Bảy Bài Giảng Ngắn Về Vật Lý – Web Tải Sách Miễn Phí Ebooks PDF

Giới thiệu tới bạn đọc cuốn sách Bảy Bài Giảng Ngắn Về Vật Lý của tác giả Carlo Rovelli

BÀI GIẢNG THỨ HAI

Hai cột trụ của vật lý thế kỷ 20 – thuyết tương đối tổng quát, đã nói về nó trong bài giảng thứ nhất và cơ học quantum, vốn tôi đang nói về nó ở đây – chúng không thể nào khác nhau được hơn nữa. Cả hai lý thuyết đều dạy chúng ta rằng cấu trúc đúng thực của tự nhiên, nếu so với như nó hiện bên ngoài, thì tinh tế hơn nhiều. Nhưng thuyết tương đối tổng quát là một khối ngọc nén: được nghĩ ra từ não thức duy nhất, của Albert Einstein, nó là một viễn kiến đơn giản và mạch lạc về lực hấp dẫn, không gian và thời gian. Cơ học quantum, hay ‘thuyết quantum’, mặt khác, đã dành được sự thành công thực nghiệm không gì sánh bằng và đã dẫn đến những ứng dụng làm thay đổi đời sống hàng ngày của chúng ta (cômputơ mà tôi dùng để viết, thí dụ); thế nhưng sau hơn một thế kỷ nó ra đời, nó vẫn còn phủ kín trong sự bí ẩn và không thể thấu hiểu hoàn toàn được. [1]

Người ta nói rằng cơ học quantum đã ra đời đúng vào năm 1900, hầu như đánh dấu trong một thế kỷ của suy tưởng mãnh liệt. Nhà vật lý Germany, Max Planck đã tính toán điện trường ở trạng thái cân bằng trong một cái hộp nóng [2]. Để làm việc này, ông đã dùng một mẹo: ông đã tưởng tượng rằng năng lượng của trường thì được phân phối trong ‘quanta’, có nghĩa là, trong những khối tụ nhỏ hay những gói nhỏ của năng lượng. Tiến hành này đã dẫn đến một kết quả vốn tái tạo toàn hảo những gì đã được đo (và do đó theo cách nào đó, phải là đúng) nhưng đã xung khắc với mọi sự vật việc được biết vào thời đó. Năng lượng đã được nhìn như một gì đó thay đổi liên tục và không có lý do để xem nó như thể được tạo thành từ những khối xây dựng nhỏ. Để xem năng lượng như thể nó được tạo thành từ những gói nhỏ có hạn lượng, với Planck, đã là một mẹo tính toán khác thường, và ông không hoàn toàn hiểu được lý do của chính sự hữu hiệu của nó. Đó đã là Einstein, một lần nữa, năm năm sau đó, là người hiểu rằng ‘những gói nhỏ của năng lượng’ là có thực.

Einstein đã cho thấy rằng ánh sáng được tạo thành từ những gói nhỏ: những particle ánh sáng. Ngày nay chúng ta gọi những particle sáng này là những ‘photon’. Ông đã viết, trong phần giới thiệu về bài viết của ông:

Dường như với tôi rằng những quan sát kết hợp với sự phóng xạ của vật thể đen [3], fluorescence, [4] sự sản xuất những tia cực âm từ ánh sáng cực tím, và những hiện tượng liên quan khác kết nối với sự phát xạ hay chuyển đổi của ánh sáng thì đều hiểu dễ dàng hơn, nếu người ta giả định rằng năng lượng của ánh sáng thì đã phân phối không liên tục trong không gian. Thuận theo giả định được xem xét ở đây, năng lượng của một tia sáng tỏa ra từ một điểm nguồn thì không được phân bố liên tục trên một không gian ngày càng tăng rộng, nhưng gồm một số lượng giới hạn của ‘quanta năng lượng’ vốn được định vị trí ở những điểm trong không gian, di chuyển nhưng không phân chia, và chúng chỉ có thể được sản xuất và hấp thu như những đơn vị toàn vẹn.

Những dòng đơn giản và rõ ràng này là giấy khai sinh thực của thuyết quantum. Lưu ý mở đầu tuyệt vời ‘Có vẻ như với tôi …’, gợi nhớ lại ‘tôi nghĩ …’ vốn Darwin giới thiệu trong những sổ ghi tay của ông ý tưởng vĩ đại rằng những loài tiến hóa, hay ‘sự do dự’ Faraday đã nói, khi giới thiệu lần đầu tiên ý tưởng cách mạng về những trường điện từ. Những do dự của những thiên tài.

Công trình của Einstein thoạt đầu được những đồng nghiệp đã coi như những bài viết non dại của một người trẻ xuất chúng đặc biệt. Sau đó đã là cùng công trình đó khiến ông đã nhận giải Nobel. Nếu Planck là cha đẻ của lý thuyết, Einstein là người mẹ nuôi dưỡng nó.

Nhưng giống như tất cả những đứa con, lý thuyết sau đó đã đi theo đường riêng của nó, chính Einstein đã không nhận ra. Trong chục năm thứ hai và thứ ba của thế kỷ hai mươi, đó là Niels Bohr [5], nhà vật lý Denmark, đã đi trước trong sự phát triển của nó. Bohr đã là người hiểu rằng năng lượng của những electron trong atom chỉ có thể nhận lấy những năng xuất nhất định nào đó, giống như năng lượng của ánh sáng, và quan trọng là những electron chỉ có thể ‘nhảy’ qua lại giữa quỹ đạo của một atom và quỹ đạo của một atom khác với những năng lượng cố định, sau khi phát ra hay hấp thụ một photon khi chúng nhảy. Đây là những ‘bước nhảy quantum’ nổi tiếng. Và đã là trong viện nghiên cứu của ông ở Copenhagen, nơi những não thức trẻ tuổi xuất sắc nhất của thế kỷ tập hợp lại với nhau, để thăm dò và cố gắng mang trật tự đến với những phương diện khó hiểu của hành vi ứng xử trong thế giới atom, và từ đó xây dựng một lý thuyết mạch lạc. Năm 1925, những phương trình của lý thuyết cuối cùng đã xuất hiện, thay thế toàn bộ cơ học của Newton.

Thật khó để tưởng tượng một thành tích lớn hơn. Tác động ngay lập tức, mọi sự vật việc đều có ý nghĩa và bạn có thể tính toán mọi sự vật việc. Lấy một thí dụ: bạn có nhớ bảng tuần hoàn những nguyên tố, được Mendeleev đưa ra, liệt kê tất cả những chất cơ bản có thể có vốn vũ trụ được tạo ra từ chúng, từ hydrogen đến uranium, và treo trên tường những lớp học? Tại sao đúng chỉ những nguyên tố này được liệt kê ở đó và tại sao bảng tuần hoàn có cấu trúc đặc biệt này, với những chu kỳ, và với những nguyên tố có những thuộc tính đặc thù này? Câu trả lời là mỗi nguyên tố tương ứng với một giải đáp của phương trình chính của cơ học quantum. Toàn bộ của hóa học hiện lên từ một phương trình duy nhất.

Người đầu tiên viết những phương trình của lý thuyết mới, dựa chúng trên những ý tưởng làm chóng mặt, sẽ là một thiên tài trẻ tuổi người Germany, Werner Heisenberg.[6]

Heisenberg đã tưởng tượng rằng những electron không phải lúc nào cũng có. Chúng chỉ có khi ai đó hay một gì đó nhìn chúng, hay đúng hơn, khi chúng giao tiếp với một gì đó khác. Chúng hóa thành vật chất ở một chỗ, với một xác suất có thể tính toán được, khi va chạm với một gì đó khác. Những ‘bước nhảy quantum’ từ một quỹ đạo này sang quỹ đạo khác là phương tiện duy nhất chúng có để mang tư thế là ‘thực’: một electron là một tập hợp của những bước nhảy từ một giao tiếp này sang giao tiếp khác. Khi không có gì động đến nó, nó không chính xác ở bất cứ nơi nào. Nó thì không ở một ‘nơi’ nào hết cả.

Có vẻ như Tạo hóa khi đặt bút vẽ bản nháp tạo dựng thực tại, đã không mạnh tay với một đường liền lạc đậm nét, nhưng chỉ nhẹ một đường rải rác những chấm chấm nhạt.