H
Help_physics
[TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn
Chắc suất Đại học top - Giữ chỗ ngay!!
ĐĂNG BÀI NGAY để cùng trao đổi với các thành viên siêu nhiệt tình & dễ thương trên diễn đàn.
Nolbels'prices about Physic (From 1901 to 2004)
(Trên website http://nobelprize.org/physics)
1. Vật lí là gì?
Vật lí được coi là một môn khoa học cơ bản nhất của khoa học tự nhiên. Vật lí giả quyết những thành phần cơ bản nhất của vật chất và các tương tác giữa chúng cũng như nghiên cứu về các nguyên tử và việc tạo thành phân tử và chất rắn. Vật lí cố gắng đưa ra những mô tả thống nhất về tính chất của vật chất và bức xạ, bao quát rất nhiều loại hiện tượng. Trong mộ số ứng dụng, vật lí rất gần với hóa học cổ điển và trong một số ứng dụng khác nó lại liên quan đến các đối tượng nghiên cứu của các nhà thiên văn học. Một số lĩnh vực của vật lí hiện nay còn hướng gần đến vi sinh học.
Mặc dù hóa học và thiên văn học là các ngành khoa học hoàn toàn độc lập, nhưng cả hai đều dùng vật lí như là một cơ sở trong nghiên cứu các lĩnh vực, khái niệm và công cụ của các vấn đề khoa học. Phân biệt cái nào là vật lí và hóa học trong một số lĩnh vực thường là rất khó. Điều này cũng được minh chứng vài lần trong lịch sử của các giải Nobel. Dưới đây sẽ nhắc đến một số giải Nobel về hóa học đặc biệt là những giải có liên hệ rất chặt chẽ đến các công trình mà những người đoạt giải Nobel vật lí thực hiện. Đối với thiên văn học, tình huống lại khác vì không có giải Nobel cho thiên văn học nên ngay từ đầu, những phát kiến của thiên văn học được trao giải Nobel về vật lí.
2. Từ vật lí cổ điển đến vật lí lượng tử
Năm 1901, khi giải Nobel đầu tiên được trao thì các lĩnh vực của vật lí cổ điển đã dựa trên một nền tảng vững chắc do các nhà vật lí và hóa học vĩ đại của thế kỉ thứ 19 tạo nên. Hamilton đã đưa ra những công thức mô tả động học của vật rắn từ những năm 1830. Carnot, Joule, Kelvin và Gibbs đã phát triển nhiệt động học tới mức cực kì hoàn thiện trong nửa cuối của thế kỉ đó.
Các phương trình nổi tiếng của Maxwell đã được chấp nhận như là một mô tả tổng quát về các hiện tượng điện từ và có thể ứng dụng trong bức xạ quang học và sóng radio lúc bấy giờ mới được Hetz phát hiện.
Tất cả mọi thứ, bao gồm cả các hiện tượng sóng, có vẻ như là rất phù hợp với bức tranh vật lí được dựng trên chuyển động cơ học của các thành phần của vật chất tự thể hiện trong các hiện tượng vĩ mô khác nhau. Một số nhữung nhà quan sát cuối thể kỉ 19 cho rằng, những việc cho các nhà vật lí làm tiếp theo là giải quyết những vấn đền nhỏ trong một vấn đề lớn đã được xây dựng gần hết.
Tuy vậy, sự thỏa mãn về bức tranh vật lí đó kéo dài không được bao lâu. Thời điểm bước sang thế kỉ mới là thời điểm quan sát các hiện tượng mà vật lí lúc bấy giờ không lí giải được và những ý tưởng cực mới về cơ sở của vật lí lí thuyết được đưa ra. Chúng ta cần nhìn lại một sự trùng hợp lịch sử mà có thể ngay cả chính Alfred Nobel cũng không thấy trước được, đó là việc trao giải thưởng Nobel đã bắt đầu đúng lúc để có thể ghi công những đóng góp nổi bật mở ra thời đại mới của vật lí vào giai đoạn đó.
Một trong những hiện tượng không giả thích được của vài năm cuối cùng của thế kỉ 19
đó là việc Wilhelm Conrad Röntgen, người được trao giải Nobel vật lí đầu tiên (1901) phát hiện ra tia X vào năm 1895. Lại nữa, năm 1896 Antoine Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ và hai vợ chồng nhà bác học Marie và Pierre Curie tiếp tục nghiên cứu bản chất của hiện tượng này. Lúc bấy giờ, người ta chưa hiểu nguồn gốc của tia X, nhưng người ta nhận ra rằng sự tồn tại của hiện tượng đó che dấu một thế giới các hiện tượng mới (mặc dù lúc đầu người ta chưa thấy những ứng dụng thực tiễn trong việc chẩn đoán bệnh của tia X). Nhờ công trình về hiện tượng phóng xạ đã, Becquerel vợ chồng Curie được trao giải Nobel năm 1903 (một nửa giải cho Becquerel và một nửa cho vợ chồng Curie). Cùng với công trình của Ernest Rutherford (người đạt giải Nobel về hóa học năm 1908) người ta hiểu rằng thực ra nguyên tử bao gồm một hạt nhân rất nhỏ chứ không phải như người ta từng nghĩ như trước đây là một phần tử không có cấu trúc. Người ta còn thấy một số hạt nhân nguyên tử lại không bền, chúng có thể phát ra các bức xạ anpha, betha và gamma. Đó là cuộc cách mạng lúc bấy giờ, cùng với nhiều công trình vật lí khác, người ta đã vẽ ra những bức tranh đầu tiên của cấu trúc nguyên tử.
Năm 1897, Joseph J. Thomson phát hiện các tia phát ra từ ca tốt trong một ống chân không là những hạt có mang điện tích. Ông đã chứng minh rằng, các tia này gồm những hạt rời rạc mà sau này chúng ta gọi là các hạt điện tử. Ông đã đo tỉ số giữa khối lượng của hạt và điện tích (âm) của hạt đó và thấy rằng giá trị đó chỉ bằng một phần rất nhỏ so với giá trị dự đoán của các nguyên tử mang điện. Và ngay sau đó người ta thấy rằng các hạt có khối lượng nhỏ bé mang điện tích âm đó phải là những viên gạch cùng với hạt nhân mang điện tích dương đã tạo nên tất cả các loại nguyên tử. Thomson nhận giải Nobel vào năm 1906. Trước đó một năm (1905), Phillip E.A. von Lenard đã làm sáng tỏ rất nhiều tính chất thú vị của những tia phat ra từ ca tốt như là khả năng đi sâu vào những tấm kim loại và tạo ra huỳnh quang. Sau đó, vào năm 1912, Robert A. Millikan lần đầu tiên đo chính xác điện tích của điện tử bằng phương pháp giọt dầu (oil-drop), và điều này dẫn ông đến giả Nobel năm 1923. Millikan cũng được trao giải cho những công trình về hiệu ứng quang điện.
Vào đầu thế kỉ 20, các phương trình của Maxwell đã có mặt được vài chục thập kỉ, nhưng rất nhiều câu hỏi vẫn chưa được giải đáp: môi trường nào là môi trường trung gian dẫn chuyền sóng điện từ (trong đó có cả ánh sáng) và các hạt tải điện có phải là nguyên nhân của sự phát xạ ánh sáng hay không? Albert A. Michelson đã phát triển một phương pháp giao thoa, theo phương pháp này thì khoảng cách giữa hai vật thể có thể được đo bằng số các bước sóng ánh sáng (hoặc là những phần nhỏ của chúng). Điều này làm cho việc xác định chiều dài chính xác hơn trước đó rất nhiều. Rất nhiều năm sau, Văn phòng đo lường quốc tế (Bureau International de Poids et Mesures) ở Paris đã định nghĩa đơn vị mét trên cơ sở số các bước sóng của một bức xạ đặc biệt thay cho định nghĩa trước đây là chiều dài của một tấm platin. Dùng chiếc giao thoa kế đó, Michelson và W. Morley đã tiến hành thí một nghiệm nổi tiếng, thí nghiệm đó kết luận rằng vận tốc của ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động tương đối của nguồn sáng và người quan sát. Thí nghiệm này bác bỏ giả thuyết trước đó coi ê-te là môi trường truyền ánh sáng. Michelson nhận giải thưởng Nobel năm 1907.
Các cơ chế phát xạ ánh sáng bởi các hạt tải điện đã được Hendrik A. Lorentz nghiên cứu. Ông cũng là người đầu tiên áp dụng các phương trình của Maxwell vào việc dẫn điện trong vật chất. Lí thuyết của ông có thể được áp dụng và bức xạ gây ra bởi dao động giữa các nguyên tử, và vào bối cảnh đó, lí tuyết có thể giải thích một thí nghiệm cực kì quan trọng. Vào năm 1896, Pieter Zeeman khi nghiên cứu về các hiệu ứng điện từ của ánh sáng đã tìm ra một hiện tượng quan trọng, đó là các vạch phổ của Natri khi bị đốt cháy trong một từ trường mạnh bị tách thành một vài thành phần. Hiện tượng này có thể được giải thích rất chi tiết bằng lí thuyết của Lorentz khi lí thuyết này được áp dụng cho các dao động của các điện tử. Lorentz và Zeeman chia nhau giải Nobel năm 1902, thậm chí trước cả Thomson (phát hiện ra điện tử). Sau đó, Johannes Stark chứng minh ảnh hưởng trực tiếp của điện trường lên phát xạ ánh sáng nhờ việc phát ra một chùm các nguyên tử (chùm tia a-nốt gồm các nguyên tử hoặc phân tử) trong một điện trường mạnh. Ông đã quan sát được sự tách phức tạp của các vạch phổ cũng như dịch chuyển Doppler phụ thuộc và vận tốc của nguồn phát. Stark nhận giải Nobel năm 1919.
Với bối cảnh đó, việc xây dựng một mô hình chi tiết của nguyên tử, một vấn đề đã tồn tại như một khái niệm từ thời cổ đại nhưng được coi là một thành phần không có cấu trúc trong vật lí cổ điển có thể thực hiện được. Bắt đầu từ giữa thế kỉ 19, người ta đã có một tài liệu thực nghiệm đó là những vạch phổ đặc trưng phát ra trong những vùng có thể nhìn thấy được từ những loại nguyên tử khác nhau. Bức xạ tia X đặc trưng do Charles G. Barkla (Nobel 1917) phát hiện bổ sung thêm cho tài liệu đó. Barkla phát hiện điều đó sau khi Max von Laue (Nobel 1914) xác định bản chất sóng của bức xạ và nhiễu xạ tia X. Phát hiện của Laue trở thành một nguồn thông tin quan trọng về cấu trúc bên trong của nguyên tử.
Tia X đặc trưng của Barkla là những chùm tia thứ cấp, đặc trưng cho mỗi nguyên tố, phát bức xạ từ những ống phát tia X (nhưng không phụ thuộc vào công thức hóa học của mẫu). Karl Manne G. Siegbahn nhận thấy rằng đo phổ tia X đặc trưng của tất cả các nguyên tố sẽ cho biết một cách có hệ thống các lớp điện tử kế tiếp được thêm vào như thế nào khi đi từ các nguyên tố nhẹ tới các nguyên tố nặng. Ông đã thiết kế các máy đo quang phổ cực kì chính xác cho mục đích này. Và nhờ đó sự khác nhau về năng lượng của các lớp điện tử khác nhau cũng như các qui tắc cho việc dịch chuyển bức xạ giữa các lớp đó được xác định. Ông nhận giải Nobel vật lí năm 1924 (nhận giải năm 1925). Tuy vậy, hóa ra là để hiểu sâu hơn cấu trúc của nguyên tử, người ta cần nhiều hơn rất nhiều những khái niệm thông thường của vật lí cổ điển mà khó ai có thể tưởng tượng nổi.
Vật lí cổ điển coi chuyển động là liên tục cũng như việc trao đổi năng lượng cũng là liên tục. Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra những bức xạ có một đỉnh cực đại? Ở đây, một vấn đề có nguồn gốc từ cuối thế kỉ thứ 19 đã cho những đầu mối quan trọng để giải thích thắc mắc trên. Wilhelm Wien nghiên cứu về bức xạ của “vật đen” từ những vật rắn nóng (tương phản với bức xạ của các nguyên tử khí có phân bố tần số liên tục). Sử dụng điện động học cổ điển, ông đi tới một biểu thức cho phân bố tần số của bức xạ này và cho sự dịch chuyển của bước sóng có cường độ cực đại khi nhiệt độ của một vật đen bị thay đổi (định luật dịch chuyển Wien, rất hiệu quả trong việc xác định nhiệt độ của mặt trời chẳng hạn). Ông được trao giải Nobel năm 1911.
Tuy vậy, Wien không thể rút ra một công thức phân bố phù hợp với thực nghiệm cho cả hai vùng bước sóng dài và bước sóng ngắn. Vấn đề đó không được giả quyết cho đến khi Max K. E. L. Planck đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới là năng lượng phát xạ chỉ phát ra từng lượng gián đoạn có một giá trị nhất định gọi là lượng tử. Một lượng tử năng lượng có giá trị lớn khi bước sóng nhỏ và có giá trị nhỏ khi bước sóng lớn (lượng tử năng lượng bằng hằng số Plank nhân với tần số của lượng tử đó). Đây được coi là sự ra đời của vật lí lượng tử. Wien nhận giả Nobel năm 1911 và Plank nhận ít năm sau đó, vào năm 1918 (trao giải vào năm 1919). Các bằng chứng quan trọng chứng minh ánh sáng phát ra theo từng lượng tử năng lượng cũng được củng cố bằng lời giải thích của Albert Eistein về hiệu ứng quang điện (được Hetz quan sát lần đầu tiên vào năm 1887). Hiệu ứng quang điện bao gồm phần mở rộng của lí thuyết Plank. Einstein nhận giải Nobel vật lí năm 1921 (trao giải năm 1922) về hiệu ứng quang điện và về “những đóng góp cho vật lí lí thuyết” (điều đó ám chỉ một bối cảnh khác).
Trong các thí nghiệm sau này, James Franck và Gustav L. Hertz đã chứng minh hiệu ứng quang điện ngược (tức là khi một điện tử va chạm với một nguyên tử thì cần một năng lượng tối thiểu để sinh ra các lượng tử ánh sáng với năng lượng đặc trưng phát ra từ va chạm đó) và chứng minh tính đúng đắn của lí thuyết Plank và hằng số Plank. Franck and Hertz cùng nhận giải Nobel năm 1926, lễ trao giải này tiến hành năm 1927. Cũng vào khoảng thời gian đó, Arthur H. Compton (người nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1927) nguyên cứu sự mất mát năng lượng của photon (lượng tử sóng điện từ) tia X khi tán xạ lên các hạt vật chất và cho thấy rằng các lượng tử của chùm tia X có năng lượng lớn hơn năng lượng của ánh sáng nhìn thấy 10.000 lần và chúng cũng tuân theo các qui tắc lượng tử. Charles T. R. Wilson (xem dưới đây) nhận một nửa giải Nobel năm 1927 vì tạo ra dụng cụ quan sát tán xạ năng lượng cao có thể được dùng để chứng minh tiên đoán của Compton.
Với khái niệm cơ sở về lượng tử hóa năng lượng, tình hình vật lí đã hướng cho những cuộc phiêu lưu tiếp theo vào thế giới bí ẩn của vật lí vi mô. Cũng giống như một số nhà vật lí nổi tiếng trước đó, Niels H. D. Bohr làm việc với mô hình hành tinh nguyên tử trong đó các điện tử quay xung quanh hạt nhân. Ông thấy rằng các vạch phổ sắc nét phát ra từ các nguyên tử có thể được giải thích nếu cho rằng, điện tử quay xung quanh hạt nhân trên các quĩ đạo tĩnh đặc trưng bởi một mô-men góc bị lượng tử hóa (bằng một số nguyên lần hằng số Plank chia cho 2*pi). Ông cũng cho thấy năng lượng phát xạ chính bằng sự khác nhau giữa các trạng thái năng lượng bị lượng tử hóa đó. Giả thiết ông đưa ra có xuất phát điểm từ vật lí cổ điển hơn là từ lí thuyết của Plank. Mặc dầu giả thiết trên chỉ giải thích được một số đặc điểm đơn giản của quang phổ và nguồn gốc của nó nhưng người ta cũng sớm chấp nhận nó vì phương pháp của Bohr là một điểm khởi đầu đúng đắn, ông nhận giải Nobel năm 1922.
Hóa ra là muốn hiểu sâu hơn tính chất của bức xạ và vật chất (cho đến lúc bấy giờ người ta vẫn coi đó là hai thực thể hoàn toàn riêng biệt) người ta cần thêm những tiến bộ về mô tả lí thuyết của thế giới vi mô. Năm 1923, Louis-Victor P. R. de Broglie (thuộc dòng dõi quí tộc nước Pháp) đã phát biểu rằng các hạt vật chất cũng có những tính chất sóng và rằng sóng điện từ cũng thể hiện những tính chất của các hạt dưới dạng các photon. Ông đã phát triển các công thức toán học cho tính lưỡng tính này, trong đó có một công thức mà sau này gọi là “bước sóng de Broglie” cho các hạt chuyển động. Các thí nghiệm ban đầu của Clinton J. Davisson đã chỉ ra rằng thực ra các điện tử thể hiện tính chất phản xạ giống như các sóng khi đập vào một tinh thể và các thí nghiệm này được lặp lại nhiều lần chứng minh giả thiết lưỡng tính của de Broglie. Một thời gian sau George P. Thomson (con trai của J. J. Thomson) đã đưa ra nhiều thí nghiệm đã được cải tiến rất nhiều cho biết hiện tượng tán xạ khi các điện tử năng lượng cao đi sâu vào trong các tấm kim loại. De Broglie nhận giải Nobel năm 1929 và sau đó Davisson và Thomson chia nhau giải Nobel năm 1937.
Điều cần làm là phải đưa ra các phương trình toán học mô tả một lí thuyết mới thay thế cho cơ học cổ điển mà lí thuyết đó giải thích đúng đắn các hiện tượng qui mô nguyên tử và bức xạ của chúng. Từ năm 1924 đến 1926 là khoảng thời gian phát triển cao độ trong lĩnh vực này. Erwin Schrödinger phát triển thêm ý tưởng của de Broglie và viết một bài báo cơ bản về “Lượng tử hóa như là một bài toán trị riêng” vào đầu năm 1926. Ông đã tạo ra một cái gọi là “cơ học sóng”. Nhưng một năm trước đó Werner K. Heisenberg đã bắt đầu một phương pháp toán học hoàn toán khác gọi là “cơ học ma trận” và bằng cách đó ông cũng thu được các kết quả tương tự như các kết quả mà Schrödinger đưa ra sau đó. Cơ học lượng tử mới của Schrödinger và Heisenberg là một sự khởi đầu căn bản từ bức tranh cảm tính của các quĩ đạo cổ điển trong nguyên tử. Nó cũng ngụ ý rằng có những giới hạn tự nhiên trong việc xác định chính xác đồng thời các đại lượng vật lí (Hệ thức bất định Heisenberg).
Heisenberg được trao giải Nobel năm 1932 cho sự phát triển của cơ học lượng tử, trong khi đó Schrödinger và Paul A. M. Dirac cùng nhận giải vào năm sau đó. Cơ học lượng tử của Schrödinger và Heisenberg đúng đối với các vận tốc và năng lượng tương đối thấp của chuyển động “quĩ đạo” của các điện tử hóa trị trong nguyên tử. Nhưng các phương trình đó không thỏa mãn các yêu cầu được xác định bởi các nguyên lí của Eistein cho các hạt chuyển động nhanh. Dirac đã sửa đổi các công thức khi tính đến lí thuyết tương đối hẹp của Eistein và cho thấy rằng một lí thuyết như vậy không chỉ bao gồm những thông số tương ứng cho sự tự quay của điện tử xung quanh mình nó-gọi là spin (do đó giả thích mô-men từ nội tại của điện tử và cấu trúc tinh tế quan sát được trong phổ nguyên tử) mà còn tiên đoán sự tồn tại của một loại hạt hoàn toàn mới gọi là các phản hạt có khối lượng bằng khối lượng của điện tử nhưng mang điện tích dương. Phản hạt đầu tiên của điện tử do Carl D. Anderson (được trao một nửa giải Nobel năm 1936) phát hiện năm 1932 được gọi là positron.
Giải Nobel những năm sau đó được trao cho những người có đóng góp quan trọng khác cho sự phát triển của cơ học lượng tử. Max Born, thầy của Heisenberg vào những năm đầu của thập niên 20 có những đóng góp quan trọng về mô tả toán học và giải thích vật lí. Ông nhận một nửa giả nobel vào năm 1954 cho công trình của ông về ý nghĩa thống kê của hàm sóng. Wolfgang Pauli đã đưa ra nguyên lí loại trừ (mỗi trạng thái lượng tử chỉ có thể có một điện tử mà thôi) dựa trên cơ sở lí thuyết bán cổ điển của Bohr. Sau này, người ta cũng thấy nguyên lí Pauli liên quan đến tính đối xứng của hàm sóng của các hạt có spin bán nguyên nói chung gọi là các fermion để phân biệt với các hạt boson có spin là một số nguyên lần của hằng số Plank chia cho 2*pi. Nguyên lí loại trừ có nhiều hệ quả quan trọng trong nhiều lĩnh vực của vật lí và Pauli nhận giải Nobel năm 1945.
Việc nghiên cứu spin của điện tử tiếp tục mở ra những chân trời mới trong vật lí. Các phương pháp chính xác để xác định mô-men từ của các hạt tự quay đã được phát triển vào những năm 30 và 40 cho nguyên tử và hạt nhân (do Stern, Rabi, Bloch và Purcell thực hiện, xem phần dưới). Năm 1947 họ đã đạt đến một độ chính xác mà Polykarp Kusch có thể phát biểu rằng mô-men từ của một điện tử không có giá trị đúng như Dirac tiên đoán mà khác với một đại lượng rất nhỏ. Vào cùng thời gian đó Willis E. Lamb cũng nghiên cứu một vấn đề tượng tự về spin của điện tử tương tác với các trường điện từ bằng việc nghiên cứu cấu trúc siêu tinh tế của quang phổ phát ra từ nguyên tử Hidro với các phương pháp cộng hưởng tần số radio có độ phân giải rất cao. Ông quan sát thấy rằng sự tách cấu trúc siêu tinh tế luôn luôn sai khác với giá trị của Dirac một lượng đáng kể. Các kết quả này làm cho người ta phải xem lại các khái niệm cơ bản đằng sau những ứng dụng lí thuyết lượng tử vào các hiện tượng điện từ, một lĩnh vực đã được Dirac, Heisenberg và Pauli khởi đầu nhưng vẫn còn một vài khiếm khuyết. Kusch và Lamb cùng nhận giải Nobel năm 1955.
Trong điện động học lượng tử (gọi tắt là DDHLT), lí thuyết nhiễu loạn lượng tử mô tả các hạt tích điện tương tác thông qua trao đổi các photon. Mô hình cũ của DDHLT chỉ bao gồm trao đổi photon riêng lẻ, nhưng Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard P. Feynman nhận ra rằng tình huống lại phức tạp hơn rất nhiều vì tán xạ điện tử-điện tử có thể bao gồm trao đổi một vài photon. Một điện tích điểm “trần trụi” không tồn tại trong bức tranh của họ. Điện tích luôn tạo ra một đám các cặp hạt-phản hạt ảo ở xung quanh nó, do đó, mô-men từ hiệu dụng của nó thay đổi và thế năng Coulomb cũng bị biến đổi tại các khoảng cách ngắn. Các tính toán từ mô hình này đã tái tạo lại các dữ liệu thực nghiệm của Kusch và Lamb với một độ chính xác ngạc nhiên và mô hình DDHLT mới được coi là một lí thuyết chính xác nhất đã từng có. Tomonaga, Schwinger và Feynman cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1965.
Phát triển này của DDHLT lại có một tầm quan trọng vĩ đại nhất cho cả việc mô tả các hiện tượng vật lí năng lượng cao. Khái niệm sinh cặp từ trạng thái chân không của một trường lượng tử là một khái niệm cơ sở trong lí thuyết trường hiện đại của các tương tác mạnh và của sắc động học lượng tử (quantum chromodynamics-có ai biết từ này dịch như thế đúng hay không?).
Khía cạnh cơ bản khác của cơ học lượng tử và lí thuyết trường lượng tử là tính đối xứng của các hàm sóng và các trường. Các tính chất đối xứng tương ứng với trao đổi hạt đồng nhất thì dựa trên nguyên lí loại trừ Pauli nói ở trên, nhưng các đối xứng tương ứng với các biến đổi không gian cũng trở nên quan trọng không kém. Năm 1956, Lí Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) và Dương Chấn Ninh (Chen Ning Yang) đã chỉ ra rằng các tương tác vật lí có thể không tuân theo đối xứng gương (tức là, chúng có thể khác nhau khi hệ tọa độ quay trái hoặc quay phải). Điều này có nghĩa là tính chất “chẵn lẻ” của hàm sóng, kí hiệu là “P” không được bảo toàn khi hệ bị đặt dưới một tương tác như vậy và tính chất đối xứng gương có thể bị thay đổi. Công trình của hai ông là điểm khởi đầu cho một nghiên cứu chuyên sâu về các hiệu ứng như vậy và ngay sau đó người ta thấy rằng phân rã của hạt betta và pi thành hạt muy do tương tác yếu gây ra không bảo toàn tính chẵn lẻ (xem thêm phần dưới). Lí và Dương cùng nhận giải Nobel năm 1957. (*Bổ sung: các định luật bảo toàn đều được rút ra từ các tính chất đối xứng. Tính đối xứng và đồng nhất của không gian và thời gian làm cho năng lượng, xung lượng, mô-men xung lượng được bảo toàn. Do đó, tính đối xứng và bảo toàn là tương đương – DT*)
Các tính chất đối xứng khác của cơ học lượng tử được liên hệ với sự thay thế của các hạt bằng các phản hạt (gọi là giao hoán điện tích, kí hiệu là “C”). Các trường hợp chuyển đổi phóng xạ mà Lí và Dương nghiên cứu, người ta thấy rằng mặc dù tính chẵn lẻ không được bảo toàn, nhưng vẫn tồn tại một đối xứng trong đó các hạt và phản hạt phá vỡ tính chẵn lẻ theo các cách trái ngược nhau hoàn toàn và do đó toán tử tổ hợp C*P bảo toàn tính đối xứng. Nhưng nguyên lí bảo toàn C*P đó kéo dài không được bao lâu cho đến khi James W. Cronin và Val L. Fitch phát hiện sự phân rã của hạt “meson K” vi phạm nguyên lí trên, mặc dù sự vi phạm đó trong một qui mô rất nhỏ. Cronin và Fitch đưa ra phát hiện này vào năm 1964 và học cùng nhau nhận giải Nobel năm 1980. Hệ quả của phát hiện trên (bao gồm các câu hỏi về tính đối xứng của các quá trình tự nhiên khi đào ngược thời gian – đối xứng T) vẫn được thảo luận cho đến ngày nay và đã chạm đến những nền tảng sâu nhất của vật lí lí thuyết bởi vì đối xứng P*C*T luôn được coi là bảo toàn.
Người ta biết rằng trường điện từ có tính chất gọi là “đối xứng chuẩn” (gauge symmetry), tức là các phương trình trường giữ nguyên dạng ngay cả khi các thế năng điện từ được nhân lên với các hằng số pha cơ học lượng tử nhất định. Người ta không biết tương tác yếu có tính chất như thế cho đến những năm 1960, khi Sheldon L. Glashow, Abdus Salam, và Steven Weinberg đưa ra lí thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ. Họ cùng nhau chia giải Nobel năm 1979 về lí thuyết thống nhất này và đặc biệt là tiên đoán của họ về một loại tương tác yếu đặc biệt được điều hòa bởi “dòng nơ-trôn” đã được thực nghiệm kiểm chứng mới gần đây. Giải Nobel vật lí cuối cùng của thế kỉ 20 được trao cho Gerhardus 't Hooft và Martinus J. G. Veltman. Họ đã tìm ra cách để tái chuẩn hóa lí thuyết “điện-yếu”, và loại bỏ các điểm kì dị trong các tính toán lượng tử (giống như DDHLT đã giải quyết bài toán với tương tác Coulomb). Công trình của họ cho phép tính toán chi tiết đóng góp của tương tác yếu vào tương tác của các hạt nói chung, chứng minh tính hiệu quả của các lí thuyết dựa trên bất biến chuẩn cho tất cả các tương tác vật lí cơ bản.
Cơ học lượng tử và phần mở rộng của nó là lí thuyết trường lượng tử là một trong những thành tựu vĩ đại của thế kỉ 20. Bản phác thảo con đường từ vật lí cổ điển đến vật lí hiện đại đã dẫn chúng ta đi được một chặng đường dài đến một bức tranh cơ bản và thống nhất về các hạt và các lực trong tự nhiên. Nhưng vẫn còn rất nhiều việc phải làm và cái đích vẫn còn ở xa phía trước. Ví dụ còn phải thống nhất lực điện-yếu với lực hạt nhân “mạnh” và với lực hấp dẫn. Nhưng ở đây, người ta nhận thấy rằng mô tả lượng tử của thế giới vi mô có một ứng dụng cơ bản khác: đó là tính toán các tính chất hóa học của các hệ phân tử (đôi lúc được mở rộng thành sinh học phân tử) và của cấu trúc chất rắn, những ngành mà đã thu được một số giả Nobel về vật lí và hóa học.
3. Từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô
Phần trước “Từ vật lí cổ điến đến vật lí lượng tử” đã đưa chúng ta đi từ các hiện tượng của thế giới vĩ mô mà chúng ta gặp hàng ngày tới thế giới lượng tử của các nguyên tử, điện tử và hạt nhân. Bắt đầu từ nguyên tử, các công trình của những người đạt giải Nobel đã cho chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn thế giới hạ nguyên tử và các thành phần nhỏ bé của nó.
Chúng ta cũng nhận thấy rằng, chỉ trong nửa đầu thế kỉ 20, những khám phá tính chất của thế giới vi mô của các hạt và tương tác mới là cần thiết để hiểu lịch sử cấu thành và tiến hóa của những cấu trúc lớn hơn của vũ trụ - thế giới vĩ mô. Tại thời điểm hiện tại, vật lí, vật lí thiên văn và vũ trụ học liên hệ với nhau rất chặt chẽ, dưới đây sẽ trình bày một vài ví dụ.
Một mối liên hệ khác liên kết các thực thể nhỏ nhất và lớn nhất trong vũ trụ của chúng ta là lí thuyết tương đối của Albert Einstein. Einstein đưa ra lí thuyết tương đối hẹp của mình lần đầu tiên vào năm 1905 với phương trình cho biết mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng E=mc2. Và vào thập kỉ tiếp theo, ông tiếp tục đưa ra lí thuyết tương đối rộng liên hệ lực hấp dẫn với cấu trúc của không gian và thời gian. Tất cả các tính toán khối lượng hiệu dụng của các hạt năng lượng cao, của các biến đổi năng lượng trong phân rã phóng xạ cũng như các tiên đoán của Dirac về sự tồn tại của phản hạt, đều dựa trên lí thuyết tương đối của ông. Lí thuyết tương đối rộng là cơ sở cho các tính toán chuyển động trên thang vĩ mô của vũ trụ, kể cả giả thiết về tính chất của hố đen. Eistein nhận giải Nobel vào năm 1922 lại do công trình về hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của ánh sáng. (*Có lẽ ủy ban trao giải thưởng đã quá thận trọng khi không trao giải Nobel cho ông về lí thuyết tương đối. Họ sợ rằng, một lí thuyết quan trọng như vậy, nếu sai có thể để lại một hậu quả rất lớn, chính vì thế Eistein được trao giải vì hiệu ứng quang điện, một vấn đề kém quan trọng hơn nhiều so với thuyết tương đối. Và do đó, ủy ban giải thưởng trao giải cho Eistein về thuyết tương đối nhưng lại nói là trao vì hiệu ứng quang điện, một hiệu ứng chắc chắn đúng – DT*).
Các nghiên cứu của Becquerel, vợ chồng Curie và Rutherford làn nảy sinh các câu hỏi: đâu là nguồn năng lượng của hạt nhân phóng xạ để có thể duy trì việc phát xạ anpha, betha và gamma trong khoảng thời gian rất dài mà một vài người trong số họ đã quan sát được? hạt anpha là gì và hạt nhân có tạo thành từ hạt này hay không? Câu hỏi đầu tiên (có vẻ như là vi phạm định luật bảo toàn năng lượng, một trong những định luật quan trọng nhất của vật lí) đã có câu trả lời từ lí thuyết biến tố của Rutherford và Frederick Soddy (Nobel hóa học 1921). Họ đã theo dõi rất chi tiết một chuỗi các phân rã phóng xạ khác nhau và so sánh năng lượng phát ra với sự thay đổi về khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con. Họ tìm thấy rằng hạt nhân thuộc một nguyên tố hóa học có thể có các khối lượng khác nhau gọi là các “đồng vị”. Một giải Nobel cũng được trao vào năm 1922 cho Francis W. Aston về việc tách quang phổ - khối lượng của một số lớn các đồng vị của các nguyên tố không phóng xạ. Cùng lúc đó Marie Curie cũng nhận giải Nobel lần thứ hai (lần này về hóa học) về phát hiện ra các nguyên tố hóa học radium và polonium.
Khối lượng của các đồng vị đều là một số nguyên lần khối lượng của proton, hạt proton do Rutherford phát hiện lần đầu tiên khi ông chiếu tia anpha và hạt nhận nguyên tử Ni-tơ. Nhưng các đồng vị không thể chỉ được tạo thành từ các proton được vì mỗi nguyên tố hóa học chỉ có một giá trị tổng điện tích hạt nhân. Thông thường các proton chỉ chiếm không đến một nửa khối lượng hạt nhân, điều đó có nghĩa là một số thành phần không mang điện cũng có mặt trong hạt nhân. James Chadwick lần đầu tiên tìm thấy chứng cứ cho hạt đó, gọi là hạt neutron khi ông nghiên cứu các phản ứng hạt nhân năm 1932. Ông nhận giải Noebel vật lí năm 1935.
Ngay sau phát hiện của Chadwick, Enrico Fermi và một số người khác cũng bắt tay vào nghien cứu neutron như là một phương pháp để tạo ra các phản ứng hạt nhân mà có thể gây ra phóng xạ “nhân tạo”. Fermi thấy rằng xác suất của các phản ứng hạt nhân cảm ứng (không bao gồm biến đổi nguyên tố) tăng lên khi neutron bị làm chậm đi và điều này cũng đúng cho các nguyên tố nặng giống như với các nguyên tố nhẹ, trái ngược với phản ứng của các hạt mang điện (*ví dụ như proton*) cảm ứng. Ông nhận giải Nobel vật lí năm 1938.
Một nhánh của vật lí gọi là “vật lí hạt nhân” đã được hình thành dựa trên giả thiết hạt nhân được tạo thành từ các proton và neutron và một vài thành tựu quan trọng đã được ghi nhận bằng các giải Nobel. Ernest O. Lawrence, người nhận giải Nobel vật lí năm 1939 đã xây máy gia tốc đầu tiên trong đó các hạt được gia tốc dần dần bằng việc gia tăng năng lượng cho hạt sau mỗi vòng quay trong từ trường. Bằng các máy gia tốc này ông có thể gia tốc các hạt nhân tới các năng lượng cao mà ở đó các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra và ông đã thu được kết quả mới rất quan trọng. Ngài John D. Cockcroft và Ernest T. S. Walton đã gia tốc các hạt bằng việc tác động trực tiếp một điện thế rất cao và các ông cũng được trao giải vào năm 1951 cho công trình nghiên cứu về biến tố (*nguyên tố mẹ biến đổi thành nguyên tố con thông qua phóng xạ*).
+++
Otto Stern nhận giả Nobel vật lí năm 1943 cho các phương pháp thực nghiệm của ông để nghiên cứu tính chất từ của hạt nhân, đặc biệt là xác định mô-men từ của proton. Isidor I. Rabi làm tăng độ chính xác lên hai bậc trong việc xác định mô-men từ vủa hạt nhân bằng kĩ thuật cộng hưởng tần số radio, và do đó, ông nhận giải Nobel vật lí năm 1944. Các tính chất từ của hạt nhân cung cấp các thông tin quan trọng để hiểu chi tiết proton và neutron tạo nên hạt nhân như thế nào. Sau đó, vào nửa cuối của thế kỉ một vài nhà vật lí lí thuyết được trao giải cho những công trình về mô hình hóa lí thuyết các hệ nhiều hạt như vậy: Eugene P. Wigner (nửa giải), Maria Goeppert-Mayer (một phần tư) and J. Hans D. Jensen (một phần tư) vào năm 1963 và Aage N. Bohr, Ben R. Mottelson và L. James Rainwater vào năm 1975. Chúng ta sẽ trở lại những công trình này trong phần “Từ đơn giản đến phức tạp”.
Ngay từ năm 1912 Victor F. Hess (giải Nobel năm 1936 cùng với Carl D. Anderson) thấy rằng các bức xạ có khả năng đi sâu vào vật chất có thể đến với chúng ta từ khoảng không ngoài vũ trụ. “Bức xạ vũ trụ” này được ghi nhận bằng các buồng ion hóa và sau này là buồng mây Wilson (người được nhắc đến ở phần trước). Các tính chất của các hạt có thể phỏng đoán từ các vạch cong của các hạt để lại trong buồng ion hóa dưới tác dụng của từ trường ngoài rất lớn. Theo cách đó, C. D. Anderson đã phát hiện ra positron (* phản hạt của điện tử*). Anderson và Patrick M. S. Blackett cho thấy rằng, tia gamma (cần một năng lượng photon ít nhất bằng hai lần me*c2, me là khối lượng điện tử) có thể sinh ra các cặp điện tử-phản điện tử và ngược lại, điện tử và phản điện tử có thể hủy nhau tạo ra chính tia gamma bị mất đi. Blackett nhận giải Nobel vật lí năm 1948 cho việc phát triển buồng mây sau này và các phát minh mà công đã thực hiện đển làm việc đó.
Mặc dù sau này, các máy gia tốc được phát triển nhiều, bức xạ vũ trụ vẫn là nguồn chủ yếu của các hạt năng lượng cao trong vài thập kỉ (và hạt từ bức xạ vũ trụ có năng lượng lớn hơn năng lượng của các hạt tạo ra từ các máy gia tốc lớn nhất trên trái đất, mặc dù cường độ của bức xạ vũ trụ rất nhỏ) và nó đã cung cấp những hình ảnh ban đầu của một thế giới hạ hạt nhân mà lúc bấy giờ con người hoàn toàn chưa biết. Một loại hạt mới gọi là meson được phát hiện năm 1937 có khối lượng xấp xỉ 200 lần khối lượng điện tử (nhưng nhẹ hơn proton 10 lần). Năm 1946, Cecil F. Powell đã làm sáng tỏ hiện tượng trên và cho rằng thực ra là có có hơn một loại hạt như vậy tồn tại. Một trong số đó có tên là “meson pi” phân rã thành một hạt khác gọi là “meson muy”. Powell nhận giải Nobel vật lí năm 1950.
Lúc bấy giờ các nhà lí thuyết đang nghiên cứu về lực mà giữ proton và neutron lại trong hạt nhân. Năm 1935, Hideki Yukawa giả thiết rằng lực tương tác “mạnh” có thể được truyền bằng các hạt trao đổi (* có hai loại hạt: hạt thực có spin bán nguyên và hạt truyền tương tác hay còn gọi là hạt trao đổi, có spin nguyên, ví dụ hạt gravion là hạt truyền tương tác hấp dẫn – DT*), giống như lực điện từ được giả thiết được truyền thông qua trao đổi các photon ảo trong lí thuyết trường lượng tử. Yukawa cho rằng một hạt như vậy phải có khối lượng khoảng 200 lần khối lượng của điện tử để giải thích tầm tác dụng ngắn của lực tương tác mạnh mà thực nghiệm tìm ra. Hạt meson pi mà Powell tìm ra có các tính chất phù hợp để có thể là “hạt Yukawa”. Ngược lại, hạt meson muy lại có các tính chất hoàn toàn khác (và tên của nó sau này được đổi thành “muon”). Yukawa nhận giải thưởng Nobel vật lí năm 1949. Mặc dù các nghiên cứu sau này chỉ ra rằng cơ chế của lực tương tác mạnh phức tạp hơn bức tranh của Yukawa rất nhiều nhưng ông vẫn được coi là tiên chỉ trong nhiên cứu các hạt truyền tương tác mạnh.
Có thêm các hạt mới được phát hiện vào những năm 1950, từ bức xạ vũ trụ cũng như từ các va chạm của các hạt được gia tốc. Vào cuối những năm 50, các máy gia tốc có thể đạt năng lượng vài tỉ eV (electron-volt), tức là các cặp hạt với khối lượng bằng khối lượng của proton có thể được tạo ra từ chuyển đổi năng lượng-khối lượng. Phương pháp này được nhóm nghiên cứu của Owen Chamberlain và Emilio Segrè sử dụng khi lần đầu tiên họ đã xác định và nghiên cứu phản proton vào năm 1955 (học chia nhau giải Nobel năm 1959). Các máy gia tốc năng lượng cao cũng cho phép cũng cho phép nghiên cứu cấu trúc của proton và neutron chi tiết hơn trước đó rất nhiều và Robert Hofstadter có thể phân biệt chi tiết cấu trúc điện từ của các nucleon nhờ quan sát tán xạ của chúng lên các điện tử năng lượng cao. Ông nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1961.
Hạt này kế tiếp hạt kia, các hạt meson mới và các phản hạt tương ứng của chúng đã xuất hiện nhờ các vết trên các phim chụp hoặc các máy thu hạt tích điện. Sự tồn tại của hạt neutrino tiên đoán từ lí thuyết của Paulivào những năm 30 cũng đã được ghi nhận. Các bằng chứng trực tiếp thực nghiệm đầu tiên về hạt neutrino được C. L. Cowan và Frederick Reines cung cấp vào năm 1957 nhưng mãi đến năm 1995, công trình đó mới được trao một nửa giải Nobel (lúc đó Cowan đã chết, ông chết năm 1984). Neutrino cũng có mặt trong các quá trình liên quan đến tương tác “yếu” (như là phân rã của hạt betha và hạt meson pi thành hạt muon) và khi cường độc chùm hạt tăng lên, các máy gia tốc có thể tạo ra các chùm neutrino thứ cấp. Leon M. Lederman, Melvin Schwartz và Jack Steinberger đã phát triển phương pháp này vào những năm 60 và chứng minh rằng hạt neutrino đi kèm trong phân rã meson pi thành muon không đồng nhất với các neutrino liên quan đến các điện tử trong phân rã hạt betha, chúng là hai hạt riêng biệt gọi là hạt “neutrino điện tử” và “neutrino muon”.
Bây giờ, các nhà vật lí có thể bắt đầu phân bi?
(Trên website http://nobelprize.org/physics)
1. Vật lí là gì?
Vật lí được coi là một môn khoa học cơ bản nhất của khoa học tự nhiên. Vật lí giả quyết những thành phần cơ bản nhất của vật chất và các tương tác giữa chúng cũng như nghiên cứu về các nguyên tử và việc tạo thành phân tử và chất rắn. Vật lí cố gắng đưa ra những mô tả thống nhất về tính chất của vật chất và bức xạ, bao quát rất nhiều loại hiện tượng. Trong mộ số ứng dụng, vật lí rất gần với hóa học cổ điển và trong một số ứng dụng khác nó lại liên quan đến các đối tượng nghiên cứu của các nhà thiên văn học. Một số lĩnh vực của vật lí hiện nay còn hướng gần đến vi sinh học.
Mặc dù hóa học và thiên văn học là các ngành khoa học hoàn toàn độc lập, nhưng cả hai đều dùng vật lí như là một cơ sở trong nghiên cứu các lĩnh vực, khái niệm và công cụ của các vấn đề khoa học. Phân biệt cái nào là vật lí và hóa học trong một số lĩnh vực thường là rất khó. Điều này cũng được minh chứng vài lần trong lịch sử của các giải Nobel. Dưới đây sẽ nhắc đến một số giải Nobel về hóa học đặc biệt là những giải có liên hệ rất chặt chẽ đến các công trình mà những người đoạt giải Nobel vật lí thực hiện. Đối với thiên văn học, tình huống lại khác vì không có giải Nobel cho thiên văn học nên ngay từ đầu, những phát kiến của thiên văn học được trao giải Nobel về vật lí.
2. Từ vật lí cổ điển đến vật lí lượng tử
Năm 1901, khi giải Nobel đầu tiên được trao thì các lĩnh vực của vật lí cổ điển đã dựa trên một nền tảng vững chắc do các nhà vật lí và hóa học vĩ đại của thế kỉ thứ 19 tạo nên. Hamilton đã đưa ra những công thức mô tả động học của vật rắn từ những năm 1830. Carnot, Joule, Kelvin và Gibbs đã phát triển nhiệt động học tới mức cực kì hoàn thiện trong nửa cuối của thế kỉ đó.
Các phương trình nổi tiếng của Maxwell đã được chấp nhận như là một mô tả tổng quát về các hiện tượng điện từ và có thể ứng dụng trong bức xạ quang học và sóng radio lúc bấy giờ mới được Hetz phát hiện.
Tất cả mọi thứ, bao gồm cả các hiện tượng sóng, có vẻ như là rất phù hợp với bức tranh vật lí được dựng trên chuyển động cơ học của các thành phần của vật chất tự thể hiện trong các hiện tượng vĩ mô khác nhau. Một số nhữung nhà quan sát cuối thể kỉ 19 cho rằng, những việc cho các nhà vật lí làm tiếp theo là giải quyết những vấn đền nhỏ trong một vấn đề lớn đã được xây dựng gần hết.
Tuy vậy, sự thỏa mãn về bức tranh vật lí đó kéo dài không được bao lâu. Thời điểm bước sang thế kỉ mới là thời điểm quan sát các hiện tượng mà vật lí lúc bấy giờ không lí giải được và những ý tưởng cực mới về cơ sở của vật lí lí thuyết được đưa ra. Chúng ta cần nhìn lại một sự trùng hợp lịch sử mà có thể ngay cả chính Alfred Nobel cũng không thấy trước được, đó là việc trao giải thưởng Nobel đã bắt đầu đúng lúc để có thể ghi công những đóng góp nổi bật mở ra thời đại mới của vật lí vào giai đoạn đó.
Một trong những hiện tượng không giả thích được của vài năm cuối cùng của thế kỉ 19
đó là việc Wilhelm Conrad Röntgen, người được trao giải Nobel vật lí đầu tiên (1901) phát hiện ra tia X vào năm 1895. Lại nữa, năm 1896 Antoine Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ và hai vợ chồng nhà bác học Marie và Pierre Curie tiếp tục nghiên cứu bản chất của hiện tượng này. Lúc bấy giờ, người ta chưa hiểu nguồn gốc của tia X, nhưng người ta nhận ra rằng sự tồn tại của hiện tượng đó che dấu một thế giới các hiện tượng mới (mặc dù lúc đầu người ta chưa thấy những ứng dụng thực tiễn trong việc chẩn đoán bệnh của tia X). Nhờ công trình về hiện tượng phóng xạ đã, Becquerel vợ chồng Curie được trao giải Nobel năm 1903 (một nửa giải cho Becquerel và một nửa cho vợ chồng Curie). Cùng với công trình của Ernest Rutherford (người đạt giải Nobel về hóa học năm 1908) người ta hiểu rằng thực ra nguyên tử bao gồm một hạt nhân rất nhỏ chứ không phải như người ta từng nghĩ như trước đây là một phần tử không có cấu trúc. Người ta còn thấy một số hạt nhân nguyên tử lại không bền, chúng có thể phát ra các bức xạ anpha, betha và gamma. Đó là cuộc cách mạng lúc bấy giờ, cùng với nhiều công trình vật lí khác, người ta đã vẽ ra những bức tranh đầu tiên của cấu trúc nguyên tử.
Năm 1897, Joseph J. Thomson phát hiện các tia phát ra từ ca tốt trong một ống chân không là những hạt có mang điện tích. Ông đã chứng minh rằng, các tia này gồm những hạt rời rạc mà sau này chúng ta gọi là các hạt điện tử. Ông đã đo tỉ số giữa khối lượng của hạt và điện tích (âm) của hạt đó và thấy rằng giá trị đó chỉ bằng một phần rất nhỏ so với giá trị dự đoán của các nguyên tử mang điện. Và ngay sau đó người ta thấy rằng các hạt có khối lượng nhỏ bé mang điện tích âm đó phải là những viên gạch cùng với hạt nhân mang điện tích dương đã tạo nên tất cả các loại nguyên tử. Thomson nhận giải Nobel vào năm 1906. Trước đó một năm (1905), Phillip E.A. von Lenard đã làm sáng tỏ rất nhiều tính chất thú vị của những tia phat ra từ ca tốt như là khả năng đi sâu vào những tấm kim loại và tạo ra huỳnh quang. Sau đó, vào năm 1912, Robert A. Millikan lần đầu tiên đo chính xác điện tích của điện tử bằng phương pháp giọt dầu (oil-drop), và điều này dẫn ông đến giả Nobel năm 1923. Millikan cũng được trao giải cho những công trình về hiệu ứng quang điện.
Vào đầu thế kỉ 20, các phương trình của Maxwell đã có mặt được vài chục thập kỉ, nhưng rất nhiều câu hỏi vẫn chưa được giải đáp: môi trường nào là môi trường trung gian dẫn chuyền sóng điện từ (trong đó có cả ánh sáng) và các hạt tải điện có phải là nguyên nhân của sự phát xạ ánh sáng hay không? Albert A. Michelson đã phát triển một phương pháp giao thoa, theo phương pháp này thì khoảng cách giữa hai vật thể có thể được đo bằng số các bước sóng ánh sáng (hoặc là những phần nhỏ của chúng). Điều này làm cho việc xác định chiều dài chính xác hơn trước đó rất nhiều. Rất nhiều năm sau, Văn phòng đo lường quốc tế (Bureau International de Poids et Mesures) ở Paris đã định nghĩa đơn vị mét trên cơ sở số các bước sóng của một bức xạ đặc biệt thay cho định nghĩa trước đây là chiều dài của một tấm platin. Dùng chiếc giao thoa kế đó, Michelson và W. Morley đã tiến hành thí một nghiệm nổi tiếng, thí nghiệm đó kết luận rằng vận tốc của ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động tương đối của nguồn sáng và người quan sát. Thí nghiệm này bác bỏ giả thuyết trước đó coi ê-te là môi trường truyền ánh sáng. Michelson nhận giải thưởng Nobel năm 1907.
Các cơ chế phát xạ ánh sáng bởi các hạt tải điện đã được Hendrik A. Lorentz nghiên cứu. Ông cũng là người đầu tiên áp dụng các phương trình của Maxwell vào việc dẫn điện trong vật chất. Lí thuyết của ông có thể được áp dụng và bức xạ gây ra bởi dao động giữa các nguyên tử, và vào bối cảnh đó, lí tuyết có thể giải thích một thí nghiệm cực kì quan trọng. Vào năm 1896, Pieter Zeeman khi nghiên cứu về các hiệu ứng điện từ của ánh sáng đã tìm ra một hiện tượng quan trọng, đó là các vạch phổ của Natri khi bị đốt cháy trong một từ trường mạnh bị tách thành một vài thành phần. Hiện tượng này có thể được giải thích rất chi tiết bằng lí thuyết của Lorentz khi lí thuyết này được áp dụng cho các dao động của các điện tử. Lorentz và Zeeman chia nhau giải Nobel năm 1902, thậm chí trước cả Thomson (phát hiện ra điện tử). Sau đó, Johannes Stark chứng minh ảnh hưởng trực tiếp của điện trường lên phát xạ ánh sáng nhờ việc phát ra một chùm các nguyên tử (chùm tia a-nốt gồm các nguyên tử hoặc phân tử) trong một điện trường mạnh. Ông đã quan sát được sự tách phức tạp của các vạch phổ cũng như dịch chuyển Doppler phụ thuộc và vận tốc của nguồn phát. Stark nhận giải Nobel năm 1919.
Với bối cảnh đó, việc xây dựng một mô hình chi tiết của nguyên tử, một vấn đề đã tồn tại như một khái niệm từ thời cổ đại nhưng được coi là một thành phần không có cấu trúc trong vật lí cổ điển có thể thực hiện được. Bắt đầu từ giữa thế kỉ 19, người ta đã có một tài liệu thực nghiệm đó là những vạch phổ đặc trưng phát ra trong những vùng có thể nhìn thấy được từ những loại nguyên tử khác nhau. Bức xạ tia X đặc trưng do Charles G. Barkla (Nobel 1917) phát hiện bổ sung thêm cho tài liệu đó. Barkla phát hiện điều đó sau khi Max von Laue (Nobel 1914) xác định bản chất sóng của bức xạ và nhiễu xạ tia X. Phát hiện của Laue trở thành một nguồn thông tin quan trọng về cấu trúc bên trong của nguyên tử.
Tia X đặc trưng của Barkla là những chùm tia thứ cấp, đặc trưng cho mỗi nguyên tố, phát bức xạ từ những ống phát tia X (nhưng không phụ thuộc vào công thức hóa học của mẫu). Karl Manne G. Siegbahn nhận thấy rằng đo phổ tia X đặc trưng của tất cả các nguyên tố sẽ cho biết một cách có hệ thống các lớp điện tử kế tiếp được thêm vào như thế nào khi đi từ các nguyên tố nhẹ tới các nguyên tố nặng. Ông đã thiết kế các máy đo quang phổ cực kì chính xác cho mục đích này. Và nhờ đó sự khác nhau về năng lượng của các lớp điện tử khác nhau cũng như các qui tắc cho việc dịch chuyển bức xạ giữa các lớp đó được xác định. Ông nhận giải Nobel vật lí năm 1924 (nhận giải năm 1925). Tuy vậy, hóa ra là để hiểu sâu hơn cấu trúc của nguyên tử, người ta cần nhiều hơn rất nhiều những khái niệm thông thường của vật lí cổ điển mà khó ai có thể tưởng tượng nổi.
Vật lí cổ điển coi chuyển động là liên tục cũng như việc trao đổi năng lượng cũng là liên tục. Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra những bức xạ có một đỉnh cực đại? Ở đây, một vấn đề có nguồn gốc từ cuối thế kỉ thứ 19 đã cho những đầu mối quan trọng để giải thích thắc mắc trên. Wilhelm Wien nghiên cứu về bức xạ của “vật đen” từ những vật rắn nóng (tương phản với bức xạ của các nguyên tử khí có phân bố tần số liên tục). Sử dụng điện động học cổ điển, ông đi tới một biểu thức cho phân bố tần số của bức xạ này và cho sự dịch chuyển của bước sóng có cường độ cực đại khi nhiệt độ của một vật đen bị thay đổi (định luật dịch chuyển Wien, rất hiệu quả trong việc xác định nhiệt độ của mặt trời chẳng hạn). Ông được trao giải Nobel năm 1911.
Tuy vậy, Wien không thể rút ra một công thức phân bố phù hợp với thực nghiệm cho cả hai vùng bước sóng dài và bước sóng ngắn. Vấn đề đó không được giả quyết cho đến khi Max K. E. L. Planck đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới là năng lượng phát xạ chỉ phát ra từng lượng gián đoạn có một giá trị nhất định gọi là lượng tử. Một lượng tử năng lượng có giá trị lớn khi bước sóng nhỏ và có giá trị nhỏ khi bước sóng lớn (lượng tử năng lượng bằng hằng số Plank nhân với tần số của lượng tử đó). Đây được coi là sự ra đời của vật lí lượng tử. Wien nhận giả Nobel năm 1911 và Plank nhận ít năm sau đó, vào năm 1918 (trao giải vào năm 1919). Các bằng chứng quan trọng chứng minh ánh sáng phát ra theo từng lượng tử năng lượng cũng được củng cố bằng lời giải thích của Albert Eistein về hiệu ứng quang điện (được Hetz quan sát lần đầu tiên vào năm 1887). Hiệu ứng quang điện bao gồm phần mở rộng của lí thuyết Plank. Einstein nhận giải Nobel vật lí năm 1921 (trao giải năm 1922) về hiệu ứng quang điện và về “những đóng góp cho vật lí lí thuyết” (điều đó ám chỉ một bối cảnh khác).
Trong các thí nghiệm sau này, James Franck và Gustav L. Hertz đã chứng minh hiệu ứng quang điện ngược (tức là khi một điện tử va chạm với một nguyên tử thì cần một năng lượng tối thiểu để sinh ra các lượng tử ánh sáng với năng lượng đặc trưng phát ra từ va chạm đó) và chứng minh tính đúng đắn của lí thuyết Plank và hằng số Plank. Franck and Hertz cùng nhận giải Nobel năm 1926, lễ trao giải này tiến hành năm 1927. Cũng vào khoảng thời gian đó, Arthur H. Compton (người nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1927) nguyên cứu sự mất mát năng lượng của photon (lượng tử sóng điện từ) tia X khi tán xạ lên các hạt vật chất và cho thấy rằng các lượng tử của chùm tia X có năng lượng lớn hơn năng lượng của ánh sáng nhìn thấy 10.000 lần và chúng cũng tuân theo các qui tắc lượng tử. Charles T. R. Wilson (xem dưới đây) nhận một nửa giải Nobel năm 1927 vì tạo ra dụng cụ quan sát tán xạ năng lượng cao có thể được dùng để chứng minh tiên đoán của Compton.
Với khái niệm cơ sở về lượng tử hóa năng lượng, tình hình vật lí đã hướng cho những cuộc phiêu lưu tiếp theo vào thế giới bí ẩn của vật lí vi mô. Cũng giống như một số nhà vật lí nổi tiếng trước đó, Niels H. D. Bohr làm việc với mô hình hành tinh nguyên tử trong đó các điện tử quay xung quanh hạt nhân. Ông thấy rằng các vạch phổ sắc nét phát ra từ các nguyên tử có thể được giải thích nếu cho rằng, điện tử quay xung quanh hạt nhân trên các quĩ đạo tĩnh đặc trưng bởi một mô-men góc bị lượng tử hóa (bằng một số nguyên lần hằng số Plank chia cho 2*pi). Ông cũng cho thấy năng lượng phát xạ chính bằng sự khác nhau giữa các trạng thái năng lượng bị lượng tử hóa đó. Giả thiết ông đưa ra có xuất phát điểm từ vật lí cổ điển hơn là từ lí thuyết của Plank. Mặc dầu giả thiết trên chỉ giải thích được một số đặc điểm đơn giản của quang phổ và nguồn gốc của nó nhưng người ta cũng sớm chấp nhận nó vì phương pháp của Bohr là một điểm khởi đầu đúng đắn, ông nhận giải Nobel năm 1922.
Hóa ra là muốn hiểu sâu hơn tính chất của bức xạ và vật chất (cho đến lúc bấy giờ người ta vẫn coi đó là hai thực thể hoàn toàn riêng biệt) người ta cần thêm những tiến bộ về mô tả lí thuyết của thế giới vi mô. Năm 1923, Louis-Victor P. R. de Broglie (thuộc dòng dõi quí tộc nước Pháp) đã phát biểu rằng các hạt vật chất cũng có những tính chất sóng và rằng sóng điện từ cũng thể hiện những tính chất của các hạt dưới dạng các photon. Ông đã phát triển các công thức toán học cho tính lưỡng tính này, trong đó có một công thức mà sau này gọi là “bước sóng de Broglie” cho các hạt chuyển động. Các thí nghiệm ban đầu của Clinton J. Davisson đã chỉ ra rằng thực ra các điện tử thể hiện tính chất phản xạ giống như các sóng khi đập vào một tinh thể và các thí nghiệm này được lặp lại nhiều lần chứng minh giả thiết lưỡng tính của de Broglie. Một thời gian sau George P. Thomson (con trai của J. J. Thomson) đã đưa ra nhiều thí nghiệm đã được cải tiến rất nhiều cho biết hiện tượng tán xạ khi các điện tử năng lượng cao đi sâu vào trong các tấm kim loại. De Broglie nhận giải Nobel năm 1929 và sau đó Davisson và Thomson chia nhau giải Nobel năm 1937.
Điều cần làm là phải đưa ra các phương trình toán học mô tả một lí thuyết mới thay thế cho cơ học cổ điển mà lí thuyết đó giải thích đúng đắn các hiện tượng qui mô nguyên tử và bức xạ của chúng. Từ năm 1924 đến 1926 là khoảng thời gian phát triển cao độ trong lĩnh vực này. Erwin Schrödinger phát triển thêm ý tưởng của de Broglie và viết một bài báo cơ bản về “Lượng tử hóa như là một bài toán trị riêng” vào đầu năm 1926. Ông đã tạo ra một cái gọi là “cơ học sóng”. Nhưng một năm trước đó Werner K. Heisenberg đã bắt đầu một phương pháp toán học hoàn toán khác gọi là “cơ học ma trận” và bằng cách đó ông cũng thu được các kết quả tương tự như các kết quả mà Schrödinger đưa ra sau đó. Cơ học lượng tử mới của Schrödinger và Heisenberg là một sự khởi đầu căn bản từ bức tranh cảm tính của các quĩ đạo cổ điển trong nguyên tử. Nó cũng ngụ ý rằng có những giới hạn tự nhiên trong việc xác định chính xác đồng thời các đại lượng vật lí (Hệ thức bất định Heisenberg).
Heisenberg được trao giải Nobel năm 1932 cho sự phát triển của cơ học lượng tử, trong khi đó Schrödinger và Paul A. M. Dirac cùng nhận giải vào năm sau đó. Cơ học lượng tử của Schrödinger và Heisenberg đúng đối với các vận tốc và năng lượng tương đối thấp của chuyển động “quĩ đạo” của các điện tử hóa trị trong nguyên tử. Nhưng các phương trình đó không thỏa mãn các yêu cầu được xác định bởi các nguyên lí của Eistein cho các hạt chuyển động nhanh. Dirac đã sửa đổi các công thức khi tính đến lí thuyết tương đối hẹp của Eistein và cho thấy rằng một lí thuyết như vậy không chỉ bao gồm những thông số tương ứng cho sự tự quay của điện tử xung quanh mình nó-gọi là spin (do đó giả thích mô-men từ nội tại của điện tử và cấu trúc tinh tế quan sát được trong phổ nguyên tử) mà còn tiên đoán sự tồn tại của một loại hạt hoàn toàn mới gọi là các phản hạt có khối lượng bằng khối lượng của điện tử nhưng mang điện tích dương. Phản hạt đầu tiên của điện tử do Carl D. Anderson (được trao một nửa giải Nobel năm 1936) phát hiện năm 1932 được gọi là positron.
Giải Nobel những năm sau đó được trao cho những người có đóng góp quan trọng khác cho sự phát triển của cơ học lượng tử. Max Born, thầy của Heisenberg vào những năm đầu của thập niên 20 có những đóng góp quan trọng về mô tả toán học và giải thích vật lí. Ông nhận một nửa giả nobel vào năm 1954 cho công trình của ông về ý nghĩa thống kê của hàm sóng. Wolfgang Pauli đã đưa ra nguyên lí loại trừ (mỗi trạng thái lượng tử chỉ có thể có một điện tử mà thôi) dựa trên cơ sở lí thuyết bán cổ điển của Bohr. Sau này, người ta cũng thấy nguyên lí Pauli liên quan đến tính đối xứng của hàm sóng của các hạt có spin bán nguyên nói chung gọi là các fermion để phân biệt với các hạt boson có spin là một số nguyên lần của hằng số Plank chia cho 2*pi. Nguyên lí loại trừ có nhiều hệ quả quan trọng trong nhiều lĩnh vực của vật lí và Pauli nhận giải Nobel năm 1945.
Việc nghiên cứu spin của điện tử tiếp tục mở ra những chân trời mới trong vật lí. Các phương pháp chính xác để xác định mô-men từ của các hạt tự quay đã được phát triển vào những năm 30 và 40 cho nguyên tử và hạt nhân (do Stern, Rabi, Bloch và Purcell thực hiện, xem phần dưới). Năm 1947 họ đã đạt đến một độ chính xác mà Polykarp Kusch có thể phát biểu rằng mô-men từ của một điện tử không có giá trị đúng như Dirac tiên đoán mà khác với một đại lượng rất nhỏ. Vào cùng thời gian đó Willis E. Lamb cũng nghiên cứu một vấn đề tượng tự về spin của điện tử tương tác với các trường điện từ bằng việc nghiên cứu cấu trúc siêu tinh tế của quang phổ phát ra từ nguyên tử Hidro với các phương pháp cộng hưởng tần số radio có độ phân giải rất cao. Ông quan sát thấy rằng sự tách cấu trúc siêu tinh tế luôn luôn sai khác với giá trị của Dirac một lượng đáng kể. Các kết quả này làm cho người ta phải xem lại các khái niệm cơ bản đằng sau những ứng dụng lí thuyết lượng tử vào các hiện tượng điện từ, một lĩnh vực đã được Dirac, Heisenberg và Pauli khởi đầu nhưng vẫn còn một vài khiếm khuyết. Kusch và Lamb cùng nhận giải Nobel năm 1955.
Trong điện động học lượng tử (gọi tắt là DDHLT), lí thuyết nhiễu loạn lượng tử mô tả các hạt tích điện tương tác thông qua trao đổi các photon. Mô hình cũ của DDHLT chỉ bao gồm trao đổi photon riêng lẻ, nhưng Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard P. Feynman nhận ra rằng tình huống lại phức tạp hơn rất nhiều vì tán xạ điện tử-điện tử có thể bao gồm trao đổi một vài photon. Một điện tích điểm “trần trụi” không tồn tại trong bức tranh của họ. Điện tích luôn tạo ra một đám các cặp hạt-phản hạt ảo ở xung quanh nó, do đó, mô-men từ hiệu dụng của nó thay đổi và thế năng Coulomb cũng bị biến đổi tại các khoảng cách ngắn. Các tính toán từ mô hình này đã tái tạo lại các dữ liệu thực nghiệm của Kusch và Lamb với một độ chính xác ngạc nhiên và mô hình DDHLT mới được coi là một lí thuyết chính xác nhất đã từng có. Tomonaga, Schwinger và Feynman cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1965.
Phát triển này của DDHLT lại có một tầm quan trọng vĩ đại nhất cho cả việc mô tả các hiện tượng vật lí năng lượng cao. Khái niệm sinh cặp từ trạng thái chân không của một trường lượng tử là một khái niệm cơ sở trong lí thuyết trường hiện đại của các tương tác mạnh và của sắc động học lượng tử (quantum chromodynamics-có ai biết từ này dịch như thế đúng hay không?).
Khía cạnh cơ bản khác của cơ học lượng tử và lí thuyết trường lượng tử là tính đối xứng của các hàm sóng và các trường. Các tính chất đối xứng tương ứng với trao đổi hạt đồng nhất thì dựa trên nguyên lí loại trừ Pauli nói ở trên, nhưng các đối xứng tương ứng với các biến đổi không gian cũng trở nên quan trọng không kém. Năm 1956, Lí Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) và Dương Chấn Ninh (Chen Ning Yang) đã chỉ ra rằng các tương tác vật lí có thể không tuân theo đối xứng gương (tức là, chúng có thể khác nhau khi hệ tọa độ quay trái hoặc quay phải). Điều này có nghĩa là tính chất “chẵn lẻ” của hàm sóng, kí hiệu là “P” không được bảo toàn khi hệ bị đặt dưới một tương tác như vậy và tính chất đối xứng gương có thể bị thay đổi. Công trình của hai ông là điểm khởi đầu cho một nghiên cứu chuyên sâu về các hiệu ứng như vậy và ngay sau đó người ta thấy rằng phân rã của hạt betta và pi thành hạt muy do tương tác yếu gây ra không bảo toàn tính chẵn lẻ (xem thêm phần dưới). Lí và Dương cùng nhận giải Nobel năm 1957. (*Bổ sung: các định luật bảo toàn đều được rút ra từ các tính chất đối xứng. Tính đối xứng và đồng nhất của không gian và thời gian làm cho năng lượng, xung lượng, mô-men xung lượng được bảo toàn. Do đó, tính đối xứng và bảo toàn là tương đương – DT*)
Các tính chất đối xứng khác của cơ học lượng tử được liên hệ với sự thay thế của các hạt bằng các phản hạt (gọi là giao hoán điện tích, kí hiệu là “C”). Các trường hợp chuyển đổi phóng xạ mà Lí và Dương nghiên cứu, người ta thấy rằng mặc dù tính chẵn lẻ không được bảo toàn, nhưng vẫn tồn tại một đối xứng trong đó các hạt và phản hạt phá vỡ tính chẵn lẻ theo các cách trái ngược nhau hoàn toàn và do đó toán tử tổ hợp C*P bảo toàn tính đối xứng. Nhưng nguyên lí bảo toàn C*P đó kéo dài không được bao lâu cho đến khi James W. Cronin và Val L. Fitch phát hiện sự phân rã của hạt “meson K” vi phạm nguyên lí trên, mặc dù sự vi phạm đó trong một qui mô rất nhỏ. Cronin và Fitch đưa ra phát hiện này vào năm 1964 và học cùng nhau nhận giải Nobel năm 1980. Hệ quả của phát hiện trên (bao gồm các câu hỏi về tính đối xứng của các quá trình tự nhiên khi đào ngược thời gian – đối xứng T) vẫn được thảo luận cho đến ngày nay và đã chạm đến những nền tảng sâu nhất của vật lí lí thuyết bởi vì đối xứng P*C*T luôn được coi là bảo toàn.
Người ta biết rằng trường điện từ có tính chất gọi là “đối xứng chuẩn” (gauge symmetry), tức là các phương trình trường giữ nguyên dạng ngay cả khi các thế năng điện từ được nhân lên với các hằng số pha cơ học lượng tử nhất định. Người ta không biết tương tác yếu có tính chất như thế cho đến những năm 1960, khi Sheldon L. Glashow, Abdus Salam, và Steven Weinberg đưa ra lí thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ. Họ cùng nhau chia giải Nobel năm 1979 về lí thuyết thống nhất này và đặc biệt là tiên đoán của họ về một loại tương tác yếu đặc biệt được điều hòa bởi “dòng nơ-trôn” đã được thực nghiệm kiểm chứng mới gần đây. Giải Nobel vật lí cuối cùng của thế kỉ 20 được trao cho Gerhardus 't Hooft và Martinus J. G. Veltman. Họ đã tìm ra cách để tái chuẩn hóa lí thuyết “điện-yếu”, và loại bỏ các điểm kì dị trong các tính toán lượng tử (giống như DDHLT đã giải quyết bài toán với tương tác Coulomb). Công trình của họ cho phép tính toán chi tiết đóng góp của tương tác yếu vào tương tác của các hạt nói chung, chứng minh tính hiệu quả của các lí thuyết dựa trên bất biến chuẩn cho tất cả các tương tác vật lí cơ bản.
Cơ học lượng tử và phần mở rộng của nó là lí thuyết trường lượng tử là một trong những thành tựu vĩ đại của thế kỉ 20. Bản phác thảo con đường từ vật lí cổ điển đến vật lí hiện đại đã dẫn chúng ta đi được một chặng đường dài đến một bức tranh cơ bản và thống nhất về các hạt và các lực trong tự nhiên. Nhưng vẫn còn rất nhiều việc phải làm và cái đích vẫn còn ở xa phía trước. Ví dụ còn phải thống nhất lực điện-yếu với lực hạt nhân “mạnh” và với lực hấp dẫn. Nhưng ở đây, người ta nhận thấy rằng mô tả lượng tử của thế giới vi mô có một ứng dụng cơ bản khác: đó là tính toán các tính chất hóa học của các hệ phân tử (đôi lúc được mở rộng thành sinh học phân tử) và của cấu trúc chất rắn, những ngành mà đã thu được một số giả Nobel về vật lí và hóa học.
3. Từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô
Phần trước “Từ vật lí cổ điến đến vật lí lượng tử” đã đưa chúng ta đi từ các hiện tượng của thế giới vĩ mô mà chúng ta gặp hàng ngày tới thế giới lượng tử của các nguyên tử, điện tử và hạt nhân. Bắt đầu từ nguyên tử, các công trình của những người đạt giải Nobel đã cho chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn thế giới hạ nguyên tử và các thành phần nhỏ bé của nó.
Chúng ta cũng nhận thấy rằng, chỉ trong nửa đầu thế kỉ 20, những khám phá tính chất của thế giới vi mô của các hạt và tương tác mới là cần thiết để hiểu lịch sử cấu thành và tiến hóa của những cấu trúc lớn hơn của vũ trụ - thế giới vĩ mô. Tại thời điểm hiện tại, vật lí, vật lí thiên văn và vũ trụ học liên hệ với nhau rất chặt chẽ, dưới đây sẽ trình bày một vài ví dụ.
Một mối liên hệ khác liên kết các thực thể nhỏ nhất và lớn nhất trong vũ trụ của chúng ta là lí thuyết tương đối của Albert Einstein. Einstein đưa ra lí thuyết tương đối hẹp của mình lần đầu tiên vào năm 1905 với phương trình cho biết mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng E=mc2. Và vào thập kỉ tiếp theo, ông tiếp tục đưa ra lí thuyết tương đối rộng liên hệ lực hấp dẫn với cấu trúc của không gian và thời gian. Tất cả các tính toán khối lượng hiệu dụng của các hạt năng lượng cao, của các biến đổi năng lượng trong phân rã phóng xạ cũng như các tiên đoán của Dirac về sự tồn tại của phản hạt, đều dựa trên lí thuyết tương đối của ông. Lí thuyết tương đối rộng là cơ sở cho các tính toán chuyển động trên thang vĩ mô của vũ trụ, kể cả giả thiết về tính chất của hố đen. Eistein nhận giải Nobel vào năm 1922 lại do công trình về hiệu ứng quang điện thể hiện bản chất hạt của ánh sáng. (*Có lẽ ủy ban trao giải thưởng đã quá thận trọng khi không trao giải Nobel cho ông về lí thuyết tương đối. Họ sợ rằng, một lí thuyết quan trọng như vậy, nếu sai có thể để lại một hậu quả rất lớn, chính vì thế Eistein được trao giải vì hiệu ứng quang điện, một vấn đề kém quan trọng hơn nhiều so với thuyết tương đối. Và do đó, ủy ban giải thưởng trao giải cho Eistein về thuyết tương đối nhưng lại nói là trao vì hiệu ứng quang điện, một hiệu ứng chắc chắn đúng – DT*).
Các nghiên cứu của Becquerel, vợ chồng Curie và Rutherford làn nảy sinh các câu hỏi: đâu là nguồn năng lượng của hạt nhân phóng xạ để có thể duy trì việc phát xạ anpha, betha và gamma trong khoảng thời gian rất dài mà một vài người trong số họ đã quan sát được? hạt anpha là gì và hạt nhân có tạo thành từ hạt này hay không? Câu hỏi đầu tiên (có vẻ như là vi phạm định luật bảo toàn năng lượng, một trong những định luật quan trọng nhất của vật lí) đã có câu trả lời từ lí thuyết biến tố của Rutherford và Frederick Soddy (Nobel hóa học 1921). Họ đã theo dõi rất chi tiết một chuỗi các phân rã phóng xạ khác nhau và so sánh năng lượng phát ra với sự thay đổi về khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con. Họ tìm thấy rằng hạt nhân thuộc một nguyên tố hóa học có thể có các khối lượng khác nhau gọi là các “đồng vị”. Một giải Nobel cũng được trao vào năm 1922 cho Francis W. Aston về việc tách quang phổ - khối lượng của một số lớn các đồng vị của các nguyên tố không phóng xạ. Cùng lúc đó Marie Curie cũng nhận giải Nobel lần thứ hai (lần này về hóa học) về phát hiện ra các nguyên tố hóa học radium và polonium.
Khối lượng của các đồng vị đều là một số nguyên lần khối lượng của proton, hạt proton do Rutherford phát hiện lần đầu tiên khi ông chiếu tia anpha và hạt nhận nguyên tử Ni-tơ. Nhưng các đồng vị không thể chỉ được tạo thành từ các proton được vì mỗi nguyên tố hóa học chỉ có một giá trị tổng điện tích hạt nhân. Thông thường các proton chỉ chiếm không đến một nửa khối lượng hạt nhân, điều đó có nghĩa là một số thành phần không mang điện cũng có mặt trong hạt nhân. James Chadwick lần đầu tiên tìm thấy chứng cứ cho hạt đó, gọi là hạt neutron khi ông nghiên cứu các phản ứng hạt nhân năm 1932. Ông nhận giải Noebel vật lí năm 1935.
Ngay sau phát hiện của Chadwick, Enrico Fermi và một số người khác cũng bắt tay vào nghien cứu neutron như là một phương pháp để tạo ra các phản ứng hạt nhân mà có thể gây ra phóng xạ “nhân tạo”. Fermi thấy rằng xác suất của các phản ứng hạt nhân cảm ứng (không bao gồm biến đổi nguyên tố) tăng lên khi neutron bị làm chậm đi và điều này cũng đúng cho các nguyên tố nặng giống như với các nguyên tố nhẹ, trái ngược với phản ứng của các hạt mang điện (*ví dụ như proton*) cảm ứng. Ông nhận giải Nobel vật lí năm 1938.
Một nhánh của vật lí gọi là “vật lí hạt nhân” đã được hình thành dựa trên giả thiết hạt nhân được tạo thành từ các proton và neutron và một vài thành tựu quan trọng đã được ghi nhận bằng các giải Nobel. Ernest O. Lawrence, người nhận giải Nobel vật lí năm 1939 đã xây máy gia tốc đầu tiên trong đó các hạt được gia tốc dần dần bằng việc gia tăng năng lượng cho hạt sau mỗi vòng quay trong từ trường. Bằng các máy gia tốc này ông có thể gia tốc các hạt nhân tới các năng lượng cao mà ở đó các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra và ông đã thu được kết quả mới rất quan trọng. Ngài John D. Cockcroft và Ernest T. S. Walton đã gia tốc các hạt bằng việc tác động trực tiếp một điện thế rất cao và các ông cũng được trao giải vào năm 1951 cho công trình nghiên cứu về biến tố (*nguyên tố mẹ biến đổi thành nguyên tố con thông qua phóng xạ*).
+++
Otto Stern nhận giả Nobel vật lí năm 1943 cho các phương pháp thực nghiệm của ông để nghiên cứu tính chất từ của hạt nhân, đặc biệt là xác định mô-men từ của proton. Isidor I. Rabi làm tăng độ chính xác lên hai bậc trong việc xác định mô-men từ vủa hạt nhân bằng kĩ thuật cộng hưởng tần số radio, và do đó, ông nhận giải Nobel vật lí năm 1944. Các tính chất từ của hạt nhân cung cấp các thông tin quan trọng để hiểu chi tiết proton và neutron tạo nên hạt nhân như thế nào. Sau đó, vào nửa cuối của thế kỉ một vài nhà vật lí lí thuyết được trao giải cho những công trình về mô hình hóa lí thuyết các hệ nhiều hạt như vậy: Eugene P. Wigner (nửa giải), Maria Goeppert-Mayer (một phần tư) and J. Hans D. Jensen (một phần tư) vào năm 1963 và Aage N. Bohr, Ben R. Mottelson và L. James Rainwater vào năm 1975. Chúng ta sẽ trở lại những công trình này trong phần “Từ đơn giản đến phức tạp”.
Ngay từ năm 1912 Victor F. Hess (giải Nobel năm 1936 cùng với Carl D. Anderson) thấy rằng các bức xạ có khả năng đi sâu vào vật chất có thể đến với chúng ta từ khoảng không ngoài vũ trụ. “Bức xạ vũ trụ” này được ghi nhận bằng các buồng ion hóa và sau này là buồng mây Wilson (người được nhắc đến ở phần trước). Các tính chất của các hạt có thể phỏng đoán từ các vạch cong của các hạt để lại trong buồng ion hóa dưới tác dụng của từ trường ngoài rất lớn. Theo cách đó, C. D. Anderson đã phát hiện ra positron (* phản hạt của điện tử*). Anderson và Patrick M. S. Blackett cho thấy rằng, tia gamma (cần một năng lượng photon ít nhất bằng hai lần me*c2, me là khối lượng điện tử) có thể sinh ra các cặp điện tử-phản điện tử và ngược lại, điện tử và phản điện tử có thể hủy nhau tạo ra chính tia gamma bị mất đi. Blackett nhận giải Nobel vật lí năm 1948 cho việc phát triển buồng mây sau này và các phát minh mà công đã thực hiện đển làm việc đó.
Mặc dù sau này, các máy gia tốc được phát triển nhiều, bức xạ vũ trụ vẫn là nguồn chủ yếu của các hạt năng lượng cao trong vài thập kỉ (và hạt từ bức xạ vũ trụ có năng lượng lớn hơn năng lượng của các hạt tạo ra từ các máy gia tốc lớn nhất trên trái đất, mặc dù cường độ của bức xạ vũ trụ rất nhỏ) và nó đã cung cấp những hình ảnh ban đầu của một thế giới hạ hạt nhân mà lúc bấy giờ con người hoàn toàn chưa biết. Một loại hạt mới gọi là meson được phát hiện năm 1937 có khối lượng xấp xỉ 200 lần khối lượng điện tử (nhưng nhẹ hơn proton 10 lần). Năm 1946, Cecil F. Powell đã làm sáng tỏ hiện tượng trên và cho rằng thực ra là có có hơn một loại hạt như vậy tồn tại. Một trong số đó có tên là “meson pi” phân rã thành một hạt khác gọi là “meson muy”. Powell nhận giải Nobel vật lí năm 1950.
Lúc bấy giờ các nhà lí thuyết đang nghiên cứu về lực mà giữ proton và neutron lại trong hạt nhân. Năm 1935, Hideki Yukawa giả thiết rằng lực tương tác “mạnh” có thể được truyền bằng các hạt trao đổi (* có hai loại hạt: hạt thực có spin bán nguyên và hạt truyền tương tác hay còn gọi là hạt trao đổi, có spin nguyên, ví dụ hạt gravion là hạt truyền tương tác hấp dẫn – DT*), giống như lực điện từ được giả thiết được truyền thông qua trao đổi các photon ảo trong lí thuyết trường lượng tử. Yukawa cho rằng một hạt như vậy phải có khối lượng khoảng 200 lần khối lượng của điện tử để giải thích tầm tác dụng ngắn của lực tương tác mạnh mà thực nghiệm tìm ra. Hạt meson pi mà Powell tìm ra có các tính chất phù hợp để có thể là “hạt Yukawa”. Ngược lại, hạt meson muy lại có các tính chất hoàn toàn khác (và tên của nó sau này được đổi thành “muon”). Yukawa nhận giải thưởng Nobel vật lí năm 1949. Mặc dù các nghiên cứu sau này chỉ ra rằng cơ chế của lực tương tác mạnh phức tạp hơn bức tranh của Yukawa rất nhiều nhưng ông vẫn được coi là tiên chỉ trong nhiên cứu các hạt truyền tương tác mạnh.
Có thêm các hạt mới được phát hiện vào những năm 1950, từ bức xạ vũ trụ cũng như từ các va chạm của các hạt được gia tốc. Vào cuối những năm 50, các máy gia tốc có thể đạt năng lượng vài tỉ eV (electron-volt), tức là các cặp hạt với khối lượng bằng khối lượng của proton có thể được tạo ra từ chuyển đổi năng lượng-khối lượng. Phương pháp này được nhóm nghiên cứu của Owen Chamberlain và Emilio Segrè sử dụng khi lần đầu tiên họ đã xác định và nghiên cứu phản proton vào năm 1955 (học chia nhau giải Nobel năm 1959). Các máy gia tốc năng lượng cao cũng cho phép cũng cho phép nghiên cứu cấu trúc của proton và neutron chi tiết hơn trước đó rất nhiều và Robert Hofstadter có thể phân biệt chi tiết cấu trúc điện từ của các nucleon nhờ quan sát tán xạ của chúng lên các điện tử năng lượng cao. Ông nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1961.
Hạt này kế tiếp hạt kia, các hạt meson mới và các phản hạt tương ứng của chúng đã xuất hiện nhờ các vết trên các phim chụp hoặc các máy thu hạt tích điện. Sự tồn tại của hạt neutrino tiên đoán từ lí thuyết của Paulivào những năm 30 cũng đã được ghi nhận. Các bằng chứng trực tiếp thực nghiệm đầu tiên về hạt neutrino được C. L. Cowan và Frederick Reines cung cấp vào năm 1957 nhưng mãi đến năm 1995, công trình đó mới được trao một nửa giải Nobel (lúc đó Cowan đã chết, ông chết năm 1984). Neutrino cũng có mặt trong các quá trình liên quan đến tương tác “yếu” (như là phân rã của hạt betha và hạt meson pi thành hạt muon) và khi cường độc chùm hạt tăng lên, các máy gia tốc có thể tạo ra các chùm neutrino thứ cấp. Leon M. Lederman, Melvin Schwartz và Jack Steinberger đã phát triển phương pháp này vào những năm 60 và chứng minh rằng hạt neutrino đi kèm trong phân rã meson pi thành muon không đồng nhất với các neutrino liên quan đến các điện tử trong phân rã hạt betha, chúng là hai hạt riêng biệt gọi là hạt “neutrino điện tử” và “neutrino muon”.
Bây giờ, các nhà vật lí có thể bắt đầu phân bi?