Lịch sử Vật lý thế giới thế kỉ 20

Chia sẻ: Camthudanvip Camthudanvip | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:195

Thêm vào BST

Báo xấu

197
lượt xem 64
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giúp bạn đọc tìm hiểu xem khoa học Vật lý đã phát triển như thế nào, từng thập kỉ một trong thế kỉ 20. ... nhà vật lí không thể phủ nhận kết quả nào trong số chúng. Việc giải quyết mâu thuẫn đó sẽ đưa vật lí học tiến vào những lộ trình không dự kiến trước của thế kỉ 20. Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ... thập niên đầu tiên của thế kỉ thứ 20 – trong đó có sự thay đổi nhận thức của các nhà vật lí về các định luật bảo toàn khối...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lịch sử Vật lý thế giới thế kỉ 20

L ch s V t lí th k 20 Alfred B. Bortz Tr n Nghiêm d ch
M CL C L i nói u .......................................................................................i Gi i thi u .......................................................................................iv 1. 1901 – 1910 Bình minh c a v t lí h c hi n i ............................................... 1 Nh ng k t qu kì l ............................................................. 1 Th k m i, vi n c nh m i ................................................... 6 Lư ng t và Hi u ng quang i n ...................................... 6 Chuy n ng Brown và tính xác th c c a các nguyên t ... 8 Thuy t tương i c bi t ................................................... 9 Nguyên t có th phân chia ư c ..................................... 14 Nh ng kĩ thu t, công ngh và quan sát m i ..................... 17 Nhà khoa h c c a th p niên 1900: Albert Einstein (1879–1955) .............................................. 18 2.1911 – 1920 Nh ng quan i m m i v v t ch t ........................................... 20 Khám phá ra h t nhân nguyên t ...................................... 20 M u nguyên t Bohr .......................................................... 22 Bên trong h t nhân ............................................................ 24 Các nguyên t trong ch t r n ............................................ 26 Thiên văn h c và Vũ tr h c .............................................. 26 Thuy t tương i r ng ....................................................... 28 Khám phá ra các thiên hà ................................................. 30 Tia vũ tr ........................................................................... 32 Nh ng lí thuy t, kĩ thu t và công ngh m i ...................... 32 S siêu d n ....................................................................... 32 S trôi gi t l c a ............................................................. 33 Nhà khoa h c c a th p niên: Ernest Rutherford (1871–1937) ......................................... 34 3. 1921 – 1930 Cu c cách m ng lư ng t ........................................................ 36 T nguyên t Bohr n cơ h c lư ng t .......................... 37 Tìm hi u vũ tr lư ng t ................................................... 43 Thuy t tương i, spin, phân rã beta, và các h t ã tiên oán ..................................................... 45 V t lí h nguyên t ............................................................ 46 Các sao, thiên hà, và tên l a ............................................ 47 Nhà khoa h c c a th p niên - Wolfgang Pauli (1900–1958) 49
4. 1931 - 1940 Các h t cơ b n và n n chính tr th gi i .................................. 51 Bên trong h t nhân ............................................................ 52 Các h t h nguyên t m i ................................................. 55 Các máy gia t c h t ........................................................... 56 Phóng x nhân t o và s phân h ch h t nhân .................. 58 Nh ng phát tri n khác trong th p niên 1930 ..................... 62 Nhà khoa h c c a th p niên Lise Meitner (1878–1968) ... 64 5. 1941 – 1950: V t lí h c trong th i kì chi n tranh ........................................... 67 QED: i n ng l c h c lư ng t ..................................... 69 S phân h ch h t nhân, “N n khoa h c l n”, và Bom ...... 72 Tia vũ tr và các h t h nguyên t .................................... 79 Nh ng lĩnh v c v t lí khác trong th p niên 1940 ............... 80 Nhà khoa h c c a th p niên: Richard Feynman (1918–1988) ......................................... 81 6. 1951 – 1960 V t lí h c và S phát tri n nh ng công ngh m i .................. 84 V t lí ch t r n và Công ngh ............................................. 85 Ch t d n i n, Ch t cách i n và Ch t bán d n ............... 88 S siêu d n ....................................................................... 95 V t lí và công ngh h t nhân ............................................. 96 “Vư n bách thú” h t h nguyên t .................................... 97 Nh ng phát tri n khác trong th p niên 1950 ..................... 98 Nhà khoa h c c a th p niên: John Bardeen (1908–1991) 99 7. 1961 – 1970 K nguyên chinh ph c và thám hi m ...................................... 102 Các h t cơ b n và các l c cơ b n .................................. 103 Quark mùi và L c “màu” m nh ....................................... 107 Quark duyên và l c i n y u .......................................... 111 Các boson chu n, trư ng Higgs và ngu n g c c a kh i lư ng .......................................... 112 Các máy dò h t m i ........................................................ 112 B ng ch ng vũ tr h c cho Big Bang .............................. 113 Nhà khoa h c c a th p niên: Murray Gell-Mann (1929– ) 115 Nh ng phát tri n khác trong th p niên 1960 ................... 117 8. 1971 – 1980 B t u m t s t ng h p m i ................................................ 119 Các quark: t áy n nh ............................................. 120 Các lí thuy t th ng nh t l n ............................................ 122 S vư ng víu lư ng t ................................................... 123 Các ng d ng c a v t lí và liên h v i các khoa h c khác trong th p niên 1970 ... 124
Nhà khoa h c c a th p niên: Luis Alvarez (1911–1988) . 128 9. 1981 – 1990 M r ng t m nh hư ng ......................................................... 131 V t lí h t cơ b n và Các hi u ng lư ng t .................... 132 GUT, Lí thuy t siêu dây và S l m phát vũ tr ............... 134 ôi nét v các sách ph bi n ki n th c v t lí và khoa h c trong th p niên 1980 ................................... 135 Các t phá trong ngành v t lí v t ch t ngưng t ........... 137 Nhà khoa h c c a th p niên: Stephen Hawking (1942– ) 140 10. 1991 – 2000 Các k t n i vũ tr ..................................................................... 143 V t lí h t cơ b n: Hoàn t t Mô hình Chu n ..................... 144 Nh ng b t ng trong vũ tr h c ...................................... 146 Các phát tri n khác liên quan n v t lí trong th p niên 1990 ....................................................... 147 Nhà khoa h c c a th p niên: Leon Lederman (1922– ) .. 148 K t lu n: Các thách th c mang tính toàn c u và vũ tr trong th k 21 ........................................................... 152 B n ch t c a v t ch t ư c xét l i .................................. 153 “M i th ” là gì? ................................................................ 155 Ph l c B ng tu n hoàn các nguyên t hóa h c .......................... 157 Các nhà v t lí o t gi i Nobel ......................................... 160 Thu t ng ........................................................................ 172 Tài li u tham kh o ........................................................... 178
L i nói u Th k 20 ã ch ng ki n m t s tăng trư ng bùng phát c a khoa h c và công ngh - s lư ng nhà khoa h c ang làm vi c ngày nay nhi u hơn t ng s nhà khoa h c trong l ch s loài ngư i trư c ây c ng l i. Nh ng phát minh m i g m có tàu vũ tr , chip máy tính, laser, và ADN t h p ã m ra l trình cho nh ng lĩnh v c m i như khoa h c vũ tr , công ngh sinh h c, và công ngh nano. Các máy ghi a ch n hi n i và tàu ng m ã cho mang l i cho các nhà khoa h c trái t và i dương cái nhìn sâu s c vào nh ng bí n sâu th m nh t và t i tăm nh t c a hành tinh chúng ta. Nh ng th p k phát tri n c a khoa h c th i ti t, ư c h tr b i nh ng quan sát v tinh và mô hình máy tính, gi ã ưa ra nh ng d báo dài h n, mang tính toàn c u v i xác su t úng r t cao. Lúc m i b t u th k , khoa h c và công ngh có ít tác ng lên i s ng hàng ngày c a a s m i ngư i. i u này ã thay i hoàn toàn vào năm 2000. M c ích c a b sách Khoa h c th k 20, m t b sách m i g m 7 t p, là cung c p cho sinh viên, giáo viên, và công chúng nói chung m t ngu n ki n th c d c, d ti p c n, nh m tìm hi u xem khoa h c ã phát tri n như th nào, t ng th p niên m t, trong th k qua và th oán xem nó s phát tri n n âu trong nh ng th p niên u th k 21. M t ngư i có h c qua trư ng l p và thông th o văn h c, ngh thu t, âm nh c và hi u rõ giá tr c a l ch s , kinh doanh, và kinh t , thì cũng ph i bi t khoa h c ho t ng như th nào, và làm th nào nó tr thành m t b ph n không th thi u trong i s ng hàng ngày c a chúng ta. Sinh viên thư ng ư c d y khoa h c t vi n c nh c a cái ã bi t hi n nay. Theo m t ý nghĩa nào ó, i u này khá d hi u – có r t nhi u thông tin n m b t. Tuy nhiên, r t thư ng x y ra, sinh viên (ho c giáo viên) có th h i nh ng câu i lo i như “Làm th nào h bi t ư c i u ó?” hay “T i sao h l i không bi t i u ó?” ây là ch m t s vi n c nh l ch s phát huy tính h p d n. Nó mang l i c m giác m t khía c nh ng c a khoa h c. M t s cái sinh viên ư c d y ngày nay s thay i trong vòng 20 năm. Nó cũng mang l i c m giác nhân b n khi ngư i ta xem xét các nhà khoa h c l i l c trư c ây ã chi n u như th nào trong th k qua v i s ti n tài tr ít i hơn, công c thô sơ hơn, và các lí thuy t kém ph c t p hơn. Khoa h c khác v i nh ng n l c không kém ph n quan tr ng và th thách khác c a con ngư i là phương ti n nghiên c u c a nó – Phương pháp Khoa h c – thư ng ư c mô t như sau: a) quan sát b) l p gi thuy t c) thí nghi m và ki m ch ng d) thu nh n k t qu , và e) k t lu n xem các k t qu và s li u bác b hay c ng c gi thuy t ã nêu. Trong th c t , ti n trình khoa h c không ph i lúc nào cũng “th ng”. Nhi u thí nghi m có liên quan còn có th ư c kh o sát ki m tra gi thuy t. M t khi m t b ng ch ng khoa h c ã ư c thu th p và ki m tra, thì nhà khoa h c s trình m t bài báo, tư ng trình công trình m i trên m t t p chí ánh giá ngang hàng. M t biên t p viên chí công vô tư s g i công trình y cho ít nh t hai nhà phê bình (“tr ng tài”), nh ng ngư i chuyên môn v lĩnh v c c bi t ó, và h s gi i thi u v i v biên t p viên là bài báo nên ch p nh n, s a ch a, ho c t ch i. Vì các chuyên gia phê bình th nh tho ng l i là nh ng ngư i ang c nh tranh c a tác gi bài báo, cho nên các tiêu chu n o c cao và s tin c n ph i ư c quy nh rõ trong ti n trình phê bình. i
N u m t gi thuy t không th ki m tra và có kh năng b bác b b i thí nghi m ho c các phương trình toán h c, thì nó không mang tính khoa h c. Trong khi ó, trên nguyên t c, m t thí nghi m có th bác b m t gi thuy t, và không có thí nghi m xác nh n nào có th tuy t i ch ng minh m t gi thuy t là “Chân lí”. Tuy nhiên, n u vi c ki m tra l p i l p l i b ng nh ng thí nghi m khác nhau do nhi u nhà khoa h c th c hi n ti p t c xác nh n cho m t gi thuy t, thì ngư i ta b t u th a nh n r ng nó là m t lí thuy t ư c ch p nh n r ng rãi. Ngư i b n t t nh t mà m t lí thuy t có th có là m t nhà khoa h c xu t chúng nghi ng v nó và ưa nó vào ki m tra chân th t và nghiêm kh c nh t. N u nó vư t qua ư c nh ng th thách này và làm i ý nhà khoa h c a nghi, thì lí thuy t y ư c c ng c áng k . Vi c ki m tra như th cũng lo i t các gi thuy t và lí thuy t y u. S xác nh n liên t c c a m t gi thuy t quan tr ng có th bi n nó lên t m c c a m t nh lu t, m c dù nó v n ư c ư c g i là m t lí thuy t. M t s lí thuy t khi phát tri n có th làm cách m ng hóa toàn b khuôn kh c a m t lĩnh v c – nh ng lí thuy t này ư c xem là “mô hình”. Thuy t nguyên t là m t mô hình. ã phát tri n kho ng 200 năm trư c, nó là cơ s tìm hi u b n ch t c a v t ch t. Nh ng mô hình khác g m có như s ti n hóa, thuy t v n l n, thuy t ki n t o m ng hi n i (gi i thích ngu n g c c a núi non, núi l a và ng t), thuy t lư ng t , và thuy t tương i. Khoa h c là m t s nghi p chung v i nhu c u t do trao i thông tin và h p tác. Trong khi úng là các nhà khoa h c có nh ng ng cơ c nh tranh m nh m , nhưng n a sau c a th k 20 ã ch ng ki n khoa h c ngày càng tr nên liên ngành. Nh ng bài toán ngày càng ph c t p hơn, v i b t nh ngày càng l n, ã ư c x lí và cho n nay v n thư ng l ng tránh trư c l i gi i chính xác. Trong th k 20, khoa h c ã tìm ra phương thu c ch a tr b nh lao và b nh b i li t, nhưng nh ng e ng i v “m ng t i” c a khoa h c (ví d như vũ khí h t nhân) ã b t u l di n. Thái hoài nghi trư c nh ng l i ích c a khoa h c và các ng d ng c a nó ã b t u xu t hi n vào n a sau c a th k 20, m c dù tác ng tích c c hàng ngày c a nó lên i s ng c a chúng ta ngày càng tăng. Nhi u nhà khoa h c cũng nh y c m v i nh ng v n này. Sau khi bom nguyên t th xu ng Hiroshima và Nagasaki, m t s nhà khoa h c l i l c ã chuy n sang nghiên c u khoa h c s s ng, và nh ng ngư i khác thì cho ra i m t t p chí, ngày nay ã g n 60 năm tu i, B n tin c a Các nhà khoa h c nguyên t , dành cho vi c lo i tr m i nguy h t nhân và tăng cư ng hòa bình. Năm 1975, không bao lâu sau khi các nhà sinh h c phân t phát tri n ADN t h p, h ã t ch c m t h i ngh Asilomar, California, và t ra nh ng h n ch t nguy n trên nh ng thí nghi m nh t nh. H khuy n khích ch p thu n s s p t trong lĩnh v c m i mang tính cách m ng này. Chúng ta ang s ng trong m t k nguyên trong ó có nh ng n l c liên t c và y s c m nh nh m xóa nhòa ranh gi i gi a c tin tôn giáo và khoa h c. M t l p lu n cho r ng s công b ng òi h i th i gian như nhau cho m i “lí thuy t” (mang tính khoa h c hay không). Trong m i th i i, và c bi t trong th i i ngày nay, các nhà khoa h c ph i ph n u truy n thông v i công chúng r ng khoa h c là gì và nó ho t ng như th nào, khoa h c t t là gì, khoa h c x u là gì, và cái gì không ph i là khoa h c. Ch khi ó chúng ta m i có th ào t o nh ng th h công dân tương lai và truy n c m h ng cho các nhà khoa h c c a tương lai. B y t p c a b sách Khoa h c th k 20 nói v nh ng v n c t lõi sau ây c a khoa h c: sinh h c, hóa h c, khoa h c Trái t, h i dương h c, v t lí h c, vũ tr h c và thiên văn h c, và th i ti t và khí h u. M i t p có m t b ng thu t ng chú gi i. Các chương trong m i t p g m nh ng thành ph n sau: • Cơ s và vi n c nh khoa h c mà nó phát tri n, t ng th p niên m t, ng th i cung c p cái nhìn sâu s c xem có bao nhiêu nhà khoa h c ch o ã góp s c trong t ng th p niên y. • Các hình v en tr ng và nh ch p. ii
• Tr c biên niên s th i gian nh ng s ki n áng chú ý trong m i th p k . • Phác h a ti u s ng n g n c a nh ng cá nhân i tiên phong, k c trình bày v nh ng tác ng c a nó i v i khoa h c và xã h i nói chung. • M t danh m c tài nguyên tham kh o. Trong khi toàn b các nhà khoa h c u ư c li t kê danh tính chi ti t, chúng tôi không có ng ý r ng nh t thi t h ph i là “nh ng nhà khoa h c vĩ i nh t c a th p niên y”. H ư c ch n i di n cho n n khoa h c c a th p niên y vì nh ng thành tích xu t s c c a h . M t s trong nh ng nhà khoa h c này sinh ra trong nh ng gia ình giàu có và danh ti ng, trong khi m t s khác xu t thân t t ng l p trung lưu ho c lao ng, hay c trong c nh b n hàn. Trong m t th k ánh d u b i hai cu c chi n tranh th gi i, chi n tranh l nh, vô s cu c chi n l n nh khác, và t i ác di t ch ng không th tư ng tư ng n i, nhi u nhà khoa h c bu c ph i ch y tr n kh i quê hương x s c a mình. May thay, th k qua cũng ã ch ng ki n s ti p c n ngày càng g n v i khoa h c và công ngh i v i ph n và ngư i da màu và, v i chút may m n, m i rào c n s bi n m t trong th k 21. Các tác gi c a b sách này hi v ng quý v c gi nh n th c úng s phát tri n c a khoa h c trong th k v a qua và nh ng thành t u xu t hi n nhanh chóng ngày nay trong th k 21. L ch s d y cho nh ng nhà thám hi m m i c a th gi i nh ng l i ích c a vi c th c hi n nh ng quan sát th n tr ng, theo u i nh ng l trình và ý tư ng mà nhi u ngư i khác b qua ho c không dám li u lĩnh xông pha, và luôn luôn nghi v n th gi i xung quanh mình. S hi u kì là m t trong nh ng b n năng con ngư i cơ b n nh t c a chúng ta. Khoa h c, cho dù ư c th c hi n dư i d ng chuyên nghi p hay ch là ni m yêu thích, sau h t th y, là m t n l c mang tính ngư i r t cao. iii
Gi i thi u C máy vũ tr th k 19 Vào gi a th p niên 1890, các nhà v t lí – các nhà khoa h c nghiên c u v t ch t và năng lư ng – ã nhìn v th k 20 v i ni m kiêu hãnh y t mãn. Càng nghiên c u vũ tr trong th k 19, h càng th y nó th t th t , ngăn n p. Hành tr ng c a nó hoàn toàn có th tiên oán qua các nh lu t t nhiên mà h ã bi u di n trong ngôn ng toán h c chính xác. M c dù v n có m t vài câu h i quan tr ng c n ư c tr l i, nhưng a s nhà v t lí khi y hài lòng r ng th k 20 s dành cho vi c tinh ch nh các lí thuy t và ti n hành nh ng phép o quan tr ng c n thi t hoàn thi n t m th m thêu khoa h c c a h . H không th nào sai l m hơn n a. Thay vì bu c ch t các u m i d t l ng l o, các nhà v t lí l i i kéo gi t m t vài ch rách và nhìn vào t ng ph n khuôn kh lí thuy t c a v t lí h c. Ph i m t g n như a ph n th k m i d t l i t m th m y. Quá trình y ã ánh giá l i h u như m i th mà ngư i ta nghĩ h ã hi u v v t ch t và năng lư ng, không gian và th i gian, v sóng và h t. tìm hi u nh ng s chuy n bi n ngo n m c y trong n n v t lí h c th k 20, trư c h t ngư i ta ph i kh o sát nh ng thành tích n i b t c a n n khoa h c trong th k trư c, áng chú ý nh t là i n t h c – trong ó có b n ch t i n t c a ánh sáng – và lí thuy t nguyên t c a v t ch t. Thuy t nguyên t c a v t ch t Theo m t nghĩa nào ó, thì thuy t nguyên t ch ng có gì m i m . Quan ni m r ng v t ch t g m nh ng h t nh xíu, không th phân chia ã có t hơn 2000 năm trư c v i các nhà tri t h c Hi L p c i Democritus và Leucippus, nhưng nó ã b lãng quên m t th i gian dài mãi cho n khi nhà khí tư ng h c John Dalton (1766 – 1844) th i tìm ý nghĩa c a cái mà các nhà hóa h c ã phát hi n v các ch t khí. Năm 1810, ông cho xu t b n m t quy n sách mang tính bư c ngo c t a là M t h tri t lí hóa h c m i, trong ó ông xu t m t lí thuy t m i c a v t ch t. Dalton xu t r ng v t ch t g m các nguyên t k t h p theo nh ng t s nh t nh hình thành nên các h p ch t. Cơ s cho các t s c bi t y, như Dalton ã lí thuy t hóa, là m i nguyên t g m nh ng h t nh xíu, không th phân chia g i là các nguyên t , và các nguyên t k t h p l i thành phân t , ơn v cơ b n c a các h p ch t. Thuy t nguyên t nhanh chóng tr thành cơ s c a hóa h c, và các nhà khoa h c liên t c phát hi n ra nh ng nguyên t m i. H ã o và phân lo i các tính ch t c a t ng nguyên t , ví d như nhi t ông c và nhi t sôi, và t tr ng (kh i lư ng ho c tr ng lư ng trên centimet kh i). H ã nghiên c u hành tr ng hóa h c c a các nguyên t và suy lu n ra kh i lư ng nguyên t c a chúng. Khi s lư ng nguyên t ã bi t tăng lên, các nhà khoa h c i tìm m t khuôn kh phân lo i – m t s s p x p các nguyên t sao cho nh ng nguyên t có nh ng tính ch t hóa h c gi ng nhau s n m chung nhóm v i nhau. Năm 1869, m t giáo sư hóa h c ngư i Nga tên là Dmitry Mendeleyev (1834 – 1907) ã l p ra s s p x p ó, m t m ng lư i các hàng và c t mà ông g i là b ng tu n hoàn các nguyên t . B t u góc trên bên trái v i nguyên t nh nh t, ông t các nguyên t xu ng c t th nh t c a m ng lư i c a ông theo th t kh i lư ng nguyên t tăng d n. Sau ó, ông d i sang ph i t c t này sang c t k ti p, t các nguyên t có nh ng tính ch t hóa h c gi ng nhau li n nhau trong các hàng. (B ng tu n hoàn ngày nay, có trong ph n Ph l c, o ngư c l i vai trò c a các hàng và c t, nhưng v n tuân theo phương pháp c a Mendeleyev). Th nh tho ng, làm phù h p các tính ch t hóa h c, ông ph i b tr ng m t ô trong m ng lư i. Ông trông i nh ng kho ng tr ng ó s ư c l p y sau này v i nh ng nguyên t chưa ư c phát hi n ra – và ông ã úng. Khi nh ng nguyên t còn thi u ó ư c tìm th y, tính ch t c a chúng phù h p v i các tiên oán c a b ng tu n hoàn. iv
B ng tu n hoàn là m t thành t u l n, nhưng v n còn ó nh ng câu h i quan tr ng. Cái gì phân bi t nguyên t c a m t nguyên t này v i nguyên t c a nguyên t kia và làm th nào nh ng khác bi t ó mang l i tính quy t c c a b ng tu n hoàn? Vi c tr l i nh ng câu h i ó s ph i i n t n th k 20. i n t h c và Ánh sáng Th k 19 cũng mang l i nh ng ki n th c quan tr ng v i n h c, t h c, và ánh sáng. Khi th k y b t u, các nhà v t lí ã xem i n và t là nh ng hi n tư ng c l p và h ang c g ng ch n l a gi a hai quan i m th k 17 c nh tranh nhau v b n ch t c a ánh sáng. Có ph i ánh sáng là sóng, như nhà khoa h c Hà Lan Christiaan Huygens (1629 – 95) kh ng nh, hay nó là m t dòng h t, như nhà v t lí vĩ i ngư i Anh, ngài Isaac Newton (1643 – 1727) v n tin như th ? Câu h i ó ư c x trí nhanh chóng. Năm 1801, nhà khoa h c và nghiên c u ngư i Anh, Thomas Young (1773 – 1829), ã ti n hành m t thí nghi m ch ng minh d t khoát. Ông tách m t chùm ánh sáng thành hai chùm và cho c hai ph n y r i lên m t màn hình. Thay vì th y hai vùng sáng như trông i t hai dòng h t, ông quan sát th y m t hi n tư ng g i là giao thoa – m t d i khe sáng và t i t o ra b i các sóng ch ng ch t. Thí nghi m c a Young l p t c làm phát sinh m t câu h i m i. Sóng ánh sáng truy n i t các vì sao qua chân không vũ tr , v y thì cái gì mang sóng y? M t s nhà v t lí xu t r ng toàn b không gian tràn ng p m t th ch t l ng g i là ê-te truy n sáng. Ê-te g n sóng khi ánh sáng truy n qua nó, nhưng không mang l i s c n tr cơ gi i nào i v i các v t chuy n ng, ví d như các hành tinh. L i gi i thích ó không làm th a mãn t t c các nhà khoa h c vì nó yêu c u s t n t i c a m t th tràn ng p vũ tr nhưng l i không có nh ng tính ch t cơ h c có th phát hi n ra ư c – nó không có kh i lư ng – nhưng ó m i ch là m t i m xu t phát. Vào nh ng năm 1820 và 1830, m t s nhà v t lí, n i b t nh t là nhà nghiên c u tr danh ngư i Anh, Michael Faraday (1791 – 1867), ã kh o sát i n h c, t h c, và các quan h gi a chúng. H ã h c cách ch t o nam châm i n và phát tri n nh ng ng cơ và máy phát i n u tiên. H còn phát hi n th y l c i n là l c liên k t các nguyên t l i v i nhau trong các h p ch t. Các nhà v t lí b t u s d ng thu t ng i n t h c và tìm ki m các phương th c mô t l c i n t b ng toán h c, gi ng như Newton ã t ng làm v i l c h p d n kho ng 150 năm trư c ó. Năm 1859, v giáo sư v t lí g c ngư i Scotland t i trư ng i h c Cambridge, James Clerk Maxwell (1831 – 79) phát tri n m t h b n phương trình toán h c d a trên các khám phá c a Faraday và nh ng ngư i khác. M t phương trình là công th c cho l c tác d ng lên các i n tích, m t phương trình mô t l c tác d ng lên các c c t , và hai phương trình mô t m i liên h gi a i n và t . Th t b t ng , h phương trình Maxwell còn mô t các sóng năng lư ng i n t có th truy n i trong không gian tr ng r ng. i u áng chú ý là các phương trình Maxwell tiên oán t c c a các sóng i n t y phù h p v i cái do các nhà v t lí khác ã o là t c c a ánh sáng. K t lu n dư ng như không th nào tránh kh i: Ánh sáng là sóng i n t , và h phương trình Maxwell mô t các tính ch t i n và t c a ê-te. V i h phương trình Maxwell và b ng tu n hoàn hóa h c, các nhà v t lí th k 19 c m th y h ã g n ranh gi i hi u bi t tr n v n v gi i t nhiên. M i i tư ng v t ch t, cho dù l n hay nh , là g m các nguyên t không th chia c t liên k t v i nhau b ng l c i n. quy mô l n hơn, ví d như h m t tr i, l c h p d n liên k t v t này v i v t khác. Ngoài ra, vũ tr còn tràn ng p năng lư ng ch y qua dư i d ng sóng i n t . M t s câu h i l n v n còn ó: âu là ngu n g c c a ánh sáng sao? Các nguyên t và ê-te là có th t không, và n u có th t thì làm th nào có th phát hi n ra chúng? Nhưng nói chung, vũ tr v
có v như là m t c máy có th tiên oán ư c và có tr t t như m t t m th m d t, ư c chi ph i b i các nh lu t toán h c chính xác c a chuy n ng, s h p d n, và i n t h c. D t l i giàn khung v t lí S chính xác và tính có th tiên oán ó hóa ra ch là m t o tư ng, và ó là tài chính c a câu chuy n v t lí h c trong th k 20. M t vài m i ch có v l ng l o hóa ra là d u hi u c a m t khuôn kh quan ni m m i chưa ư c làm sáng t . Như chương ti p theo mô t , th p k u tiên c a th k m i ư c ánh d u b i m t lo t khám phá áng chú ý. Trong s này có m t s lí gi i l i các nh lu t Newton và h phương trình Maxwell theo ki u lo i tr nhu c u ê-te. Kh i lư ng và năng lư ng ư c ch ng t là nh ng m t khác nhau c a cùng m t hi n tư ng v t lí. Các nguyên t không nh ng ư c ch ng minh là t n t i, mà còn có th phân chia nh ra n a. Nh ng thí nghi m áng chú ý là nh m hé l c u trúc bên trong c a chúng. Tương t như v y, s khác bi t gi a sóng và h t không còn rõ ràng n a. Trong th p niên th hai và th ba c a th k m i, n n v t lí lư ng t ã làm xóa nhòa thêm n a s khác bi t ó. B t ng hơn n a, nó ã thay th chi c ng h vũ tr v i s b t nh. James Clerk Maxwell, ngư i phát tri n các phương trình mô t m i liên h gi a i n và t , và ch ng minh r ng ánh sáng là m t sóng i n t . ( nh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) Ph n còn l i c a th k 20 dành cho vi c d t nên hoa văn m i cho t m th m v t lí h c. Ngày nay, vào nh ng năm u c a th k 21, hoa văn y dư ng như ã rõ ràng hơn nhi u – ngo i tr , m t l n n a, còn m t vài m i ch l ng l o. Như các chương khép l i quy n sách này trình bày, ang x c xư c tuyên b r ng h ang tìm ki m “lí thuy t c a t t c ”, nhưng l ch s th k trư c v a k t thúc khi n h ph i th n tr ng. H bi t có th có nhi u vũ tr không nhìn th y ang ti m n trong nh ng khe tr ng ki n th c c a h . T p sách này l n theo nh ng s phát tri n áng chú ý ó c a th k 20, t ng th p niên m t. Quý c gi s th y nh ng s i ch r i r c c a v t lí h c ang phát tri n và h p l i v i nhau theo nh ng cách th t b t ng . H s tr i qua, như các nhà v t lí th k 20 ã tr i qua, nh ng l n hoang mang, n u không nói là hoàn toàn h n lo n. C m giác y có l s không d ch u, nhưng l i gi i c a nó n m vi c ch p nh n m t phương th c ti p c n vũ tr c a nhà v t lí: ó là nghĩ t i s th ng nh t, ví d như cách h phương trình Maxwell ã k t h p i n, t và ánh sáng, ho c i tìm các nh lu t b o toàn, như trình bày trong khung tham kh o trang sau. Các nhà v t lí v n luôn m ra nh ng vi n c nh m i. H không ph nh n nh ng quan sát không như trông i, mà thay vào ó hãy xét n nh ng phương pháp vi
m i gi i thích chúng. H không cho phép các t p quán con ngư i tùy ti n ng ngáng chân trên con ư ng khám phá. M t t p quán như th là tùy ti n phân chia l ch s thành các th k và th p k . Do thói quen ó, t p sách này và nh ng t p khác trong b sách Khoa h c th k 20 có các chương tương ng các th p niên c a th k , b t u v i 1901 – 1910. Nhưng khi nh ng câu chuy n quan tr ng ch ng l n lên s phân chia này, thì cách t t nh t là trình bày m t s thông tin trong cái có th xem là m t chương “sai”. i u ó ch c ch n úng trong hai chương u c a t p sách này. Thư ng thì khoa h c hi n i ư c xem là b t u t n a sau c a th p niên 1890, cho nên chương 1 m u khi y. Tương t như v y, nghiên c u ban u d n n s khám phá ra tia vũ tr , h t nhân nguyên t , và hi n tư ng siêu d n, u b t u trư c năm 1911. Nhưng vi c trình bày v nghiên c u ó hoãn l i sang chương 2, khi ã t t i chín mu i. V t lí h c và các nh lu t b o toàn Làm th nào các nhà v t lí khám phá ra nh ng chân tr i m i? M t trong nh ng nguyên lí ch d n có s c m nh nh t c a h là vi c nh n ra r ng t nhiên có các nh lu t b o toàn nh t nh phát bi u r ng nh ng i lư ng nh t là không thay i ( ư c b o toàn) trong m t tương tác hay m t quá trình nào ó. Như các chương sau này s làm rõ, các nh lu t b o toàn t ra là m t m nh t màu m cho các nhà v t lí trong th k 20. Trong th k 19, các nh lu t b o toàn sau ây ã t ra h u ích: B o toàn ng lư ng. nh lu t b o toàn cũ xưa nh t trong v t lí h c thu ư c t hai trong ba nh lu t Newton c a chuy n ng. nh lu t ba Newton, thư ng g i là nh lu t c a tác d ng và ph n tác d ng, phát bi u r ng các l c luôn xu t hi n thành t ng c p b ng nhau và trái chi u. Ch ng h n, trong khi l c hút h p d n c a Trái t gi M t trăng trong qu o c a nó, thì l c h p d n c a M t trăng hút ngư c l i phía Trái t v i m t l n b ng như v y. Vì Trái t có kh i lư ng l n hơn v tinh c a nó nhi u l n, cho nên tác d ng c a l c h p d n c a M t trăng i v i Trái t không t o ra qu o quay mà t o ra s l c lư, chao o, d th y nh t là hi n tư ng th y tri u i dương. nh lu t hai Newton phát bi u r ng khi m t l c tác d ng lên m t v t, thì nó t o ra m t s bi n thiên m t i lư ng g i là ng lư ng, v m t toán h c i lư ng này thư ng ư c bi u di n b ng tích s c a kh i lư ng và v n t c. L c tác d ng lên m t v t càng lâu, thì s bi n thiên ng lư ng c a v t ó càng l n. Khi hai v t tác d ng lên nhau nh ng l c b ng nhau và ngư c chi u, thì t ng bi n thiên ng lư ng c a hai v t ph i b ng không. ng lư ng c a m i v t thì bi n thiên, nhưng cho dù l c tác d ng gi a chúng m nh bao nhiêu hay lâu bao nhiêu i chăng n a, thì t ng ng lư ng v n là như nhau t i m i th i i m – hay như các nhà v t lí phát bi u, t ng ng lư ng ư c b o toàn. B o toàn kh i lư ng. M t trong nh ng nh lu t b o toàn quan tr ng liên quan n kh i lư ng. nh lu t Newton th nh t v chuy n ng nh nghĩa m t i lư ng g i là quán tính, hay xu hư ng c a m t v t duy trì v n t c c a nó, tr khi có l c tác d ng lên nó. S o c a quán tính là cái các nhà v t lí g i là kh i lư ng, nó thư ng ư c xem là lư ng ch t mà v t ó có. (Trong ngôn ng hàng ngày, ngư i ta thư ng nói là m t v t n ng bao nhiêu, ch không nói nó có kh i lư ng bao nhiêu. Nhưng t t hơn h t là nên s d ng thu t ng kh i lư ng, vì lí do sau ây: Tính n ng nh là l c mà trư ng h p d n c a Trái t tác d ng lên v t ó. Trên M t trăng, v t s cân nh i, nhưng kh i lư ng c a nó thì không i). M t trong nh ng quan ni m cơ s c a thuy t nguyên t c a v t ch t là t ng kh i lư ng c a v t ch t có m t trong m t ph n ng hóa h c là không i. Các nguyên t có th s p x p l i, d n t i nh ng h p ch t khác, nhưng b n thân các nguyên t v n như cũ. Khi th k th 19 k t thúc, các nhà v t lí tin r ng nh lu t b o toàn kh i lư ng là mang tính cơ b n. B o toàn năng lư ng. Các nh lu t Newton c a chuy n ng còn ưa n m t i lư ng g i là năng lư ng, nó có th thu c m t trong hai d ng cơ b n g i là ng năng (năng lư ng c a chuy n ng) và th năng (năng lư ng c a v trí). C hai d ng năng lư ng có th thu v t m t i lư ng g i là công, i lư ng này ư c nh nghĩa v m t toán h c là quãng ư ng mà v t i ư c nhân v i l c tác d ng theo hư ng chuy n ng c a v t. Công có th t o ra ng năng b ng cách làm cho m t v t chuy n ng nhanh hơn, ho c nó có th t o ra th năng theo nhi u cách, thí d b ng cách kéo giãn ho c nén m t cái lò xo ho c nâng m t v t n ng lên cao. Lò xo ó có th năng s làm v t chuy n ng khi nó h i ph c l i chi u dài ban u c a nó. V t n ng ó có th rơi xu ng, thu l y ng năng trong lúc rơi. vii
M t trong nh ng thành t u to l n c a n n v t lí h c th k th 19 là vi c công nh n m i liên h gi a năng lư ng và nhi t và phát tri n m t nh lu t b o toàn m i. Khi hai v t tương tác v i nhau, t ng ng lư ng c a chúng ư c b o toàn, nhưng t ng ng năng và th năng c a chúng có th thay i. Thí d , n u hai chi c xe hơi y h t nhau, chuy n ng t c như nhau, va ch m tr c di n v i nhau, thì m h n t p b p dí s d ng l i ngay. Trư c va ch m, m i xe hơi có ng lư ng b ng nhau, nhưng có chi u ngư c nhau. Như v y, t ng ng lư ng c a chúng là b ng không lúc trư c và sau khi chúng va ch m. úng như trông i, ng lư ng ư c b o toàn. nh lu t Newton th hai và th ba c a chuy n ng d n t i k t lu n r ng khi hai v t tương tác v i nhau, thì ng lư ng c a m i v t có th thay i, nhưng t ng ng lư ng c a chúng thì không i. Trong va ch m s t qua c a hai qu c u có kh i lư ng khác nhau, thì m i qu c u i hư ng và t c chuy n ng, nhưng t ng ng lư ng c a chúng v n như cũ. Còn năng lư ng thì sao? Không gi ng như ng lư ng, năng lư ng không có chi u. Lư ng l n ng năng trư c va ch m dư ng như ã b m t, và hai chi c xe b p dí không có th năng c a b ph n nén ép ki u lò xo nào c . Nhưng v va ch m sinh ra m t lư ng nhi t l n, chúng có th d dàng nh n th y sau va ch m. N u hi u nhi t là s o c a t ng ng năng c a hai xe trư c va ch m, thì thì hóa ra năng lư ng v n ư c b o toàn. M t phân ngành v t lí h c g i là nhi t ng l c h c mô t cách th c nhi t và năng lư ng liên h v i nhi t . Các nhà v t lí phát bi u ba nh lu t c a nhi t ng l c h c, nh lu t u tiên trong s ó là m t nh lu t b o toàn. Nó phát bi u r ng khi có s trao i nhi t, thì năng lư ng, gi ng như ng lư ng, ư c b o toàn khi các v t tương tác v i nhau, mà không có thêm s tác d ng nào t bên ngoài. Nhi t ng l c h c có liên h m t thi t v i m t phân ngành v t lí toán phát tri n vào cu i th k th 19 g i là cơ h c th ng kê. Cơ h c th ng kê cho phép các nhà v t lí kh o sát nhi t c p nguyên t . Nó nh nghĩa nhi t là s o ng năng trung bình c a các nguyên t ho c phân t trong v t ch t, cho dù chúng ang chuy n ng t do và va ch m nhau như trong ch t khí, ho c ch t l ng, ho c ang dao ng t i lui trong ch t r n. Cơ h c th ng kê gi m t vai trò quan tr ng trong nh ng khám phá y k ch tính bu i u c a th p niên u tiên c a th k th 20 – trong ó có s thay i nh n th c c a các nhà v t lí v các nh lu t b o toàn kh i lư ng và năng lư ng. viii
1901 – 1910 Bình minh c a v t lí h c hi n đ i Như ã lưu ý cu i ph n Gi i thi u, các khám phá trong th p niên u tiên c a th k 20 ã làm ch n ng các n n t ng c a v t lí h c. Nh ng chuy n bi n l n trong n n khoa h c ó mang l i t công trình c a nhi u nhà tư tư ng cách tân, nhưng không ai có ý tư ng có s c nh hư ng nhi u hơn ý tư ng c a m t viên ch c s c p b ng sáng ch Th y Sĩ ngư i g c c tên là Albert Einstein (1879 – 1955). Năm 1905, ông ã cho công b ba bài báo làm thay i phương th c các nhà v t lí nhìn nh n không gian và th i gian, v t ch t và năng lư ng, và h t và sóng. Ông gi i thích l i các nh lu t Newton l n h phương trình Maxwell theo m t cách lo i tr nhu c u vi n n ê-te. Ông ch ra r ng kh i lư ng và năng lư ng là nh ng m t khác nhau c a cùng m t hi n tư ng v t lí. Ông gi i thích các thí nghi m ã bi t nh m ch ng minh các nguyên t là có th t, ch không ơn thu n là m t khái ni m h u ích dùng tìm hi u hóa h c. Nh ng ý tư ng l n không h n y sinh t hư vô. Cơ s cho các khám phá c a u th k 20 ã thi t l p vào gi a cu i nh ng năm 1890, khi các nhà v t lí ang nghiên c u m i liên h gi a i n h c và v t ch t. H bi t r ng i n t n t i dư i d ng các i n tích dương và âm và nó gi ng như các nguyên t - nh ng lư ng i n tích nh xíu, không th chia c t thu c m t c nh t nh – không gi ng như ch t l ng có th trích ra bao nhiêu cũng ư c. Các nguyên t có th trung hòa i n, ho c chúng có th t n t i d ng các ion tích i n. Nhưng i n là cái gì, và nó liên quan như th nào v i v t ch t? Nghiên c u tia ca- tôt dư ng như là có kh năng nh t mang l i s hi u bi t sâu s c cho câu h i này. Tia ca-tôt là nh ng chùm tia kì l xu t hi n trong ng th y tinh hàn kín t ó a ph n không khí ã ư c bơm ra ngoài. Bên trong các ng y là hai i n c c – m t c c âm ca-tôt và m t c c dương a-nôt – v i m t i n áp (áp su t i n) l n gi a chúng. Khi ca-tôt b un nóng, nó phát ra m t chùm tia làm cho không khí còn l i xung quanh lóe sáng. N u chùm tia ó p vào thành ng, thì th y tinh cũng lóe sáng. Nh ng k t qu kì l Ngày 8 tháng 11 năm 1895, nhà v t lí ngư i c Wilhelm Röntgen (1845–1923) ang nghiên c u tia ca-tôt thì ông phát hi n ra m t hi n tư ng l . Ông bi t tia ca-tôt có th gây ra s phát sáng huỳnh quang, và ông có m t màn huỳnh quang trong phòng thí nghi m c a mình nghiên c u chúng. Nhưng vào hôm này, ông không s d ng cái màn ó. Ông t nó xa ng tia ca-tôt và b c nó trong gi y bìa en c ng, nhưng trong phòng thí nghi m t i, Röntgen ý th y nó ang lóe sáng. Cái gì có th gây ra hi n tư ng ó? Sau m t s thí nghi m, Röntgen phát hi n th y tia ca-tôt ang gây ra m t d ng b c x chưa bi t, mà ông g i là tia X, phát ra t a-nôt. Tia X có th i xuyên qua nh ng lo i v t ch t nh t nh – ví d như th y tinh c a ng tia ca-tôt – nhưng không xuyên qua nh ng ch t khác, và chúng s làm en kính nh. (Ngày nay, ngư i ta bi t tia X là m t d ng sóng i n t năng lư ng cao). L ch s V t lí th k 20 ◊1
Ngay u tháng 3 ti p sau ó, nhà v t lí ngư i Pháp Henri Becquerel (1852–1908) phát hi n ra m t h p ch t c a uranium cũng t o ra ư c b c x làm en kính nh. Lúc u, ông nghĩ r ng mình ã tìm ra m t ngu n khác phát ra tia X, nhưng ông s m phát hi n th y “tia uranium” là m t hi n tư ng hoàn toàn khác. Khám phá c a Becquerel ngay sau ó ư c g i là s phóng x , và các v t lí và hóa h c khác nhanh chóng nh p cu c, trong ó có nhà hóa h c g c Ba Lan Marie Curie (1867–1934) Pháp và Gerhardt Schmidt c. Làm vi c c l p v i nhau vào năm 1898, t ng ngư i h ã phát hi n ra s phóng x thorium. Cu i năm ó, Marie Curie cùng ch ng c a bà, Pierre Curie (1859–1906), phát hi n ra hai nguyên t phóng x trư c ó chưa bi t, radium và polonium, trong qu ng uranium. S phóng x cũng thu hút s chú ý c a Joseph John (“J. J.”) Thomson (1856– 1940), giám c Phòng thí nghi m Cavendish n i ti ng th gi i t i trư ng i h c Cambidge Anh. Ngay khi ông nghe nói t i khám phá c a Becquerel, ông l p t c quy t nh nghiên c u các tia bí n ó. Ông giao nhi m v cho Ernest Rutherford (1871–1937), m t sinh viên tr năng ng m i ra trư ng n t New Zealand vào mùa thu trư c ó. Năm 1898, Rutherford phát hi n ra hai d ng phóng x khác bi t nhau và t tên cho chúng theo hai kí t u tiên trong b ch cái Hi L p. Tia alpha có th ch n d ng l i b i m t vài lá nhôm, nhưng tia beta thì có tính âm xuyên m nh hơn nhi u. C hai u là các h t tích i n – tia alpha mang i n tích dương và tia beta mang i n tích âm. Trong khi ó, Thomson ang ti n hành các thí nghi m th n tr ng c a riêng ông xác nh xem tia ca-tôt là hi n tư ng sóng hay h t. Năm 1897, ông công b các k t qu c a mình: Tia ca-tôt là dòng g m các h t nh xíu mang i n tích âm. Ông g i các h t ó là ti u th , và ông gi s m i ti u th mang ơn v i n tích cơ b n c a t nhiên. Các phép o c a ông và gi thuy t ó ã ưa ông n k t lu n l lùng sau ây v kích c c a các h t ti u th : Kh i lư ng c a m t ti u th chưa t i m t ph n nghìn kh i lư ng c a nguyên t hydrogen, nguyên t nh nh t trên b ng tu n hoàn nguyên t . (Các phép o ngày nay thi t t giá tr ó là nh hơn 1/1800). Khi các nhà khoa h c tìm hi u thêm v hành tr ng c a nh ng ti u th này trong các nguyên t , chúng tr nên mang tên là electron. Có hai l i gi i thích kh dĩ. Ho c là gi thuy t c a ông v ơn v i n tích c a các ti u th là sai và th t ra nó có hơn 1000 ơn v i n tích âm, ho c kh i lư ng c a nó th t s h t s c nh . M t i n tích hơn 1000 ơn v không có ý nghĩa, nên Thomson và các v t lí khác k t lu n r ng các ti u th là nh ng h t nh hơn nhi u so v i nguyên t . L ch s V t lí th k 20 ◊2
Các tia bí n và các h t h nguyên t không ph i là nh ng b t ng duy nh t trong v t lí h c khi th k 19 k t thúc. Năm 1900, lóe sáng quen thu c c a các v t b nung nóng ã ưa nhà v t lí ngư i c Max Planck (1858–1947) vào m t chi u hư ng b t ng ưa n gi i thư ng Nobel V t lí năm 1918. S d ng cơ h c th ng kê mô t t c dao ng khác nhau c a các nguyên t c a m t v t b nung nóng, Planck ã tính ư c ph ánh sáng mà nó phát ra – nghĩa là, cư ng phát sáng bi n thiên như th nào theo nh ng màu s c khác nhau – và so sánh các tính toán c a ông v i ph o ư c c a cái g i là b c x v t en c a nó nh ng nhi t khác nhau. Marie Curie, cùng v i ch ng, Piere Curie, v i ngư i bà cùng chia s gi i Nobel V t lí năm 1903. ( nh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) L ch s V t lí th k 20 ◊3
Các phép o trên th t quen thu c: V t th không phát ra ánh sáng kh ki n khi nó ngu i nhưng tr nên m khi ư c nung nóng lên vài trăm . nhi t càng lúc càng cao, nó phát ra ánh sáng chói, r i màu vàng. N u có th nung nóng nó lên n nhi t c a M t tr i, thì nó s có màu vàng chói. Các màu s c ó không thu n khi t, mà là h n h p ánh sáng nh ng bư c sóng khác nhau, gi ng như cái do Isaac Newton khám phá ra ánh sáng m t tr i trong thí nghi m n i ti ng c a ông 200 năm trư c. Planck trình bày quang ph b ng th . T trái sang ph i theo tr c hoành, màu s c chuy n t h ng ngo i sang , băng qua ph kh ki n chuy n n tím, và ngoài ó là vùng t ngo i. Tr c tung bi u di n cư ng sáng. Giá tr s trên tr c hoành là t n s c a ánh sáng hay t c mà các nh sóng i qua m t i m cho trư c. T n s tăng t h ng ngo i sang t ngo i, i qua d i màu - n-tím kh ki n gi a. M i quang ph tc c i m t t n s nh t nh i khái tương ng v i màu s c mà ngư i ta trông th y. Sau ó cư ng gi m nhanh nh ng t n s cao. Ernest Rutherford và J.J Thomson nhi u năm sau nghiên c u tiên phong c a h v tia ca-tôt và s phóng x . ( nh: AIP Emilio Segrè Visual Archive, Bainbridge Collection) Các tính toán c a Planck mang l i tin t t l n tin x u. Tin t t là ph tính ư c phù h p v i ph o ư c, c bi t trong vùng h ng ngo i; tin x u là nó th t b i, không tiên oán ư c c c i trên. Th t v y, các phép tính c a ông tiên oán m t cư ng tăng mãi mãi i v i các t n s cao hơn. Cho nên Planck ã i tìm ý tư ng làm th nào thay i mô hình cơ h c th ng kê c a ông hi u ch nh bài toán t n s cao y (bài toán trong nh ng năm sau này các nhà khoa h c g i là “cái ch t mi n t ngo i”). Phương pháp c a ông có ph n i ngư c l i h phương trình Maxwell. Các phương trình ó cho phép sóng n t có cư ng b t kì t r t m n r t sáng và m i giá tr gi a. i u ó có nghĩa là năng lư ng ánh sáng gi ng như m t ch t l ng có th o ra m t lư ng b t kì. Thay vì th , Planck quy t nh xem năng lư ng ánh sáng gi ng như các nguyên t hay nh ng h t cát. N u các h t y nh , thì năng lư ng có th o ra h u như L ch s V t lí th k 20 ◊4
gi ng như ch t l ng, như th nó ư c i u ch nh b i m t công t c sáng t i c a èn i n. Nhưng nh ng h t l n t o ra nh ng khe tr ng áng k gi a các m c khác nhau c a sáng, gi ng như m t bóng èn ba c c. Max Planck, ngư i có nghiên c u ánh sáng phát ra b i v t en ưa n ý tư ng lư ng t . ( nh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) Planck ã g i m t h t năng lư ng là m t lư ng t . b o toàn s phù h p t t gi a tiên oán c a ông và các phép o trong vùng h ng ngo i, ông bi t mình c n n nh ng lư ng t nh nh ng t n s th p. Nhưng lo i tr v n vư ng m c trong mi n t ngo i, ông c n nh ng lư ng t l n nh ng t n s cao. Ông ã b t u v i cách ơn gi n nh t có th làm i u ó. Ông vi t ra công th c bi u di n năng lư ng c a m t lư ng t b ng m t b i s l n t n s c a nó. c bi t, khi Planck ch n m t b i s thích h p, hình d ng ph tính ư c c a ông ăn kh p v i ph o ư c m i t n s t h ng ngo i n t ngo i. Ban u Planck nghĩ có l ông c n m t b i s khác nhau cho t ng nhi t , nhưng ông phát hi n th y b i s như nhau ó ho t ng t t m i nhi t . Ngày nay, b i s ó ư c g i là h ng s Planck. Planck nh n th c ư c r ng con s ó nói lên m t cái gì quan tr ng v b n ch t c a ánh sáng, nhưng ông không bi t ó là cái gì. Ông ã phát minh ra lư ng t không gì hơn là m t th thu t tính toán khéo léo, nhưng ông v p ph i th dư ng như là có th t. Th k 19 ã m ra v i thí nghi m c a Young xác l p r ng ánh sáng là m t hi n tư ng sóng. Gi thì, trong năm cu i cùng c a th k y, lí thuy t c a Planck ang ng ý r ng sau r t thì ánh sáng có th là m t dòng h t. Hai k t qu mâu thu n v i nhau, nhưng các nhà v t lí không th ph nh n k t qu nào trong s chúng. Vi c gi i quy t mâu thu n ó s ưa v t lí h c ti n vào nh ng l trình không d ki n trư c c a th k 20. L ch s V t lí th k 20 ◊5
Tính toán c a Planck v ph ánh sáng phát ra b i m t v t b nung nóng phù h p v i ph o ư c trong mi n h ng ngo i nhưng l i sai kh p nghiêm tr ng trong mi n t ngo i. Ông ưa ra khái ni m lư ng t lo i tr s trái ngư c ó, m c dù nó không phù h p v i lí thuy t sóng c a ánh sáng. Th k m i, vi n c nh m i Lúc u, vi c khám phá ra m t h t h nguyên t và s xu t hi n tr l i c a câu h i sóng-hay-h t v b n ch t c a ánh sáng dư ng như ch ng e d a b c tranh khoa h c ưa thích c a các nhà v t lí u th k 20. Nó v n d a trên cơ s v ng ch c c a các nh lu t Newton v chuy n ng và h p d n, và h phương trình i n t h c Maxwell. S b o toàn kh i lư ng và năng lư ng v n là hai trong s các nguyên lí n n t ng c a nó. Nhưng các cơ s và n n t ng y s p s a lung lay. N n v t lí h c ang bi n chuy n, và con ngư i ch u trách nhi m chính là m t k dư ng như ch ng có tên tu i vào năm 1901, Albert Einstein. V a h c xong i h c t i Vi n Bách khoa Zurich m t năm trư c ó tu i 21, Einstein b t u th k m i v i vi c i tìm m t công vi c làm, và ông ã không may m n cho l m. M t s giáo sư d y c a ông nh n ra ông r t thông minh tài trí, nhưng ông cũng ngang bư ng t i m c h mi n cư ng thuê ông làm ph tá hay khuyên ông i tìm vi c làm khác t t hơn. Einstein ã hai l n m ương vai trò d y h c nh t th i trư c khi ông tìm ư c m t ch làm lâu dài, v i tư cách là m t chuyên viên kĩ thu t, h ng ba, S c p b ng sáng ch Th y Sĩ, vào năm 1902. Công vi c ó hóa ra th t lí tư ng. Nó không kh t khe cho l m, và nó cho phép ông có nhi u th i gian suy nghĩ v nh ng câu h i l n c a v t lí h c trong khi v a h c l y b ng ti n sĩ t trư ng i h c Zurich. Năm 1905, ông không nh ng hoàn thành lu n án ti n sĩ c a mình, mà ông còn vi t ba bài báo công b trên t p san khoa h c Annalen der Physik (Biên niên V t lí h c). M i bài báo nói v m t tài khác nhau, và m i bài báo là m t ki t tác. Lư ng t và Hi u ng quang đi n Bài báo th nh t c a Einstein, “M t quan i m m i v s s n sinh và truy n ánh sáng”, i gi i bài toán lư ng t Planck và m t khám phá th c nghi m gây thách g i là hi u ng quang i n. Năm 1902, Philipp Lenard (1862–1947) phát hi n th y ánh sáng chi u lên m t i n c c kim lo i, dư i nh ng i u ki n nh t nh, có th làm cho các L ch s V t lí th k 20 ◊6
electron b t ra. M i kim lo i hành x khác nhau, nhưng t t c có m t c i m gây thách - ó là m t ngư ng t n s i v i ánh sáng, dư i ngư ng ó hi u ng bi n m t. Gi i h n quang i n i v i m i kim lo i là khác nhau, thay i t ánh sáng lam i v i m t s kim lo i n ánh sáng t ngo i i v i m t s kim lo i khác. Dư i gi i h n ó, không có electron nào phát ra, cho dù cư ng sáng m nh bao nhiêu. Trên gi i h n ó, ngay c ánh sáng m nh t cũng có th gi i phóng các electron kh i b m t kim lo i. Einstein công nh n gi i h n quang i n là b ng ch ng cho lư ng t Planck, v n là phát minh mang tính toán h c nhi u hơn. Chúng th t ra là các h t – các bó năng lư ng ánh sáng – sau này g i là photon. Ông gi i thích như sau: gi i phóng m t electron kh i m t kim lo i c n m t lư ng năng lư ng nh t nh g i là công thoát. H ng s Planck liên h năng lư ng c a m t lư ng t ánh sáng v i t n s c a nó. i v i m t lư ng t gi i phóng m t electron ra kh i kim lo i, thì năng lư ng c a nó l n hơn công thoát, nghĩa là t n s c a nó ph i cao. Trên ngư ng t n s ó, thì cho dù ánh sáng m bao nhiêu, m i lư ng t cũng có năng lư ng gi i phóng m t electron. Dư i ngư ng t n s ó, thì cho dù có bao nhiêu lư ng t , v n không có m t lư ng t nào có năng lư ng ánh b t m t electron ra. Albert Einstein là m t viên thư kí 26 tu i t i s c p b ng phát minh Bern, Th y Sĩ, vào năm 1905, khi ông công b ba bài báo làm bi n chuy n n n v t lí h c. ( nh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) Không khó khăn gì vi c ki m tra s ph ng oán c a Einstein. Các photon có t n s càng trên ngư ng bao nhiêu, thì chúng càng có nhi u năng lư ng có th trao cho các electron phát ra. Khi các nhà v t lí ti n hành các thí nghi m xác nh s ph thu c c a năng lư ng vư t m c ó vào t n s , h nh n th y các k t qu phù h p v i tiên oán c a Einstein. Như v y, hi u ng quang i n là b ng ch ng không th ch i cãi r ng ánh sáng là m t dòng h t – các lư ng t c a Planck. Nhưng nh ng hi n tư ng khác, ví d như thí nghi m giao thoa c a Young, l i ch ng minh b n ch t sóng c a ánh sáng v i s ch c ch n không kém. Tình th dư ng như th t khó ch u, Einstein ch n l y quan i m duy nh t mà m t nhà v t lí có th có: T nhiên là cái nó như th , và nó m ra trư c khoa h c i tìm cách mô t nó. Th nh tho ng, các nhà khoa h c c n ph i i tìm nh ng công c ho c t v ng m i. Th nh tho ng, h ph i t ra nh ng câu h i khác. Trong trư ng h p này, vi c L ch s V t lí th k 20 ◊7