Người làm cách mạng trong vật lý

Cuộc đời của Max Planck là cuộc đời của một con người có lương tâm, đạo đức, trách nhiệm trước xã hội, đất nước và sự phát triển khoa học. Vinh quang không thiếu đối với ông. Nhưng có lẽ ít người biết đến cuộc đời rơi nước mắt mà định mệnh đã dành riêng cho ông vô cùng nghiệt ngã.

Hôm nay, ngày 23-4, là ngày kỷ niệm sinh nhật thứ 150 của nhà vật lý học vĩ đại Max Planck. Đây là một sự kiện có ý nghĩa thế giới. Khám phá lượng tử của ông năm 1900 đã làm đảo lộn nhận thức của con người về vũ trụ vi mô chưa từng có, và tác động không ngừng vào sự thay đổi bộ mặt của xã hội đến nay và tiếp đến. Hai chữ "lượng tử" ngày nay đồng nghĩa với "high-tech".

Vật lý học hiện đại tựa trên hai cột trụ kiên cố là thuyết lượng tử của Max Planck và thuyết tương đối của Albert Einstein. Những tiến bộ công nghiệp và khoa học, sự phồn vinh xã hội mà ngày nay mọi người trong chúng ta được thừa hưởng phần rất lớn có nguồn gốc từ thuyết lượng tử, và những ứng dụng của nó trong thế kỷ 21 được chờ đợi càng mạnh mẽ hơn, vũ bão hơn.

Đập bỏ tín điều

Trong sự phát triển của vật lý học có những khám phá vượt ra khỏi lĩnh vực khoa học và trở thành nhân tố quyết định cho định mệnh của nhân loại. Không phải chỉ vì đó là sự khám phá những hiện tượng tự nhiên hay những lực mới để ứng dụng vào kỹ thuật làm tăng lên sức mạnh của con người đối với thiên nhiên, đem lại sự phồn vinh cho nhân loại, mà còn vì tính chất cách mạng bao trùm về ý tưởng trong cách diễn giải thế giới tự nhiên, tính chất triết học chứa đựng trong đó liên quan đến thế giới quan của con người. Lý thuyết cơ học Newton là một thí dụ điển hình như thế.

Cuối thế kỷ 19 lối suy nghĩ của giai cấp tư sản cũng như của giới khoa học ở châu Âu là bảo thủ. Sau một thời gian xây dựng vũ bão ở thế kỷ 19, người ta tin vào sự trường tồn của hiện trạng. Cả trật tự nhà nước lẫn khoa học được xem như bền vững. Thế giới quan của Planck đã hình thành trong không khí tư duy bảo thủ đó mà sau này ông đã phải chiến đấu nội tâm dữ dội và một nỗ lực lớn lao để vượt qua chính mình và xét lại những "tín điều" đã có. Những kinh nghiệm đau đớn đã dạy ông rằng không phải tòa nhà khoa học lẫn tòa nhà nhà nước hiện hữu được phép xem như bất khả xâm phạm.

Khai sinh của thuyết lượng tử

Trong thế kỷ 20, thuyết lượng tử của Max Planck là một thí dụ cho một cuộc cách mạng của tư duy vật lý như thế. Ngày 9-10-1900, Max Planck khám phá "định luật phát xạ nhiệt", cắt nghĩa được hiện tượng phát xạ của "vật thể đen" (không phải "lỗ đen") mà thế giới đang nhức đầu vì không cắt nghĩa được nó bằng tính toán dựa trên những lý thuyết hiện hành mà họ cho rằng bất di bất dịch.

Planck (trái) trao Einstein huy chương Max Planck ngày 28-6-1929 (Ảnh: physik.uni-frankfurt.de)

Ông khám phá rằng sự hấp thu hay phát xạ năng lượng của một vật thể đen (kim loại được đun nóng lên đến một nhiệt độ nào đó) không diễn ra liên tục như người ta nghĩ, mà chỉ diễn ra ở dạng các gói rời rạc (discrete packages), và các "chùm" năng lượng này được gọi là lượng tử (quantum). Giống như bia, không phải được phân phối bằng một cái vòi chảy liên tục mà là dưới dạng các lon bia, chai bia hay thùng bia, kích cỡ khác nhau, nghĩa là dạng "các gói rời rạc". Nếu E là năng lượng được trao đổi đó, thì Planck đưa ra công thức E = hv bất tử đi vào lịch sử, trong đó h là hằng số, sau này được gọi là hằng số Planck, và v là tần số của ánh sáng.

Ngày 14-11-1900 Planck trình bày kết quả của ông tại buổi họp của Hội Vật lý Berlin, dưới cái tên "Định luật phân bố nhiệt trong quang phổ chuẩn" (Gesetz der Energieverteilung im Normalsprektrum), dài chín trang in. Nó đánh dấu chính thức sinh nhật lịch sử của thuyết lượng tử.

Planck không biết rằng công thức ε =h.v là một định luật "tuyệt đối" mà trong vô thức Planck đã ngưỡng mộ và tìm kiếm, là chiếc chìa khóa để bước vào thế giới vi mô. Ông chưa hiểu hết tầm quan trọng và cũng không tin công thức này là một cuộc cách mạng vĩ đại, là một thời kỳ mới trong nhận thức thiên nhiên.

Bản thân Planck chỉ tin rằng đó là cái "mẹo toán" nhất thời. "Nói tóm tắt, tôi có thể gọi cả việc làm của tôi là một hành động của sự tuyệt vọng. Bởi vì từ bản chất, tôi là người hiền hòa và có khuynh hướng lánh xa các hành động mạo hiểm đáng nghi ngờ…". Những năm tiếp theo, vẫn không có mấy ai để ý đến. Người ta xem ý tưởng lượng tử như một giả thuyết phụ trợ để hoạt động, để giải quyết được bài toán trong lĩnh vực bức xạ, nhưng còn lại không có ý nghĩa gì mới đối với khoa học, và người ta chờ đợi nó nhanh chóng sẽ được thay thế bằng một cái gì từ nền vật lý cổ điển.

Lịch sử thành công của khái niệm lượng tử của Planck lắm gian nan. Cần một bà mụ để vỗ lớn vị "hoàng tử nhỏ” chưa được thừa nhận nguồn gốc ấy. Công việc này được giao cho không ai khác hơn là Albert Einstein.

Năm 1905, Einstein đã chứng minh rằng quan niệm lượng tử rời rạc của Planck là có cơ sở rộng lớn và sâu sắc trong thiên nhiên, không phải chỉ là cái "mẹo toán học". Nhưng Planck cũng không tin. Einstein phải chiến đấu một mình 20 năm liền để thay đổi miếng đất hoang dã bảo thủ này trong giới khoa học bấy giờ, để thuyết phục giới khoa học rằng quan niệm lượng tử là có thật trong thiên nhiên cấp vĩ mô.

Vào năm 1926 khi một loạt các nhà khoa học trẻ như Heisenberg, Born, Jordan, Pauli, xây dựng cơ học lượng tử với những ứng dụng cực kỳ chính xác trong khoa học, lúc đó người ta mới chấm dứt mọi hoài nghi. Bohr trước đó (1913) đã đưa ra mô hình nguyên tử dựa trên quan niệm "các bước nhảy rời rạc" của Planck và Einstein rất thuyết phục tuy chưa hoàn chỉnh, và bản thân Bohr vẫn chưa tin quan niệm photon của Einstein. Khoảng năm 1927 có thể nói quan niệm lượng tử của Planck với sự hỗ trợ đắc lực của Einstein được xem như hoàn toàn chiến thắng.

Vật lý lượng tử từ đó phát triển như vũ bão, đã làm hai cuộc cách mạng vĩ đại trong lịch sử với biết bao ứng dụng làm thay đổi hẳn bộ mặt thế giới trong công nghệ và đời sống.

NGUYỄN XUÂN XANH