nội của ông Becquerel nhận thấytia X đã làm sáng màn huỳnh quang trong khi đó, trạng thái huỳnh quang đã được cha của ôngkhảo cứu kỹ càng Becquerel liền chú ý tới khám phá của Roentgen

        Trong nhiều tháng trường, Becquerel đã làm thí nghiệm với chất huỳnh quang sulfaturanium và potassium Đó là một hợp chất gồm hai chất kể trên với lưu huỳnh và Oxygen Tinhthể của hợp chất này thường sáng lên khi được chiếu bằng tia tử ngoại (UV) Chủ đích của

Becquerel là muốn khám phá các tia còn bí ẩn vì thế ông đã dùng một bản thu ảnh gói trong giấyđen Muốn kích thích tính huỳnh quang của các tinh thể sulfat uranium và potassium, Becquereldùng tới tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời Ông đặt lên cửa sổ các tinh thể trên giấy đen có góibản thu ảnh bên trong Sau vài giờ phơi nắng, Becquerel làm hiện hình tờ giấy ảnh: ông đã thấycác vết sám lớn dần tại chỗ có các tinh thể của hợp chất.

        Becquerel liền đặt các tinh thể trên một đồng tiền thì thấy hiện hình trên giấy ảnh mộtvòng tròn trắng trên một nền đen Trong thí nghiệm thứ ba, Becquerel đặt giấy ảnh và tinh thểcách nhau bằng một miếng kính vì ông e ngại ánh sáng mặt trời sẽ làm cho các tinh thể sinh racác hơi và những làn hơi này tác dụng trên mặt nhậy cảm của giấy ảnh Trong lần này, Becquerel

đã tìm thấy kết quả như thể không có miếng kính

        Ngày 24 tháng 2 năm 1896, Becquerel tuyên bố với Hàn Lâm Viện ông đã tìm ra một thứtia sáng đâm thấu Ông đặt giả thuyết rằng tia X là một phần của bức xạ huỳnh quang Becquerel

đã nhầm lẫn, nhưng rất may ông vẫn còn tiếp tục khảo cứu Ba ngày sau đó, mọi vật dụng thínghiệm đều sẵn sàng nhưng thời tiết thay đổi, trời không có nắng nữa Becquerel liền xếp vàongăn kéo nào giấy ảnh, nào các tinh thể hóa chất Các vật dụng này cất trong tối 5 ngày vàBecquerel cho rằng chất sulfat uranium và potassium chỉ chiếu sáng khi được kích thích bằng tia

tử ngoại Nếu vậy các giấy ảnh vẫn còn trinh nguyên vì để trong bóng tối Do lòng kiên nhẫn sẵn

có, Becquerel đem làm hiện hình giấy ảnh thì thấy giấy ảnh lần này lại đen sẫm hơn những lầntrước kia, điều này làm ông sửng sốt Nếu vậy các tinh thể kia đã có thể tự phát ra các tia bức xạ.Becquerel liền thí nghiệm lại trong phòng thật tối và thấy rằng điều nhận xét đó đúng Lúc này,Becquerel đã gặp khó khăn trong việc cắt nghĩa lý do vì thế ông tiếp tục tìm kiếm câu giải đáp.        Becquerel thấy rằng những chất chứa Uranium và ngay cả các hợp chất có Uranium màkhông có tính chất huỳnh quang, đều có thể phát ra các tia bức xạ trong khi các hợp chất khácchứa Calcium hay Kẽm chẳng hạn lại không có tính chất trên Sau nhiều thí nghiệm, Becquerel

đi tới kết luận chất Uranium là nguyên nhân khiến các bản thu ảnh bị tác dụng và ông đã nghĩ tớiviệc thí nghiệm bằng Uranium nguyên chất nhưng cho tới thời bấy giờ, chưa có thứ kim loại này.Ông đành chờ đợi

        Thời bấy giờ, Henri Moissan thuộc trường Cao Đẳng Dược Khoa Paris, đang tìm kiếmphương pháp điều chế Uranium nguyên chất Tới tháng 5, Moissan thành công và Becquerel đãlàm thí nghiệm với một miếng của thứ kim loại mới này Ông ta đã thấy các tia bức xạ mạnh gấpbội, hơn hẳn tại các lần thí nghiệm trước Như vậy Becquerel đã khám phá ra tính chất của mộtthứ kim loại mới có khả năng phát ra các tia bức xạ Nhưng các điều khám phá của Roentgen vàBecquerel chưa khiến cho các nhà bác học đương thời lưu ý Những điều tìm thấy đó bị bỏ quêntrong một năm rưỡi, cho tới cuối năm 1897, mới được Marie Curie để tâm đến

        Sau khi sinh hạ cô gái đầu lòng, Marie Curie muốn tiếp tục việc học Bà muốn theo đuổichương trình Tiến Sĩ Vật Lý và như vậy phải nộp luận án về một đề tài khoa học Nếu thế, cáchhay nhất là khảo cứu ngành nào chưa được ai quan tâm tới Vì vậy Marie Curie bắt đầu bằng chấtUranium, thứ kim loại của Moissan, rồi bà Curie suy ra rằng còn có các kim loại khác phát ra cáctia bức xạ Marie Curie bắt đầu cuộc tìm kiếm và sau rất nhiều lần thử với vô số vật chất, bà đã

để tâm tới chất pechblende

        Pechblende lă một khoâng chất chứa Uranium kết tinh Marie Curie đê ngạc nhiín thấypechblende cho câc tia bức xạ mạnh hơn câc tia của kim loại Uranium nguyín chất Nếu vậytrong pechblende phải có một nguyín tố năo chưa biết, có đặc tính phât ra câc tia đđm thđu, vìvậy phải tìm ra chất đó Việc lấy một chất mới ra khỏi câc chất khâc đòi hỏi nhă bâc học phải lămột nhă hóa học thănh thạo, thấu hiểu tất cả tính chất của những nguyín tố đê biết, trong khi đó

cả ông Pierre lẫn bă Marie đều chưa phải lă câc nhă hóa học Vì thế hai ông bă Curie đănh phảiđến hỏi Gustave Bĩmont trong khi ông năy chỉ lă trưởng phòng thí nghiệm của trường Lý Hóa.        Sau nhiều thâng khổ công tìm kiếm bằng mọi câch, hai ông bă Curie đê thănh công trongviệc phđn tâch vă tìm thấy một nguyín chất mới mă hai ông bă gọi lă Polonium Ngoăi chấtPolonium, ông bă Curie còn nhận thấy rằng trong pechblende còn có một chất phóng xạ khâc.Với sự trợ giúp của Eugỉne Demarcay, hai ông bă tiếp tục tiến hănh việc nghiín cứu

        Văo cuối năm 1898, ông bă Curie công bố việc khâm phâ ra một chất mới thứ hai: chấtRadium Ngăy 26/12/1898, Becquerel trình băy sự khâm phâ ra chất Radium của ông bă Curietrước Hăn Lđm Viện Khoa Học Phâp Như vậy giới khoa học đê biết tới 3 chất phóng xạ Chấtthứ tư lă Thorium được khảo sât do R B Owens, Giâo Sư thuộc Đại Học McGill tại Montreal,Canada

        Lúc bấy giờ Owens mới 28 tuổi vă lă bạn của Ernest Rutherford, 27 tuổi, Giâo Sư Vật Lýtại trường Đại Học Montreal Rutherford đê khuyến khích Owens nghiín cứu về chất Thorium vẵng năy đê dùng câc phương phâp của Rutherford

        Rutherford sinh trưởng tại Tđn Tđy Lan Ngay từ nhỏ, ông đê nổi danh lă một thần đồng.Khi còn theo học tại trường trung học Nelson, Rutherford rất giỏi về Toân, Lý, Hóa, Sử, La Tinh,Phâp Văn vă Văn Chương Anh Ông đê đỗ đạt rất sớm với hạng rất cao Cuối năm 1825,Rutherford được gửi theo học tại Đại Học Cambridge Thời bấy giờ giâm đốc phòng thí nghiệmCavendish lă nhă bâc học J.J.Thomson nhận thấy Rutherford lă người có tăi, nín nhậnRutherford lăm phụ tâ Thomson vă Rutherford cùng nghiín cứu về tia X vă sự Ion hóa câc chấtkhí trong hơn một năm trường

        Văo mùa xuđn năm 1898, một tin từ Đại Học McGill cho biết trường năy hiện thiếu mộtchđn giâo sư Với sự giới thiệu của Thomson, Rutherford đê được bổ về trường McGill Tại nơiđđy, Rutherford đê khảo sât hiện tượng phóng xạ khơi măo (radioactivitĩ provoquĩe)

        Những nhă khoa học tiền phong về chất phóng xạ kể trín như Becquerel, ông bă Curie,Rutherford đê khiến cho Sir William Crookes chú ý tới tính phóng xạ văo cuối năm 1899 Lănhă hóa học tại thănh phố London, Crookes rất giău có lại yíu thích công việc khảo cứu khoahọc Sau căn nhă, ông cho lập một phòng thí nghiệm riíng Ngoăi ra ông còn đứng ra xuất bảnmột tuần san về hóa học Sir William Crookes cũng định tìm kiếm chất Radium trongpechblende nhưng sau nhiều lần gạn lọc vă tìm hiểu, ông cảm thấy mình đang có trước mặt mộtchất mới, không phải lă Polonium lẫn Radium mă ông gọi lă Uranium X Văo thâng 5 năm 1900,Crooks mang những điều tìm được của mình trình băy trước Hội Khoa Học Hoăng Gia London.        Văo mùa hỉ năm 1900, khi Rutherford trở về Tđn Tđy Lan để cưới vợ thì FrĩdĩrickSoddy tới Montreal Soddy khi đó mới 22 tuổi, năm trước vừa đậu văn bằng Hóa Học tại trường

Đại Học Oxford, nhưng vì không kiếm nổi việc làm tại nước Anh nên Soddy đành sang Canada.Trong thời gian lưu lại Montreal, Soddy đã lóa mắt trước các phòng thí nghiệm lộng lẫy do SirWilliam Macdonald, vua thuốc lá, xây dựng cho trường Đại Học McGill Vì vậy Soddy tìnhnguyện nhận chân nghiệm chế viên hóa học Chính tại phòng thí nghiệm của Rutherford, Soddyđược giao phó việc khảo sát chất Thorium Soddy và Rutherford đã tìm ra một hóa chất còn nghingờ với tên gọi là Thorium X.

        Khi trở về làm việc tại Cambridge, Rutherford khảo sát sự Ion hóa và thấy rằng Uraniumphát ra hai loại tia mà ông đặt tên là tia alpha và tia bêta Sau đó nhà vật lý học trẻ tuổi củatrường Đại Học McGill là Arthur Gorden Grier nhận thấy rằng Thorium cũng như Uranium chỉcho tia alpha trong khi Uranium X và Thorium X phát ra tia beta

Sự Tranh Cãi Giữa Các Thiên Tài

Ngày 05 tháng 10 năm 1906 trong một phòng khách sạn gần Trieste,nhà vật lý người ĐứcLudwig Boltzmann treo cổ tự tử Boltzmann  từ lâu đã có các vấn đề về tâm lý và một trongnhững nguyên nhân cơ bản dẫn tới tính trầm cảm của ông đó là ông đã bị lăng mạ thậm chí là bịbài xích vì ông tin vào một điều mà ngày nay chúng ta đều hiển nhiên công nhận Ông cho rằngvật chất không thể mãi mãi chia thành các phần tử nhỏ hơn được,thay vào đó ông cho rằng cuốicùng thì mọi thứ đều được tạo thành từ các khối cơ bản-các hạt Nguyên tử Chính phát hiện nàycủa Boltzmann đã gây tranh cãi rất lớn Cũng về vấn đề tranh luận về Nguyên tử thì 100 nămtrước đó các nhà khoa học đều cho rằng đó là lãng phí thời gian.Nhưng tới giữa thế kỷ XIX thìviệc nguyên tử có tồn tại hay không lại trở nên vô cùng quan trọng Và lý do đó là gì? Đó chính

là hơi nước Vào những năm 1850 thì hơi nước đã làm thay đổi Thế giới, hơi nước cung cấpnăng lượng cho những cỗ máy khổng lồ, tàu hỏa, thuyền, các nhà máy trong cuộc Cách mạngcông nhiệp Việc tìm ra và sử dụng hơi nước hiệu quả hơn trong, thươngmại, chính trị và quân

sự Đó chính là câu hỏi then chốt của khoa học thế kỷ XIX Nhu cầu tạo ra động cơ mạnh và cóhiệu suất cao hơn dẫn tới yêu cầu cấp bách cần phải hiểu và dự đoán được hoạt động của nước vàhơi nước ở nhiệt độ và áp suất caoLugwig Boltzmann và các cộng sự của ông chỉ ra rằng nếuchúng ta tưởng tượng hơi nước được tạo thành từ hang triệu các khối cầu nhỏ và chắc-cácnguyên tử, khi đó chúng ta có thể tạo ra các phương trình toán học mạnh và các phương trình đó

có thể dự đoàn được hành vi của hơi nước với độ chính xác rất cao Nhưng những phương trìnhnày đưa Boltzmann và các cộng sự nghiên cứu đến một mâu thuẫn Đối thủ của họ cho rằng dokhông thể nhìn thấy được các nguyên tử nói đến trong phương trình,chúng chỉ thuần túy làphương trình toán học chứ không phải các đối tượng vật lý thực sự việc khẳng định sự tồn tạicủa các thực thể,tưởng tượng đó dường như quá táo bạo và thậm trí là hồ đồ Những người chỉtrích Boltzmann coi đó như là một sự xúc phạm khi đánh giá thấp sự sang tạo kỳ diệu của chúatrời xuống thấp chỉ ở mức chuỗi va chạm các khối cầu vô cùng nhỏ, vô tri vô giác Boltzmann bịlên án là một nhà duy vật vô thần Điều trớ true và cay đáng của Boltzman là khi kết liễu cuộcđời mình năm 1906, ông không hề biết rằng mình đã được giải oan, một năm trước khi ông mấtmột nhà khoa học trẻ đã viết một bài báo khẳng định sự tồn tại không thể chối cãi của nguyên tử.Chúng ta có thể đã đoán biết đó là nhà khoa học nào Đó chính là Albert Einstein Năm 1905,một năm trước khi Boltzmann tự vẫn, Einstein mới 26, tính cách táo bạo của ông đã gây khó chịucho hầu hết các giáo sư và thầy giáo và gần như không ai muốn làm việc cùng với ông Và rồibạn gái của ông có mang, một cuộc hôn nhân vội vã được tiến hành Ông cần một việc làm Do

không quá nổi bật ở trường đại học,ông nhận việc làm thư cấp bằng sáng chế ở Berne - Thụy Sỹ,Ông chuyển đến căn hộ ở Kramgasse cùng với người vợ trẻ Mileva Bất chấp tình cảnh vô cùngkhó khăn Einstein có một niềm đam mê cháy bỏng, ông khao khát được ghi dấu ấn là một nhàVật Lý và trong năm 1905, một năm kỳ diệu dấu ấn của ông tạo ra thật hết sức phi thường Sởhữu một công việc không quá khắt khe khiến ông có nhiều thời gian cả ở cơ quan và trong căn

hộ nhỏ bé của mình để dành cho những xuy nghĩ sâu sắc Chỉ trong thời gian ngắn(vài tháng)ông sắp sửa công bố một số bài báo sẽ thay đổi khoa học mãi mãi Giờ đây ai cũng biết đếnThuyết tương đối của ông ngay cả khi chúng ta không hiểu gì về nó Bài báo viết về bản chất ánhsáng giúp ông nhận giải thưởng Nobel vài năm sau đó Nhưng không có bài báo nào trong số đó

có ảnh hưởng đén sự phát hiện ra nguyên tử sau này Điều làm nên mọi sự khác biệt là một bàibáo ngắn lý giải chuyển động của các hạt phấn hoa nhỏ trên mặt nước

Trở lại thí nghiệm về các hạt phấn hoa chuyển động trong nước (năm 1827) nhà thực vậthọc người Scotland là Robert Brown đã rắc những hạt phấn hoa trên mặt nước và theo dõi quamột kính hiển vi Ông nhận thấy các hạt phấn hoa thay vì nổi nhẹ trên mặt nước chúng lạichuyển động rất một cách rất dữ dội trong lòng nước,như thể chúng là cơ thể sống Khi đó cáigọi là “chuyển động Brownian” còn rất kỳ lạ Các nhà khoa học nhanh chóng lãng quên nó, họcho rằng nó tầm thường, thậm chí là tẻ nhạt và buồn cười Ai quan tâm đến phấn hoa có chuyểnđộng trên mặt nước hay không? Và sự rung động đó thì có liên quan gì đến nguyên tử ? Gần 80năm trôi qua, phát hiện của Brown vẫn là một hiện tượng dị thường ít được biết đến Và rồiEinstein đã thay đổi tất cả, bằng hiểu biết sâu sắc đáng kính nể và kinh ngạc Ông thấy chuyểnđộng Brownian lien quan trực tiếp đến các nguyên tử trên thực tế, Ông nhận ra rằng sự rungđộng của các hạt phấn hoa trên mặt nước có thể giải quyết dứt điểm cuộc tranh cãi dữ dội về sựtồn tại của các nguyên tử lý lẽ ông đưa ra khá đơn giản: các hạt phấn hoa sẽ chỉ rung động nếuchúng bị xô đẩy bởi vật khác, do đó Einstein nói rằng nước chắc chắn phải được cấu tạo từ cáchạt nhỏ xíu và bản thân các hạt nhỏ xíu đó giao động và không ngừng xô đẩy các hạt phấn, nếukhông có các nguyên tử các hạt phấn sẽ đứng im Vì vậy mà Boltzmann và những người cngfthời với ông đã tranh cãi dữ dội về câu hỏi này mà không đem lại kết quả Mà không ai biết đượcrằng câu trả lời đã có ngay từ đầu Einstein chứng minh rằng để thực hiện được chuyển độngBrownian nguyên tử phải “Tồn tại” Bài báo của Einstein không dừng lại ở các lý lẽ xuông, bằng

mô hình toán học hoàn hảo, Ông chứng minh rằng sự rung động của các hạt phấn hoa tiết lộ kíchthước của nguyên tử và nó nhỏ tới mức không thể tưởng tượng nổi, đường kính cỡ 1/ 10.000.000milimeter, như vậy với một sợi tóc người thì đường kính của nó tương đương với hơn 1 triệunguyên tử Bài báo của Einstein chấm dứt cuộc tranh luận, Liệu nguyên tử có thực sự tồn tại haykhông? Và Boltzmann đã hoàn toàn được minh oan, Nguyên tử chắc chắn tồn tại

Vào đầu những năm thế kỷ XX nguyên tữ đã được công nhận, các nhà khoa học cho rằngnguyên tử tồn tại không còn bị coi là những người dị giáo nữa mà hoàn toàn ngược lại họ đượccoi là lẽ phải Nhưng họ phải trả cái giá rất cao cho thành công của mình trước khi họ có cơ hộichúc mừng nhau về thành công của mình về việc khám phá ra nguyên tử, họ luôn bị lung lay vàchóng mặt với những điều kỳ lạ và đôi khi đáng sợ của một thế giới mới Mọi chuyện bắt đầu từManchester - nơi tâm điểm của thế giới về vật lý nguyên tử ,vào khoảng năm 1910 Hai trong sốnhững nhà khoa học vĩ đại nhất trong lịch sử làm việc trong khoa vật lý trường ĐH Manchester

từ năm 1911-1916, họ là Ernest Rutherfofd và Niels Bohr Họ như hai tính cách trái ngược nhau,

và có vẻ như không có khả năng hợp tác với nhau:

Bohr07/10/1885—18/11/1962

- Sinh ra tại một vùng hẻo lánh của

Newzealand

- Xuất than trong một gia đình làm trang

trại

- Hoàn toàn theo chủ nghĩa thực nghiệm

- Yêu thích công nghệ, Ông được trời

phú cho khả năng trực giác tuyệt vời

- Các dụng cụ thí nghiệm, quan sát và đo

đạc là cách ông nghiên cứu khoa học

- Ông chỉ tin vào những gì ông quan sát

và đo đạc được

- Sinh ra ở Copenhagen

- Giàu có và uyên bác, gần như một nhàquý tộc

- Hoàn toàn là nhà vật lý lý thuyết

- Với ông khoa học là những suy nghĩsâu sắc và trừu tượng

- Giấy, bút và bảng là công cụ của ông

- Logic là con đường đưa ông đến chânlý

Mặc cách giải quyết vấn đề của 2 ông là hoàn toàn khác nhau nhưng họ lại có một điểmchung: hai ông sẵn sàng từ bỏ nền khoa học đã tồn tại trong ba thế kỷ nếu chúng không phù hợpvới những gì hai ông cho là đúng Rutherford và Bohr,hai trong những nhà khoa học vĩ đại nhấttrong lịch sử Nhưng hai ông cunhx phải sử dụng hết sự bền bỉ, cảm hứng sáng tạo của mình để

có thể đương đầu với nguyên tử Năm 1907 Rutherford làm chủ nhiệm khoa vật lý trường ĐHManchester, đây là thời kỳ của những thay đổi căn bản trong khoa học

Nhắc lại 10 năm trước đó,tại Đức người ta đã phát hiện ra tia dị thường có thể xuyên qua

da thịt và nhìn thấu xương chúng ta, nó kỳ lạ tới các nhà khoa học không biết gọi nó tên là gì và

đã gọi nó là Tia X Vài năm sau đó ở Cambridge người ta đã chỉ ra rằng với những dòng điệncực mạnh có thể sinh ra những dòng hạt điện tích nhỏ phát sang rất kỳ lạ được gọi là electrons

Và ở Pháp năm 1896 đã có một khám phá tối quan trọng, một khám phá sẽ lần đầu tiên hé lộ bức

vă kỳ lạ, được gọi lă năng lượng phóng xạ Câc kim loại phóng xạ có thể sờ được nhưng cũng cóthể lăm bỏng da vă câc tia phóng xạ có thể đi xuyín qua câc chất rắn như thể chúng không tồntại Đó thực sự lă điều kỳ diệu của thời đó Rutherford bị âm ảnh về năng lượng phóng xạ, vôvăn cđu hỏi quanh ông phóng xạ được hình thănh như thế năo? Vă sao lại có nhiều dạng khâcnhau như vậy? Phóng xạ có thể truyền đi bao xa trong không khí vă chđn không? Phóng xạ lămthay đổi vật chất trín đường đi của chúng không?

Ở Manchester, Rutherford cùng với câc trợ lý của mình, Hans Geiger – người sang chế ramây đếm Geiger, vă Ernest Marsden, ông tiến hănh hăng loạt thí nghiệm để tìm hiểu bí ẩn củaphóng xạ Ông dung một nguồn phât tia phóng xạ α, một măn chắn bằng văng dât cực mỏng vămăn lđn tinh đặt sau lâ văng Ông cắt cử 2 trợ lý của mình ngồi vă quan sât Công việc trongphòng tối thật quâ buồn tẻ với hai ông Nhiều ngăy trôi qua dòng α bắn xuyín qua tấm văngmỏng đó một câch như người ta đê biết vă mêi vẫn không co hiện tượng bất thường Rồi mộtngăy Rutherford đi qua hănh lang phòng thí nghiệm ông bắt gặp 2 trợ lý vă hỏi , thì họ cho hayvẫn không có hiện tượng gì bất thường Rutherford khi đó đê gợi ý, đặt ngược măn lđn linh văquan sât xem xó hạt α năo bay ngược lại không Vă trải qua khâ nhiều ngăy 2 trợ lý lag Geiger

vă Marsden phât hiện ra đê có hạt α bật ngược lại, họ cho hay cứ khoảng 8000 hạt α xuyín quathì có 1 hạt bật ngược trở lại Điều đó đê lăm Rutherford rất đỗi ngạc nhiín Phải mất gần mộtnăm thì Rutgerford mới tìm hiểu được nguyín nhđn của sự bật ngược trở lại của hạt α Điều mẵng sắp công bố với Thế giới quâ đặc biệt mọi người mới vừa chấp nhận nguyín tử như lă thănhphần nhỏ nhất cấu tạo nín vật chất Vă giờ đđy mọi người sẽ biết cấu trúc nội tại bín trong củanguyín tử Rutherford đê hình dung nguyín tử như hệ mặt trời tý hon Electrons câc hạt nhỏ tíhon tích điện đm chuyển động quanh một vật chất cực kỳ nhỏ tích điện dương mă ông gọi lă Hạtnhđn nguyín tử Kết quả tính toân của Rutherford cho thấy hạt nhđn nhỏ hơn nguyín tử khoảng10.000 lần Đó lă lý do tại sao chỉ có 1 trong 8000 hạt α bật ngược trở lại, tình cờ chúng lănhững hạt va chạm với hạt nhđn nhỏ xíu, những hạt còn lại lướt qua mă không chạm văo bất cứthứ gì, Hệ quả bất ngờ của giả thuyết đó lă nguyín tử theo Rutherford lă một không gian hầu nhưtrống rỗng

Vậy theo như Rutherford ta hình dung rằng nếu hạt nhđn có kích thướng bằng quả bóngthì quỹ đạo của electron gần nhất sẽ câch xa nửa dặm, phần còn lại của nguyín tử hoăn toăn lăchđn không Nguyín tử không giống bất cứ thứ gì mă chúng ta đê biết đến trước đó, vă nó cănglúc căng trở nín kỳ lạ hơn! Hầu như thời đó ngay lập tức nổ lín một vấn đề, một vấn đề lớn.Theo khoa học đê được thử nghiệm vă kiểm chứng thờ bấy giờ, electron lẽ ra phải mất nănglượng, giảm dần vận tốc vă xoây tròn về phía hạt nhđn chỉ trong chưa đầy khoảng thời gian nhâymắt Nguyín tử theo Rutherford mđu thuẩn với câc định luật khoa học đê biết, mô hình nguyín

tử ấy đê thâch thức câc khoa học truyền thong, nó hầu như lă chan không vă sẽ mêi mêi lă nhưvậy Quêng thời gian lúc ấy, chỉ 6 năm ngắn ngủi ,từ năm 1905 đến 1911 nguyín tử đê đượccông nhận la tồn tại vă có kích thước vô cùng nhỏ, rồi người ta lại thấy rằng nguyín tử hầu như

lă chđn không vă nó không tuđn theo câc định luật đê biết Hệ quả tất yếu yếu lă câc nhă khoahọc uy tín thời đương đại, trong đó có cả Einstein đều lung túng, những tư tưởng khoa học mă họ

đê tin tưởng trọn đời hoăn toăn sụp đỏ khi lý giải về nguyín tử, nguyín tử giờ đđy cần một thế hệcâc nhă khoa học mới để tiếp bước Rutherford

Một trong những người tiín phong của lăn sóng mới năy lă Niels Bohr Năm 1911 ôngrời Đan Mạch đến Anh quốc, sau khi hoăn thănh những nghiín cứu Bohr quyết định ra nước

ngoài và đến trung tâm của vật lý hiện đại thời bấy giờ ( ĐH Manchester) Bohr cực kỳ thôngminh, tuy đôi lúc bị ám ảnh vô lý đến những chi tiết nhỏ nhặt VD: chuyện kể rằng Bohr đã tựhọc tiếng Anh bằng cách đọc đi đọc lại các bài báo Pickwick của Dickens Bohr bị cuốn hút bởihình dung nguyên tử của Rutherford đến mức ông đặt sứ mệnh cho mình phải đi giải quyếtnhững điều bí ẩn vì sao nguyên tử không co lại và tại sao có nhiều chân không đến như vậy Làmột nhà vật lý lý thuyết thế hệ mới, trong ý nghĩ của mình Bohr không hề e ngại và sẵn sang từ

bổ những lý lẽ thong thường hay trực giác của con người để tìm ra một lời giải đáp Và rồi bằngmột hành đọng thiên tài ông bắt đầu tìm kiếm về cấu trúc nguyên tử, nhưng không xem xét dướigóc đọ vạt chất mà bằng cách tìm hiểu bản chất kỳ lạ và bí ẩn của ánh sáng Một điều rõ rằng lànguyên tử và ánh sáng có quan hệ với nhau Hầu hết các chất phát sáng khi bị nung nóng, hàngtrăm năm qua con người đã nhận thấy các chất khác nhau phát sáng với những màu sắc riêng biệtcủa chúng Những màu sắc khác nhau đó gắn với các chất khác nhau và gọi là “Quang phổ” Trítuệ siêu việt của Bohr thể hiện ở chỗ ông nhận ra rằng quang phổ cho chúng ta biết điều gì đó vềcấu trúc nội tại của nguyên tử, và chúng có thể lý giải cho những khoảng chân không đó Ýtưởng của Bohr là lấy mô hình nguyên tử là hệ mặt trời của Rutherford và thay bằng một thứ hầunhư không thể hình dung và tưởng tượng được, khi ấy những hình dung trực quan như chânkhông và các hạt chuyển động theo quỹ đạo phai nhạt dần, chúng được thay thế bởi một trongnhững khái niệm gây nhiều hiểu lầm nhất trong lịch sử khoa học – “ bước nhảy lượng tử ” Hầuhết các nhà vật lý đều phải mất nhiều năm để chấp nhận thuật ngữ “ bước nhảy lượng tử ” bảnthan Bohr cũng nói rằng: nếu ai đó nghĩ là đã hiểu về nó,thì chẳng qua là họ chưa suy nghĩ mộtcách thấu đáo, do vậy tôi sẽ chuẩn bị tinh thần để trong vòng 30s cố gắng giảng giải về một trongnhững khái niệm phúc tạp nhất trong lịch sử khoa học nhưng là khái niệm nền tảng cho toàn bộ

vũ trụ

Bohr mô tả nguyên tử không phải là một hệ mặt trời mà như 1 tòa nhà nhiều tầng, tầngmột là hạt nhân cư trú, các electron chiếm các tầng bên trên Một quy luật bí ẩn phát biểu rằngelectron chỉ có thể nằm “ trên ” các tầng chứ không bao giờ nằm ở giữa, một quy luật bí ẩn khácnói rằng thỉnh thoảng chúng tức thì nhảy từ tầng này qua tầng khác, đó chính là cái chúng ta gọi

là “ bước nhảy lượng tử ”,lúc bấy giờ Bohr hoàn toàn không hiểu vì sao lại có những quy luậtnày Những suy nghĩ theo cách đó cho phép ông đưa ra những dự đoán hết sức đáng ngạc nhiên.Khi một Electron nhảy từ tầng cao xuống tầng thấp hơn nó phát ra ánh sáng Quan trọng hơn,màu sắc của ánh sáng đó phụ thuộc vào độ lớn của bước nhảy lượng tử do electron thực hiện, vìthế electron nhảy từ tầng ba xuống tầng hai chỉ có thể phát ra ánh sáng màu đỏ, còn electronnhảy từ tầng mười xuống tầng hai phát ra ánh sáng xanh Để kiểm chứng giả thuyết mới củamình, Bohr dựa vào đó để đưa ra một dự đoán: Liệu có thể giải mã được bí ẩn trong quang phổHidro không? Sau nhiều tháng tính toán kiên trì cuối cùng ông cũng đưa ra lời giải và dự đoáncủa ông chính xác tới không ngờ Lần đầu tiên trong lịch sử hiện tượng quang phổ dường như đãđược lý giải(1913) Đó quả thực là một sự kiện lớn Nhưng ý tưởng mới của Bohr lại dựa trênmột giả thuyết vô cùng gây tranh cãi Tại sao các electron và nguyên tử lại xử sự như chúng đang

ở trong một ngôi nhà nhiều tầng? và tại sang chúng lại thực hiện các bước nhảy lượng tử kỳ diệu

từ tầng này qua tầng khác? Không có tiền lệ nào như vậy ở bất cứ đâu trong lịch sử khoa học.Khi một nhà vậy lý nói rằng nước nhảy ấy hết sức vô lý, Bohr đáp lại “ vâng,ngài hoàn toànđúng! Nhưng điều đó không có nghĩa là bước nhảy lượng tử không hề xảy ra chỉ là vì ngài khôngthể nhìn thấy chúng”

Nhưng không thể nhìn được hiện tượng dường như đingược lại với mục đích tối hậu của khoa học Những nhà khoahọc lớn tuổi nói riêng cho rằng khoa học cần phải đem đếnnhững hiểu biết về thế giới, chứ không phải nghĩ ra những quyluật tùy tiện chỉ nhằm phù hợp với các dữ liệu thực nghiệm.Tranh cãi giữa hai thế hệ các nhà khoa học là điều không thểtránh khỏi Nguyên tử và bước nhảy lượng tử kỳ lạ do Bohrđưa ra là một đòn giáng mạnh vào khoa học cổ điển truyềnthống, và các học giả thế hệ cũ đã phản ứng quyết liệt, dẫn đầucác học giả này là người khổng lồ trong giới vật lý : AlbertEinstein Ông không thích những ý tưởng của Bohr, và ông sẽtuyên chiến với chúng, bằng mọi giá đưa thế giới trở về với trật tự và lẽ phải và thoát khỏi những

ý tưởng kỳ dị Dù vậy Bohr vẫn không hề nao núng và khi bước sang những năm 1920 đã hìnhthành hai chiến tuyến cho một trong những sự tranh cãi vĩ đại nhất trong lịch sử khoa học.Einstein dành phần lớn những năm đầu thập kỷ 1920 để phản bác lại Niels Bohr, với cả thànhcông và thất bại Danh tiếng mang đến cho Einstein một Uy thế lớn, do đó khi ông phản bác lạinhững ý tưởng, chẳng hạn bước nhảy lượng tử, và nói rằng điều đó thật vu vơ, thì mọi người đềlắng nghe Rồi tới năm 1925 ,một bức thư gửi đến ông, chính là một tin vô cùng tốt lành chonhành vật lý Cuối cùng thì cũng có ý tưởng mô tả thế giới nguyên tử bằng những định luật củakhoa học truyền thống đã được thử nghiệm và kiểm chứng Einstein vui sướng tột độ và nói vớibạn bè rằng: “ cuối cùng đã vén được bức màn che giấu những quy luật của vũ trụ” Gửi kèm láthư đó là luận văn tiến sỹ của thanh niên người Pháp, và đằng sau đó là một câu chuyện phithường

Trong những năm thế chiến thứ I , người thanh niên ấy dành thờigian làm việc trên đỉnh tháp Eiffel với công việc điều khiển radio, tên ông làPrince Louis De Broglie Xuất thân trong một gia đình quý tộc Pháp, nhưngông lại cống hiến hết mình cho vật lý Với kinh tế khá giả, ông đã lập mộtphòng thí nghiệm bên đại lộ Champs- Elysees Sau chiến tranh De Broglie bịnhững điều bí ẩn và tranh cãi xung quanh nguyên tử cuốn hút Và kinhnghiệm điều khiển radio trong những năm chiến tranh đã gợi cho ông một ýtưởng thú vị: có lẽ sóng radio sẽ giải thích được nguyên tử Sóng radio mặc

dù không nhìn thấy được nhưng nó hoạt động như sóng nước trên hồ, sóng radio tuân theo nhữngphương trình toán học đáng tin cậy được hiểu rõ và tính toán từ nhiều thập kỷ trước đó Vậy nêntrong luận văn tiến sĩ của mình De Broglie tưởng tượng một loại song radio đẩy electron xungquanh nguyên tử, ông gọi đó là song dẫn đường, sóng dẫn trường này sẽ giữ chặt electron trênquỹ đạo của nó ngăn cho nguyên tử không bị co lại Không hề có những bước nhảy lượng tử tứcthì kỳ lạ, chỉ đơn giản là các sóng trực quan đơn giản gần gũi với đời thường Các nhà khoa họctruyền thống khi đó hẳn là đã cảm thấy rất an tâm Họ đã thốt lên “ Nguyên tử đơn giản chỉ làsóng” và “ chúng tôi hiểu sóng là gì” Einstein và các nhà khoa học truyền thống cảm thấy chiếnthắng đã nằm trong tầm tay, họ tin rằng sẽ đánh bại Bohr cùng với lý thuyết mới về nguyên tửcùng với các bước nhảy lượng tử kỳ dị

Nhưng Niels Bohr không phải là người dễ bị khuất phục và chịu đầu hàng Mặc dù ông

đã lý giải thành công quang phổ của Hidro bằng lý thuyết mang tính đột phá của chính mình.Trên thế giới ông cũng không nổi tiếng bằng Einstein nhưng trên quê hương Đan Mạch,lý thuyết

riêng này đủ để đưa ông trở thành một ngôi sao Tràn ngập thành công Niels Bohr trở lạiCopenhagen năm 1916 như một người anh hùng, với danh tiếng vừa có được Ông dễ dàng gâyquỹ cho nghiên cứu Trên thực tế nguồn tài trợ từ hãng bia hơi Carlsberg đã giúp ông thành lậpmột viện nghiên cứu mới Có thể nói một cách hài hước chính là bia đã giúp chúng ta hiểu đượcnhững bí ẩn của nguyên tử ! Viện “Niels Bohr Institutet” thành lập năm 1920, Nó đã trở thànhtrung tâm hàng đầu về vật lý lý thuyết và vẫn còn tồn tại cho tới tận ngày nay Danh tiếng củaNiels Bohr về những ý tưởng độc đáo và sâu sắc khiến Copenhagen trở thành một thỏi nam châmthu hút các nhà vật lý trẻ tuổi tràn trề hi vọng, họ muốn trở thành một phần trong ngành khoa họcmới của Bohr, mà sau này được gọi là cơ học lượng tử

Năm 1924,bất chấp những lý giải truyền thống về nguyên tử của Einstein và De Broglie,những người theo làn sóng mới đưa ra một giả thuyết khác dựa trên những bước nhảy lượng tửcủa Bohr, đó là ý tưởng nhiều tham vọng nhất và gây nhiều tranh cãi nhất Người đầu tiên pháttriển ý tưởng này là Woflgang Pauli, một trong những ngôi sao đang lên của phe ủng hộ Bohr.Pauli dựa trên hiện tượng kỳ lạ về bước nhảy lượng tử của Bohr và đưa ra một trong những kháiniệm quan trọng nhất trong lịch sử khoa học, ý tưởng của ông có cái tên không mấy thú vị :

“Nguyên tắc loại trừ”, nguyên lý này giải thích được sự đa dạng vô bờ bến của tạo hóa Câu hỏi

mà Pauli đang cố gắng giải đáp câu hỏi” Mỗ nguyên tử đều được cấu tạo từ các thành phần cơbản giống nhau ,vậy tại sao chúng lại xuất hiện dưới nhiều hình thức khác nhau như vậy? cónhiều màu sắc,kết cấu và tính chất hóa học đến như vậy?” VD đơn giản như Au và Hg đều là haikim loại, Au thể rắn và không độc hại; Hg thể lỏng và rất độc Vậy mà chúng chỉ hơn kém nhau

1 Electron Vậy tại sao 1 electron nhỏ bé lại làm nên sự khác biệt lớn đến như thê? Pauli đã đềxuất một định luật lượng tử khác mà dường như không ai ngờ tới Dựa trên cách tưởn tượngnguyên tử như 1 tòa nhà nhiều tầng của Bohr, hại nhân ở tầng cuối cùng, các e lần lượt lấp đầycác tầng bên trên Pauli nói rằng có một quy luật lượng tử khác, đó là mỗi tầng chỉ được phépchứa một số lượng electron nhất định, nên nếu chúng ta muốn them một electron vào nguyên tử,

nó phải kiểm tra chỗ trống ở tầng trên cùng, và nếu đã đầy ở đó cần phải xây them một tầng khácbên trên để chứa electron Như vậy chỉ một e duy nhất cũng có thể thay đổi toàn bộ hình thù củanguyên tử, và điều này sẽ tiếp tục ảnh hưởng tới tính chất của nguyên tử và mối quan hệ với cácnguyên tử khác Nguyên lý của Pauli thực sự là nền tảng của toàn bộ ngành hóa học, và sau đó làsinh học Nguyên tắc loại trừ của Pauli là bước đột phá quan trọng trong cơ học lượng tử củaBohr, gần như lần đầu tiên nó giúp ta hiểu thế giới xung quanh và cả cuộc sống Thành công củaông ấy đã xuyên thủng bức tường phòng ngự bảo vệ vật lý cổ điển của Einstein Và cũng giốngnhư các bước nhảy lượng tử,đó là một trong những quy tắc kỳ lạ nhất của vật lý nguyên tử Pauli

đã không giải thích quy tắc ấy từ đâu mà có, ông nói rằng “ đơn giản đó là do tạo hóa”

Einstein và các nhà khoa học truyền thống không hề thích điều này, đối với họ đó nhưmột sự bịa đặt trắng trợn và phản khoa học, họ cần phải đáp trả và đáp trả một cách quyết liệt.Trước đây, những cuộc tranh luận trong ngành vật lý nguyên tử hiện đại đều rất lịch sự và hòanhã nhưng giờ đây hai phe đều đưa ra những vũ khí mạnh nhất của mình, hai trong số những têntuổi vĩ đại nhất của ngành vật lý., họ là hai tính cách rất đối lập nhau, và có hiềm khích sâu sắc

Ở phía khoa học cấp tiến là một người Đức kín đáo nhưng vô cùng quyết liệt,tên là WernerHeisenberg Ở phía bên thủ cựu là một người Áo rất tự tin tên là Irwin Schröedinger

- Là một sinh viên đạc biệt xuất sắc.

Khi mới chỉ 20 tuổi ông đã chuẩn bị

có bằng tiến sĩ và được nhiều trường

ĐH ở châu Âu mời gọi

- Nồng nhiệt và lãng mạn

- Là một nhà triết học và một nhà thơ.Ông viết sách về hi lạp cổ đại,về triếthọc,về tôn giáo, và bị ảnh hưởng bởiđạo Hinđu

- Ông cũng là một người rất sôi nổi, táobạo, khéo léo, ăn mặc bảnh bao và làtâm điểm của nhiều phụ nữ

Phương trình Schröedinger và bức tranh nguyên tử nó tạo ra bắt nguồn từ kỳ nghỉ cùngnhân tình của ông trên đỉnh Alps - Thụy Sỹ năm 1926, một lần nữa cho phép các nhà khoa họchình dung về nguyên tử Schrodinger dựa trên ý tưởn của De Broglie về những sóng dẫn đường

kỳ lạ đưa electron quay quanh nguyên tử, ông cho rằng electron thực ra là một sóng nănglượng,rung động nhanh đến mức nhìn giống như một đám mây xung quanh nguyên tử, một sóngdạng mây mang năng lượng không những thế ông đưa ra một phương trình mới rất ưu việt để

mô tả đầy đủ loại sóng này và từ đó có thể mô tả toàn bộ nguyên tử bằng vật lý truyền thống

Đối với một hệ lượng tử tổng quát:

trong đó:

 i là đơn vị ảo.

 là hàm sóng, biên độ xác suất cho các cấu hình khác nhau của hệ

 là hằng số Planck thu gọn (thường được chuẩn hóa về đơn vị trong các hệ đơn

vị tự nhiên)

 là toán tử Hamilton

Phương trình ông đưa ra ngày nay gọi là phương trình sóng schrodinger Một phươngtrình vô cùng ưu việt Điều đọc đáo nằm ở chỗ,ông đưa ra khái niệm mới gọi là hàm sóng, đượcSchrodinger cho là mô tả đầy đủ hành vi của thế giới hạ nguyên tử

Bằng những khái niệm đơn giản, thật khó có thể diễn tả ý tưởng của Schrödinger quantrọng như thế nào Đối với cộng đồng vật lý truyền thống,mặc dù hình ảnh về nguyên tử của ôngkhá kỳ lạ,ít nhất nó cũng là thứ hình dung được, và các nhà khoa học luôn thích điều đó Nhưngvẫn còn đó vấn đề rất đau đầu nữa,điều mà các nhà khoa học cấp tiến cho rằng Schrodingerkhông thể lý giải được, Lý thuyết mới của ông vẫn không thể giải thích được những bước nhảylượng tử tức thì và kỳ lạ của Bohr

Mùa hè năm đó,Werner Heisenberg,một trong những người ủng hộ Niels Bohr, đi đếnmột bờ biển xa lạ phía bắc nước Đức Ông đấu tranh rất dữ dội và coi những ý tưởng củaSchrodinger là một sự xúc phạm Ông cảm thấy rõ rằng sự kỳ lạ trong những bước nhảy lượng tửtức thì thật sự chính là chìa khóa để hiểu nguyên tử Ông nghĩ nguyên tử kỳ lạ và khác thườngđến mức không thể giải thích bằng cách đưa ra những hình tượng đơn giản như sóng quỹ đạo,hay cả một tòa nhà nhiều tầng Ông tin rằng đã đến lúc phải từ bỏ tất cả mọi hình dung vềnguyên tử Werner Heisenberg,một trong những thiên tài vĩ đại nhất của thế kỷ XX Thật bấthạnh cho ông, mùa hè năm 1925,ông bị một trận ốm, mặt ông sưng phù lên, trông rất đáng sợ.Ông đã quyết định lánh đi tới hòn đảo hẻo lánh Ông đi dạo dọc bờ biển, tắm biển và leo núi, rồiông trầm tư suy nghĩ Kể từ khi ông tiếp xúc với vật lý nguyên tử, ông cảm thấy rõ rằng tất cảnhững cố gắng của con người để hình dung về nguyên tử, để mô phỏng nó bằng những hình ảnhquen thuộc đều thất bại Ông tin tương rằng nguyên tử quá khó hiểu, quá kỳ lạ để có thể giảithích một cách đơn giản như vậy, và ông quyết định từ bỏ mọi bức tranh về nguyên tử và sửdụng duy nhất toán học thuần túy để mô tả nó Nhưng khi suy nghĩ tiếp, ông nhận thấy rằngnguyên tử không chỉ không nhìn thấy được, mà thậm chí nó cũng không tuân theo toán họctruyền thống Chính tại hòn đảo Helgeland, (nơi Heisenberg tới để tránh mọi người), ông đã cómột phát hiện phi thường, ông nhận ra rằng để mô tả được một số tính chất của nguyên tử ôngcần sử dụng tới một loại toán học mới rất đặc biệt Dường như một số tính chất như vị trí nguyên

tử tại một thời điểm nhất định hay tốc độ di chuyển của nó khi nhân với nhau, thứ tự của chúngrất quan trọng Phép nhân có tính chất giao hoán, vậy tại sao khi nhân như Heisenberg thấy thì vịtrí của chúng lại quan trọng ? khi thay đổi vị trí chúng lại cho những kết quả khác nhau Chínhđiều đó đã đưa ông đến với những phát hiện khác, và ông tin chắc rằng ông đã phá vỡ bí mật củanguyên tử, và gần như tìm được mô hình toán học ẩn giấu bên trong Ông vừa vui mừng vừa longại Đêm hôm đó, ông trèo lên đỉnh núi và ngồi đợi mặt trời mọc, ông gọi đó là “ đêmHelgeland” Trở về trường đại học ở Goettingen, ông kể với đồng nghiệp của mình là Max Born

về điều đó Và trong vài tháng họ đã miệt mài làm việc cùng nhau để phát triển một lý thuyếthoàn toàn mới về nguyên tử, một lý thuyết mà ngày nay chúng ta gọi là cơ học ma trận Cơ học

ma trận sử dụng những dãy số phức tạp gần giống như một bảng tính Bằng cách tính toán trênnhững dãy số này, Heisenberg và người thầy, nhà vật lý tài giỏi Max Born có thể dự đoán chínhxác hành vi của nguyên tử, nhưng đối với Einstein và các nhà khoa học truyền thống, điều này

hoàn toàn đi ngược lại với khoa học, nguyên tử không thể là một ma trận những con số, rõ ràngchúng ta tạo thành từ nguyên tử, chứ đâu phải từ những con số.

Tại Copenhagen, Bohr và Pauli rất vui mừng với cơ học ma trận Vậy điều gì xảy ra nếuchúng ta không thể tưởng tượng nguyên tử giống như các đối tượng vật lý? Họ đã say đắm vớinhững con số và sẵn sàng tấn công dữ dội vào những sóng vô lý của Shrodinhger Heisenbergviết: “Càng xem xét khía cạnh vật lý của phương trình Schrodinger, càng nhìn tôi càng thấy khóchịu, thực sự đó chỉ là những điều nhảm nhí” Nhưng Schrodinger cũng coi thường Heisenbergkhông kém, ông nói rằng : “ông khó chịu với các phương pháp của Heisenberg và cảm thấy toánhọc kiểu đó thật kỳ dị” Ở Munich năm 1926, sự đối đầu của họ mới bắt đầu trở nên vô cùngcăng thẳng Schrodinger đang chuẩn bị giảng về phương trình sóng của mình Heisenberg xoay

sở đủ tiền đến Munich dự giờ, để cuối cùng được đối mặt với đối thủ của mình Sự gay cấnkhông nằm ở danh tiếng của Heisenberg, ông tin rằng cách tiếp cận quá đơn giản củaSchrodinger không chỉ là sơ xuất mà hoàn toàn là sai lầm Và ý định của ông là đập tan lý thuyếtcủa Schrodinger Schrodinger giảng về lý thuyết sóng mới của mình, khi ấy trong phòng chật kínkhông còn một chỗ ngồi, ông viết lên bảng phương trình sóng của mình Đối với Schrodinger, nó

mô tả một bức tranh vật lý thực sự về nguyên tử, với electron là các sóng bao quanh hạt nhânnguyên tử Werner Heisenberg khi ấy 24 tuổi, ông cũng ở trong giảng đường, ông hầu như khôngkìm nén được bản thân, cuối bài giảng ông đúng lên và nói một tràng phản bác phương pháp củaSchrodinger Đối với Heisenberg, không thể có một bức tranh mô tả nguyên tử như thế nào.Những người còn lại đứng về phía Schrodinger, họ thích cách lý giải vật lý đơn giản của ông hơnnhiều so với toán học trừu tượng, phức tạp của Heisenberg Heisenberg bị la ó, Ông được yêucầu ngồi xuống và im lặng Sau đó ông rời giảng đường một cách buồn bã và chán nản.Heisenberg trở về Copenhagen với sự tự ti bị tổn thương nghiêm trọng Ở trong viện nghiên cứu,ông và Bohr trải qua thời khắc tăm tối nhất trong đời Hầu như tất cả cộng đồng khoa học đềuchống lại họ, họ cảm thấy cô đơn và tuyệt vọng, họ đã bị dồn vào chân tường Mặc dù vậy họvẫn cương quyết không chịu từ bỏ lý thuyết đang gây tranh cãi của mình Căn gác xép là nơinghiên cứu của Heisenberg, chính nơi đó Bohr thường lên đó hàng đêm để tranh luận vớiHeisenberg về ý nghĩa của cơ học lượng tử, họ trnah luận với nhau sôi nổi tới mức đã có lầnHeisenberg bật khóc, và lúc ấy Heisenberg nhìn qua cửa sổ trong thất vọng Ngắm nhìn côngviên bên dưới và một ý nghĩ phi thường lóe lên trong ông Ông suy nghĩ, tại sao nguyên tử lạikhông thể hình dung được,tại sao không thể hiểu nó bằng trực giác, không phải vì nó bé nhỏ vàthất thường mà bởi vì bản thân nó vốn đã không thể nhận thức được, ông nhận ra rằng có mộtgiới hạn cơ bản về khả năng nhận thức của con người về thế giới hạ nguyên tử Ví như,nếuchúng ta biết được vị trí của electron tại một thời điểm nhất định, thì chúng ta không biết tốc độchuyển động của nó, và ngược lại khi biết tốc độ chuyển động của nó ta lại không biết được vị trícủa nó Sự mơ hồ đó không phải là nhược điểm của chính lý thuyết, cũng không phải do sự vụng

về khi chúng ta tiến hành đo đạc mà đó chỉ đơn giản là sự thật về hành vi của tự nhiên ở quy mô

hạ nguyên tử, điều này được gọi là Nguyên lý bất định Heisenberg Và đó có lẽ là những kháiniệm sâu sắc, kỳ lạ nhất và vẫn chưa được hoàn toàn chấp nhận trong lịch sử khoa học Bằng cơhọc ma trận trừu tượng Heisenberg đã khám phá ra một sự thật bí ẩn và choáng váng của thế giớinguyên tử, nguyên tử luôn khó hiểu, chúng ta sẽ không bao giờ biết đầy đủ về vị trí và tốc độ củamột nguyên tử, đơn giản là vì thế giới nguyên tử không cho phép điều đó xảy ra, điều đó thật vôcùng kỳ dị Nhưng khi đã chấp nhận điều đó, Heisenberg và Bohr cảm thấy tự tin hơn nhiều vàcòn táo bạo hơn trước Họ nhận thấy sự bất định khiến họ phải áp dụng những nghịch lý để giảithích toàn bộ nguyên tử Nguyên tử không những không tưởng tượng được mà còn tự mâu thuẫn,

hành vi của chúng vừa giống hạt vừa giống sóng và càng lúc càng trở nên kỳ quặc Khi chúng takhông nhìn vào nguyên tử, nó cư xử như một sóng lan tỏa, nhưng khi chúng ta quan sát vào vị trícủa nó thì nó lại hoạt động như một hạt,điều này thật đau đầu! Đầu tiên, nguyên tử không thể nàohình dung được, còn bây giờ chúng lại hoàn toàn thay đổi, tính chất tùy thuộc vào chúng ta cóđang quan sát chúng hay không Nguyên lý bất định đã thay đổi tất cả, nó cho thấy một mâuthuẫn ghê gớm trong chính tự nhiên Mọi thứ chúng ta nhìn thấy đều tạo thành từ nguyên tử vàbản thân nguyên tử thì lại không thể nhận biết được, chúng chỉ có thể được hiểu được bằng toánhọc Lần đầu tiên đối với Bohr và Heisenberg, mọi điều đã trở nên rõ ràng hơn

Mùa thu năm 1927, hội nghị Solvay ở Brussels tổ chức, tất cả những nhà vật lý nguyên tửhàng đầu thế giới đều tham dự

Hội nghị Solvay lần V

Bohr và Heisenberg chọn đây là dịp để họ phản bác lại phe các nhà vật lý truyền thống

Và nếu họi thành công, họ sẽ làm nên cuộc cách mạng trong khoa học Trong một tuần của hộinghị, tất cả những điều các đại biểu nghĩ đến và bàn luận là cơ học lượng tử của Bohr, vớinguyên lý bất định làm trung tâm, đó là một lý thuyết thực sự mạnh, và trong tuần lễ đó cuộc đấuđịnh diễn ra giữa Bohr và đối thủ chính của ông,Elbert Einstein Einstein không ưa cơ học lượng

tử, mỗi phiên tham luận sáng ông thường phản bác lại Bohr bằng một lý lẽ mà ông cho là sẽxuyên thủng lý thuyết mới của Bohr Còn Bohr những lúc đó thường lảng đi và tỏ vẻ bối rối vàrồi suy nghĩ rất kỹ về điều đó, rồi sau đó ông quay trở lại bằng một lý lẽ bác lại chỉ trích củaEinstein, cứ như vậy ngày này qua ngày khác cho tới khi hội nghị kết thúc Bohr đã quét bỏ mọichỉ trích của Einstein và Bohr được cho là dành phần thắng Và nhờ đó, hình dung của ông vềnguyên tử ngày nay được gọi là Cách giải thích Copenhagen Hội nghị solvay lần 5 năm 1927 là

vĩ đại đến như vậy Ngồi thứ tư từ trái qua hàng trên cùng là cây gạo cội trong ngành vật lý,Hendrik Lorentz, ngồi cạnh là bà Curie và Elbert Einstein với khuôn mặt khá buồn vì thất bại với

lý lẽ của mình Louis de Broglie cũng thất bại, chiến thắng thuộc về Niels Bohr, trông ông có vẻrất hài long, đứng cạnh Bohr là Max Born, một trong những anh hung chưa được vinh danh của

cơ học lượng tử, nhà vật lý người Đức này đã xây dựng rất nhiều phần toán học trong lý thuyết.Phía sau họ là hai học trò trẻ tuổi của Bohr là Heisenberg và Pauli Schrodinger trông khá tựmãn Đó chính là thời khắc quan trọng trong ngành vật lý khi mà cục diện đã hoàn toàn thay đổi,thế hệ cũ bị thế hệ mới thay thế Những sự kiện ngẫu nhiên và xác xuất đan xen với nhau trongkết cấu của chính tự nhiên, và chúng ta không thể mô tả nguyên tử dưới dạng những bức tranhđơn giản

CHÌA KHÓA GIẢI MÃ BÍ MẬT TỰ NHIÊN

Sự thắng thế của phe cấp tiến mà đứng đầu là Borh không phải là đặt dấu chấm hết chocác tranh luận về nguyên tử Mà nó mới chỉ là sự bắt đầu của hành trình kì lạ khi tìm hiểu vềnguyên tử Lật lại những năm trước, khi mà giữa phe Einstein và phe Borh còn đang diễn ra.Năm 1927, một chàng trait re đang học ở khoa Toán, ĐH Cambridge Một người nhút nhát,vụng

về, long ngóng, nhưng cực kỳ thông minh, tên của ông là Paul Adrien Maurice Dirac

- Name: Paul Dirac

- Sinh ngày 08/08/1902 tại Bristol, Anh,

- Mất ngày 20/10/1984 tại Tallahassee, Florida, Mỹ

- Học tại: ĐH Bristol, và ĐH Cambridge

- Công tác tại : ĐH Cambridge, ĐH Florida

- Nổi tiếng với Vật lý lượng tử

- Giải thưởng Nobel Vật lý 1933

- Quốc tịch: Anh – Thụy Sỹ, Sau năm 1919 mang quốc

tịch Anh

Thật không công bằng khi nói rằng Paul Dirac không quá nổi tiếng Ông được các nhàvật lý đánh giá là người Anh vĩ đại thứ hai trong lịch sử, chỉ đứng sau Newton, và ông hoàn toànxứng đáng với lời khen ấy Tất cả những bộ óc thong minh nhất dẫn đầu ngành vật lý nguyên tửđều bị Dirac bỏ xa, và phải king ngạc trước sự táo bạo và sang tạo phi thường trong những côngtrình của ông Một minh chứng, khi mà Einstein đọc một bài báo của Dirac, lúc ấy Dirac mới 24tuổi, ông nói rằng “ tôi cảm thấy lung túng trước Dirac, sự kết hợp giưa thiên tài và sự điên rồtrong con người này thật phi thường”

Năm 1927, vì một số lý do mà chưa ai từng thực sự tìm hiểu được, Paul Dirac đặt chomình một nhiệm vụ có quy mô vĩ đại – Hợp nhất khoa học, ghép những phần rời rạc trong khoahọc thành một thực thể duy nhất Quan trọng hơn cả, điều này có nghĩa là hợp nhất hai ý tưởngkhó khăn và khó hiểu nhất trong lịch sử Đây là điều Dirac đang cố gắng hòa nhập Đầu tiên là

cơ học lượng tử, các phương trình toán học mô tả nguyên tử và các thành phần của nó, Tiếp đến

là Thuyết tương đối hẹp của Einstein, lúc đầu có vẻ như không liên quan đến nguyên tử ,

Mà giải quyết những vấn đề cao siêu như bản chất của không gian và thời gian, một hệquả của thuyết này là các vật thể cư xử rất khác nhau khi chúng chuyển động gần với vận tốc ánhsang Có lẽ có nhiều người thắc mắc là tại sao lại có người muốn hòa hợp hai lý thuyết khác nhaunhư vậy? Cuối những năm 1920, các Phương trình của cơ học lượng tử lien tục đưa ra những lờigiải sai khi mô tả Electron, một trong những thành phần của nguyên tử, khi chúng chuyển độngvới tốc độ rất cao Nhưng với Dirac còn có một động lực khác bí ẩn hơn nhiều Ông từng nóirằng” một lý thuyết vật lý cần toát lên vẻ đẹp dưới góc độ toán học” Vì vậy với ông,việc cơ họclượng tử và thuyết tương đối không hòa hợp với nhau không chỉ rất bất tiện mà còn hết sức xấu

xí Khoảng giữa năm 1925,ở Cambridge Dirac bắt tay với công việc với trí óc phi thường củamình, trí óc mà ngay cả Einstein cũng khó có thể theo kịp Dirac thường ngồi trước lò sưởi trongphong làm việc của ông để cố gắng tìm hiểu và kết hợp hai lý thuyết ấy vào bức tranh thốngnhất, một phương trình duy nhất

Trong những thành tựu nhân loại tạo ra có Vua Lear, Bản Giao Hưởng số 5 củaBeethoven hay nguồn gốc của các loài Dấu ấn trên những ký hiệu trên là một mô tả hoàn hảo về

Phương trình của Dirac mô tả một hạt nguyên tử chuyển động với bất kỳ vận tốc nào, kể cả gầnvới vận tốc ánh sang Đó chính là điều mà Dirac mông đợi mình sẽ đạt được, nhưng khi ông nhìnvào phương trình của chính mình một cách cẩn thận ông nhận thấy một điều cực kỳ mới mẻ về

nó Sau này ông nói rằng phương trình của ông biết nhiều điều hơn bản thân ông Về cơ bảnphương trình của Dirac cho ông thấy có một vũ trụ khác chúng ta chưa bao giờ biết trước đó Lý

do là thay vì có một đáp số, phương trình của ông lại có đến hai đáp số Đáp số thứ nhất mô tả vũtrụ mà chúng ta biết, tạo thành từ các nguyên tử mà chúng ta đã quen thuộc; đáp số thứ hai mô tảhình ảnh tương tự như vũ trụ của chúng ta, tạo thành từ các nguyên tử mà tính chất của chúngdường như đảo ngược lại Như thế những người yêu thích khoa học viễn tưởng có thẻ đoán đượcđiều gì sắp xảy ra Ngoài vật chất thì phương trình của Dirac còn dự đoán của phản vật chất Lýthuyết của Dirac dường như nói lên rằng với mọi thứ trong thế giới đã biết của chúng ta, với mọithành phần của nguyên tử, với mọi hạt cơ bản đều có thể tồn tại một phản hạt tương ứng có cùngkhối lượng nhưng đối lập hoàn toàn về tính chất khác và going như một thế giới trong gương,vũtrụ được tạo ra từ phản vật chất cũng có hình thù và hoạt động giống hệt vũ trụ của chúng ta.Trong lý thuyết của Dirac thì vật chất và phản vật chất không bao giờ tiếp xúc với nhau, Nếu tiếpxúc thì chúng sẽ hủy diệt nhau và giải phóng ra năng lượng dưới dạng một vụ nổ, khối lượng của

cả vật chất lẫn phản vật chất sẽ chuyển hoàn toàn thành năng lượng theo phương trình nổi tiếngcủa Einstein :

Do vậy nếu chúng ta gặp bóng ma của chính mình thì chúng ta sẽ nổ tung với năng lượngtương ứng với khoảng 1triệu quả bom nguyên tử ném xuống Hiroshima Tất cả những điều đónghe như là viễn tưởng, nhưng thực sự là phản vật chất, đặc biệt là các electron phản vật chất,được gọi là Positron ngày nay đang thường xuyên được tạo ra trong các phòng thí nghiệm.Positron được dung trong những thiết bị chụp ảnh phức tạp trong y học gọi là máy quét PET, cóthể nhìn xuyên qua hộp sọ của chúng ta và vẽ lại chính xác sơ đồ não bộ

Nhưng trở lại những năm 1920, phản ứng ban đầu của các nhà vật lý đối với phương trìnhcủa Dirac là hết sức hoài nghi, ngay cả Dirac cũng khó có thể tin vào thành quả của chính mình.Phản vật chất dường như là một khái niệm quá phi lý Sau đó thành công vang dội của mộtnghiên cứu đã khẳng định phương trình của Dirac và tất cả hệ quả phi lý của nó, và điều này đến

từ một nơi ít ngờ tới nhất- Bên ngoài vũ trụ Năm 1932, nhà vật lý Carl Anderson đang làm việc

ở Caltech Los Angeles, ông đã có một khám phá phi thường, ở đó ông nghiên cứu về các tia vũtrụ, đó là các hạt hạ nguyên tử mang năng lượng mạnh từ ngoài không gian đang liên tục bắn phátrái đất Để làm được điều đó ông sử dụng một thiết bị gọi là “buồng mây”- một bình chứa đầycác hạt hơi nước nhỏ, nó cho thấy vết của các hạt khi chúng xuyên qua hơi nước đặt trong một

từ trường, các dấu vết này sẽ lệch về phía một trong hai phía, phụ thuộc vào điện tích của hạtxuyên qua Anderson tìm ra chứng cứ về những hạt giống hệt như electron, nhưng lại đi theohướng ngược lại Ông đã phát hiện ra các phản electron của Dirac, các phản vật chất

Phương trình của Dirac là một thành tựu rất ấn tượng, dự đoán của nó về sự tồn tại củaphản vật chất, sử dụng thuần túy toán học, đã đủ thấy điều này trở thành một cột mốc lịch sử tưtưởng nhân loại Nhưng chỉ trong một vài năm công bố, đầu tiên là Dirac,sau đó là những người

khác nữa, cảm thấy rằng, phương trình của ông tiết lộ một điều rấtsâu, một điều hoàn toàn mới về tự nhiên Những điều ẩn dấu trongphương trình của Dirac đòi hỏi những nỗ lực lớn lao nhất củanhững bộ óc vĩ đại nhất, 30 năm để khám phá ra Vấn đề củaphương trình Dirac đó là mặc dỳ nó cực kỳ ư việt và dẫn đến việckhám phá ra phản vật chất, nó cuối cùng cũng chỉ đạt đến mức độ

mô tả một electron đơn nhất Nó không thể lý giải đầy đủ điều gìxảy ra khi có nhiều hơn một electron xuất hiện Điều cần thiết làphải có một lý thuyết mới giải thích sự tương tác giữa cácelectron Và điều đó trở thành câu hỏi khó khăn nhất trong giaiđoạn giữa thế kỷ XX, nhưng câu trả lời lại sẽ mang đến một khámphá mà không ai ngờ đến

phải chỉ là một thiên tài

trong bao nhiêu thiên tài

khác Rất nhiều người

biết đén ông như là một

nhà ảo thuật, ông rất

thong minh và sáng tạo Giống như Einstein ông trở thành một huyền thoại, một cái tên rất quenthuộc Tuy nhiên ông lại là con người kiêu căng và rất cá tính, ông thích khai thác và kể nhữngcâu chuyện về chính mình Ông là người đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển tiếp cơ họclượng tử, Ông và người cùng thời đang cố gắng tiếp ngọn đuốc nguyên tử từ Paul Dirac Bướcphát triển mới của một lý thuyết mới đưa hiểu biết của chúng ta về nguyên tử them một bướcnhảy lượng tử nữa Mục đích của thuyết mới không nằm ngoài việc hợp nhất hai thuyết củaEinstein và Borh Họ muốn hiểu các electron tác động lẫn nhau như thế nào, hay chính là lý giảihành vi của vạn vật trong trường điện từ Họ gọi công trình hợp nhất đó là Điện lượng tử hayQED( quantum electrodynamics) Công trình ấy là một thử thách lớn, và kết quả cuối cùng của

nó thì là 1 điều vĩ đại- một lý thuyết khoa học chính xác nhất và có tầm ảnh hưởng sâu sắc nhấttừng được biết đến VD như nó tiên đoán một tính chất của electron gọi là Momen từ tính có giátrị 2,002319304, thực nghiệm cũng đo chính xác cùng một con số Đó là sự ăn khớp giữa lýthuyết và thực nghiệm với sai số 1/ mười tỷ Sự chính xác đáng kinh ngạc của Điện động lựclượng tử cho thấy nó là nền tảng của hầu hết mọi thứ chúng ta từng biết đến trong thế giới vật lý

Nó gần như là một lý thuyết về vạn vật mà chúng ta từng có, nó thách thức những quy luật của tựnhiên – quy mô nguyên tử Nó giả thích hình dạng, màu sắc, kết cấu và cách thức hầu hết vậtchất tương tác với nhau Nó bao gồm mọi thứ từ quá trình sinh hóa của sự sống cho đến lý do vìsao chúng ta không bị kéo xuyên qua nền nhà Vậy QED thực sự đã phát biểu điều gì? Nó có thể

là một mô tả tuyệt vời về tự nhiên, nhưng gần như không hiểu được Feynman đã làm gì với lýthuyết của mình Đây chính là điều mà ông nói trước khi giới thiệu về thuyết của mình: “ nhiệm

vụ của tôi là thuyết phục bạn đứng quay lưng lại vì bạn không hiểu điều đó Những sinh viên vật

lý của tôi cũng không hiểu điều đó Đó là bởi vì tôi cũng không hiểu Không ai hiểu cả.” Điệnđộng lực lượng tử nói rằng “chân không” không phải là một nơi mà nơi đó không có gì tồn tại vàkhông có gì xảy ra, mà nó tràn ngập các thứ và có rất nhiều hoạt động xảy ra Làm sao lại nhưthế? Vật lý lượng tử cho rằng, nếu tính trung bình thì chân không đúng là trống rỗng về vật chất.Chân không nó vay mượn năng lượng, năng lượng này thực sự được vay mượn từ tương lai với

đk nó phải mau chóng trả lại, thực tế năng lượng này có thể được vay mượn để sử dụng tạo ra hạt

và phản hạt, ngay lập tức được hình thành từ hư vô và chưa đầy 1s sau chúng tiêu hủy lẫn nhau

và biến mất trả lại năng lượng Điều này xảy ra trong một khoảnh khắc trong khắp không giantrống rỗng

- Name: Richard Feynman

- Sinh 11-5-1918 tại Far Rockaway,Queens,New York

- Mất 15-2-1988, ở Los Angeles,California

- Quốc tịch Hoa kỳ

- Nổi tiếng với: Điện động lực học lượn tử; Lý thuyết hạt,;Biểu đồ Faynman

- Giải thưởng Nobel vật lý 1965

- Huy chương Oersted 1972

- Tôn giáo: Atheist

- Nơi công tác:

+ Dự án Mahattan+ ĐH Cornell+ HV công nghệ California( Caltech)

Trên thực tế, lý thuyết của Dirac được kiểm nghiệm rất chính xác, chân không luôn sôisục với các hạt vật chất và phản vật chất lien tục được tạo ra và tiêu hủy Ở dưới quy mô nhỏnhất không gian là một cơn bão không ngừng sang tạo và hủy diệt, các nhà vật lý gọi đó là bọtlượng tử Các hạt trong bọt lượng tử đến và đi quá nhanh, chúng ta hoàn toàn không nhận thứcđược chúng, chúng ta biết đến chúng như những hạt ảo, nhưng nếu chúng ta có thể làm ngưngđọng thời gian, chúng ta có thể thấy được hoạt động sôi sục đó, việc không ngừng tạo ra và tiêuhủy vật chất và năng lượng chính là kết cấu của thực tại Từ đây mà đã dẫn đến một ý tưởngsửng sốt nhất Điện động lực lượng tử nói rằng: vật chất mà chúng ta nghĩ tới như là thứ tạo nênthế giới hằng ngày, về cơ bản chỉ là phần còn thừa lại của tất cả những hoạt động sôi nổi mà cáchạt ảo tạo nên từ hư vô Khi Feynman bắt tay vào xây dựng ý tưởng của mình ở Caltech giữanhững năm 1940, rất nhiều người lo sợ vì họ cho rằng công trình Điện động lực học lượng tửhoàn toàn là thảm họa, lý thuyết ấy sẽ không bao giờ thành công, các phương trình đã không cólời giải, toán học đã vượt khỏi tầm kiểm soát Nhưng Feynman tin rằng ông sẽ thành công trongviệc tìm ra chân lý từ sự phức tạp của toán học Và ông đã thành công, Ông đã phát triển mộtloạt các biểu đồ mới mang tính cách mạng để diễn giải những ý tưởng mới của mình Sự đơngiản gọn gang của chúng đối lập với toán học phức tạp của cơ học lượng tử truyền thống

Năm 1948, ở tuổi 30 Richard Feynman quyết định công bố trước giới vật lý công trìnhgây tranh cãi của mình về “Điện động lực học lượng tử” tại hội nghị khoa học quan trọng nhất ở

Mỹ, tổ chức trên bờ biển Pennsylvania, Hội nghị đảo Shelter Trong những người góp mặt có