NOBEL VẬT LÝ 1999

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

82
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giải Nobel Vật lý năm 1999 được trao cho giáo sư người Hà Lan Gerardus 't Hooft tại Đại học Utrecht ở Utrecht (Hà Lan) và giáo sư danh dự người Hà Lan Martinus J. G. Veltman tại Đại học Michigan (Mỹ) và ở Bithoven (Hà Lan) "do làm sáng tỏ cấu trúc lượng tử của các tương tác điện yếu trong vật lý".

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: NOBEL VẬT LÝ 1999

GIẢI NOBEL VẬT LÝ 1999 Giải Nobel Vật lý năm 1999 được trao cho giáo sư người Hà Lan Gerardus 't Hooft tại Đại học Utrecht ở Utrecht (Hà Lan) và giáo sư danh dự người Hà Lan Martinus J. G. Veltman tại Đại học Michigan (Mỹ) và ở Bithoven (Hà Lan) "do làm sáng tỏ cấu trúc lượng tử của các tương tác điện yếu trong vật lý". Hai nhà nghiên cứu nói trên được trao tặng Giải Nobel vì họ đã đưa ra một cơ sở toán học vững chắc hơn cho lý thuyết vật lý hạt cơ bản. Đặc biệt họ đã chỉ ra lý thuyết này có thể được sử dụng cho các tính toán chính xác đối với các đại lượng
vật lý như thế nào. Các thực nghiệm trên các máy gia tốc ở châu Âu và Mỹ gần đây đã xác nhận nhiều kết quả tính toán. Thales từ 2 600 năm trước đây nói rằng: "Bất cứ cái gì đều được tạo ra từ nước". Nhưng Thales nói bằng ngôn ngữ của các nhà triết học. Thay cho câu nói này, nhà khoa học tự nhiên của thời đại chúng ta nói rằng: "Bất cứ cái gì đều được tạo ra từ các hạt cơ bản". Các hạt cơ bản là các viên gạch xây dựng nhỏ nhất của tự nhiên và là căn nguyên của mọi thứ quanh ta. Các đối tượng trong thế giới xung quanh chúng ta đều được xây dựng từ các nguyên tử mà chúng bao gồm các electron và hạt nhân nguyên tử. Các hạt nhân gồm các proton và neutron và các hạt này đến lượt chúng được cấu thành từ các quark. Để nghiên cứu vật chất ở mức trong cùng cần có các máy gia tốc lớn. Các máy gia tốc đầu tiên được chế tạo từ những năm 1950 và chúng đánh dấu sự ra đời của vật lý hạt hiện đại. Lần đầu tiên có thể nghiên cứu sự phát sinh của các hạt mới và các lực tác động giữa chúng. Trong tự nhiêncó bốn loại tương tác là tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu. Tương tác điện từ là tương tác có trách nhiệm chẳng hạn đối với sự tồn tại của các nguyên tử. Diễn viên chính ở đây là photon (lượng tử ánh sáng). Không có photon thì không có các hiện tượng điện từ. Tương tác yếu có các tác nhân của nó là ba hạt W+, W- và Z0. Các hạt này cực kỳ quan trọng. Chẳng hạn như hạt W-. Chúng ta biết rằng Mặt Trời giống như một lò sưởi. Cái gì tạo ra lửa ở đó? Đó chính là hạt W-. Không có tương tác yếu thì Mặt Trời không thể chiếu sáng. Hóa ra photon và các hạt W và Z có nguồn gốc chung. Lý thuyết hạt hiện đại được hình thành từ khoảng giữa những năm 1950. Nhiều năm nghiên cứu đã đưa đến mô hình chuẩn (Standard Model) của vật lý hạt. Mô hình này gộp tất cả các hạt cơ bản vào ba họ của các quark và lepton mà chúng tương tác với nhau nhờ một số các hạt trao đổi của các lực mạnh và lực điện yếu.Theo mô hình chuẩn, các hạt cơ bản của vật chất là 6 lepton và 6 quark. Lực giữa các hạt này được mô tả bởi các lý thuyết trường lượng tử và các lý thuyết này đều là loại lý thuyết chuẩn không Abel (non-abelian gauge theory). Lực điện yếu được dàn xếp bởi 4 hạt trao đổi. Các hạt trao đổi gồm photon không có khối lượng
(gamma) và 3 hạt trường W+, W- và Z0. Lực mạnh được truyền đi bởi 8 gluon g không có khối lượng. Ngoài 12 hạt trao đổi nói trên, mô hình chuẩn dự đoán một hạt rất nặng là hạt Higg H0. Trường của hạt Higg tạo ra tất cả các khối lượng hạt. Cơ sở lý thuyết của mô hình chuẩn lúc đầu không hoàn chỉnh và đặc biệt là nó không rõ ràng chút nào trong việc sử dụng cho các tính toán chi tiết đối với các đại lượng vật lý. Garardus 't Hooft và Martinus J. G. Veltman đã đưa ra một cơ sở toán học vững chắc hơn cho mô hình chuẩn. Nghiên cứu của họ cung cấp cho các nhà nghiên cứu một "cơ cấu máy lý thuyết (theoretical machinery)" có chức năng tốt nhằm có thể sử dụng nó chẳng hạn cho việc dự đoán các tính chất của các hạt mới. Các lý thuyết sử dụng hiện nay trong mô hình chuẩn của vật lý hạt nhằm mô tả các tương tác của các hạt đều là các lý thuyết chuẩn (gauge theory). Thu ật ngữ "chuẩn" liên quan đến một đặc tính của các lý thuyết này là đối xứng chuẩn (gauge symmetry). Nhiều nhà nghiên cứu xem nó như một trong các đặc tính cơ bản nhất của vật lý. Vào những năm 1860, nhà vật lý người Xcốtlen James Clerk Maxwell đã đưa ra lý thuyết điện từ. Lý thuyết này là một lý thuyết chuẩn trong thuật ngữ hiện đại hiện nay. Lý thuyết của Maxwell thống nhất điện học với từ học và dự đoán chẳng hạn như sự tồn tại của các sóng vô tuyến. Chúng ta có thể minh họa khái niệm lý thuyết chuẩn như sau. Các điện trường và từ trường có thể được biểu diễn bằng các hàm thế. Các hàm này có thể được trao đổi (biến đổi chuẩn (gauge-transformed)) theo một qui tắc nào đó mà không làm thay đổi các trường. Phép biến đổi đơn giản nhất là thêm một hằng số vào điện thế. Về mặt vật lý, điều này minh họa cho một thực tế rõ ràng là điện thế có thể được tính từ một điểm không tùy ý do chỉ các khác biệt thế mới có ý nghĩa. Điều này giải thích tại sao một con sóc có thể đi dọc theo một dây điện cao thế mà không bị điện giật. Các nhà vật lý cho việc điểm không có thể được di chuyển theo cách này là một sự đối xứng trong lý thuyết và đối xứng này là một đối xứng chuẩn. Trật tự mà trong đó người ta tiến hành hai phép biến đổi chuẩn là không quan trọng. Chúng ta thường nói rằng lý thuyết điện từ là một lý thuy ết chuẩn Abel. Abel là tên của nhà toán học người Na uy Niels Henrik Abel (1802-1829). Một ví dụ
về một nhóm của các phép biến đổi Abel là phép quay trong mặt phẳng. Chúng ta đặt một bút chì trên mặt bàn, quay nó một góc 900 ngược chiều kim đồng hồ và sau đó quay nó một lần nữa một góc 1800 cũng theo chiều như thế. Lần thứ hai chúng ta cũng quay bút chì ngược chiều kim đồng hồ nhưng đảo thứ tự thực hiện hai phép quay. Chúng ta đặt bút chì ở vị trí xuất phát như lần thứ nhất, lúc đầu quay nó một góc 1800 và sau đó quay nó một góc 900. Kết quả của lần quay thứ nhất và lần quay thứ hai là như nhau. Vì thế phép quay trong mặt phẳng là một phép biến đổi Abel. Một ví dụ về một nhóm của các phép biến đổi không Abel là phép quay trong không gian ba chiều. Chúng ta sẽ thực hiện quay bút chì hai lần. Lần thứ nhất chúng ta đặt bút chì trong mặt phẳng nằm ngang sao cho đầu nhọn của nó hướng về phía bên phải, quay nó một góc 900 sao cho đầu nhọn của nó hướng xuống dưới và vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. Sau đó, chúng ta quay nó một lần nữa một góc 1800 sao cho đầu nhọn của nó hướng lên phía trên và vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. Lần thứ hai chúng ta cũng quay bút chì như lần thứ nhất nhưng đảo thứ tự thực hiện hai phép quay. Chúng ta đặt bút chì ở vị trí xuất phát như lần thứ nhất và lúc đầu quay nó một góc 1800. Mặc dù bút chì quay một nửa vòng tròn nhưng nó vẫn giữa nguyên vị trí như lúc xuất phát, nghĩa là bút ở trong mặt phẳng nằm ngang sao cho đầu nhọn của nó hướng về bên phải. Sau đó chúng ta thực hiện phép quay thứ hai là quay bút một góc 900 từ vị trí của bút sau phép quay thứ nhất. Sau hai phép quay của lần thứ hai, bút ở vị trí sao cho đầu nhọn của nó hướng xuống dưới và vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. Còn sau hai phép quay của lần thứ nhất, bút ở vị trí sao cho đầu nhọn của nó hướng lên trên và vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. Như vậy, kết quả của lần thứ nhất khác với kết quả của lần thú hai. Vì thế, phép quay trong không gian ba chiều không phải là phép biến đổi Abel. Sau khi cơ học lượng tử hình thành vào khoảng năm 1925, các nhà nghiên cứu cố gắng thống nhất các hàm sóng của cơ học lượng tử và các trường điện từ thành lý thuyết trường lượng tử. Khi đó nảy sinh ra nhiều vấn đề. Điện động lực lượng tử mới trở nên phức tạp và các tính toán thường cho cacs kết quả không hợp lý. Một lý do là lý thuyết lượng tử dự đoán rằng các trường điện từ gần với một electron hoặc một proton có thể tự phát sinh ra các lượng hạt và phản hạt có thời gian sống rất ngắn gọi là các hạt ảo (virtual particle). Theo lý thuyết trường
lượng tử, một hạt "vật lý" thực có cấu tạo từ một hạt trung tâm "trơ trụi (naked)" ở trong một đám mây của những hạt "ảo" có thời gian sống rất ngắn. Một hệ chỉ có một electron bỗng dưng trở thành một bài toán nhiều hạt. Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman (Giải Nobel Vật lý năm 1965) đã giải quyết được vấn đề nảy sinh nói trên vào những năm 1940. Họ đã đưa ra một phương pháp gọi là phương pháp tái chuẩn hóa (renormalization) trong đó các hạt riêng lẻ có thể xem như "một cái gì đó tại một khoảng cách (somewhat at a distance)". Theo cách này, không cần xem xét riêng các cặp hạt ảo. "Đám mây" của các hạt ảo có thể được phép che hạt gốc trung tâm. Bằng cách đó, hạt gốc có một điện tích mới và một hạt mới. Theo thuật ngữ hiện đại, Tomonaga, Schwinger và Feynman đã tái chuẩn hóa mọt lý thuyết chuẩn Abel. Điện động lực lượng tử đã được kiểm tra với độ chính xác cao hơn bất cứ lý thuyết nào khác trong vật lý. Vì thế chẳng hạn Hans Dehmelt (Giải Nobel Vật lý năm 1989) đã thành công trong việc đo từ tính của electron trong một bẫy ion với độ chính xác đến 12 con số. 10 con số đầu tiên phù hợp ngay lập tức với các kết quả tính toán. Phát minh và nghiên cứu tính phóng xạ cùng với sự phát triển sau đó của vật lý nguyên tử trong nửa đầu của thế kỷ XX đã sinh ra các khái niệm tương tác mạnh và tương tác yếu. Tương tác mạnh liên kết các hạt nhân nguyên tử với nhau. Còn tương tác yếu cho phép một hạt nhân nào đó phân rã phóng xạ. Vào những năm 1930, các nhà nghiên cứu đưa ra lý thuyết trường lượng tử đầu tiên đối với tương tác yếu. Lý thuyết này làm nảy sinh các vấn đề thậm chí tệ hơn các vấn đề do điện động lực nảy sinh và không tệ hơn các vấn đề mà phương pháp tái chuẩn hóa của Tomonaga, Schwinger và Feynman có thể giải quyết. Vào giữa những năm 1950 các nhà nghiên cứu Chen Ning Yang và Robert L. Mills đã tìm ra một ví dụ đầu tiên về một lý thuyết trường lượng tử với các đặc tính mới gọi là lý thuyết chuẩn không Abel. Trái với lý thuyết chuẩn Abel mà trong đó các phép biến đổi chuẩn có thể được thực hiện theo bất kỳ trật tự nào, kết quả của lý thuyết chuẩn không Abel phụ thuộc vào trật tự. Điều này không chỉ đem lại cho lý thuyết một cấu trúc toán học phức tạp hơn mà còn mở ra các khả năng mới. Các
khả năng mới của lý thuyết chuẩn không Abel không được khám phá đầy đủ cho đến những năm 1960 khi một số các nhà nghiên cứu đã phối hợp phát triển một lý thuyết chuẩn không Abel. Lý thuyết này đã thống nhất tương tác điện từ và tương tác yếu thành tương tác điện yếu. Nhờ đó, Sheldon l. Glashow, Abdus Salam và Steven Weinberg đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 1979. Lý thuyết trường lượng tử này dự đoán các hạt mới là các hạt W và Z và Carlo Rubbia và Simon van der Meer (Giải Nobel Vật lý năm 1984) đã tìm ra các hạt này tại phòng thí nghiệm máy gia tốc của CERN ở Geneva. Lý thuyết tương tác điện yếu làm nảy sinh một vấn đề mới. Khi các nhà nghiên cứu cố gắng sử dụng lý thuyết này để xác định chi tiết hơn các tính chất của các hạt mới W và Z cũng như nhiều đại lượng vật lý khác, lý thuyết này cho các kết quả không hợp lý. Tình hình này cũng giống như tình hình của những năm 1930 trước khi Tomonaga, Schwinger và Feynman thành công trong việc tái chuẩn hóa điện động lực lượng tử. Nhiều nhà nghiên cứu bi quan về khả năng phát triển của lý thuyết tương tác điện yếu. Một người không từ bỏ hi vọng có thể tái chuẩn hóa các lý thuyết chuẩn không Abel là Martinus J. G. Veltman. Vào cuối những năm 1960 ông mới được bổ nhiệm làm giáo sư Đại học Utrecht. Veltman đã phát triển chương trình máy tính "Schoolschip" và bằng cách sử dụng các ký hiệu chương trình này thực hiện các đơn giản hóa đại số đối với các biểu thức phức tạp mà tất cả các lý thuyết trường lượng tử đều gặp phải khi tiến hành các tính toán định lượng. Hai mươi năm trước, Feynman đã thực sự hệ thống hóa vấn đề tính toán và đưa ra các giản đồ Feynman mà chúng đã được nhiều nhà nghiên cứu thừa nhận. Nhưng khi đó không có máy tính. Veltman tin tưởng chắc chắn vào khả năng tìm ra một cách tái chuẩn hóa lý thuýet và chương trình máy tính của ông là cơ sở cho việc nghiên cứu kiểm tra toàn diện các ý tưởng khác nhau. Mùa xuân năm 1969 Veltman phối hợp với một học trò 22 tuỏi của ông là Gerardus 't Hooft để nghiên cứu vật lý năng lượng cao. Veltman nhận hướng dẫn 't Hooft làm nghiên cứu sinh vào mùa thu năm 1969. Nhiệm vụ của 't Hooft là giúp Veltman tìm kiếm một phương pháp tái chuẩn hóa các lý thuyết chuẩn không Abel.
't Hooft thành công hơn tất cả sự mong đợi và năm 1971 ông công bố hai bài báo mà chúng đưa ra một bước đột phá quan trọng trong chương trình nghiên cứu. Nhờ chương trình máy tính của Veltman, một phần các kết quả của 't Hooft hiện nay đã được xác minh và đồng thời họ đã tìm ra một phương pháp tính toán chi tiết. Lý thuyết chuẩn không Abel tái chuẩn hóa đối với tương tác điện yếu của 't Hooft và Veltman đã trở thành một công cụ lý thuyết có hiệu quả cũng giống như lý thuyết chuẩn Abel tái chuẩn hóa đối với điện động lực lượng tử của Tomonaga, Schwinger và Feynman. Nhờ nghiên cứu của 't Hooft và Veltman, có thể bắt đầu thực hiện các tính toán chính xác đối với tương tác điện yếu. Lý thuyết tương tác điện yếu dự đoán sự tồn tại của các hạt mới W và Z như đã đề cập trên đây. Nhưng chỉ qua nghiên cứu của 't Hooft và Veltman, có thể bát đầu việc dự đoán chính xác hơn đối với các đại lượng vật lý trong đó bao hàm các tính chất của các hạt W và Z. Các lượng lớn hạt W và Z đã được tạo ra gần đây trong các điều ki ện có điều khiển ở máy gia tốc gọi là LEP (Large Electron Positron) tại CERN. Máy gia tốc LEP đã thiết lập kỷ lục thế giới về các phép đo chính xác đối với các tương tác yếu. Các so sánh giữa các phép đo và tính toán luôn luôn có sự phù hợp rất tốt và điều này hỗ trợ cho các dự đoán lý thuyết. Một đại lượng riêng thu được nhờ phương pháp tính toán của 't Hooft và Veltman trên cơ sở các kết quả của CERN là kh ối lượng của quark đỉnh (top quark). Đó là quark nặng hơn trong hai quark được đưa vào họ thú ba của mô hình chuẩn. Người ta quan sát trực tiếp quark này lần đầu tiên năm 1995 tại Fermilab ở Mỹ nhưng khối lượng của nó đã được dự đoán từ vài năm trước đó. Ở đây cũng có sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Một thành phần quan trọng trong lý thuyết do 't Hooft và Veltman phát triển là một hạt còn chưa được thực nghiệm chứng minh gọi là hạt Higg. Theo cùng một cách giống như việc các hạt khác đã được dự đoán bằng các lập luận lý thuyết và sau đó được xác nhận bằng thực nghiệm, các nhà nghiên cứu hiện nay đang chờ đợi việc quan sát trực tiếp đối với hạt Higg. Khi sử dụng các tính toán tương tự như các tính toán đối với khối lượng quark đỉnh, xuất hiện cơ hội để một trong các máy gia tốc hiện có theo đuổi nhằm tạo ra một số hạt Higg. Nhưng chỉ có một máy
gia tốc hiện nay đang được xây dựng và đủ mạnh cho việc nghiên cứu hạt mới một cách chi tiết hơn là Bộ va chạm hadron lớn LHC (Large Hadron Collider) ở CERN. Phải đến năm 2005 LHC mới được xây dựng xong và đưa vào sử dụng và khi đó chúng ta mới có thể biết được thiết bị này có thể phát hiện ra hạt Higg hay khong? Gerardus 't Hooft sinh năm 1946 tại Den Helder (Hà Lan) và là con thứ hai trong một gia đình có ba người con. Ông là công dân Hà Lan. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý năm 1972 tại Đại học Utrecht. 't Hooft là giáo sư vật lý tại Đại học Utrecht từ năm 1977. Ông đã được trao tặng Giải thưởng Dannie Heineman (1979) của Hội Vật lý Mỹ và Giải thưởng Wolf (1982) do nghiên cứu của ông về các lý thuyết chuẩn tái chuẩn hóa. Giáo sư Gerardus 't Hooft là viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Hà Lan từ năm 1982. "Người đàn ông là người biết mọi thứ". Đó là câu trả lời của 't Hooft lúc một giáo viên hỏi ông sẽ làm gì khi lớn lên. Khi đó ông mới tám tuổi và điều mà ông muốn nói là "giáo sư". Khi đó ông quên mất từ này. Và điều ông thực sự có ý định là "nhà khoa học" - người làm sáng tỏ các định luật cơ bản của tự nhiên. Có lẽ đó không phải là một mong muốn khác thường. Trong họ hàng bà con của 't Hooft có những nhà khoa học nổi tiếng. Năm 1953 một người họ hàng đằng ngoại của 't Hooft là Frits Zernike đã được trao Giải Nobel do nghiên cứu dẫn đến phát minh kính hiển vi tương phản pha. Zernike nghiên cứu lý thuyết và tự tay chế tạo ra kính hiển vi của mình. Nhờ đó, Zernike giúp các nhà sinh học nhìn thấy các hình ảnh chuyển động của một tế bào sống. Bà ngoại của ông là chị em ruột với Zernike và bà đã kể cho 't Hooft về những ngày niên thiếu của Zernike. Một ngày Zernike mua một kính viễn vọng ở một chợ địa phương. Một buổi tối cảnh sát đến nhà bà ngoại của 't Hooft để cảnh báo cho cha mẹ bà biết rằng có "những tên trộm đột nhập vào nóc nhà của họ". Tuy nhiên, đó là Zernike đang cố gắng sử dụng kính viễn vọng để quan sát bầu trời. Bà ngoại của 't Hooft cưới giáo sư Pieter Nicolaas van Kampen - nhà động vật nổi tiếng của Đại học Leyden. Ông này đã qua đời sau một lần ốm kéo dài khi mẹ của 't Hooft 18 tuổi. Bác của 't Hooft là Nicolaas Godfried van Kampen và ông này là giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Quốc gia Utrecht. Mẹ của 't Hooft không lựa chọn một sự nghiệp khoa học. Bà học ở một trường nghệ thuật nhưng sau đó đạt được một bằng tiếng Pháp. Về sau bà dạy tiếng Pháp ở một lớp tư thục.
Môi trường gia đình như thế có ảnh hưởng đến lựa chọn của 't Hooft trở thành một nhà vật lý hay không? Bà ngoại của ông rất thích các nhà khoa học và vì thế chắc chắn bà có ảnh hưởng đến lựa chọn nghề nghiệp của 't Hooft sau này. 't Hooft cho rằng trí tuệ của ông đã hình thành từ lâu trước khi ông tập nói. Ông vẫn còn nhớ lúc ông mới 2 tuổi ông thích các bánh xe như thế nào. Ông theo dõi các con kiến bò trong cát và băn khoăn cuộc sống sẽ diễn ra như thế nào nếu mình là một con kiến. Khi đó mình sẽ có khả năng đi vào các khoảng trống bé nhất giữa các viên đá cuội trên bãi biển và các viên đá này sẽ to như các ngôi nhà của mình. Nhưng ông nhận ra rằng cuộc sống của con kiến cần phải hoàn toàn khác với cuộc sống của con người.. Tự nhiên đã thu hút sự chú ý của ông trước khi ông bắt đầu nói. Cha 't Hooft có bằng về kỹ thuật hàng hải ở Delft và làm việc ở xưởng tàu của các tuần dương hạm chạy trên tuyến Hà Lan - Mỹ. Cha 't Hooft yêu thích tàu biển và kỹ nghệ hàng hải. Sau đó, cha ông làm việc cho một công ty dầu lửa. Chú ý đến sự quan tâm của 't Hooft đối với hiện tượng tự nhiên, cha 't Hooft đã mua cho ông các sách về tàu biển và động cơ xe máy mà ông chưa bao giờ tiếp xúc. 't Hooft phản đối vì cho rằng một người nào đó đã phát minh ra những thứ này rồi, còn ông muốn nghiên cứu từ nhiên và phát minh những thứ mới. Khi ông 8 tuổi, gia đình ông chuyển đến London (Anh) trong 10 tháng. Anh em ông học ở trường công. Trường công không đòi hỏi mặc đồng phục nhưng có những quy định nghiêm ngặt về ăn mặc. Một ngày lạnh 't Hooft đến trường trong bộ quần dài. Ông được phép vào trường vì ông là người nước ngoài. Mọi người rất tốt đối với ông nhưng việc mặc quần ngắn cho đến tận đầu gối là chuẩn mực của trường. Về mùa hè vào những ngày cuối tuần, ông và bạn bè thường đi về những vùng quê. Dường như ở nước Anh trời mưa vào cuối tuần. 't Hooft lần đầu tiên nhìn thấy núi cao hơn 100 mét mà nó khó nhìn thấy ở Hà Lan. Ông còn chú ý đến những khác biệt cơ bản giữa kiến trúc Anh và kiến trúc Hà Lan. Vì thế, nếu có ai giới thiệu cho ông một số ngôi nhà nào đó cũ hoặc mới, ông có thể nói ra ngay nhà nào là nhà Đức và nhà nào là nhà Hà Lan.
Cha 't Hooft mua cho ông một số bộ Meccano đắt tiền. Ông đã lắp ráp mô hình theo như mô tả trong sách hướng dẫn và còn lắp ráp mô hình theo sự tưởng tượng của riêng ông. Những mô hình thích nhất của ông là các robot. Sau khi học xong tiểu học, 't Hooft vào học trường trung học Dalton. Sau khi học trung học một năm, có thể học tiếp theo cách cổ điển hoặc cách không cổ điển. Theo cách cổ điển, học sinh cần học một năm tiếng Hy Lạp và tiếng Latin và có nhiều đòi hỏi hơn. Bác của ông nói rằng việc lựa chọn giữa hai cách đó là không quan trọng và không cần phải học tiếng Latin và tiếng Hy Lạp cho vật lý nhưng nó cũng chẳng có hại gì. Nhưng ông chọn theo cách cổ điển. Ông không thể chịu được cái điều là một số đứa trẻ học được cái mà ông không biết. Cha 't Hooft mua cho ông một cuốn sách về vô tuyến. Một bạn học của ông có lần nói với ông rằng "không có ai trên thế giới hiểu được một chiếc đài vô tuyến làm việc như thế nào?". Ông không tin điều này và nói với người đó rằng "hãy nhìn vào tất cả những gì ở trong đó" và "người đã thiết kế ra nó cần phải có một ý tưởng nào đó". Nhưng nếu có bất cứ điều gì chưa hiểu, ông cố gắng tìm hiểu nó. Chiếc đài vô tuyến ở trong sách có chứa bóng đèn, đèn hai cực, đèn ba cực và đèn năm cực. Sau đó, ông học được rằng các tranzito làm việc theo cách thức tương tự và cớ thể mua các linh kiện với đầy đủ hướng dẫn để lắp ráp một đài vô tuyến. Ông sẽ không bao giờ chế tạo ra một cái đài vô tuyến trước khi ông hiểu được tại sao nó được lắp ráp chính xác theo cách thức này. Chẳng hạn như tại sao người thiết kế luôn luôn triệt công suất khuếch đại của một tranzzito bằng bộ ghép ngược? Ông cố gắng làm một bộ khuếch đại với ít tranzzito hơn và không triệt. Có thể làm một đài vô tuyến với chỉ một tranzito cho cả tín hiệu cao tần và tín hiệu thấp tần? Ông đã tìm được các câu trả lời cho tất cả các câu hỏi này. Ngoài tiếng Hà Lan, việc học các ngôn ngữ khác như tiếng Anh, tiếng Pháp và tiếng Đức là bắt buộc. 't Hooft cảm thấy khó khăn với tính logic của các lập luận ngôn ngữ và những bài khóa mà ông phải dịch sang tiếng mẹ đẻ của ông cũng khó hiểu đối với ông. Nhưng sau này ông nói rằng ông thực hạnh phúc khi có thể giao tiếp với người dân của một phần lớn châu Âu.
't Hooft học dễ dàng hơn các môn toán (gồm đại số, giải tích, lượng giác và hình học), vật lý và hóa học. Thầy giáo vật lý của ông là một người trung niên, tốt bụng với giọng nói dịu dàng và ít râu. Ông ấy dạy vật lý bằng cách sử dụng một cuốn sách do ông ấy và một giáo viên khác cùng trường với ông ấy biên soạn. Cuốn sách này đã được sử dụng ở khắp Hà Lan. Cuốn sách này được viết hợp lý và mang tính sư phạm nhưng không phải luôn luôn chính xác. Trong đó có nói đến các chất lỏng và tác giả cuốn sách cho rằng tiết diện của cánh máy bay có "dạng giọt nhỏ" vì "các giọt nhỏ tạo ra một hình dạng ít bị cản trở nhất". Ở một chỗ khác khi giải thích về cầu vồng, cuốn sách cho rằng các giọt nhỏ có dạng cầu. Có một trang trong sách nói về các photon như sau: "Một bóng đèn điện mỗi giây phát ra khoảng 108 photon". Để chứng minh điều đó, cuốn sách đưa ra lập luận đơn giản là "một photon có một bó sóng dài khoảng 10-8 giây. Nếu có nhiều hơn 108 photon, khi đó đối với mỗi một photon dao động theo cách này có thể tìm thấy một photon khác dao động theo hướng ngược lại. Vì thế xảy ra một sự giao thoa giảm và do đó sẽ không có ánh sáng phát ra". 't Hooft đã tranh luận với thầy giáo của mình về vấn đề này. Cuối cùng, nhờ sự giúp đỡ của người bác ông đã làm cho trang sách nói trên không còn xuất hiện trong những lần tái bản của cuốn sách. Một nữ giáo viên già hơn dạy môn sinh vật. Bà ấy sẽ không bao giờ cho ai các điểm sai trừ khi một ai đó yêu cầu chấm lại nhưng cũng hiếm có các điểm cao. Các điểm học môn sinh của ông nhanh chóng hạ thấp khi các bài học trở nên chán ngắt như thảo luận về các mô hình đối xứng trong hoa (ông nghĩ sự đối xứng dù sao chăng nữa không bao giờ hoàn chỉnh) hoặc không toàn diện khi thảo luận về cơ thể con người (một số phần khó đề cập ngoại trừ những giờ ngoài lớp và có những điều không ai giải thích cho ông và ông không dám hỏi). Cha ông sau khi dự một cuộc họp của các phụ huynh đã nói rằng không có phụ huynh nào muốn gặp giáo viên sinh vật nói trên vì bà ấy không bao giờ làm sai cái gì. Nhưng cha ông đến gặp bà ấy và hỏi bà ấy có biết giáo sư P. N. van Kampen hay không? Dĩ nhiên bà ấy biết rõ giáo sư van Kampen vì bà ấy đã dự tất cả các buổi giảng bài của vị giáo sư này. Sau đó, bà ấy đặc biệt chú ý đến ông vì ông là cháu của giáo sư van Kampen và các điểm học của ông tăng vọt lên. Bà ấy giao cho ông nhiệm vụ viết một tiểu luận và ông chọn viết về vi khuẩn. Trong thư viện địa phương không có sách viết về vi
khuẩn. Ở đó có một cuốn sách viết bằng tiếng Đức từ trước chiến tranh theo kiểu chữ in Gothic. Ông còn chưa biết mình phải làm như thế nào với cuốn sách này. Nhưng điều này không thành vấn đề và điểm tiểu luận của ông rất tốt. 't Hooft có một giáo viên vẽ rất nhiệt tình. Ông nghĩ chỉ cần giỏi hình học là có thể vẽ những bức tranh rất thực. Nhưng mẹ ông phát hiện thấy những điểm yếu trong hiểu biết vẽ của ông. Nếu ai muốn vẽ mặt hoặc cơ thể người, người đó cần biết chính xác xương và cơ bắp đi như thế nào. Ông quá nhút nhát khi tìm hiểu cơ thể người và vì thế ông chuyên vẽ về động vật và phong cảnh. Ông cho rằng điều này sẽ không bao giờ làm cho ông trở thành một họa sĩ giỏi. 't Hooft còn học chơi đàn piano. Ông có một giáo viên nhạc riêng. Mặc dù các bản nhạc của Beethoven, Chopin, Debussy, Mendelssohn quá khó với ông nhưng ông có thể chơi nhiều bản nhạc và đàn piano trở thành một phần cuộc sống của ông. Vào tuổi 16, ông đã tham gia kỳ thi học sinh giỏi toán quốc gia của Hà Lan. Ông rất thích đọc hai tập sách của nhà toán học nổi tiếng Georg Polya. Khi vào học Đại học Quốc gia Utrecht, 't Hooft muốn đi vào lĩnh vực mà ông xem là trái tim của vật lý. Đó là vật lý hạt cơ bản. Bác của ông không thích lĩnh vực này và nói rằng những người làm vật lý hạt cơ bản rất hay gây gổ. Ông ấy cũng đã nghiên cứu hạt cơ bản, giải thích các phương trình gọi là các hệ thức tán sắc nhưng chúng không cho ông ấy biết bất cứ điều gì về các hạt. Ông ấy thích vật lý thống kê hơn.