🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Max Planck - Người Khai Sáng Thuyết Lượng Tử Ebooks Nhóm Zalo MAX PLANCK Người Khai Sáng Thuyết Lượng Tử https://thuviensach.vn 2 https://thuviensach.vn 3 MAX PLANCK Người Khai Sáng Thuyết Lượng Tử Kỷ Yếu Mừng Sinh Nhật Thứ 150 (1858-2008) Chủ biên: Đào Vọng Đức - Chu Hảo Trịnh Xuân Thuận - Nguyễn Xuân Xanh - Phạm Xuân Yêm NHÀ XUẤT BẢN TRI THỨC https://thuviensach.vn 4 Với sự cộng tác của: Trần Hà Anh - Đà Lạt; Nguyễn Trọng Anh - Palaiseau; Cao Chi - Hà Nội; Phạm Đức Chính - Hà Nội; Nam Dao - Quebec; Hồ Trung Dũng - Tp.HCM; Đào Vọng Đức - Hà Nội; Phan Huy Đường - Paris; Jerome I. Friedman - MIT; Trần Trọng Giễn - St John; Đỗ Đăng Giu - Orsay; Chu Hảo - Hà Nội; Nguyễn Trọng Hiền - CalTech; Nguyễn Đức Hiệp - New South Wales; Nguyễn Văn Hiệu - Hà Nội; Dieter Hoffmann - Berlin; Phạm Quang Hưng - Virginia; Christian Ngô - Saclay; Mai Ninh - Caen; Nguyễn Đức Phường - Hà Nội; Hồ Kim Quang - Toronto; Jürgen Renn - Berlin; Nguyễn Quang Riệu - Paris; Trương Văn Tân - Melbourne; Nguyễn Minh Thọ - Leuven; Trịnh Xuân Thuận - Virginia; Nguyễn Văn Trọng - Tp.HCM; Hà Dương Tuấn - Paris; Nguyễn Đức Tường - Ottawa; Nguyễn Xuân Xanh - Tp.HCM; Phạm Xuân Yêm - Paris. Kỷ yếu Max Planck là tập hợp của những đóng góp của các cá nhân độc lập nhau. Do đó mỗi tác giả chịu trách nhiệm về nội dung của bài mình. Mọi sự phổ biến, đăng lại nguyên bài của Kỷ yếu trên tất cả các phương tiện truyền thông, sách báo, website... cần phải được sự đồng ý của tác giả và nhà xuất bản. https://thuviensach.vn 5 Cái gì trong vật lý từ lâu gây sự quan tâm ở tôi, đó là các định luật lớn phổ quát có ý nghĩa cho toàn bộ các hiện tượng tự nhiên, độc lập với các tính chất của các vật thể tham gia vào hiện tượng. MAX PLANCK Cái cơ bản không phải là sở hữu bền vững, mà chính là cuộc chiến đấu không ngừng, hướng về mục tiêu lý tưởng, là cuộc đổi mới cuộc sống hằng ngày, hằng giờ, gắn bó với sự chiến đấu không ngừng luôn luôn bắt đầu lại mới, chiến đấu cho sự cãi thiện tốt hơn, và cho sự hoàn thiện. MAX PLANCK https://thuviensach.vn 6 Chúng ta cuối cùng phải tự hỏi, không phải một sự gắng sức không ngừng nhưng vô vọng như thế làm cho chúng ta không thỏa mãn một cách cao độ hay sao? Một thế giới quan còn có một giá trị nào chăng, nếu nó không chỉ ra cho những người đã hằng hiến mình cho nó ít nhất một điểm duy nhất vững chắc ở đâu đó trong cuộc đời để đem lại một điểm tựa lâu bền và trực tiếp trong những đau khổ liên miên và trong sự quay vòng không ngừng của tồn tại của họ? Chỉ có một sự kết hợp giữa sức mạnh của lý trí và sức mạnh của ý chí mới đem lại quả chín và thơm ngon nhất của triết học: Đạo đức học. Bởi vì khoa học cũng đem ra ánh sáng những giá trị đạo đức, nó dạy chúng ta trước nhất tính chân thật và sự tôn kính. Tính chân thật trong sự vươn tới không ngừng những nhận thức luôn chính xác hơn của thế giới tinh thần và thế giới tự nhiên xung quanh chúng ta, sự tôn kính trong sự trầm tư về cái mãi mãi không thể hiểu được, cái huyền bí của tạo hóa trong lồng ngực của mình. MAX PLANCK https://thuviensach.vn 7 MỤC LỤC PHẠM XUÂN XANH - PHẠM XUÂN YÊM LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I: LỊCH SỬ A.EINSTEIN TƯỞNG NIỆM MAX PLANCK NGUYỄN XUÂN XANH MAX PLANCK - NGƯỜI CÁCH MẠNG MIỄN CƯỠNG Max Planck – The reluctant revolutionary NGUYỄN XUÂN XANH GIỜ KHAI SINH CỦA THUYẾT LƯỢNG TỬ NGUYỄN XUÂN XANH CÁC KHUÔN KHỔ BỊ PHÁ VỠ Ideas disrupting traditional frameworks PHẠM XUÂN YÊM NGUYỄN XUÂN XANH 108 NĂM THUYẾT LƯỢNG TỬ 108 Years of Quantum Theory MAX PLANCK “NGÀI CỐ VẤN CƠ MẬT MAX PLANCK” NGUYỄN XUÂN XANH NIÊN BIỂU TÓM TẮT MAX PLANCK 1858-1947 NGUYỄN XUÂN XANH MAX PLANCK CUỘC ĐỜI VÀ KHOA HỌC NGUYỄN XUÂN XANH ĐỌC MAX PLANCK NGUYỄN XUÂN XANH “SỐNG BÊN CẠNH PLANCK LÀ MỘT NIỀM VUI RỒI” JÜRGEN RENN “ÔNG ẤY ĐÃ ĐỂ BỊ LÔI KÉO” https://thuviensach.vn 8 DIETER HOFFMANN MAX PLANCK VÀ ALBERT EINSTEIN, ĐỒNG NGHIỆP TRONG SỰ DỊ BIỆT DIETER HOFFMANN NGUYỄN XUÂN XANH MAX PLANCK VÀ GIẢI NOBEL MAX PLANCK CON ĐƯỜNG TỪ NGHIÊN CỨU THUẦN TÚY ĐẾN ỨNG DỤNG CÔNG NGHIỆP MAX PLANCK TÔN GIÁO VÀ KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẦN II: KHOA HỌC CƠ BẢN VÀ THỰC NGHIỆM JEROME I. FRIEDMAN CON ĐƯỜNG TIẾN TỚI GIẢI NOBEL PHẠM XUÂN YÊM BẢN GIAO HƯỞNG HUYỀN DIỆU GIỮA LƯỢNG TỬ VÀ TƯƠNG ĐỐI NGUYỄN TRỌNG HIỀN SỰ ĐO ĐẠC HẰNG SỐ PLANCK - VÀ NHỮNG BÀI HỌC TỪ THỰC NGHIỆM ĐỖ ĐĂNG GIU KỶ NGUYÊN MỚI NGUYỄN VĂN HIỆU MỘT THẾ KỶ PHÁT TRIỂN SÔI ĐỘNG CỦA VẬT LÝ A Century with the Effervescent Development of Physics HỒ TRUNG DŨNG LỰC VAN DER WAALS VÀ LỰC CASIMIR: TỪ VẬT LÝ CƠ BẢN TỚI ỨNG DỤNG CHU HẢO BOHR, VỊ “TRƯỞNG LÃO” QUYẾT ĐOÁN HỒ KIM QUANG THÔNG TIN, TÍNH TOÁN VÀ VẬT LÝ LƯỢNG TỬ PHẠM QUANG HƯNG NĂNG LƯỢNG TỐI https://thuviensach.vn 9 ĐÀO VỌNG ĐỨC ĐỐI NGẪU LƯỢNG TỬ - NGUYÊN LÝ KHỞI ĐẦU CỦA ĐẠI THỐNG NHẤT Duality in Quantum Physics. A Primary Principle of Grand Unification CAO CHI TỒN TẠI CHĂNG MỘT LÝ THUYẾT CỦA TẤT CẢ? PHẦN III: KHOA HỌC ỨNG DỤNG TRƯƠNG VĂN TÂN CƠ HỌC LƯỢNG TỬ VÀ VẬT LIỆU NANO NGUYỄN TRỌNG ANH HÓA HỌC HỮU CƠ VÀ CƠ HỌC LƯỢNG TỬ: PHƯƠNG PHÁP ORBITAL BIÊN NGUYỄN MINH THỌ HÓA HỌC LƯỢNG TỬ TÍNH TOÁN: NGÀNH KHOA HỌC CỦA THẾ KỶ 21 TRẦN TRỌNG GIỄN MỘT VÀI KHÁI NIỆM VỀ TÍNH TOÁN LƯỢNG TỬ VÀ TRUYỀN TIN LƯỢNG TỬ PHẠM ĐỨC CHÍNH CƠ-LÝ TÍNH VĨ MÔ CỦA VẬT LIỆU ĐA TINH THỂ HỖN ĐỘN CÓ THỂ ĐƯỢC XÁC ĐỊNH CHÍNH XÁC TỚI ĐÂU? CHRISTIAN NGÔ VIỄN CẢNH VỀ NĂNG LƯỢNG PHẦN IV: THIÊN VĂN HỌC NGUYỄN QUANG RIỆU DẤU ẤN CỦA THUYẾT LƯỢNG TỬ TRONG NGHIÊN CỨU VŨ TRỤ TRỊNH XUÂN THUẬN VŨ TRỤ THẬT HÀI HÒA NHƯNGVÔ CÙNG TINH TẾ VÀ THỐNG NHẤT NGUYỄN ĐỨC PHƯỜNG GIỚI HẠN CỦA BỨC TƯỜNG PLANCK https://thuviensach.vn 10 PHẦN V: NHÂN VĂN - XÃ HỘI - NGHỆ THUẬT - TRIẾT HỌC NGUYỄN ĐỨC TƯỜNG LẦM THẾ KỶ... HAY LÀ ĐÔI ĐIỀU SUY NGHĨ CỦA MỘT NGƯỜI SỐNG GIỮA HAI THẾ KỶ MAI NINH DÒNG SÔNG BAO LA TRẦN HÀ ANH PHÁT MINH CỦA PLANCK VÀ MỘT SỐ BÀI HỌC BỔ ÍCH CHO CHÚNG TA PHAN HUY ĐƯỜNG THÁI ĐỘ KHOA HỌC TRONG KIẾP NHÂN VĂN NAM DAO ĐẠO LÝ VÀ TRÁCH NHIỆM XÃ HỘI: KHOA HỌC-KỸ THUẬT NHÌN TỪ MỘT GÓC ĐỘ NHÂN VĂN NGUYỄN ĐỨC HIỆP MAX PLANCK - TỪ LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ ĐẾN NGHỆ THUẬT HIỆN ĐẠI VÀ HẬU HIỆN ĐẠI HÀ DƯƠNG TUẤN KHOA HỌC LUẬN, TẠI SAO? https://thuviensach.vn PHẠM XUÂN XANH PHẠM XUÂN YÊM LỜI NÓI ĐẦU Một nền khoa học không có năng lực hay ý hướng tác động vượt khỏi khuôn khổ của dân tộc thì không xứng đáng với cái tên của nó. MAX PLANCK Năm 2008 đến với chúng ta bằng một sự kiện quan trọng trong giới khoa học. Đó là kỷ niệm sinh nhật lần thứ 150 của Max Planck, người khai sáng Thuyết lượng tử. Cha đẻ của Thuyết lượng tử, người đã mang lại “ánh sáng” cho thế giới vi mô, cũng như Newton đã từng mang lại ánh sáng cho thế giới vĩ mô, chính là nhà Vật Lý học Max Planck, khi ông khám phá rằng ở cấp vi mô sự trao đổi năng lượng không diễn ra liên tục mà rời rạc theo từng gói tí hon được gọi là “lượng tử”. Khám phá này - cùng với khám phá về bản chất lưỡng tính “sóng lẫn hạt” của ánh sáng 5 năm sau đó của Einstein - chính là những tiên đề nền tảng cho cuộc cách mạng lượng tử. Hơn 2000 năm trước, nhà triết học cổ đại Hy Lạp Democrit đã từng nghĩ rằng vật chất có thể được phân tích ra thành những phân tử nhỏ mà ông gọi là “atom”. Những nỗ lực để giải thích vật chất được cấu tạo bằng gì và như thế nào từ đó luôn luôn thất bại. Ngay cả Newton, người khám phá ra luật hấp dẫn vạn vật, cũng bó tay trước bản chất rắc rối của vật chất. Nhưng năm 1925 tình hình thay đổi hẳn, sự ra đời của thuyết Lượng tử - với cơ học lượng tử và cơ học sóng của Werner Heisenberg và Erwin Schrödinger - đã gây ra một “đợt sóng thần” chưa từng thấy trong khoa học và có những ảnh hưởng sâu sắc trong đời sống con người, và ngày càng dâng cao trong thế kỷ 21. Thuyết lượng tử không những giải thích chính xác sự cấu tạo vật chất mà Democrit đã hình dung, mà còn quyết định rất lớn sự https://thuviensach.vn 12 phồn vinh của nhân loại. Cuối thế kỷ 20, thế giới vật lý dựa lên hai cột trụ mới là Thuyết tương đối của Einstein và Thuyết lượng tử của Planck. Nhưng đối với đời sống thực tế của con người thì ba cột trụ của khoa học có ảnh hưởng quyết định là cuộc cách mạng lượng tử, cách mạng sinh học DNA, và cách mạng máy tính, với mức độ chưa từng có trước đó trong lịch sử. Năm 1947 transistor được phát hiện, cho ra đời máy tính hiện đại. Mười năm sau, laser được phát hiện tiếp, Internet và xa lộ thông tin ra đời. Hai khám phá đó đều là những hệ quả của thuyết lượng tử. Năm 1953, thuyết lượng tử cũng đã cho những phép tính toán chính xác để khám phá DNA của James Watson và Francis Crick; ý tưởng đó bắt nguồn từ những bài giảng ấn tượng của Schrödinger năm 1944 trong cuốn sách Sự sống là gì?, cho rằng sự sống của con người có thể được giải thích bằng một “genetic code” (mã di truyền), và thuyết lượng tử có thể cho phép thực hiện điều đó. Thuyết lượng tử cũng cho phép con người chế tạo được những máy móc có kích thước của phân tử, mở ra một kỷ nguyên cho máy móc và vật liệu mà con người chưa từng biết đến - công nghệ nano - được tiên đoán bởi Richard Feynman trong một bài thuyết trình nổi tiếng có tính chất tiên tri There’s Plenty of Room at the Bottom năm 1959 trước American Physical Society. Ông tự hỏi làm sao có thể nhét hết bộ Encyclopaedia Britannica vào đầu của một cây kim, cho rằng với thuyết lượng tử không có gì ngăn cấm sự chế tạo các máy móc có kích cỡ của phân tử cả. Ngày nay, Thuyết lượng tử, không những là nền tảng của vật lý và thiên văn hiện đại, hóa học và sinh học, mà còn đưa đến hai cuộc cách mạng máy tính và sinh học phân tử. Không những thế, nó sẽ có thể thực hiện những cuộc hợp phối giữa những cuộc cách mạng đó đầy lý thú. Một “tương lai lượng tử” hứa hẹn đang chờ đợi. Nói tóm lại, thuyết lượng tử sẽ thâm nhập cũng như làm nảy sinh ra những công nghệ đỉnh cao, cách mạng nhất của thế kỷ 21 trong ba cuộc cách mạng khoa học vĩ đại của nhân loại. Con người giờ đây không còn chỉ biết quan sát tự nhiên một cách thụ động nữa, như Newton đã diễn tả trong tự sự: “là một cậu bé chơi trên bãi biển, nhặt được đó đây những hạt sỏi nhẵn hơn, những vỏ sò đẹp hơn bên bờ đại dương của chân lý ở trước mặt”, mà đang ở trong giai đoạn chuyển tiếp, trở thành “đạo diễn” của tự nhiên. Giờ đây, không phải tài nguyên nữa, mà chính là tri thức và kỹ năng mới đóng vai trò quyết định trong sự nghiệp phát triển kinh tế trước sự cạnh tranh toàn cầu. Có thể nói, các quốc https://thuviensach.vn 13 gia có thể hưng thịnh hay suy vong là tùy thuộc vào khả năng có nắm được ba cuộc cách mạng này hay không. Nhưng trên hết, vượt ra ngoài khuôn khổ lợi ích kinh tế và công nghệ, mục đích tối hậu của con người từ ngàn năm vẫn là muốn hiểu được vũ trụ mình đang sống, và từ lâu đã đi tìm câu trả lời trong tôn giáo và triết học. Những định luật tiềm ẩn nào đã chi phối vật chất trong tự nhiên từ vũ trụ đến thế giới vô cùng nhỏ? Vũ trụ bắt đầu như thế nào? Vì sao vật chất và con người có mặt như hôm nay? Vật chất, và bản thân chúng ta, được cấu tạo bởi các tế bào, rồi bằng những nguyên tử, bằng các hạt electron nhỏ hơn, các nhân của các nguyên tử lại được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn nữa, rồi các hạt này lại chứa những hạt nhỏ nữa v.v... Đâu là những viên gạch cuối cùng của vạn vật, và chúng hoạt động như thế nào, các định luật nào chi phối? Càng khám phá, con người càng nhận chân ra đến kinh ngạc các định luật tinh tế của vật chất không giống như trực giác đời thường. Thế giới của Newton thế kỷ 17 đã khác xa với thế giới của thời Trung cổ. Nhưng thế giới của thế kỷ 20 lại càng khác xa hơn nữa thế giới của tất cả thế kỷ trước cộng lại. Một trăm năm qua là một cuộc hành trình Odyssey của các nhà vật lý học đi tìm bờ cõi và vương quốc của mình, còn đẹp hơn các cuộc phiêu lưu thần thoại Hy Lạp. Con tàu Argo với những con người tài ba Argonaut trên đó đã chinh phục được nhiều miền đất đai và bờ cõi rộng lớn, mỗi lần thêm vững chắc không thể đảo ngược, nhiều lần cứ tưởng mình sắp đến đích, nhưng rồi thấy mình vẫn còn xa hơn, rồi họ lại tiến bước, vượt qua những trở ngại mới để tiến đến những miền đất mới, hoặc đôi khi tuyệt vọng, nhưng rồi con thuyền đã đưa đoàn người thám hiểm đến những nơi sáng láng chói lóa, nhìn chung, cái đích ngày càng đến gần. Mô hình chuẩn là một bước tiến to lớn và ý nghĩa sau khi nó thống nhất được ba trong bốn lực cơ bản của tự nhiên: lực điện từ, lực yếu và lực mạnh. Trong thế giới hạt có lẽ đến năm 2020 bức tranh sẽ rõ hơn một cách quyết định, trong khi việc thống nhất thuyết trường lượng tử của mô hình chuẩn với thuyết tương đối rộng có thể cần đến 50 năm nữa, như Steven Weinberg ước đoán. Nhưng chưa phải là chắc chắn. “Sự khám phá ra một lý thuyết thống nhất để chúng ta có thể mô tả thiên nhiên ở tất cả mực năng lượng sẽ làm cho chúng ta có khả năng trả lời một trong những câu hỏi cơ bản nhất của vũ trụ học. Đám mây dãn nở của các thiên hà mà chúng ta gọi là vụ nổ nguyên thủy có một sự bắt đầu vào một thời điểm nào trong quá khứ hay https://thuviensach.vn 14 không. Hay là vụ nổ nguyên thủy của chúng ta chỉ là một tình tiết trong một vũ trụ lớn hơn nhiều mà ở đó từ những thời vĩnh hằng các vũ trụ lớn và nhỏ đã hình thành? Những cái gọi là hằng số tự nhiên hay định luật tự nhiên có khác nhau trong các vũ trụ riêng lẻ?” như Weinberg từng viết. Thế kỷ 21 còn nhiều bài toán hấp dẫn và thách thức dành cho các thế hệ mới của nó, không như một thế kỷ mà một người thầy (von Jolly) của Max Planck đã khuyên ông không nên học vật lý vì lầm tưởng rằng không còn những vấn đề mới nữa. Một thiên tài nào đó tươi mới có thể sẽ xuất hiện. Năm nay, 2008 là kỷ niệm sinh nhật 150 năm của Max Planck. Sau hơn nửa thế kỷ trước bị tàn phá nặng nề bởi chính sách tiêu diệt khoa học của Chủ nghĩa Quốc xã đã gây ra một cuộc chảy máu chất xám kinh hoàng cho cả châu Âu, một bước ngoặt vui mừng đánh dấu sự phục hưng của nền vật lý ở châu lục này với hai sự kiện nổi bật : - Trên trời có vệ tinh Planck vừa được phóng lên không trung với kính viễn vọng hiện đại để quan trắc tàn dư của bức xạ trong mấy phần triệu giây phút ban đầu của vũ trụ cách đây khoảng 13.7 tỷ năm với chi tiết chưa từng đạt; - Dưới đất sâu hơn trăm thước có máy gia tốc hạt LHC (Large Hadron Collider) với chu vi 27 cây số ở CERN. Khắp năm châu duy nhất chỉ có máy này làm đầu tàu thế giới trong công cuộc khám phá, đào sâu tìm hiểu, nhằm thống nhất các định luật cơ bản tận cùng của vạn vật. Lý thuyết và thực nghiệm, tay trong tay vươn tìm những bến bờ xa xăm sâu thẳm nhất của tri thức khoa học, tiếp nối nỗi khát vọng hướng thượng chung của con người bẩm sinh xưa nay là không ngừng tìm hiểu thiên nhiên và bản thể của nó. Với cuốn Kỷ yếu chúng ta muốn góp phần thật khiêm tốn của mình vào việc vinh danh Max Planck trong ký ức Việt Nam nhân kỷ niệm 150 năm ngày sinh của ông, và mong muốn các thế hệ hiện tại hãy tiến lên nắm bắt khoa học lượng tử, và khoa học nói chung, để trang bị mình cho thế kỷ 21. «Quang phổ» của các bài đóng góp trong kỷ yếu Max Planck là rộng rãi và đa dạng, từ những vấn đề lịch sử liên quan đến Max Planck, những vấn đề khoa học cơ bản và thực nghiệm, các vấn đề khoa học ứng dụng, cho đến thiên văn học, khoa học nhân văn, nghệ thuật, triết học, và những bài hồi ký sống động, từ thế giới hạt cơ bản cho đến các thiên hà, từ những khám phá thuần túy khoa học cho đến trách nhiệm của những nhà khoa học trước xã hội và môi trường sống, đến những vấn đề nghệ thuật, văn học, từ những vấn đề của thế kỷ 20 đến những vấn đề của thế kỷ 21, v.v... https://thuviensach.vn 15 Max Planck suốt đời chăm sóc việc xây dựng, phát triển và truyền bá khoa học và nhận thức cho đại chúng, không ngừng chăm lo sự hợp tác quốc tế, luôn luôn tận tụy hết lòng với trách nhiệm của mình trước xã hội. Làm cuốn kỷ yếu đặc biệt này chúng tôi muốn noi gương ông. Các tác giả tham gia là những nhà khoa học và trí thức gốc Việt Nam đang sinh sống tại Việt Nam và nhiều quốc gia khác nhau trên thế giới: Pháp, Bỉ, Hoa Kỳ, Canada, Úc, nhưng tất cả có cùng tình cảm: Việt Nam và khoa học. Và một số bạn nước ngoài cũng cùng chia sẻ với chúng ta, trong đó phải kể Gs. Jerome Friedman, giải Nobel vật lý năm 1990, Gs. Jürgen Renn, Viện trưởng Viện Max Planck nghiên cứu lịch sử khoa học tại Berlin, Gs. Dieter Hoffmann của cùng Viện, chuyên gia về lịch sử khoa học thế kỷ 19, 20 và là một chuyên gia hàng đầu hiện nay về Max Planck. Chúng tôi rất trân trọng đóng góp của nhiều nhà khoa học, trí thức khả kính của nhiều thế hệ của Việt Nam, đặc biệt những thế hệ đi du học từ những năm trước và sau 1950, những nhà khoa học đã có nhiều kiến thức tinh hoa, đã không tiếc thì giờ để truyền đạt vốn kiến thức quý báu ấy qua kỷ yếu Max Planck cho các thế hệ trẻ Việt Nam. Chúng tôi cũng trân trọng những ý muốn đóng góp của nhiều nhà khoa học khác nhưng vì thời gian không cho phép nên đã không thực hiện được. Thuyết lượng tử và tương đối, nói chung khoa học tự nhiên cùng với những tiến bộ cách mạng của thế kỷ 20 đã thay đổi sâu sắc nhận thức của con người về thế giới, thay đổi còn sâu sắc hơn gấp bội đời sống vật chất con người. Phân nửa GDP của các nước phát triển xuất phát từ kết quả của những nghiên cứu cơ bản. Các quốc gia trên thế giới có lúc ngủ quên, nhưng có lúc cũng phải giật mình trước những sự kiện bàng hoàng diễn ra trước mắt có thể trở thành nguy hiểm, sự đe dọa cho an ninh và sự phồn vinh của quốc gia họ, nếu những người lãnh đạo dân tộc đó còn biết yêu nước và sáng suốt nhận định. Nước Anh chẳng hạn, đã giật mình tại cuộc International Exhibition ở Paris năm 1867 khi nhận thấy rằng Người Mẹ của Cách mạng Công nghiệp đã bị những đứa con qua mặt. Ba năm sau, cuộc chiến tranh Pháp-Phổ thực sự đã làm cho giai cấp lãnh đạo Anh sợ hãi, giai cấp luôn thích để cho công nghiệp tự nó phát triển, và không chịu đầu tư cho nghiên cứu khoa học bao nhiêu. Phổ đã trở thành một cường quốc không những về công nghiệp mà còn về quân sự. Đó là một hội chứng giống như hội chứng Sputnik của nước Mỹ ở cuối những năm 50 đầu 60. Năm 1883, khi Ủy ban Hoàng gia Anh về Giáo dục Kỹ thuật thăm trường https://thuviensach.vn 16 thương mại ở thành phố Rouen của Pháp, các thành viên rất ngạc nhiên khi thấy một chiếc mũ sắt của lính Phổ được trưng bày nổi bật ở đây. Ngài hiệu trưởng giải thích rằng ông đã lượm được chiếc mũ này khi quân đội Phổ đi ngang qua. Mỗi lần học trò ông chểnh mảng trong việc học, ông đặt cái nón lên bàn để nhắc nhở chúng về điều đã xảy ra, và lại có thể xảy ra, nếu chúng không học hành nghiêm chỉnh; “phương pháp đó không bao giờ thất bại trong việc nâng cao tinh thần quốc gia và nhiệt tâm của chúng trong việc học”, ông nói. Tại Đức, từ lâu các nhà lãnh đạo tri thức đã hiểu rằng khoa học đem lại sự phồn vinh, và làm cho quốc gia phú cường. Werner von Siemens, nhà trí thức công nghiệp của Đức đã nói rằng đối với ông “nghiên cứu khoa học tự nhiên luôn luôn là mảnh đất vững chắc của tiến bộ kỹ thuật, và nền công nghiệp của một quốc gia sẽ không bao giờ có được vị trí hàng đầu quốc tế và giữ vững được vị trí của nó nếu quốc gia đó không đồng thời đứng trên đỉnh cao của tiến bộ khoa học tự nhiên”. Siemens không ai khác là người đã tài trợ chủ yếu cho việc thành lập Trung tâm Kỹ thuật Vật lý Berlin ra đời vào cuối thế kỷ 19, nơi đã tiến hành những cuộc đo đạc chính xác nhất về điện để giúp các nhà vật lý đi tìm công thức bức xạ nhiệt, ban đầu với mục đích áp dụng cho công nghệ bóng đèn, nhưng để rồi một trong những nhà khoa học, Max Planck, đã đi đến khám phá Thuyết lượng tử cho nhân loại! Việt Nam không có con đường nào khác hơn là phải xây dựng được một nền khoa học tự nhiên hiện đại và phát triển, từ thực nghiệm cũng như đến lý thuyết, theo những mẫu mực quốc tế đã có từ hàng trăm năm được áp dụng trên khắp thế giới, nếu những người lãnh đạo đất nước biết “giật mình” trước sức mạnh của những cuộc cách mạng khoa học vĩ đại như đã từng được chứng minh trong quá khứ, và nếu ý thức được để chuẩn bị cho đất nước những cuộc cách mạng vĩ đại sắp đến, và đầu tư thỏa đáng các cơ sở vật chất, cơ sở tri thức, cơ sở nhân sự là các nhà nghiên cứu, các giáo sư đại học, các học sinh, sinh viên ưu tú tương lai. Nghịch lý lớn nhất của đất nước là những nhà khoa học chân chính, những người toàn tâm làm khoa học, phải sống bằng đồng lương không đủ sống, đừng nói chi gia đình họ. Những người tồn tại được, trụ được vì khoa học, đều phải sống nhờ vào các đại học và tổ chức nghiên cứu ở nước ngoài, hay những công việc phụ không tương xứng với họ. Đó là nghịch lý, và là nguy cơ lớn nhất làm cho đất nước mai một đi tiềm năng trí tuệ, gây ra chảy máu chất xám, hoặc làm mai một nhiều thế hệ chất xám liền và làm suy yếu nền tảng cơ bản của nền https://thuviensach.vn 17 kinh tế tri thức hiện đại dựa trên sức mạnh của khoa học kỹ thuật và công nghệ. Lấy vài thí dụ thời sự tượng trưng. Chính sách “khen thưởng $1.000” cho các công trình được đăng ở nước ngoài là rõ ràng có tính chất chắp vá và tình thế. Rồi ý tưởng ngộ nghĩnh “Văn miếu đương đại”, chỉ tôn vinh hời, thuần hình thức những “tiến sĩ”, giống phong kiến. Chúng tôi nghĩ ngược lại: Để khen thưởng và “tôn vinh” họ với tư cách là lực lượng chất xám cực kỳ quan trọng của quốc gia trong thời kỳ phát triển (và có thời kỳ phát triển nào nó lại thừa?), nhà nước cần phải đầu tư mạnh mẽ cho khoa học và những người làm khoa học để họ có điều kiện toàn tâm sản xuất nhiều hơn “trứng vàng” có chất lượng ngày càng cao hơn, mà không phải lo lắng cho gia đình và tương lai con cái. Nhà nước phải đầu tư để họ thường xuyên có điều kiện tiếp cận bằng người và bằng tư liệu khoa học hiện đại các trung tâm khoa học thế giới, như những tấm gương sáng của một nước Nhật thời Minh Trị đã làm, hay các quốc gia gần như Hàn Quốc, Đài Loan, Singapore từ vài thập kỷ qua. Những chiếc ghế giáo sư - ở đó nghiên cứu khoa học với những chuẩn mực truyền thống lành mạnh và tiến bộ của thế giới đóng vai trò chủ yếu - chứ không phải với những quy định cục bộ của Việt Nam, được kèm theo những điều kiện sống và làm việc xứng đáng, cũng như trách nhiệm cao cả để hướng dẫn tập thể khoa học của đất nước vươn lên, đó chính là phần thưởng ý nghĩa và thiết thực nhất cho người làm khoa học. Trí thức là nguyên khí quốc gia. Đừng để họ bị tiếp tục phá giá, và suy sụp trước sự phát triển không ngừng của các lực lượng trí thức khác trên thế giới. Nhà nước và xã hội phải chung sức đầu tư vào nghiên cứu khoa học tiềm năng và có trình độ cao ở các đại học và viện nghiên cứu, hơn là tài trợ cho những chương trình giật gân phù phiếm. Nhà nước hãy thấy vai trò cực kỳ quan trọng của khoa học kỹ thuật trên thế giới trong việc dựng nước và giữ nước. Đừng để một Max Planck hay một Albert Einstein mòn mỏi phải “nuôi thân bằng hai bàn tay mọn”, hay “có lẽ đi cày trong cái làng thống khổ” của mình, như cách nói của một nhà cải cách của Phổ đã từng nói về xã hội Đức đầu thế kỷ 19. Nhà nước phải mở những “cánh cửa khải hoàn” cho tất cả tài năng của đất nước, “mở ra cho họ một con đường, bất kể họ từ đâu đến”. Chỉ có như thế đất nước mới mong phát triển được vững bền, non sông mới nở mặt với thế giới. Chúng tôi xin cám ơn Viện Max Planck Lịch sử Khoa học Berlin đã hỗ https://thuviensach.vn 18 trợ công việc chúng tôi bằng những tư liệu quý báu xưa và nay về Max Planck để cho số kỷ yếu kỷ niệm được phong phú. Xin cám ơn Viện Văn hóa Goethe Việt Nam đã khích lệ và tài trợ để xuất bản. Chúng tôi rất biết ơn các Anh Chị đã bỏ nhiều thì giờ quý báu của mình để giúp đỡ phần dịch thuật các bài đóng góp, các anh Nguyễn Đức Phường, Nguyễn Minh Thọ, đặc biệt anh Nguyễn Văn Thiều đã tham gia dịch thuật và xem lại nhiều bài, cũng như nhiều Anh Chị khác không được nhắc đến ở đây. Chúng tôi xin cám ơn Gs. Nguyễn Văn Hiệu đã ủng hộ tinh thần cho cuốn Kỷ yếu Max Planck ngay từ đầu của cuộc khởi động, đã tổ chức lễ kỷ niệm Max Planck tại buổi Hội thảo Quốc tế về Khoa học vật liệu và Công nghệ nano tháng 9 tại Nha Trang, mời được Gs. Friedman tham gia kỷ yếu, và cũng đã bỏ công sức đóng góp một bài rất công phu và phong phú. Bài viết của Gs. sẽ là một hồi ức rất có giá trị cho các bạn trẻ. Xin cám ơn chân thành tất cả những Anh Chị đã đóng góp, giúp đỡ cuốn kỷ yếu này hơn nửa năm liền, và cám ơn sự quan tâm và đón nhận quý báu của tất cả quý độc giả. Mong các bạn trẻ tìm thấy ở đây những hạt giống quý báu cho mình. Chúng tôi muốn xem quyển kỷ yếu này như một đóng góp vào giáo dục và nghiên cứu khoa học của đất nước, với sự gửi gắm tâm tình như “gửi hương cho gió” và hy vọng sẽ có những tâm hồn, đặc biệt các bạn trẻ, đón nhận và suy ngẫm về nó. Chắc chắn ở nhiều khâu thực hiện chúng tôi có những sai sót, nhầm lẫn hay những điều đáng lý phải được làm tốt hơn. Chúng tôi thực hiện tập sách kỷ niệm này trong điều kiện eo hẹp, mỗi người phải tự thân vận động, không có nhân viên hay bộ máy hỗ trợ, không ai ở gần nhau để bàn bạc trao đổi, tất cả đều được thực hiện âm thầm qua mạng. Vì thế chúng tôi xin Quý Anh Chị và độc giả hãy đón nhận và đọc kỷ yếu với một sự lượng thứ. https://thuviensach.vn PHẦN I LỊCH SỬ https://thuviensach.vn 20 https://thuviensach.vn A.EINSTEIN TƯỞNG NIỆM MAX PLANCK* Abstract. Einstein’s Commemoration of Max Planck in 1948. Ai đã ân huệ tặng cho nhân loại một ý tưởng sáng tạo vĩ đại, người đó không cần được đời sau ca ngợi. Bởi vì anh ta đã được ban cho điều cao cả hơn bằng việc làm của anh ta. Tuy nhiên, thật là một điều tốt, và cần thiết, rằng ngày này, các đại biểu của các nhà nghiên cứu phấn đấu vì chân lý và nhận thức từ khắp nơi trên Trái đất họp mặt nhau tại đây. Họ là một sự minh chứng, rằng ngay trong những giai đoạn này, khi mà sự điên cuồng chính trị và quyền lực thô bạo gieo rắc những lo âu và đau khổ lớn cho con người, thì lý tưởng của nhận thức vẫn được nâng cao không suy suyển. Lý tưởng này, đã từ bao đời nối kết các nhà nghiên cứu của tất cả các quốc gia và của mọi thời đại, được biểu hiện trong Max Planck với một sự hoàn thiện hiếm thấy. Nếu bản chất nguyên tử của vật chất cũng đã được những người Hy Lạp nhìn thấy, và đã được các nhà nghiên cứu của thế kỷ XIX nâng lên thành khả năng hiện thực lớn, thì đồng thời chính Max Planck đã tìm thấy một sự xác định chính xác độ lớn thực sự của nguyên tử mà không cần đến các giả thuyết phụ. Hơn nữa, ông đã trình bày một cách thuyết phục, rằng bên cạnh cấu trúc nguyên tử của vật chất còn có một loại cấu trúc nguyên tử * Bài diễn văn này của Albert Einstein với tư cách đại diện cho Hàn Lâm viện Khoa học Quốc gia của Hợp chúng quốc Hoa Kỳ” đã được Otto Hahn đọc bằng tiếng Anh và tiếng Đức tại Hội trường của Đại học Göttingen ngày 23 tháng 4 năm 1948 (ngày sinh nhật thứ 90 của Max Planck). Buổi lễ được tổ chức bởi Tổ chức Max Planck (Gesellschaft), Hội Vật lý Đức, Hàn lâm viện Khoa học Göttingen và Đại học Göttingen. Đồng thời buổi lễ cũng được tổ chức bởi Hàn lâm viện Hoa Kỳ tại Washington cùng ngày. [Nguồn: Ấn phẩm đặc biệt “Zum 50. Todestag von Max Planck” của tạp chí Vật lý Đức Physikalische Blätter nhân ngày mất thứ 50 của Max Planck, xuất bản tháng 10, năm 1997. NXB WILEY-VCH 1997] https://thuviensach.vn 22 của năng lượng, và cấu trúc này được chi phối hoàn toàn bởi hằng số phổ quát được ông đưa ra. Nhận thức này đã mở đầu sự phát triển vật lý học trong thế kỷ chúng ta, và đã chi phối nó hầu như tuyệt đối. Không có nó, thì sự thiết lập một lý thuyết hữu ích của nguyên tử và phân tử, cũng như của các hiện tượng về năng lượng chi phối sự chuyển hóa của chúng không thể nào quan niệm được. Hơn nữa, nhận thức này đã phá vỡ khung cảnh của cơ học cổ điển và của điện động học, và đặt khoa học trước nhiệm vụ đi tìm một cơ sở khái niệm mới cho toàn ngành vật lý, một nhiệm vụ mà mặc cho một số thành tựu quan trọng vẫn chưa được giải đáp một cách thỏa đáng. Bằng cách Hàn lâm viện Khoa học của Hoa Kỳ nghiêng mình trước con người này, nó bày tỏ niềm hy vọng, rằng công việc nghiên cứu một cách tự do vì nhận thức thuần túy sẽ được duy trì cho chúng ta không hề suy suyển. NGUYỄN XUÂN XANH dịch https://thuviensach.vn 23 Ngày 7.10.1947 Max Planck được mai táng trong nghĩa trang của thành phố Göttingen. Sau tang lễ trong nhà thờ Albani với các bài điếu văn của Max von Laue và Otto Hahn, sáu nhà vật lý trẻ của Viện Vật lý số I và II của Đại học Göttingen đã khiêng quan tài ra khỏi nhà thờ và đưa đến nghĩa trang. Tấm ảnh này thuộc sở hữu của GS Hans Ehrenberg, được công bố lần đầu tiên năm 1997. https://thuviensach.vn https://thuviensach.vn NGUYỄN XUÂN XANH MAX PLANCK - NGƯỜI CÁCH MẠNG MIỄN CƯỠNG* Max Planck – The reluctant revolutionary Vào ngày 19.10.1900 một cuộc cách mạng của vật lý học bắt đầu diễn ra âm thầm. Vào ngày đó Max Planck trình bày một định luật bức xạ mới. Nó mô tả sự phân bố năng lượng của bức xạ nhiệt. Sau đó rõ ràng rằng định luật này không dung hợp với vật lý cổ điển. Nó đòi hỏi một cuộc cách mạng về sự hiểu biết bức xạ và năng lượng: Bức xạ được cấu thành từ những gói năng lượng, “các lượng tử”. Planck nhìn những hệ quả của cuộc cách mạng này một thời gian dài một cách hoài nghi. Ông yêu cái đã được thử thách. Những cuộc biến động chính trị cũng hầu như không làm rúng động thế giới quan của ông. Dù trong hệ thống nào, khoa học đối với ông vẫn luôn là ưu tiên hàng đầu. Planck phục vụ nó với tư cách nhà tổ chức khoa học, và sự tự quản của khoa học đối với ông là quan trọng. Sau chiến tranh, ông trở thành người bảo trợ cho Max-Planck Gesellschaft bằng cái tên mình. Di sản khoa học của ông đã thay đổi không những vật lý học. Vật lý lượng tử đặt ra những câu hỏi mới, và góp phần tạo ra những công nghệ hiện đại nhất. Quan niệm về bức xạ, vật chất và năng lượng đặt chúng ta trước những bí ẩn gì? Các cuộc cách mạng khoa học hình thành như thế nào? Khoa học cần các điều kiện khung nào? Những câu hỏi này ngày hôm nay vẫn còn mang tính thời sự như thời của Planck. * Theo Spektrum der Wissenschaft, Biografie, số 1/2008. Max Planck, Revolutionär wider Willen. Số kỷ niệm do Max-Planck-Gesellschaft xuất bản. https://thuviensach.vn https://thuviensach.vn NGUYỄN XUÂN XANH GIỜ KHAI SINH CỦA THUYẾT LƯỢNG TỬ* Abstract. How was quantum theory born: out of crisis, “act of desperation”, radiation formula and its consequences. Khai sinh từ sự bế tắc Cho đến năm 1899 Planck công bố tất cả năm bài về bức xạ nhiệt của vật thể đen. Mục tiêu của ông là suy ra định luật Wien trên cơ sở nhiệt động học của bức xạ điện từ. Ông hy vọng trước nhất bằng cách đó cũng tìm thấy luôn cách lý giải tính không thuận nghịch của các quá trình nhiệt động học, mà không cần thuyết xác suất của Boltzmann. Khi Planck tin rằng cuối cùng ông đã suy diễn một cách thành công định luật Wien, thì các sự kiện diễn tiến dồn dập vào năm 1900. Các kết quả đo đạc mới cho thấy định luật Wien không có hiệu lực. Ngày 19.10.1900 Planck giới thiệu một định luật bức xạ mới. Để suy diễn nó, ông đã từ bỏ các chống đối của ông đối với phương pháp Boltzmann và đưa vào các “phần tử năng lượng” có độ lớn nhất định mà chúng ta ngày nay gọi là các lượng tử. “Trung tâm vật lý-kỹ thuật” (Die Physikalisch-Technische Reichanstalt) Berlin khoảng 1900, được thành lập năm 1889 do sáng kiến của nhiều người trong đó có Hermann von Helmholtz và Werner von Siemens, nhằm đo lường chính xác các đơn vị đo lường (của ngành điện), * Viết lại theo Spektrum der Wissenschaft, Biografie, số 1/2008. Max Planck, Revolutionär wider Willen. Số kỷ niệm do Max-Planck-Gesellschaft xuất bản. https://thuviensach.vn 28 điều rất cần thiết cho nghiên cứu cơ bản. Tại đây đã diễn ra sự đo đạc chính xác bức xạ nhiệt của vật thể đen. Một con đường lắm chông gai Planck đầu tiên chiến đấu nhiều năm cho một cơ sở thỏa đáng của nhiệt động học của bức xạ điện từ. Đầu năm 1900, chương trình của ông dường như đăng quang với sự thành công: Ông tin đã suy diễn được bằng lý thuyết công thức bức xạ bán thực nghiệm của Wien. Nhưng trong khi một bảng tóm tắt các kết quả của ông sắp lên khuôn in thì Planck được tin về những đo đạc mới của Lummer và Pringsheim ở “Trung tâm vật lý-kỹ thuật” dấy lên sự nghi ngờ về tính hiệu lực của định luật Wien. Khoảng cuối năm 1900, bằng những kết quả đo đạc mới, những nghi ngờ này trở thành sự chính xác và buộc ông phải xây dựng một định luật bức xạ mới, điều ông trình bày vào tháng 10. Tuy nhiên, một sự suy diễn công thức này bằng lý thuyết trước nhất không thành công đối với ông. Ông không thể hài lòng với một “công thức được đoán một cách may mắn”. Tình hình xem ra bế tắc. “Bởi vì không có con đường nào khác mở ra, nên tôi đã thử nghiệm phương pháp Boltzmann.” (Max Planck trong Về lịch sử của khám phá lượng tử tác dụng vật lý, 1943.) “Nói tóm lại, 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 ngại... nhưng một sự diễn giải bằng lý thuyết phải được tìm cho ra bằng mọi giá, ngay khi nó rất cao.” (Max Planck, 1931) Hành động tuyệt vọng của Planck Planck chỉ còn thấy một con đường, để suy diễn được định luật bức xạ rõ ràng đúng với thực nghiệm: “Phương pháp Boltzmann”. Nó dựa trên phương pháp đếm trong lý thuyết khí của Boltzmann. Nhưng để có thể đếm được một cái gì ở bức xạ, ông phải chia năng lượng của bức xạ vật thể đen ra thành các phần tử năng lượng. Trong giai đoạn cuối của phép tính Planck để cho độ lớn của những gói như thế tiến về không, và được một sự phân bố năng lượng liên tục. Nhưng điều đó không giúp Planck giải quyết vấn đề. Các phân tử năng lượng của ông phải có một độ lớn cố định: là tích số của tần số được xem xét với một hằng số h, sau này được gọi là lượng tử tác dụng Planck. Trong buổi họp của Hội Vật lý Berlin ngày 14 tháng 10 năm 1900, Planck trình bày lần đầu tiên một sự suy diễn định luật bức xạ của ông. Từ biên bản ngắn của buổi họp, người ta không thấy lý thuyết của https://thuviensach.vn 29 Planck đã gây ra phản ứng nào ở những người có mặt. Định luật bức xạ Planck Định luật bức xạ Planck mô tả quang phổ của vật thể đen, nghĩa là sự phân bố năng lượng bức xạ lên các tần số (màu) khác nhau của bức xạ theo sự lệ thuộc vào nhiệt độ của vật thể đen. Trong trường hợp của một vật thể đen lý tưởng (hoàn toàn chỉ phát ra) mật độ năng lượng ρ lệ thuộc vào tần số v và nhiệt độ T của vật thể đen, nên người ta viết ρ(v, T). Ngoài ra, trong định luật bức xạ Planck có ba hằng số xuất hiện: vận tốc ánh sáng c, hằng số Boltzmann k, và lượng tử tác dụng h được Planck đưa ra. Tỷ lệ giữa năng lượng bức xạ E = hv và năng lượng nhiệt kT là quyết định cho hình dạng của quang phổ. Ở nhiệt độ phòng, mật độ Công thức phân bố năng lượng bức xạ của Planck 1900, cội nguồn của thuyết lượng tử. năng lượng lớn nhất ở các tần số tương ứng với bức xạ hồng ngoại sóng dài. Các máy camera hồng ngoại chẳng hạn lợi dụng điều này để nhận dạng các vật thể trong bóng tối thông qua bức xạ nhiệt khác nhau của chúng. Đối với một nhiệt độ khoảng 5.500 độ Celsius - nhiệt độ của mặt trời - thì mật độ năng lượng của bức xạ là cao nhất ở những tần số tương ứng với ánh sáng mắt thấy được. Công thức Planck và những hệ quả của nó Planck đã may mắn thành công với sự suy diễn của một công thức bức xạ, một công thức đứng vững trước mọi thử thách của thực nghiệm. Nhưng cái gì là ý nghĩa vật lý của các phân tử năng lượng trong cách suy diễn của Planck? Sự trả lời câu hỏi này còn cần đến nhiều năm và là mối bận tâm của đông đảo các nhà khoa học trẻ, đặc biệt trước hết Albert Einstein (1879- 1955). Dần dần niềm tin được lan rộng, rằng một sự sụp đổ hoàn toàn của ngành vật lý cổ điển là tất yếu. Nhưng chính Planck lại có thái độ hoài nghi trước những ý tưởng cách mạng này. Năm 1920, Planck nhận giải Nobel của năm 1918 cho sự khám phá lượng tử cơ bản của ông và tác dụng của nó lên sự phát triển tiếp theo của vật lý. Ông được đề cử cho giải này nhiều lần hơn bất cứ một nhà khoa học nào khác. https://thuviensach.vn 30 “Nhờ hai hằng số k và h người ta có nhiều cơ hội thiết lập các đơn vị cho chiều dài, thời gian và nhiệt độ, những cái, độc lập với các vật thể và chất liệu đặc biệt, tất yếu giữ được tầm quan trọng của chúng cho mọi thời đại và tất cả nền văn hóa ngoài quả đất và ngoài con người, và vì thế có thể được gọi là các 'đơn vị đo lường tự nhiên'.” (Max Planck, 1899) https://thuviensach.vn NGUYỄN XUÂN XANH CÁC KHUÔN KHỔ BỊ PHÁ VỠ* Ideas disrupting traditional frameworks Đôi khi ta tìm ra cái Không nghĩ tới Christoph Columbus Đôi khi ta tìm thấy cái Không tin được Nikolaus Copernicus Đôi khi ta tìm thấy cái Không chấp nhận được Charles Darwin Đôi khi ta tìm thấy cái Không thể tưởng tượng nổi Max Planck Columbus, Copernicus, Darwin và Planck là những người tìm thấy cái mà ban đầu họ không hề hình dung. Họ là những nhà cách mạng miễn cưỡng, không ý thức. Xuất phát từ những câu hỏi của những kiến thức cũ, họ “lạc bước” vào vùng đất mới mà những người đi sau mới hiểu hết tầm quan trọng của nó. Columbus đi tìm con đường biển đến Ấn Độ nhưng lại khám phá ra châu Mỹ. Copernicus muốn đơn giản hóa cách tính toán các chuyển động của hành tinh, nhưng rồi lại khai sáng ra một hệ thống thế giới mới trong đó các hành tinh không còn quay xung quanh Trái đất nữa, mà xung quanh Mặt trời. Darwin đi tìm trật tự của tính đa dạng của các chủng loài, nhưng * Viết theo Spektrum der Wissenschaft, Biografie, số 1/2008. Max Planck, Revolutionär wider Willen. Số kỷ niệm được Max-Planck-Gesellschaft xuất bản. https://thuviensach.vn 32 rồi tìm thấy các định luật phát triển của sự sống. Planck muốn hoàn tất ngành vật lý cổ điển nhưng lại chôn vùi nó đi. Các cuộc biến động của thế giới quan suy ra từ các khám phá như thế là khó lòng thấy trước được, cũng không phải là kết quả của các hành động cô đơn của các thiên tài. https://thuviensach.vn PHẠM XUÂN YÊM NGUYỄN XUÂN XANH 108 NĂM THUYẾT LƯỢNG TỬ 108 Years of Quantum Theory 1900 - 1910: - Planck cắt nghĩa bức xạ của vật thể đen, khám phá giả thuyết lượng tử (1900). - Einstein cắt nghĩa hiệu ứng quang điện (1905) bằng giả thuyết quang lượng. 1910-1920: - Khám phá độ siêu dẫn (Kamerlingh Onnes, 1911). - Thuyết của Bohr về quang phổ nguyên tử (1913). 1920-1930: - Khám phá tính chất sóng của electron của de Broglie (1924). - Tiên đoán ngưng tụ Bose-Einstein (1924). - Nguyên lý loại trừ của Pauli (1925). - Thống kê lượng tử Fermi-Dirac (Fermi, 1926). - Cơ học lượng tử ra đời (Heisenberg, Born, Jordan, 1925). - Phương trình sóng (Schrödinger, 1926). - Diễn Giải Copenhagen (1926). - Nguyên lý bất định của Heisenberg (1927). - Phương trình Electron của Dirac và Điện động học lượng tử, QED (1928). 1930-1940: - Neutrino được tiên đoán (Pauli, 1930). - Khám phá phản-electron (Anderson, 1932). - Nghịch lý “Einstein-Podolsky-Rosen” (1935). https://thuviensach.vn 34 - “Con mèo Schrödinger” (1935). - Sự phân hạch, tiền đề của năng lượng hạt nhân (Hahn và Strassmann, 1938). - Khám phá tính siêu lỏng (Landau,1938). 1940-1950: - Bom nguyên tử (1945). - Transistors (Bardeen, Brattain, Shockley, 1947). 1950-1960: - Thuyết sóng hoa tiêu của Bohm (1952). - Thuyết Yang-Mills (nonabelian gauge theory, 1954). - Vi phạm đối xứng gương của lực hạt nhân yếu (Lee-Yang, 1956). - Diễn giải Đa thế giới của Everett (1957). - Thuyết siêu dẫn (Bardeen, Cooper, Schrieffer1957). - IC (integrated circuit) (Kilby, Noyce, 1958). 1960-1970: - Laser (1960) - Khái niệm vi phạm đối xứng tức thì (Nambu, 1960). - Vi phạm đối xứng CP (Cronin và Fitch,1964). - Định lý về biến số ẩn (Bell, 1964). - Giả thiết Quark (Gell-Mann và Zweig, 1964). - Phát hiện bức xạ nền của vũ trụ (Penzias, Wilson, 1964). - Thuyết điện yếu (electroweak) thống nhất điện từ và yếu (Glashow, Salam, Weinberg 1967). - Quark được phát hiện trong một loạt thí nghiệm (Friedman, Kendall, Taylor, 1967 - 1973). - String (Veneziano, Nambu 1968). 1970-1980: - Thuyết Decoherence (Zeh, 1970). - Tái chuẩn hóa thuyết điện yếu (‘t Hooft, Veltman,1971). - Chụp cắt lớp spin hạt nhân (1973). - Cắt nghĩa nguồn gốc vi phạm đối xứng CP trong Mô hình Chuẩn và tiên đoán thế hệ quark thứ ba (Kobayashi, Maskawa, 1973). - Sắc động lực học lượng tử (Gross, Politzer, Wilczek,1973). - Charm quark (1974). - Tau lepton được phát hiện cho thấy có một thế hệ thứ ba của Quark https://thuviensach.vn 35 và Lepton (Perl,1975). - Bottom quark (1977). 1980-1990: - Hiệu ứng lượng tử Hall (Klitzing, 1980). - Thí nghiệm bác bỏ biến số ẩn cục bộ, Thượng đế đổ xí ngầu (1982). - Boson W và Z0 được khám phá ở CERN như các hạt trao đổi của lực yếu (1983). - Superstring (thuyết siêu dây) (Green, Schwarz, 1984). - Siêu dẫn ở nhiệt độ cao (Bednorz, Müller, 1987). - Thiên văn học Neutrino (1987). 1990-2000: - Quang phổ bức xạ nền được đo lường chi tiết bằng kính viễn vọng trên COBE, WMAP, phù hợp đến kinh ngạc với công thức bức xạ vật đen mà Planck viết ra năm 1900 (Mather, Smoot,1992). - Top quark (1994). - Thuyết viễn tải lượng tử (1993). - M-theoy (Witten, 1995). - Chế tạo được ngưng tụ Bose-Einstein, một dạng khí lạnh nhất trong vũ trụ (1995). 2000-2008: - Thực hiện được sự buộc chéo với nhau (entanglement) của hàng tỉ nguyên tử (Polzik, 2002), mở ra triển vọng viễn tải các trạng thái lượng tử của hàng loạt tập hợp nguyên tử. - Viễn tải thông tin thành công (ở dạng một lệnh chuyển tiền) dựa vào hiệu ứng buộc chéo EPR (Zeilinger, 2004) - Cỗ máy LHC khổng lồ được đưa vào hoạt động tại CERN (2008) để tìm hạt Higgs, viên đá còn thiếu của vật chất, và chứng cứ để hiểu những vấn đề xung quanh định luật tối hậu của vũ trụ, như vật chất tối, năng lượng tối, và cái gì đã làm không gian dãn nở. https://thuviensach.vn 36 Cơ sở thuyết lượng tử được khai sinh trong khoảng thời gian 1900-1927 bởi những công trình khai phá của bảy nhà vật lý học (ảnh trên). Trong một trăm năm nó đã cách mạng thế giới quan của chúng ta tận gốc rễ, nhưng cũng còn nhiều bí ẩn chưa hiểu được. (Nguồn: Spektrum der Wissenschaft, Dossier, số 2/ 2006) https://thuviensach.vn MAX PLANCK “NGÀI CỐ VẤN CƠ MẬT MAX PLANCK” Lời người dịch: Phim Ngài cố vấn cơ mật Max Planck thuộc một loạt phim chân dung nói về cuộc đời và sự nghiệp của các nhà khoa học tên tuổi của Đức. Phim này được làm năm 1942 theo lệnh của Bộ Tuyên truyền của Goebbel. Nhưng phim về Max Planck không được sử dụng cho tuyên truyền, mà chỉ để làm hồ sơ tư liệu cho “Cơ quan lưu trữ phim về các nhân cách”. Lý do: Nazi không thấy thuyết phục về tính hiệu quả với Planck, vì Planck có thái độ không chịu khuất phục trước chế độ, không làm theo những gì Nazi mong muốn cho bộ máy tuyên truyền. Ông không từ bỏ ủng hộ công khai Thuyết tương đối của Einstein, tuy không nhắc đến tên Einstein, điều Nazi cấm, như ông đã làm trong chính cuốn phim này. Năm 1943 hay 1944, Planck đọc một bài diễn văn trong một buổi gặp của các công chức Nazi của Bộ Ngoại giao. Bài này cho thấy thái độ của Planck. Nhà báo Thụy Điển Gunnar Pihl có mặt và thuật lại như sau: “[Planck] trình bày quan điểm của mình về sự tồn tại, một cách bình tĩnh, khiêm tốn, khôn ngoan [...]. Ông nhắc đến tên người Do Thái Einstein như một nhân cách hàng đầu và hướng đạo trong thế giới ý tưởng của chúng ta, ông có một cái nhìn vượt xa khỏi các thành kiến thô thiển cũng như những người cuồng tín, không cần để ý đến nơi ông ấy đang ở. Với tiếng nói nhỏ nhẹ ông [khẩn thiết kêu gọi] một viễn cảnh của tính thần thánh (Göttlichkeit) của cuộc đời, và một thế giới của tính hợp pháp. Người đàn ông nhỏ nhắn trong bộ trang phục màu đen [...] là quá vĩ đại để bị ảnh hưởng bởi những nỗ lực của Nazi nhằm thay đổi thế giới. Sự việc diễn ra giống như người ta đi tham dự một buổi lễ vui nhưng lại nghe một bài thuyết giáo. Một sự khác biệt khủng khiếp với tinh thần đang thống trị tại nơi này.” Gestapo nghi ngờ mẹ ông không thuần chủng, cho điều tra và kết luận ông có “một phần mười sáu” là Do Thái! Khoảng sau 1943 “Cơ quan quản lý khoa học” của Nazi khuyến cáo Planck không tiếp tục diễn thuyết khoa học nữa! Phim được tìm thấy lại vào năm 1983. Dưới đây là phần lời được dịch ra tiếng Việt. Khi bước vào tuổi 85 như tôi, người ta sẽ cảm thấy có nhu cầu mạnh mẽ https://thuviensach.vn 38 hơn thường lệ, muốn làm rõ cuộc đời mình đã diễn ra như thế nào: để có một cái nhìn về quá trình phát triển cho đến nay, và với một cái nhìn tổng kết, để tường trình cho chính mình và những người khác, về những cái đã phấn đấu, và những cái đã đạt được, và cuối cùng để hướng tầm mắt một lần nữa về tương lai. Tôi xuất thân cùng với gia đình từ vùng đất Schwabenland1. Ông cố tôi chuyển từ Nürtingen gần Stuttgart sang Göttingen, và từ đó các con, cháu, cháu chắt đi phiêu bạt trong vùng Bắc Đức và sinh sôi nảy nở ở đó. Phần lớn trong họ là những nhà thần học, nhà ngữ văn, và tôi có lẽ là người duy nhất của dòng họ đã trở thành nhà vật lý. Tôi cắt nghĩa điều này là do ảnh hưởng của môi trường xung quanh, vì trong trường tôi, tôi được gây cảm hứng bởi vị thầy toán học của tôi, tên ông là Herman Müller, một con người rất có óc khôi hài, và rất khe khắt, có khả năng làm cho chúng tôi say mê về tất cả những gì là mối liên hệ giữa toán học và khoa học tự nhiên - một mặt giữa sự chặt chẽ của phương pháp toán học, và mặt khác cái cao cả và vẻ đẹp của các định luật ngự trị trong tự nhiên. Và lúc đó, lý tưởng của cả một hoạt động khoa học của tôi đã hình thành, lý tưởng mà hôm nay tôi vẫn còn theo đuổi: đi tìm sự hài hòa ngự trị một mặt giữa sự chặt chẽ của toán học, và mặt khác sự đa dạng của các định luật tự nhiên ở xung quanh chúng ta; và từ đó có được khả năng, với sự giúp đỡ của sự sắc bén của logic chúng ta, và của tư duy của con người, quán triệt được tự nhiên, tìm thấy sự thống nhất giữa các định luật logic này với các định luật của tự nhiên. Bằng cách này, chúng ta cũng đạt đến sự làm chủ thiên nhiên, và điều đó đối với tôi luôn luôn là mục đích đẹp đẽ nhất của tất cả hoạt động khoa học. Chúng tôi, như đã nói, lớn lên trên vùng Bắc Đức, mặc dù nguyên thủy có gốc rễ là người Schwaben. Tôi sinh ra ở Kiel, sau đó về Munich, nơi bố tôi nhận được lời mời làm giáo sư ở đại học. Bố tôi là một người chính thống của địa phận Schlewig-Holstein của Công tước Augustenburg, và ông không hài lòng khi thấy Schleswig-Holstein bị Phổ thôn tính. Điều đó khiến ông rời bỏ Holstein và về Munich, làm việc tại đại học ở đó. Sau này, hòa bình được ký kết giữa những người theo Augustenburg và người Phổ, vào năm mà công chúa chúng tôi, người con gái của Công tước Augustenburg, trở thành Hoàng hậu Đức. Sau này tôi còn nhớ lại bà đã một lần tiếp tôi ở đây như thế nào với tư cách là hoàng hậu. Kỷ niệm thật là đẹp khi nhớ lại 1 Miền Nam-Tây Đức. https://thuviensach.vn 39 lúc đó trong một cuộc diễu hành lớn tôi phải đi ngang qua bà, và tôi cúi chào và buông ra một lời nói về Kiel, rồi bà kéo tôi vào một cuộc nói chuyện, kéo dài hơn là bình thường, khiến cho vị trưởng ban nghi lễ sau đó, khi tôi đi ngang qua lại, và sau khi cuộc diễu hành đã chấm dứt, hỏi tôi một cách rất tò mò rằng chuyện gì đã xảy ra và bà hoàng hậu đã nói những gì với tôi. Tôi phải cười về tình tiết này. Vâng, rồi chúng tôi đi về Munich, và tôi theo học, và chính người thầy toán học của tôi đã làm cho tôi say mê toán học, và ở đó, tôi bắt đầu những nghiên cứu của tôi. Sau đó tôi vào đại học. Năm cuối cùng tôi học tại Berlin, và bắt đầu sự nghiệp với chức vụ Privatdozent1, và rồi bằng cách này, đời tôi diễn ra trong những thông lệ rất bình thường. Tôi trở thành Provatdozent và sau đó thành giáo sư tại Kiel và Berlin, và từ 1889 tôi ở đây, tại Berlin, trong đại học, đầu tiên là giáo sư ngoại ngạch, sau đó là giáo sư thực thụ, và bây giờ tôi nghỉ hưu, nghĩa là thực ra một người Berlin già. Nhưng thực ra những người Berlin già đúng nghĩa không có nhiều, những người vốn sinh ra ở đây; và đặc biệt trong vòng hàn lâm; người ta di chuyển từ một đại học này đến một đại học khác, nhưng tôi lại là người thực sự rất cố cư. Một khi người ta đã đáp xuống Berlin, thì khó lòng đi khỏi nơi đó; bởi vì ở đây, nói cho cùng, là trung tâm điểm của tất cả các phong trào trí tuệ của nước Đức. Với thời gian, nó lại càng mạnh mẽ hơn nữa. Trong mặt nào, việc tập trung hóa đó là điều đáng tiếc. Tôi trước đây đã ủng hộ các trào lưu cao quý của các cung đình: Darmstadt, Dresden, Munich và Weimar, và tất cả những cái khác; còn nhiều cái khác: Karlsruhe, Dresden, Leipzig. Nhưng tất cả những cái đó đều mất đi ánh hào quang trước Berlin, như bây giờ, và điều đó là đáng tiếc. Nhưng chắc chắn đó là sự biến đổi của thời gian. Bây giờ tôi muốn kể quý vị chút ít về cuộc đời khoa học của tôi, và có lẽ đó là cái mà phần lớn quý vị quan tâm, dù không phải tất cả đều hiểu được hết điều bây giờ tôi nói. Những gì tôi nói sẽ khá là vật lý. Như đã nói, tôi đã bắt đầu học đại học ở Munich, nơi tôi đã đến trường. Ở đó, các giáo sư Ludwig Seidel và Gustav Bauer đã dạy tôi toán học, và Philipp von Jolly vật lý. Tôi vẫn nhớ đến họ trong sự biết ơn. Nhưng tôi không thể quên được những lời nói của vị giáo sư sau cùng, Ngài von Jolly, khi tôi làm một cuộc 1 Một học hàm sau Tiến sĩ ở Đức để có đủ phẩm chất dạy trên đại học và có thể trở thành Giáo sư. ND https://thuviensach.vn 40 từ giã để làm học trình cuối cùng tại Berlin, đúng ngành vật lý lý thuyết. Ông ấy nói như thế này: “Vật lý lý thuyết, đó là một ngành rất đẹp, nhưng hiện tại lại không có ghế giáo sư cho nó. Nhưng cơ bản nó sẽ không đem lại cái gì mới hơn. Vì với sự khám phá nguyên lý bảo toàn năng lượng thì tòa nhà vật lý lý thuyết đã khá hoàn chỉnh. Người ta có thể đó đây quét ra được một hạt bụi trong một góc này hay góc kia của tòa nhà, nhưng một điều gì mới mẻ cơ bản thì Ông sẽ không tìm được.” Nếu những lời nói này không ngăn được tôi đi con đường đã được nhắm đến, thì không phải đó là vì ý nghĩ mình sẽ làm được điều gì mới, mà đúng hơn, đó là vì nguyện vọng được nghiên cứu các định luật tự nhiên nhiều hơn. Và ở Berlin đã diễn ra khúc quanh dẫn đến đề tài chính của cả ngành nghiên cứu của tôi: nghiên cứu các định luật cơ bản của nhiệt động học. Bởi vì cơ học đối với tôi như đã phát triển hoàn chỉnh. Trong khi đó các định luật cơ bản của nhiệt động học đòi hỏi tính hiệu lực cho tất cả các hiện tượng tự nhiên, bất kể người ta nghĩ thế nào về sự cấu tạo của vật chất, dù người ta nghĩ nó được cấu trúc như từ những nguyên tử hay một cách liên tục. Trên bầu trời vật lý trước đây khi tôi đến Berlin, các giáo sư Hermann Helmholtz như nhà thực nghiệm, và Gustav Kirchhoff như nhà lý thuyết, tỏa sáng. Tôi nghe bài giảng của cả hai; nhưng tôi ít quan tâm đến các bài giảng này, bởi vì chúng không nói về nhiệt. Chính các bài viết của Rudolf Claudius đã lôi cuốn tôi, bằng sự sáng sủa giản dị và sự chặc chẽ của diễn đạt, đến độ tôi dừng lại tại đó để toàn tâm nghiên cứu các định luật này. Đặc biệt khái niệm entropy được Claudius định nghĩa đã gây sự chú ý của tôi. Entropy là một đại lượng bên cạnh năng lượng tượng trưng cho cái quan trọng nhất của cả tự nhiên. Năng lượng là bất biến, trong khi entropy luôn luôn tăng. Nó không bao giờ giảm. Và đó chính là bản chất của Định luật thứ hai của nhiệt học, rằng entropy của một hệ thống của các vật thể chỉ có thể luôn luôn tăng lên; trong trường hợp tới hạn, nó dừng lại bằng hằng số. Nếu nó tăng, thì hiện tượng là không thuận nghịch (không đảo ngược). Nếu nó không thay đổi, thì hiện tượng thuận nghịch, và người ta cũng có thể để cho nó đảo ngược được. Đó là sự khác biệt lớn trong tất cả các định luật tự nhiên. Và cân bằng nhiệt động học sẽ diễn ra khi entropy đạt đến trị số cực đại. Nếu nó không tăng, thì cũng không có sự thay đổi nữa của hệ thống. Tất cả các tính chất của một sự cân bằng nhiệt động học bắt nguồn từ https://thuviensach.vn 41 định lý này. Và chính định lý này, tôi giờ áp dụng nó lên các sự cân bằng lý hóa và lên các cân bằng bức xạ. Trong các cân bằng lý-hóa, có một người Mỹ, đó là J.Willard Gibbs, giáo sư ở Baltimore, đi trước tôi, và bằng cách đó ông đã lấy đi sự thành công của tôi. Ngược lại trong các cân bằng bức xạ, những con đường mới đã được dành cho tôi, và đó chính là đóng góp chính của tôi. Nhưng entropy của nhiệt bức xạ, sự lệ thuộc của entropy vào cường độ bức xạ, tôi không tìm thấy chúng bằng con đường lý thuyết, như tôi ban đầu đã thử nghiệm. Mà tôi đã tìm thấy chúng bằng cách dựa vào các đo đạc một phần của Otto Lummer và Ernst Pringsheim tại Trung tâm kỹ thuật-vật lý (Berlin), và phần khác của Heinrich Rubens và Friedrich Kurlbaum tại Đại học kỹ thuật (Berlin). Trên đường tìm cách diễn giải các định luật đã được tìm ra bằng thực nghiệm này, tôi đã để mình hướng dẫn bởi một ý tưởng của Ludwig Boltzmann vốn đã gây một ấn tượng lớn lên tôi. Thật vậy, ông đã diễn giải, xuất phát từ quan điểm của thuyết nguyên tử, entropy của một khí như là logarith của xác suất của trạng thái khí. Việc áp dụng ý tưởng tương tự lên bức xạ của hộp rỗng chỉ có thể thành công, nếu chúng ta cũng quan niệm bức xạ được cấu trúc từ những nguyên tử, nếu người ta xem bức xạ được cấu tạo bằng những mặt trước đặc biệt. Và giả thiết này tất yếu dẫn đến giả thuyết của các nguyên tử bức xạ, hay các lượng tử bức xạ có độ lớn nhất định, điều được biết rất chính xác qua các phép đo hiện hành. Ban đầu tôi chần chừ sử dụng giả thuyết này, bởi nó trái ngược với mọi quan niệm của nguyên tử học cổ điển. Nhưng không có con đường nào khác, và kinh nghiệm đã chứng minh bằng công trình nghiên cứu của vô số các đồng nghiệp rằng, giả thuyết đó phù hợp với thực tại. Dĩ nhiên, phải cần đến nhiều năm để cộng đồng vật lý học chú ý đến lý thuyết của tôi; vì ban đầu nó xa lạ trong các giới khoa học, vì thế nên không được để ý, như rất thường xảy ra đối với những phát minh mới. Nhưng không lúc nào tôi để mình lo sợ hay buồn phiền, dù thoáng qua và dưới mọi hình thức, chỉ vì sự thiếu công nhận, bởi tôi quá chắc chắn việc của tôi để phải nghi ngờ sự thành công cuối cùng của nó. Do đó, tôi có thể nhìn sự phát triển tiếp theo với tất cả sự bình tĩnh. Sự phát triển này cuối cùng đã diễn ra nhanh chóng hơn tôi tưởng lúc ban đầu. Bởi vì, bằng những phép đo đạc ngày càng chính xác hơn trong khoa học, người ta nhanh chóng thấy rõ, các trị số của hằng số vật lý quan trọng nhất, đó là lượng tử cơ bản điện, khi các phương pháp đo đạc càng chính xác, thì nó càng tiến gần đến trị số https://thuviensach.vn 42 mà tôi đã tính toán được trước từ các đo đạc bức xạ. Điều đó đã chứng minh rằng chính phép đo đạc bức xạ này, và sự tính toán suy ra từ đó, là con đường đúng đắn để đi đến các trị số này. Đến nay, tôi chủ yếu nói về nhiệt động học. Bây giờ tôi muốn nói đôi lời về cơ học. Cơ học, tôi xem nó, cũng như những nhà vật lý trước đây, chính là cơ sở của cả ngành khoa học vật lý, và cho đến nay vẫn như thế. Vì nó tính toán với các biến số không gì khác hơn là không gian và thời gian, và những cái này là không thể thiếu trong tất cả các lĩnh vực tự nhiên. Cho nên, sự thiết lập thuyết tương đối ngay từ đầu đã gây sự chú ý đặc biệt của tôi, và tôi vô cùng sung sướng khi nhận ra rằng, bằng việc cân bằng năng lượng và xung lượng, thuyết tương đối đã trở thành sự hoàn thiện và đăng quang của cả tòa nhà vật lý lý thuyết. Tôi cũng đã, trong thời gian nó chưa phát triển đến sự chín muồi, có một loạt đóng góp vào đó. Ngoài ra tôi cũng hướng sự quan tâm của mình luôn đến những vấn đề nhằm thống nhất và đơn giản hóa cả hệ thống của ngành vật lý lý thuyết. Hiện tại, sự phát triển mới nhất của vật lý diễn ra trong sự hiện diện của thuyết lượng tử. Thuyết lượng tử là một bước phát triển mới trên con đường nhận thức tự nhiên, và nhiều nhà vật lý xuất sắc đã có khuynh hướng thiên về việc xem chỗ đứng hiện tại mà nó đã đạt được là một điểm dừng mới, như là một sự kết thúc cuối cùng của các hoạt động nghiên cứu của chúng ta về các định luật tự nhiên. Tôi không thuộc về những người này. Tôi tin rằng thuyết lượng tử chưa phát triển đến sự chín muồi toàn diện, chưa đạt đến sự kết thúc trọn vẹn, tôi tin rằng, trong các khái niệm, chúng ta còn phải làm một sự khái quát hóa, trừu tượng hóa nào đó, để đi đến một sự hiểu biết làm hài lòng một cách tương tự về các định luật tự nhiên, như thuyết cổ điển trước đây đã đem lại, thuyết mà giờ đây chúng ta đã phải từ bỏ. Tôi tin rằng công việc còn phải nhiều và còn phải đi xa lắm, trước khi chúng ta đạt được một sự kết thúc như thế. Vâng, đó là một điều, trong một nghĩa nào, không làm chúng ta thỏa mãn, nhưng mặt khác, căn bản mà nói, điều đó là cần thiết và đáng vui mừng, bởi vì cái chung cuộc, cái cuối cùng, chúng ta sẽ chẳng bao giờ đến được. Lao động khoa học sẽ không bao giờ chấm dứt, và thật là một điều nghiêm trọng nếu nó chấm dứt. Bởi vì, nếu không còn bài toán nào nữa thì người ta sẽ xếp hai tay vào lòng và cái đầu vào sự yên tĩnh, và người ta sẽ không làm việc nữa. Mà đứng yên là ngưng trệ, và đứng yên là chết, đối với khoa học. Hạnh phúc của nhà nghiên cứu không nằm ở chỗ nắm được chân https://thuviensach.vn 43 lý, mà là đi tìm chân lý. Và sự thỏa mãn đích thực nằm ở cuộc săn tìm tiếp tục, và thành công này. Cuộc tìm kiếm tự nó chưa thỏa mãn. Cần phải có thành công. Chính sự lao động thành công này là mạch nguồn của mỗi sự nỗ lực, và của mỗi niềm vui sướng trí tuệ. Khi mạch nguồn ấy khô đi, khi chân lý đã được tìm thấy, thì mọi việc sẽ chấm dứt, người ta có thể đi ngủ, về thể xác lẫn tinh thần. Nhưng đã có sự sắp xếp để chúng ta không chứng kiến cảnh tượng đó, và đấy chính là nguồn hạnh phúc của chúng ta. Cuối cùng tôi muốn nói một lời để làm nhẹ bớt lương tâm. Hôm nay, ngày 5.12.1942, theo lời mời thân ái tôi đến đây, tại đường Jägerstraße, số 26, để nói mấy lời vào cơ quan lưu trữ phim, để đời sau, nếu quan tâm đến công việc của tôi, sẽ có thông tin về cá nhân tôi. Nhưng tôi muốn nhấn mạnh ở đây, rằng người đời sau đừng nên cho rằng cái gì họ nghe và thấy ở đây là sự minh họa sau cùng của cá nhân tôi; bởi vì cái gì tôi đã nói ở đây đã hình thành một cách ứng khẩu như nó đã chợt đến với tôi. Tôi đã không thể chuẩn bị như đáng lẽ tôi phải làm, nếu tôi biết trước tôi phải xuất hiện như thế nào. Vì vậy, tôi xin hãy xem đây chỉ là một cố gắng diễn đạt mình để có một cái gì còn lại cho đời sau. Ai muốn tìm hiểu chính xác về cá nhân tôi, thì xin người đó hãy theo sát những gì tôi đã viết và tôi đã in. Tôi có thể bảo đảm những cái đó. Khi càng lớn tuổi, người ta càng thấy trách nhiệm cho những gì mình nói. Cho nên trong những năm qua, những gì tôi nói về tôi, tôi thường quen suy nghĩ chính xác trước đó, và chuẩn bị cho mỗi bước đi mà tôi sẽ đi. Điều đó hôm nay đã không diễn ra, vì thế nên tôi phải đặt một dấu hỏi sau những gì tôi đã nói ở đây, và xin quý vị suy xét với sự rộng lượng. NGUYỄN XUÂN XANH dịch Từ bản tiếng Đức trong “Max Planck, Vorträge und Ausstellung zum 50. Todestag” của Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. München, 1997. https://thuviensach.vn https://thuviensach.vn NGUYỄN XUÂN XANH NIÊN BIỂU TÓM TẮT MAX PLANCK 1858-1947 1858: Max Karl Ernst Ludwig Planck sinh ra ngày 23.4 tại Kiel, Bắc Đức, là con trai của Johann Julius Wilhelm v. Planck và Emma Patzig. 1867: Gia đình chuyển về München, nơi đó Max hoàn tất tú tài năm 1874 tại trường Maximilians-Gymnasium. 1874: Học vật lý tại Đại học München, và 1978 tại Berlin với thầy Hermann Helmholtz và Gustav Kirchhoff. 1879: Lấy tiến sĩ tại Đại học München với đề tài “Về định lý cơ bản thứ hai của nhiệt học” và bằng giáo viên cho vật lý và toán học. 1880: Sau khi hoàn tất Habilitation với đề tài “Các trạng thái cân bằng của các vật thể đẳng hướng”, Max Planck trở thành Privatdozent tại Đại học München. 1885: Giáo sư ngoại ngạch ngành vật lý lý thuyết tại Đại học Kiel. 1887: Kết hôn với Marie Merck (1961-1909); các con Karl (1888-1916), Emma (1889-1919), Grete (1889-1917), Erwin (1893-1945); 1911 tái hôn với Marga von Hoeßlin (1882-1949), con: Hermann (1911-1954). 1889: Được Đại học Berlin mời kế vị Gustav Kirchhoff trước tiên là giáo sư ngoại ngạch, từ 1892 là giáo sư thực thụ, 1894 Giám đốc Viện Vật lý lý thuyết; nghỉ hưu 1926. 1894: Thành viên của Hàn lâm viện khoa học Phổ (từ 1912-1938 thư ký thường trực). Bắt đầu các công trình nghiên cứu thuyết bức xạ nhiệt. 1899: Khám phá hằng số h. 1900: Thuyết trình các ngày 19.10 và 14.12 trước Hội Vật lý Đức tại Berlin về Định luật Planck của Bức xạ nhiệt và Giả thuyết lượng tử (“Khai sinh của Thuyết lượng tử”). 1918: Giải Nobel Vật lý cho khám phá lượng tử. https://thuviensach.vn 46 1930: Chủ tịch tổ chức Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft (KWG, đến 1937), ông còn đảm nhiệm các công việc điều hành một lần nữa năm 1946; ngày 11.9.1946 Max-Planck-Gesellschaft được thành lập như hậu thân của KWG. 1947: Max Planck diễn thuyết lần cuối cùng ngày 28.3 tại Bonn. Ngày 4.10 ông mất tại Göttingen, hưởng thọ 89 tuổi. https://thuviensach.vn NGUYỄN XUÂN XANH MAX PLANCK CUỘC ĐỜI VÀ KHOA HỌC∗ Abstract. Max Planck ‐ His life and science. The author tells stations of Max Planck’s life and the story of his scientific foundation of quantum theory, his character, his leading role in German science establishment, glories and sufferings, his political views during the dictatorship of national socialism and the birth of Max‐Planck‐Society. “Tôi chào định mệnh đã cho tôi một nền giáo dục nhân văn. Các nhà cổ điển Hy Lạp và La Mã tôi không bao giờ muốn đánh mất khỏi trí nhớ tôi. Tôi tin chắc rằng, trong thời đại hiện tại, chủ yếu được định hướng theo những lợi ích bề ngoài, thì trường trung học nhân văn lại càng quan trọng hơn bao giờ hết. Vì thế cần phải cho tuổi trẻ biết rằng còn một loại ‘thưởng thức’ khác hơn là loại thưởng thức chỉ dựa trên lĩnh vực vật chất hay tiết kiệm thì giờ và tiền bạc.” Max Planck I. Giá trị của khám phá 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. Không những nó đem lại cách tư duy và phương pháp làm việc cho khoa ∗ Bài này được viết đầu tiên trong tháng Tư và được đăng một phần trong báo Tuổi trẻ vào ngày sinh nhật 23.4.2008 của Max Planck: http://www.tuoitre.com.vn/Tianyon/Index.aspx?ArticleID=254166&ChannelID=17 sau đó được tu chỉnh và bổ sung cho Kỷ yếu. https://thuviensach.vn 48 học, giải thích được những hiện tượng tự nhiên trong trời đất bằng toán học chính xác, nó còn châm ngòi cho phong trào Khai sáng ở châu Âu thế kỷ 18. 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, hay cũng như Thuyết tương đối của Einstein. II. Vật lý cuối thế kỷ 19 Bút tích của Planck: thư gửi Heinrich Hertz. (Nguồn: Vorträge, Reden und Erinnerungen) Cuối thế kỷ 19, lối suy nghĩ của giới khoa học ở châu Âu là bảo thủ, rộng hơn cả, giới chính trị cũng thế. Sau một thời gian xây dựng vũ bảo 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. Vật lý học được xem như tựa lên hai cột trụ bền vững không gì lay chuyển nổi, và hoàn hảo nhất: cơ học của Galilei-Newton và thuyết điện từ của Maxwell được phát triển từ những quan niệm thực nghiệm về trường của Faraday. Tuy 10 năm cuối của thế kỷ 19, giới khoa học chứng kiến một loạt hiện tượng mới không giải thích được, như tia Röntgen, hiện tượng phóng xạ, sự kiện không tìm thấy chuyển động của trái đất đối với ether qua thí nghiệm của Michelson Morley, tính chất kỳ lạ của bức xạ (tia ca-tốt), nhưng người ta tin rằng sẽ giải quyết được những “lỗ hổng” đó bằng các lý thuyết hiện hành. Không ai nghĩ rằng tòa nhà khoa học đang rạn nứt, và con người đang đứng trước một thế giới mới bao la. https://thuviensach.vn 49 Thế giới quan của Planck đã hình thành trong không khí tư duy bảo thủ đó mà sau này ông đã phải chiến đấu với nội tâm để vượt qua chính mình và xét lại những “tín điều” đã có. Những kinh nghiệm trong khoa học và chính trị đã dạy ông, rằng không có tòa nhà khoa học lẫn tòa nhà nhà nước hiện hữu nào được phép xem như bất khả xâm phạm. Nhưng chính con người mang quan niệm bảo thủ này lại làm một cuộc cách mạng vĩ đại - một cách miễn cưỡng- có những hệ quả không kém so với Copernice hay Newton. III. “Một cái đầu logic và sáng sủa” Max Planck thời sinh viên tại Berlin, 1878 Max Planck sinh ngày 23.4.1858 tại Kiel, Bắc Đức, học vật lý ở München và Berlin. Gia đình ông là những người có tiếng tăm thuộc giới hàn lâm, phục vụ nhà nước và nhà thờ. Ông có niềm tin rằng các định luật tự nhiên tồn tại độc lập với con người, đơn giản và có thể lý giải được bằng tư duy. Ông là một học trò thuộc loại gương mẫu, “một người được các thầy và đồng bạn yêu mến, và với tất cả sự thơ ngây, là một cái đầu rất logic và sáng sủa. Hứa hẹn cái gì đó xứng đáng” như được ghi trong chứng chỉ của trường. Max Planck rất có khiếu về âm nhạc, đến nỗi trước khi vào đại học, ông phân vân không biết mình nên học nhạc hay vật lý. Ông cũng là người thích leo núi một cách đam mê. Một ngày leo núi làm cho tâm hồn ông vui sướng như nghe một bản giao hưởng của Brahms. Ở tuổi 80 mà ông vẫn còn leo núi đến độ cao 3.000m! Đó là nguồn sức mạnh để giúp ông lao động và vượt qua những thử thách. Ngay từ nhỏ ông đã chứng kiến những cảm xúc quốc gia, lòng yêu nước sôi sục, biểu lộ ý chí cao độ về một sự thống nhất quốc gia của tổ quốc và có ấn tượng sâu đậm trước những sự kiện lịch sử. Năm 13 tuổi, ông chứng kiến cuộc chiến tranh Pháp-Đức 1870-1871 và được tin https://thuviensach.vn 50 người anh mất tại trận Orléan, chứng kiến sự thành lập của vương quốc Đức mới. Ông cùng đồng cảm với những anh hùng đã biểu lộ tình yêu tổ quốc bằng chính máu thịt mình. Đức là nơi mà khoa học đã trở thành một vùng đất thánh được thế tục hóa, trong một đất nước đang tăng trưởng khủng khiếp về kinh tế, công nghiệp, khoa học kỹ thuật, tất cả đều quyện chặt nhau. Khoa học đã trở thành ‘Grossbetrieb’, đại tổ chức. Cuộc cải cách giáo dục và đại học của W. von Humboldt đầu thế kỷ 19 đã đem lại một sự tăng trưởng trong khoa học chưa từng có trong lịch sử. Người Đức muốn lấy “sức mạnh tinh thần để thay thế những mất mát vật chất” đã diễn ra đầu thế kỷ 19 trong trận chiến với Napoleon. Giới hàn lâm như đang sống trong một cơn sốt, các khám phá khoa học kỹ thuật diễn ra ngày càng dồn dập, đẩy mạnh cuộc công nghiệp hóa vượt bậc. Khoa học và giáo dục có uy tín rất lớn, trở thành một loại kinh thánh thứ hai cho giới trí thức trung lưu. Khoa học được nhà nước và xã hội công nhận như điều kiện tiên quyết cho sự phát triển kinh tế, cho quyền lực và uy tín quốc gia. Các nhà khoa học có ý thức và tinh thần lao động cao, đam mê nghiên cứu, khám phá. Đó là một môi trường ‘dậy men’ của một quốc gia đang say men thành công. Họ làm thành “thời đại thiên tài thứ hai” của Đức. Max Planck sẽ là người tiêu biểu cho thời đại này. Ông tốt nghiệp trung học lúc 16 tuổi, tốt nghiệp tiến sĩ năm 1879 tại München lúc 21 tuổi (năm Einstein mới ra đời), khá trẻ, và là Privatdozent (vị trí chờ ghế giáo sư) tại đây từ 1880-1885, sau đó là giáo sư ngoại ngạch ngành vật lý lý thuyết tại Kiel, và từ 1889 là người kế tục chiếc ghế giáo sư của người thầy khả kính của mình là Kirchhoff tại Berlin. Ngay từ đầu, ông có một chương trình nghiên cứu khá tham vọng về những vấn đề của nhiệt động học, và khái niệm mới là entrôpi của Clausius, đặc biệt muốn xây dựng chặt chẽ cái gọi là định lý cơ bản thứ hai của nó bằng thuyết các hiện tượng điện từ. “Tôi xem entropi như một tính chất quan trọng nhất của bất cứ một hệ thống vật lý, bên cạnh năng lượng. Vì entropi cực đại gắn với cân bằng cuối cùng, tất cả các định luật của cân bằng vật lý và hóa học đều có thể được suy ra từ kiến thức về entropi.” như ông nói lúc 21 tuổi khi tốt nghiệp luận án tiến sĩ. Ông là con người tự học và tự lập là chính:“Tôi không được ban hạnh phúc để có quan hệ cá nhân với một nhà nghiên cứu, hay vị thầy nổi tiếng để ảnh hưởng lên hướng phát triển sâu của quá trình giáo dục tôi. Những điều tôi học được đều bắt nguồn từ việc nghiên cứu các bài viết của các bậc thầy, trong số đó đặc biệt tôi https://thuviensach.vn 51 phải kể đến các tên tuổi Hermann von Helmholtz, Rudolf Clausius, Gustav Kirchhoff trong sự ngưỡng mộ và biết ơn.” Cũng như Einstein, ông dựa vào sách vở và tự học là chính. Các bài giảng của các giáo sư tên tuổi hầu như không ảnh hưởng lên ông: “Tôi phải thú nhận rằng các bài giảng không mang lại cho tôi lợi ích nào đáng kể. Helmholtz rõ ràng chẳng bao giờ chuẩn bị tốt, ông luôn ngập ngừng, lấy những dữ liệu cần thiết từ một quyển ghi chép, ngoài ra ông luôn luôn tính sai trên bảng, chúng tôi có cảm tưởng chính ông cũng không kém phần buồn tẻ như chúng tôi... Ngược lại Kirchhoff thuyết trình từ một quyển vở giáo trình được chuẩn bị chu đáo, ở đó mỗi câu chữ được đặt đúng chỗ cẩn thận. Không một chữ hơn, không một chữ kém. Nhưng cả bài giảng dường như được học thuộc lòng, khô khan và đơn điệu. Trong hoàn cảnh này tôi chỉ có thể thỏa mãn nhu cầu nâng cao trình độ khoa học bằng cách đọc những sách báo tôi quan tâm, và một cách tự nhiên đó là những gì liên quan đến nguyên lý năng lượng. Vì thế, các nghiên cứu của Rudolf Clausius đã lọt vào tay tôi, những bài viết đã gây một ấn tượng mạnh mẽ bằng ngôn ngữ và sự sáng sủa dễ hiểu, và tôi đi sâu vào đó với sự thích thú ngày càng lớn. Hơn nữa, tôi đánh giá cao sự diễn đạt chính xác của ông về hai định lý cơ bản của nhiệt học và việc làm rõ lần đâu tiên sự khác biệt của chúng.” IV. Đi tìm cái tuyệt đối Ông là người đi tìm cái vĩnh cửu, tuyệt đối. “Tôi chỉ tiếp xúc với vật lý học lần đầu tiên qua thầy dạy toán của tôi, Hermann Müller, một người trạc tuổi trung niên, suy nghĩ rất sắc sảo và hài hước. Ông ấy hiểu cách mô tả những định luật vật lý mà ông dạy bọn học trò chúng tôi bằng những thí dụ rất đặc trưng. Cho nên bằng cách đó tôi đón nhận định luật bảo toàn năng lượng như định luật đầu tiên trong đời có hiệu lực độc lập với con người như một ‘tin lành’ trong tôi”. Ông mô tả việc đi tìm cái “tuyệt đối” trong các định luật tự nhiên từ cái tương đối: “Chúng ta luôn luôn xuất phát từ những cái tương đối. Tất cả những phép đo đạc của chúng ta đều có tính chất tương đối. Vật liệu của các thiết bị mà chúng ta sử dụng là lệ thuộc vào nguồn gốc của nó, sự cấu tạo của chúng lệ thuộc vào tính khéo léo của người thợ kỹ thuật đã nghĩ ra nó, việc sử dụng chúng lệ thuộc vào những mục tiêu đặc thù mà người thí nghiệm muốn đạt tới với chúng. Từ tất cả những dữ liệu này, chúng ta có nhiệm vụ đi tìm cái tuyệt đối, cái phổ quát, bất biến chứa đựng trong đó.” Lĩnh vực bức xạ nhiệt hiện ra như một vùng đất mới đối với ông: “Cái gọi là sự phân bố năng lượng chuẩn do đó thể hiện một cái già tuyệt đối, và vì sự tìm kiếm cái tuyệt đối luôn là một nhiệm vụ khoa học đẹp nhất cho nên tôi đã bắt tay vào công việc một cách nhiệt tình.” Những nghiên cứu của Kirchhoff đã chứng minh rằng, bức xạ trong một phòng rỗng có các bức tường bao bọc được đun nóng lên ở https://thuviensach.vn 52 một nhiệt độ nhất định có tính chất tuyệt đối: nó hoàn toàn độc lập với tính chất của vật liệu của các bức tường, và là một hàm số phổ quát của nhiệt độ của các bức tường và của tần số của các sóng thành phần của bức xạ (màu của ánh sáng). Sự lệ thuộc nhiệt độ thể hiện ở chỗ, ở nhiệt độ 550oC màu của bức xạ phát ra từ vật đen là đỏ sẫm, ở nhiệt độ 750oC, màu đỏ tươi, ở 900oC màu cam, ở 1.000oC màu vàng, ở 1.200oC và trên đó màu trắng, như chúng ta có thể quan sát ở một thanh sắt được nung lên. Trên quang phổ, Wilhelm Wien đã chứng minh rằng các màu của bức xạ chuyển dịch từ đỏ sang tím, nghĩa là sang vùng các tần số cao hơn, nhưng chưa tìm thấy cơ sở lý thuyết nào để giải thích chính xác định luật bức xạ đó. Từ 1896 trở đi, Planck tập trung toàn bộ sức lực để giải quyết bài toán này, nhất là khi Wien lần đầu tiên ứng dụng khái niệm entrôpi ở đây, điều làm cho bài toán càng thêm hấp dẫn, và Planck “chỉ nghĩ rằng tôi phải đạt được một kết quả tích cực, trong mọi hoàn cảnh, bằng mọi giá”. Mô tả thí nghiệm. Phòng rỗng được đun nóng lên bên trong một lớp cách nhiệt. Ánh sáng phát xạ đi qua lăng kính quang phổ, và một máy cường độ được đặt chỗ tiếp nhận. (Nguồn: E.P.Fischer) Khoảng tháng Năm 1899, Planck tuy chưa tìm ra hình dạng phổ quát chính xác của bức xạ nhiệt, nhưng đã tìm ra dấu vết của hai hằng số k và h mà ông tin là cực kỳ quan trọng. Ông một lần thổ lộ với đứa con trai út Erwin lúc đó mới bảy tuổi trong một cuộc đi dạo rừng, rằng “khám phá lớn nhất” (hằng số h) cũng quan trọng như khám phá của Newton” (hay Copernice). Lúc đó ông chưa khám phá công thức bức xạ hay giả thiết lượng tử. Ông rất hồ hởi đã tìm thấy ở h “cái tuyệt đối”: “Bằng cách ở mỗi hiện tượng tự nhiên của cái riêng lẻ, cái quy ước, và ngẫu nhiên, chúng ta hướng mắt đến cái phổ quát, cái khách quan và tất yếu, thì chúng ta tìm cái độc lập đằng sau cái lệ thuộc, cái tuyệt đối đằng sau cái tương đối, cái vĩnh cữu đằng sau cái vô thường. Và như tôi nhìn thấy, cái khuynh hướng này biểu lộ không những trong vật lý học, mà https://thuviensach.vn 53 còn trong mỗi ngành khoa học, vâng không chỉ trên lĩnh vực khoa học, mà còn trên lĩnh vực của cái thiện và cái mỹ.” V. “Một hành động của sự tuyệt vọng” Năm 1896 Wilhelm Wien thành công đưa ra công thức bức xạ nhiệt có thể được viết dưới dạng 3 π = − (1) 8 ( , ) exp( / ) hv U v T hv kT c 3 trong đó k và h trước tiên là những hằng số nhất định1. Một thời gian dài công thức này trùng hợp với các kết quả đo đạc thực nghiệm. Người ta tin rằng nó là công thức đúng, và Planck đặt cho mình mục tiêu chứng minh định luật Wien bằng điện động học và nhiệt động học, đặc biệt từ định lý cơ bản thứ hai nói về sự tăng lên của entropi. Ông tưởng là thành công, nhưng rồi thất bại. Nhưng năm 1899, với những phương pháp đo đạc mới chính xác hơn, H.Rubens và F. Kurlbaum ở Berlin cho thấy ở nhiệt độ cao có một sự chênh lệch một cách hệ thống giữa các kết quả đo đạc mới với công thứ bức xạ của Wien ở vùng những trị số nhỏ của hv/kT, vùng mà công thức Rayleigh-Jeans đúng, cho thấy công thức Wien chưa hoàn toàn chính xác. Sau khi Rubens đến thăm Planck để thông báo riêng vào ngày Chủ nhật, 7.10, Planck tối đó đã bằng một phép nội suy và thử đưa ra một công thức bức xạ mới, khác biệt với công thức của Wien một ít, và ông đã trình bày nó ngày 19.10.1900 trước Hội Vật lý tại Berlin cùng với những kết quả của Rubens và Kurlbaum: 2 π = − (2) 8 (, ) exp( / ) 1 v hv U vTc hv kT 3 Đó là công thức bức xạ của Planck. Nó chỉ khác với công thức của Wien ở con số −1 dưới mẫu số. Thực tế, các công thức của Wien và Rayleigh-Jeans là những trường hợp tới hạn của công thức Planck tùy theo tỉ lệ hv/kT rất lớn hay rất nhỏ đối với 1. “Buổi sáng ngày hôm sau đồng nghiệp Rubens tìm tôi và kể cho biết, rằng sau buổi họp, cũng trong đêm đó, ông làm những cuộc so sánh chính xác công thức của tôi với các dữ liệu đo đạc của ông ta, và nhận thấy một sự trùng khớp thỏa đáng khắp nơi”, ông thuật lại. Đó là một “Định luật được đoán một cách may mắn” (ein glückliches Erraten) như lời ông nói, đến thời điểm này xem ra là “vô hại” và chỉ mới có ý nghĩa hình thức. Nhưng thực sự với β = − α . 1 Công thức nguyên thủy của Wien là 3 ( , ) exp( ) v U vT vT https://thuviensach.vn 54 nó, Planck đã bước đến cổng trời của một thế giới mới, mà ông chưa biết rằng cái chìa khóa có tính cách lý thuyết, một nguyên lý hay một giả thiết nào đó giải thích được nó sẽ có thể dẫn đến một chân trời mới. Rudolf Clausius (1822-1888) Con đường suy diễn ra công thức đó thực ra là khá ngoằn ngoèo và có gốc rễ sâu xa. Xin lược lại một số ý chính. Xuất phát điểm của Planck là nhiệt động lực học mà ông nghiên cứu từ luận án tiến sĩ 1879 và ông gắn bó với nó cả cuộc đời. Ngành khoa học này, hay là nhiệt học, xuất phát từ nhu cầu xây dựng các máy lực bằng nhiệt (máy hơi nước) và vận hành chúng hiệu quả, được xây dựng trên hai định lý cơ bản, thứ nhất (nguyên lý bảo toàn năng lượng) và thứ hai liên quan đến một độ lớn khác, có những áp dụng rộng rãi trong vật lý và hóa học mà không phải giả thiết gì về cấu trúc vật chất, nghĩa là có tính cách hiện tượng luận. Định lý cơ bản thứ hai được Rudolf Clausius xây dựng năm 1850, lúc bấy giờ ông là thầy giáo trung học ở Berlin, ở dạng nói rằng sự chuyển biến của nhiệt hay năng lượng chỉ có thể diễn ra từ các vật thể nóng sang vật thể lạnh và không bao giờ ngược lại. Năm 1855, Clausius, bằng khái niệm entropi hoàn toàn mới, diễn tả lại định lý cơ bản thứ hai nói rằng entropi chỉ có thể được sinh ra mà không bao giờ bị mất đi, hoặc ở dạng khác về sau phổ biến hơn “entropi của thế giới (hay của một hệ thống kín) tăng về một trị số cực đại”. Khái niệm entropi dần dần đã vượt ranh giới lãnh thổ của ngành khoa học nguyên thủy để thâm nhập những ngành khoa học khác như hóa học, sinh học, thiên văn, vũ trụ học... như là khái niệm của độ lộn xộn (Maß für Unordnung), nhưng cuối thế kỷ 19 vẫn là điều bị dư luận còn bài bác, bởi vì nó là một “con ma toán học” như Planck than phiền khi vấp phải sự chống đối. Nhưng nó sẽ là công cụ khám phá tuyệt vời sắp tới, cho Planck cũng như cho Einstein. Một trung tâm điểm của sự chú ý của Planck là tính không đảo ngược được (không thuận nghịch, Irreversibility) của các quá trình tự nhiên. Ông cho rằng “Không thể nào làm cho một quá trình trong đó có sự ma sát diễn ra có tính chất thuận nghịch”, như nhiều thí dụ trong kinh nghiệm cho thấy, và sự ma https://thuviensach.vn 55 sát đều không tránh khỏi trong tự nhiên. Khác với các nhà đại diện thuyết nguyên tử lúc bấy giờ, trong đó phải kể Ludwig Boltmann, xem các định luật của nhiệt động học là những quy luật có tính cách thống kê của một chuyển động phức tạp không thể theo dõi cá nhân được của rất nhiều phân tử, trong khi Planck tin vào tính quy luật tất định (deterministic) một cách chặt chẽ, tin vào khả năng có thể hiểu được các định luật của nhiệt động học, chủ yếu định lý cơ bản thứ hai, như là một hệ luận chặt chẽ của các định luật điện từ đã biết. Năm 1877, Boltzmann đã liên hệ khái niệm entropi (S) của Clausius và xác suất (W) bằng hệ thức S ~ log W (entropi tỷ lệ với logarit xác suất), trong đó ông mô tả một hệ thống khí bằng định luật thống kê tính từ các khả năng xảy ra của các cấu hình (vị trí và vận tốc của các nguyên tử) trong một khu vực vĩ mô, đi từ quan điểm thống kê điều khiển vĩ mô chứ không phải các hoạt động của các hạt cá nhân vi mô. Đó chính là cơ học thống kê. Trên cơ sở thuyết nguyên tử và thống kê này Boltzmann cho rằng đã liên hệ được định lý cơ bản thứ hai và tính không thuận nghịch: Tính thuận nghịch có thể diễn ra, nhưng với một độ xác suất nhất định, chứ không tuyệt đối biến mất. Và đó là điểm Planck không thể chấp nhận được. Trong một bài viết năm 1881, ông viết một cách rất tự tin: “Định lý cơ bản thứ hai của thuyết nhiệt học cơ, nếu được thực hiện triệt để, sẽ không dung hợp với giả thuyết nguyên tử. Do đó, có thể thấy trước rằng trong giai đoạn phát triển tới của lý thuyết sẽ có một sự đụng độ giữa hai lý thuyết này, và một trong hai sẽ mất mạng.” Và chỉ vài hàng tiếp ông đã cho thấy ít nghi ngờ, theo ông, cái nào trong hai lý thuyết sẽ phải trả giá: “... trong khi đó hiện tại có nhiều dấu hiệu đối với tôi chứng tỏ rằng mặc dù có những thành công lớn đến nay của thuyết nguyên tử nhưng người ta cuối cùng phải quyết định từ bỏ nó và trở về giả thiết vật chất liên tục (không chia được).” Dĩ nhiên Planck đã không có lý. Với bài toán của hiện tượng bức xạ của hộp rỗng ông tin rằng có thể tìm được tính không thuận nghịch, vì ở đây các sóng điện từ là liên tục, tương ứng với “vật chất liên tục” của ông. Đó cũng là lý do khiến ông càng kiên trì với vấn đề bức xạ. Nhưng con đường của Planck dựa trên nhiệt động học và điện động học thuần túy như ý muốn của ông cuối cùng đã bị bế tắc trong việc suy diễn được định luật bức xạ của ông. Planck không còn sự lựa chọn nào khác hơn là quay lại “Phương pháp Boltzmann” về thống kê trong các nguyên tử khí vốn đã bị ông bác bỏ. https://thuviensach.vn 56 Và đó chính là “hành động của sự tuyệt vọng” của ông. Ông nói “Bởi vì không con đường nào khác mở ra cho tôi, nên tôi tìm cách thử với phương pháp Boltzmann”. Và rồi điều thần kỳ sẽ xảy ra. VI. Sự khai sinh của thuyết lượng tử Để sử dụng được phương pháp đếm của Boltzmann, Planck trước hết đã đưa vào hằng số k, được gọi là hằng số Boltzmann sau đó, giữa xác suất và entropi: S = k log W (entropi bằng k lần logarit của xác suất)1, (3) hằng số tỉ lệ mà Boltzmann trước đây chưa quan tâm. [Bằng hằng số này, năm 1901, Planck lần đầu tiên đã tính được khối lượng của một nguyên tử, của nguyên tử nước, bằng 1.64.10-24 g, và cũng lần đầu tiên tính được điện dung của electron là 4.69.10-10, đơn vị tĩnh điện chính xác nhất lúc bấy giờ. Một sự mỉa mai lịch sử: Những trị số tốt nhất của nguyên tử lại được một người được mệnh danh là chống lại thuyết nguyên tử đo được!] Tiếp đến, để có thể đếm được như phương pháp thống kê của Boltzmann đòi hỏi, Planck lấy một mô hình lưới có N cái được gọi là máy cộng hưởng (resonator) với một tần số riêng là v, có thể phát ra hay hấp thu các năng lượng điện từ liên tục. Điều này được phép làm, thể theo những tính chất phổ quát Kirchhoff đã tìm ra cho hàm số phân bố bức xạ. Nhưng nếu cho phép các resonator có thể tự do phát ra hay hấp thu các khối lượng liên tục năng lượng thì khối lượng xác suất trong công thức (3) sẽ có trị số vô cùng lớn và do đó entropi cũng sẽ có trị số vô cực, điều vô nghĩa. Để ngăn chặn việc đó, và đây là điểm cốt lõi, và cũng là phần của phương pháp Boltzmann, người ta giả thiết rằng mỗi một resonator chỉ được phép phát ra hay hấp thu một năng lượng cơ bản cố định hữu hạn là ε . Để có một mức năng lượng tổng thể là E, do đó chỉ có n = E/ε phần năng lượng được phân bố cho các resonator. Từ đó dùng công thức toán tổ hợp (combinatorics) ông có thể tính xác suất W trong hệ thức entropi nói trên dễ dàng, và sau đó suy ra entropi S. Chỉ sau vài bước nữa, như áp dụng công thức xấp xỉ Stirling, và sử dụng hệ thức giữa độ biến thiên vi phân của entropi đối với năng lượng dS 1 = ), ông có thể tính là bằng trị giá nghịch đảo của nhiệt độ T (nghĩa là dE T được năng lượng trung bình E(v,T) của mỗi resonator, rồi điền vào công thức của U(v,T)= 2 8 v π E(v,T) đã tìm được trong một bước trước đó bằng c 3 phương pháp điện từ, ông sẽ có công thức phân bố năng lượng 1 Công thức sau này được khắc lên bia mộ của Boltzmann làm biểu tượng. https://thuviensach.vn 57 2 π ε 8 (, ) exp( / ) 1 v U vTc kT ε = − (4) 3 Bây giờ chuyện thần kỳ xảy ra: Để công thức này chính là công thức bức xạ của Planck đã tìm thấy tháng 10 trước đó, người ta phải làm một giả thiết về độ lớn thực sự của các “lượng tử năng lượng” ε . Làm sự so sánh công thức (4) và công thức bức xạ (2) của Planck, chúng ta thấy ngay ε phải có dạng ε = hv (5) Nghĩa là đằng sau công thức bức xạ nhiệt của Planck có một định luật lượng tử lượng tử hóa năng lượng ngự trị, năng lượng được phát ra hay hấp thu được diễn ra không liên tục mà từng gói nhỏ. “Đó là thuần túy một giả thiết hình thức, và tôi đã không nghĩ ngợi nhiều về nó, trừ cái suy nghĩ, tôi phải đem lại một kết quả tích cực, bằng mọi giá.” Một trang của bài thuyết trình “Định luật phân bố năng lượng trong quang phổ chuẩn” của Planck ngày 4.12.1900. (Nguồn: Max Planck [1]) Nhưng đâu là cái giá? Đó là ông phải từ bỏ cả chương trình quy mô muốn xây dựng định luật cơ bản thứ hai như một định luật nhân quả nghiêm ngặt từ những định luật của điện động lực học, cũng như từ bỏ việc đi tìm tính thuận nghịch tuyệt đối. Planck là con người cá tính rất mạnh, muốn đi theo con đường riêng của mình đến cùng. Trong khoảng 40 bài viết hay chừng ngần ấy của ông trước năm 1900 về nhiệt động học, ông https://thuviensach.vn 58 không bao giờ nhắc đến phương pháp thống kê của Boltzmann! Và ông đã cho phép một trợ lý của ông, Ernst Zermelo, đã có một trận “bút chiến” với Boltzmann về vấn đề trên. Chính vào giờ phút cuối của tuyệt vọng, với ý chí không lay chuyển, với “niềm tin” không lay chuyển của ông đi tìm cho được chân lý, Planck đã nhìn thấy lối ra. Ông đã viết: “Ai dấn thân nghiêm túc vào lao động khoa học của bất cứ loại nào đều nhận ra rằng trên cổng vào đền thờ khoa học có viết mấy chữ: Hãy có niềm tin.” Đúng thế, đứng trước cổng đền thờ khoa học dẫn đến thế giới mới ông đã có niềm tin sâu sắc. Planck đã để ra 5 năm. Nhưng bài toán bức xạ nhiệt huyền bí trên đã kéo dài hơn 40 năm trời mới kết cục. Gustav Kirchhoff là người đầu tiên đã chỉ ra rằng hàm số mật độ U(v,T) của phân bố bức xạ nhiệt không lệ thuộc vào vật liệu và hình dạng của hộp rỗng, mà chỉ vào tần số và nhiệt độ thôi. Đó là năm 1859-60! Nó thách đố từ đó các nhà khoa học và tỏ ra hầu như “bất khả tri”. Einstein năm 1913 đã đặc trưng khó khăn này như sau: “Thật là một điều cao quý nếu chúng ta đặt lên được một bàn cân chất liệu của các bộ óc đã được các nhà vật lý tế thần trên bàn thờ của hàm số phổ quát f này1”; và vẫn chưa thấy hết được chừng nào các nạn nhân kinh hoàng này chấm dứt. Còn nữa: kể cả cơ học cổ điển cũng đã hy sinh cho nó, và chưa thấy hết được rằng các phương trình Maxwell của điện động lực học có thể vượt qua được cơn khủng hoảng mà hàm số f đã mang theo nó hay không.” G. Kirchhoff (1824-1887) L.Boltzmann (1844-1906) W. Wien (1864-1928) Với giả thiết lượng tử ε = hν màn đêm bí mật của hiện tượng bức xạ của vật thể đen được vén lên! Đại lượng ε, lệ thuộc vào tần số bức xạ, là “bước nhảy lượng tử”. Tự nhiên ở cấp vi mô diễn ra một cách ‘nhảy vọt’ chứ không phải liên tục! “Nguyên lý liên tục” cổ điển của khoa học (natura non facit saltus) từ thời Leibniz, Newton lần đầu tiên bị bác bỏ. Chúng ta hãy tưởng tượng: bia không được bán hay mua bằng những cái vòi chảy liên tục 1 Hàm số f trong công thức U(v,T) = v3 f (v/T) của Wien tìm thấy năm 1893, trong đó f chỉ lệ thuộc vào tỉ lệ v/T. https://thuviensach.vn 59 mà bằng các chai, lon hay thùng, hay thậm chí ly, kích cỡ khác nhau như những đơn vị cơ bản! Anh có thể mua một, hai, hay nhiều chai bia, chứ không thể mua được số lẻ lưng chừng. Hằng số h, được gọi là hằng số (tác động) Planck là vô cùng nhỏ, h = 6,626⋅10-34 Js (Joule-giây), nghĩa là bằng 0, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 663 Js. Các năng lượng hv, 2hv, 3hv, ... của một tần số được phép được trao đổi do đó là vô cùng nhỏ, nhưng với một số lượng khổng lồ diễn ra ở cấp vi mô đủ để cho ta những trị số vĩ mô cảm nhận được. Ngày 14.12.1900, Planck trình bài 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 Normalspektrum), dài 9 trang in. Nó đánh dấu chính thức ngày sinh lịch sử của Thuyết lượng tử. Planck chưa biết rằng công thức ε =hν là một định luật “tuyệt đối” trong tự nhiên mà ông muốn tìm, và là chiếc chìa khóa để bước vào thế giới vật chất vi mô. Ông cũng không tin công thức này là một cuộc cách mạng vĩ đại, mà 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...”. Cái hộp rỗng nóng chứa đầy bức xạ, đối tượng nghiên cứu đã dẫn đến thuyết lượng tử, một cách rất ngạc nhiên, cũng chính là hình ảnh của vũ trụ. Cả vũ trụ mà chúng ta đang sống trong đó thực tế là một hộp rỗng khổng lồ chứa đầy bức xạ! Cho nên công thức bức xạ của Planck lại đóng vai trò rất quan trọng ở đây. Bức xạ này đã hình thành từ năm tuổi thứ 380.000 của vũ trụ sau vụ nổ Big bang, lúc còn rất nóng, giờ đã nguội đi. Do đó, công thức bức xạ của Planck cũng có vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu thiên văn học. Từ nhiều năm nay các vệ tinh đã tìm cách đo bức xạ nền vũ trụ này để có nhiều thông tin về sự phát triển và sự hình thành và cấu tạo của vũ trụ chúng ta. Sự phân bố năng lượng trên quang phổ được đo đạc và so sánh với công thức Planck. Kết quả được điền trong ảnh dưới. Các khác biệt phải được phóng đại đến 400 lần mới thấy rõ. Đường biểu diễn của Planck đến nay là đường biểu diễn chính xác nhất thế giới. https://thuviensach.vn 60 Quang phổ bức xạ của các công thức bức xạ: của Planck (đậm, giữa), của Wien (nhạt, dưới), và của Rayleigh (trái, ngoài cùng). (Nguồn: Max Planck [15]) Quang phổ Planck của sóng vi ba vũ trụ được đo đạc bởi vệ tinh COBE. Cần phải phóng đại những chỗ sai biệt đến 400 lần mới thấy được! (Nguồn: Domenico Giulini [19]) VII. Einstein Xuất Hiện Albert Einstein Từ sau năm 1901 không có mấy ai để ý, người ta xem ý tưởng lượng tử https://thuviensach.vn 61 như một giả thuyết phụ trợ nhằm giải quyết bài toán trong lĩnh vực bức xạ, và hằng số Planck h như đại lượng có tính chất hiện tượng luận nhằm giúp diễn tả các kết quả đo đạc, không có ý nghĩa gì sâu sắc cho khoa học cả, và người ta chờ đợi nó nhanh chóng được thay thế bằng một cái gì từ nền vật lý cổ điển. Chưa ai biết đó là thần Hercule trong nôi với một sức mạnh khủng khiếp, cho đến khi Einstein xuất hiện! Planck trao cho Einstein Huy chương Max Planck ngày 28.6.1929 Năm 1905, lịch sử còn gọi là “năm thần kỳ”, chàng thanh niên Einstein 26 tuổi, lúc đó còn là một ‘chuyên viên cấp ba’ vô danh làm việc ở Sở sở hữu sáng chế ở Bern, Thụy Sỹ, công bố một loạt 5 bài báo liền trong tạp chí Annalen der Physik (Niên giám vật lý), trong đó có bài mà ông tự cho là “rất cách mạng”, đó là “Về một quan điểm heuristic (hỗ trợ khám phá) liên quan đến sự sinh ra và biến đổi của ánh sáng”, chứ không phải như người ta có thể nghĩ ông muốn nói thuyết tương đối. Einstein hiểu ngay giả thuyết lượng tử của Planck không phải chỉ là một biện pháp tình thế, mà là một thực thể vật lý có tính chất cách mạng. Ông đưa ra “giả thuyết lượng tử ánh sáng”, cho rằng, ngược với truyền thống bấy giờ xem ánh sáng là sóng điện từ của Maxwell, ánh sáng giờ đây có thể được xem là được cấu tạo những hạt, được gọi là hạt photon, mang những gói năng lượng của Planck ε = hν, “chuyển động độc lập nhau, không chia nhỏ được và chỉ có thể được hấp thu hay sinh ra nguyên gói”. Khi một hạt photon của ánh sáng chạm vào một electron của vật chất, và nếu năng lượng đủ mạnh (tia cực tím chẳng hạn), nó sẽ bắn electron ra khỏi vật chất. Einstein thiết lập được công thức cho năng lượng được mang theo khi electron bị tách ra (E = hv − P, công thức Einstein). Bằng cách đó ông đã giải thích được nhiều hiện tượng liên quan đến sự trao đổi năng lượng giữa ánh sáng và vật chất, đặc biệt giải https://thuviensach.vn 62 thích được hiện tượng quang điện một cách thuyết phục, một hiện tượng không lý giải được lúc bấy giờ, và 17 năm sau ông nhận được giải Nobel cho công trình này. Einstein kết luận bài báo với câu: “Những suy nghĩ trên dường như chứng minh đối với tôi,... rằng Ngài Planck trong thuyết bức xạ của mình đã đưa vào vật lý học một nhân tố giả thiết mới, giả thuyết lượng tử.” Nhưng ý tưởng của Einstein quá táo bạo khiến Planck, và các đồng nghiệp của ông, kể cả Sommerfeld, trong một thời gian dài không chấp nhận được. Đối với Planck, ý tưởng photon chỉ là “tội lỗi tuổi vị thành niên” của Einstein mà người ta không nên để ý tới. Dưới mắt các nhà vật lý học bấy giờ, chàng thanh niên 26 tuổi có vẻ vừa ‘thơ ngây” vừa “khiêu khích”. Năm 1913, tức 13 năm sau giả thiết lượng tử, trong bài giải trình để mời Einstein về Hàn Lâm viện khoa học Phổ, Planck, và cả Nernst, Rubens và Warburg cho rằng giả thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein là một sự “bắn hụt” mục tiêu của người thanh niên tài ba năng nổ có tiếng nói trong khắp các bài toán vật lý lớn của thời đại. Nó phản ánh rất chính xác tư duy của những đồng nghiệp đương thời của Einstein trong vấn đề lượng tử ánh sáng. Thuyết hạt của ánh sáng đã được Newton đưa ra, nhưng đầu thế kỷ 19 đã bị thuyết sóng quét đi trước những thành công của nó trong việc giải thích hiện tượng giao thoa ánh sáng một cách tuyệt vời, và bị rơi vào quên lãng. Ai dám đi ngược lại thuyết sóng đã được thử thách? Hội nghị Solvay lịch sử lần đầu tiên năm 1911 tại Brussel, cũng là “Hội nghị thượng đỉnh”, bàn về hiện tượng lượng tử với hơn 20 cái đầu tinh hoa của châu Âu. Hàng đứng: Max Planck thứ hai từ trái qua và Albert Einstein thứ hai từ phải sang. Hàng ngồi: Henri Poincaré tay bên phải ngoài cùng, tiếp theo là Marie Curie; bên trái là Walter Nernst, tiếp đến người thứ ba là nhà công nghệ mạnh thường quân Ernest Solvay. Người ta thấy trên tấm bảng đen đằng sau Planck là công thức bức xạ của Planck vừa được trình bày tại Hội nghị. Trong khi đó bài báo quan trọng của Einstein về Thuyết lượng tử lại bị ‘nhật thực’ bởi bài báo về Thuyết tương đối hẹp của Einstein được công bố cùng một lúc. Planck đang bị thu hút tuyệt đối bởi Thuyết tương đối của Einstein, hơn cả khám phá lượng tử của chính mình! Ông tin ở đó có cái gì tuyệt đối thú vị: “Tính hấp dẫn của nó (Thuyết tương đối) đối với tôi nằm ở chỗ, https://thuviensach.vn 63 tôi nỗ lực suy ra từ tất cả những định lý của nó cái tuyệt đối, cái bất biến vốn nằm tiềm tàng trong đó”. Một trong những cái bất biến thú vị đã được nhà toán học Minkowski khám phá năm 1907, và được trình bày trong một bài báo cáo thuyết phục hoàn toàn trước Hội nghị các nhà khoa học và bác sĩ Đức tại Köln năm 1908 với câu nói bất hủ: “Từ giờ phút này trở đi, không gian xét riêng và thời gian xét riêng chỉ còn là cái bóng, và chỉ có một thể liên kết của cả hai mới giữ vững được tính độc lập.” Nhưng bài báo của Einstein về giả thuyết photon là lực đẩy rất quyết định và thuyết phục cho sự thắng lợi của khái niệm lượng tử. Khoảng năm 1908, ông viết cho một người bạn: “Tôi không ngừng nghiên cứu vấn đề bức xạ...Vấn đề này của lượng tử là rất quan trọng và khó khăn một cách khác thường, nên mỗi người nên nghiên cứu nó.” Rồi năm 1909 ông đã tóm tắt quan điểm của ông về thuyết bức xạ tại “Hội nghị các nhà nghiên cứu tự nhiên và bác sĩ Đức” như sau: “Cho nên, đây là ý kiến của tôi, rằng giai đoạn tới của sự phát triển vật lý lý thuyết sẽ mang lại cho chúng ta một lý thuyết về ánh sáng được hiểu như một dạng hợp nhất lại thuyết sóng và thuyết phát xạ của ánh sáng” và cho rằng hai thuyết đó không mâu thuẫn nhau. Lúc đó ông 30 tuổi. Einstein phải tiếp tục công việc khai phá và chinh phục vùng đất hoang dã lượng tử 20 năm liền một cách vất vả, tự chiến đấu như một ‘hiệp sĩ cô đơn’ trong một thời gian rất dài chống lại cả một bức tường thành kiến. Ông vừa phát triển và hoàn thiện thuyết tương đối và những hệ quả của nó đối với vũ trụ học, vừa không ngừng nuôi lớn vị thần Hercule chưa được thừa nhận kia. Còn đối với Planck, có lẽ bên cạnh giả thuyết lượng tử, khám phá lớn nhất thứ hai trong đời khoa học ông, đó là chính là Einstein, để Einstein cầm ngọn cờ lượng tử tiếp tục giương cao tiến lên, và chấp nhận hứng chịu mọi sự tấn công của dư luận. Chính Einstein mới là người bị chống đối nhiều nhất về thuyết lượng tử chứ không phải Planck, cha đẻ của nó, bởi chính Einstein hơn ai hết là kẻ duy nhất muốn chứng minh lượng tử là một định luật phổ quát trong tự nhiên. Những bước phát triển kế tiếp quyết liệt hơn xác định sự chiến thắng của quan niệm lượng tử: thuyết lượng tử về quang phổ của Bohr 1913 với sự suy diễn được các công thức của Balmer; nhưng cũng chưa đủ, phải đợi cơ học lượng tử của Heisenberg 1925, cơ học sóng của Schrödinger 1926 và thuyết điện động học lượng tử của Dirac 1928 ra đời, lúc đó thuyết lượng tử https://thuviensach.vn 64 mới giành được thắng lợi không thể đảo ngược được như ngày nay1. Những nỗ lực của Planck, cha đẻ của lượng tử, nhằm đưa đứa con của mình trở về con ‘đường lành’ cổ điển, phù hợp với tư duy bảo thủ của ông, đều thất bại. Ngược lại, Planck từng bước bị kéo đi ngày một xa hơn trên con đường mà ý tưởng lượng tử của ông đã vạch ra. Planck là một nhà ‘cách mạng miễn cưỡng’. Ông cũng đã từng bảo rằng: “Một chân lý mới của khoa học thường thắng lợi không phải bằng cách những kẻ chống đối nó sẽ được thuyết phục và tuyên bố mình được dạy dỗ, mà đúng hơn bằng cách những kẻ chống đối dần dần chết hết, và thế hệ mới ngay từ đầu được làm quen với nó.” Planck cho đến cuối đời cũng không hạnh phúc với sự tan vỡ của nguyên lý nhân quả như hệ quả của khám phá lượng tử của ông. “Tác phẩm đời ông, vốn luôn hướng về sự thống nhất của thế giới quan, đã bị một cái bóng bi thảm che khuất” như Max von Laue nhận xét, và Planck cố gắng vượt qua nó bằng quan niệm xem giá trị của một người nghiên cứu không phải ở chân lý tìm ra được, mà ở chỗ được phục vụ khoa học với cả lương tâm, và sự tận tụy. Thuyết lượng tử đã diễn ra hoàn toàn trái với ý định của các nhà khai phá nó. Planck phải trả giá là từ bỏ chương trình nghiên cứu định luật chính thứ hai của mình bằng con đường tất định để chấp nhận phương pháp nguyên tử và thống kê của Boltzmann mà ông đã bác bỏ trước đó. Có khác hơn với Einstein. Einstein ngay từ đầu đã hoàn toàn ý thức và trực giác đúng, và không ngừng phát triển thuyết lượng tử để được công nhận. Nhưng rồi định mệnh cũng không từ Einstein ở bước tiếp theo! Năm 1916 Einstein đã suy diễn công thức bức xạ của Planck rất tổng quát, cơ bản và đơn giản, nhưng dựa vào giả thiết các quá trình cơ bản của phát xạ hay hấp thu ánh sáng là có bản chất xác suất.2 Nguyên lý laser xuất phát từ đó. Ông nhìn nhận “chỗ yếu” của cách suy diễn khi nó quy quá trình phát xạ hay hấp thu về tính ngẫu nhiên, nhưng hy vọng rồi đây sẽ làm cho nó tất định dễ hiểu. Nhưng chính con đường này 10 năm sau đã dẫn đến cơ học lượng tử (1925-16) và điện động học lượng tử (1928) mà ông với những niềm tin sâu xa của mình không còn đi theo nữa một cách trọn vẹn. Một trong những lý do là ở đó tính ngẫu nhiên đã trở thành yếu tố cơ bản không thể rút gọn được. 1 Xin xem thêm lịch sử chi tiết của bi kịch nhiều hồi của Thuyết lượng tử trong sách Einstein, [22]. 2 Năm 1926, Dirac còn có một cách suy diễn định luật bức xạ của Planck cho hộp rỗng rất độc đáo dựa trên thống kê Bose-Einstein. https://thuviensach.vn 65 Lạ thay. Hai khám phá vĩ đại nhất trong thế kỷ 20 lại được tượng trưng bằng hai công thức đơn giản nhất, ε = hν cho Thuyết lượng tử, và E = mc2 cho Thuyết tương đối, tương ứng với hai hằng số phổ quát trong trời đất, hằng số Planck h cho thế giới vô cùng nhỏ, và hằng số ánh sáng c cho thế giới vô cùng lớn! Phát triển của lịch sử khoa học có một bước nhảy vọt khồng lồ và rực rỡ chưa từng thấy từ thời Newton, diễn ra ở những vùng mà lý trí thường của nhân loại đã thất bại hoàn toàn, những vùng cực nhỏ hay cực lớn, và tư duy con người chịu một sự thay đổi sâu sắc. Không phải như các nhà triết học truyền thống đã từng làm trong lịch sử, giờ đây các nhà khoa học đã thành công trong việc diễn giải mới vũ trụ một cách căn bản, qua đó thay đổi nó một cách triệt để. Thế giới mà họ khai phá là chân trời của mọi chân trời. VIII. Thời đại Vàng của vật lý học Đức Theo sáng kiến của Planck và Nernst, nhất là do sự quyết tâm cao độ của Planck, năm 1913 Einstein được mời về Viện Hàn lâm Phổ, Berlin, với những điều kiện cực kỳ ưu đãi. Sự hợp tác giữa Planck và Einstein từ đó kéo dài gần hai thập niên liền, với lý thuyết tương đối và thuyết lượng tử làm nền tảng, làm cho Berlin trở thành trung tâm điểm của vật lý lý thuyết của thế giới. Đó là thời kỳ vàng son của ngành vật lý Đức. Arnold Sommerfeld đã gọi thời kỳ này bắt đầu năm 1905 khi có 5 bài báo cách mạng xuất hiện trên Annalen der Physik. Một tình bạn nảy nở giữa hai con người có cá tính rất khác nhau đôi khi đến trái ngược, dựa trên không phải chỉ những quan tâm khoa học chung, và còn trên sự kính trọng và mối thiện cảm cho nhau. Nhưng thái độ của hai con người lại rất khác nhau đối với những vấn đề của cuộc đời và thời cuộc. “Einstein, một công dân thế giới không quê hương, trong tất cả sự nhân hậu và sẵn sàng giúp đỡ người luôn luôn không quên gìn giữ sự độc lập của mình, hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi môi trường văn hóa và xã hội xung quanh - còn Planck, bám rễ sâu vào các truyền thống gia đình và đất nước của mình, hãnh diện về lịch sử của người Đức và thể hiện tính chất Phổ một cách ý thức trong thái độ ông đối với nhà nước. Nhưng những sự khác biệt này không lớn so với những cái chung: sự hứng thú trong nghiên cứu các bí mật của tự nhiên, sự đồng điệu trong những nguyên tắc triết học của nhận thức và đạo đức, và đặc biệt của niềm vui trong âm nhạc. Họ thường chơi đàn với nhau, Planck với cây dương cầm, Einstein với cây vĩ cầm, trong sự đồng cảm và vui sướng” như Max Born nhận xét. Einstein-Planck, hai cột trụ của hai cuộc cách mạng vĩ đại https://thuviensach.vn 66 trong vật lý của nhân loại, hai tính cách khác nhau, tuổi tác rất khác nhau, Planck lớn hơn Einstein 21 năm, và họ lại là hai người bạn rất thân thiết nhau. Người ta nói: Einstein là thiên tài, Planck là quyền uy. Còn Sommerfeld ở München là người thầy; ông thu hút và cung cấp một loạt nhân tài lỗi lạc cho khoa học, trong đó có Heisenberg. Trong những năm 20, ngành vật lý lý thuyết ở Đức đã phát triển đến thời kỳ tinh hoa từ ánh hào quang của ba vì sao sáng này. Thực tế ngành vật lý lý thuyết, mới ngày nào còn non trẻ, sẽ nhanh chóng trở thành ngành ‘khoa học định mệnh’ của thế kỷ 20. Planck là người đại diện cho nền khoa học Đức. Ông giữ nhiều chức vụ quan trọng trong nhiều tổ chức khoa học lớn như Hàn Lâm viện Phổ, Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft, Hội Vật lý Đức, Hiệu trưởng Đại học Berlin. Nếu Hermann Helmhotz được mệnh danh là “Thủ tướng vương quốc của vật lý” thì Max Planck được mệnh danh là “Nhà quản lý hiện đại khoa học”. Thế giới chưa bao giờ chứng kiến một sự phát triển bùng nổ như thế vào đầu thế kỷ 20. Tòa nhà vật lý cổ điển của cuối thế kỷ 19 tưởng chừng như vững chắc và ổn định không lay chuyển được đã bị những khám phá của Planck, Einstein, gia đình Curie, Rutherford, Bohr làm rung chuyển nặng nề chưa từng thấy. Arnold Sommerfeld đã bảo rằng, có lẽ tốt nhất người ta nên cảnh báo các sinh viên tò mò trước khi bước vào ngành học vật lý rằng “Cẩn thận, nguy cơ sụp đổ! Do công việc xây cất lại nên tạm thời đóng cửa!”. Khám phá này làm ngỡ ngàng chưa hết thì tiếp đến một khám phá khác làm ngỡ ngàng diễn ra. Rutherford cho rằng “tội” của sự phát triển này không phải là những nhà khoa học thực nghiệm mà là những nhà vật lý lý thuyết, một ngành mà vị giáo sư von Jolly đã nói với cậu sinh viên trẻ Planck: “Vật lý lý thuyết, đó là một ngành rất đẹp, nhưng hiện tại lại không có ghế giáo sư cho nó. Nhưng cơ bản nó sẽ không đem lại cái gì mới hơn. Vì với sự khám phá nguyên lý bảo toàn năng lượng thì tòa nhà vật lý lý thuyết đã khá hoàn chỉnh. Người ta có thể đó đây quét ra được một hạt bụi trong một góc này hay góc kia của tòa nhà, nhưng một điều gì mới mẻ cơ bản thì Ông sẽ không tìm được.” https://thuviensach.vn 67 Arnold Sommerfeld Tòa nhà thế giới quan của con người đang được xây dựng lại từng mảng lớn. Ai cũng muốn mạo hiểm tham gia vào công việc, để hy vọng có phần đóng góp của mình. Đó là thời đại mà Robert Oppenheimer, một trong nhiều người Mỹ trẻ đã ngược dòng Columbus từ Tân thế giới đi về Cựu thế giới để học vật lý, cho là “thời đại anh hùng”, và công việc xây dựng lại thế giới quan là tác phẩm tập thể của các thiên tài, của những người khổng lồ khác nhau của thế kỷ. IX. Vinh quang trong nghiệt ngã Max Planck với vợ Marie, hai con gái sinh đôi Emma và Grete, con trai Karl lớn, và con trai út Erwin, khoảng 1900. https://thuviensach.vn 68 Huy chương Max-Planck Thời gian trước và sau Thế chiến thứ nhất là gian nan và nghiệt ngã đối với Planck. Ông đã ký tên vào bản kêu gọi của 93 trí thức hàng đầu trong giới khoa học và văn hóa Đức để biện minh cho cuộc chiến của Đức, rồi chứng kiến sự sụp đổ của vương triều, sự thoái vị của vua Wilhelm, sự hỗn loạn về kinh tế và sự bất ổn về chính trị của nước Đức. Cá nhân ông cũng phải hứng chịu những đòn định mệnh nặng nề: năm 1909, vợ ông Marie Planck mất sau 22 năm hôn nhân hạnh phúc, với bốn mặt con; năm 1916 người con trai lớn Karl của ông chết trận gần Verdun; năm sau người con gái Grete chết khi sinh đứa con thứ nhất; hai năm sau, người con gái sinh đôi Emma cùng với Grete, sau khi lấy người chồng góa của Grete, cũng chết giống như thế. Planck đau khổ tột cùng. Ông viết cho Hendrik Lorentz: “Bây giờ tôi khóc cho những đứa con thân yêu tha thiết của tôi, và cảm thấy bị cướp đọat, và nghèo đi. Có những lúc tôi nghi ngờ giá trị của chính cuộc sống”. Ông tự an ủi mình “rằng con người không có quyền được hưởng những điều tốt đẹp”. Einstein không cầm được nước mắt khi đến thăm Planck: “ông ấy giữ mình đứng thẳng và can đảm tuyệt vời, nhưng người ta thấy nỗi đau gặm nhấm ở ông”. Năm 1919 ông được công nhận giải Nobel Vật lý cho năm 1918. Phải cần đến gần hai thập kỷ để Quỹ Nobel ở Stockholm công nhận phát minh vĩ đại của Planck! [Einstein cũng phải chờ đến 17 năm, sau Planck.]1 Có lẽ vì những phát minh như của Planck, Einstein có giá trị nhiều về lý thuyết hơn về ứng dụng là điều được ghi trong di chúc của A. Nobel!? Thực tế không phải thế. Planck được những nhà vật lý tên tuổi đề nghị như Lorentz, Einstein, Born, Wien và Sommerfeld; ông này cho rằng vật lý đã trở thành 1 Xin xem thêm bài “Planck và Giải Nobel” của Dieter Hoffmann và Nguyễn Xuân Xanh trong số này. https://thuviensach.vn 69 một vật lý của lượng tử. Đối mặt với sự thật là thuyết lượng tử ngày càng chứng tỏ sự thành công trong nhiều lĩnh vực của vật lý, và rằng, như Laue chỉ trích, giải Nobel không thể phát cho những công trình trên lĩnh vực vật lý lượng tử đang lên, bao lâu Planck không được công nhận, Ủy ban Nobel cuối cùng đã từ bỏ quan điểm cho rằng, những khám phá của Planck chưa đưa đến một lý thuyết nhất quán! Năm 1929, để vinh danh Planck, huy chương cao quý nhất của ngành vật lý Đức, Huy chương Max-Planck của Hội Vật lý Đức ra đời, và hai người đầu tiên được vinh dự đón nhận là Max Planck và Albert Einstein. X. Planck và đệ tam Đế chế Fritz Haber Sự nắm quyền của quốc xã năm 1933 đã chấm dứt thời đại vàng son của ngành vật lý, cũng như tất cả các ngành khoa học của Đức nói chung. Hitler làm một cuộc thanh lọc toàn diện, đặc biệt ở tất cả các đại học và viện nghiên cứu. Một cuộc di tản khổng lồ của những người làm khoa học tài giỏi (và không phải chỉ có khoa học) sang các nước khác diễn ra, đặc biệt sang Mỹ. Einstein lúc đó may mắn đang ở Mỹ. Ông công khai tố cáo chế độ quốc xã và tuyên bố rút ra khỏi Hàn Lâm viện Phổ, để tránh cho các bạn ông và Planck khỏi sự khó xử sẽ đến. Quả thực đó là một sự khó xử lương tâm. Planck nghĩ chế độ quốc xã rồi sẽ qua đi. Planck không nhạy bén và có cái nhìn xa về chính trị, trước đây trong Thế chiến thứ nhất, và bây giờ. Ông chỉ muốn phục vụ khoa học một cách phi chính trị, vì thế không thấy hết những nguy cơ tàn phá ghê gớm của những cơn bão chính trị. Planck không có hành động cương quyết khi Hàn Lâm viện Phổ lấy thái độ không lấy gì làm tiếc cho việc Eisntein ra đi, cũng như đã không cương quyết lấy thái độ bảo vệ Einstein với tư cách Hàn Lâm viện khi Einstein bị nhóm https://thuviensach.vn 70 chống Do Thái công khai tấn công năm 19221. Planck còn cho rằng những hành động của Einstein ở nước ngoài, ý nói việc Einstein công khai chống lại chủ nghĩa quốc xã, là làm cho một sự tiếp tục của Einstein tại Hàn Lâm viện cũng không thể tiếp tục được nữa. Sau khi Einstein từ chức rồi, Planck viết những lời sau đây về Einstein như để giãi bày với đời sau: “Tôi tin tôi phát biểu trong sự đồng tình của các đồng nghiệp chuyên môn của tôi và của tuyệt đại đa số tất cả các nhà vật lý khi nói những điều sau đây: Ngài Einstein không chỉ là một trong nhiều nhà vật lý xuất sắc, mà Ngài Einstein còn là nhà vật lý mà qua những công trình đã được công bố của Ngài trong Hàn Lâm viện, nhận thức vật lý trong thế kỷ chúng ta đã có sự thay đổi sâu sắc mà ý nghĩa của nó chỉ có thể so sánh với những công trình của Johannes Kepler và Newton. Tôi sở dĩ nói điều này là để hậu thế không nghĩ rằng các đồng nghiệp hàn lâm của Ngài Einstein không có khả năng đánh giá tầm quan trọng của Ngài đối với khoa học.” Sau đó, Planck xin gặp Hitler để can thiệp cho các nhà khoa học gốc Do Thái, nhưng buổi gặp đã thất bại. Mùa hè 1933 ông viết cho Fritz Haber về sự thất vọng: “Cái duy nhất làm cho tôi cảm thấy nhẹ bớt trong sự chán nản sâu sắc, đó là ý nghĩ, chúng ta đang sống trong thời thảm họa, như mỗi cuộc cách mạng mang đến, và rằng chúng ta phải chấp nhận nhiều cái xảy ra như một hiện tượng tự nhiên, mà không phải đau đầu rằng sự việc không thể khác được hay sao. Nhiều điều nhưng không phải tất cả.” Hitler vẫn tiếp tục truy bức người gốc Do Thái, đổi lại bằng lời hứa ủng hộ các nhà khoa học Đức trong hoạt động khoa học của họ. Một tuần sau buổi gặp Hitler, Planck đã tuyên bố trong một buổi họp thường niên của Kaiser Wilhelm-Gesellschaft (KWG), rằng “Chính phủ của sự nổi dậy quốc gia, hoàn toàn hiểu rõ tầm quan trọng của nghiên cứu khoa học cho sự phồn vinh của Tổ quốc và vị trí của nó trong cộng đồng các dân tộc, cho nên không những đặt Tổ chức (KWG) dưới sự che chở đặc biệt của nó, mà còn trang bị nó mọi mặt theo sự đòi hỏi của hoạt động của các nhà thông thái không bao giờ ngừng nghĩ.” Nhưng rồi Planck, người đã vun xới tên tuổi khoa học Đức bằng cách thuyết phục được Einstein, rồi Schrödinger về Berlin, phải lo âu trước tiền đồ của nền khoa học Đức khi những con người trụ cột lần lược phải bỏ đi: Einstein, Fritz Haber, Schrödinger, người khai sáng thuyết lượng tử sóng, lúc đó kế vị Planck tại Đại học Berlin, mặc dù ông này không phải là Do Thái, cũng không phải là một con người chính trị, mà vì ông ghê tởm cái chế độ độc tài và giáo điều chính trị... Planck không thể ngăn chặn được hơn 40 vị giám 1 Xin xem thêm bài của GS Dieter Hoffmann trong Kỷ yếu này về quan hệ giữa Planck và Einstein. https://thuviensach.vn 71 đốc của các Viện Kaiser-Wilhelm và cộng tác viên khoa học bị sa thải vì nguồn gốc Do Thái của mình. Ngày 29 tháng 1 năm 1934, Fritz Haber, nhà Hóa học Đức gốc Do Thái đã có phát minh độc đáo là “lấy được bánh mì từ khí trời” (tổng hợp được ammoniac từ nitơ của khí trời để làm phân bón), một người có tinh thần quốc gia cao độ, vào ‘có công’ là sử dụng vũ khí hóa học đầu tiên trong Thế chiến thứ nhất, lĩnh giải Nobel hóa học cùng năm với Planck, chết vì bệnh và kiệt sức trên đường lưu vong. Một năm sau, Planck tổ chức lễ truy điệu ngày mất, trong sự cấm đoán quyết liệt của quốc xã. “Tôi tổ chức buổi lễ này, trừ khi cảnh sát bắt tôi đi”. Và Planck thực hiện buổi lễ truy điệu, với rất nhiều người tham gia, tuy đa số là phụ nữ, vì trước sự cấm đoán của chính quyền quốc xã các nhà khoa học buộc phải gửi vợ họ đi tham gia. Chỉ có Planck và Otto Hahn đọc diễn văn. Planck kết thúc bài diễn văn với câu nói “Haber đã chung thủy với chúng ta, chúng ta sẽ chung thủy với ông ấy” như một khẳng định tinh thần đoàn kết với những người bạn và đồng nghiệp của mình bị loại ra khỏi vòng pháp luật. Bản thân Planck cũng bị tố khổ ác liệt như là “tên Do Thái da trắng” bởi các tay sai của Hitler trong khoa học như Stark và Lenard, và bị lợi dụng để buộc sa thải một cách khéo léo nhiều nhà khoa học khỏi Hàn Lâm viện. Những kẻ tay sai này còn tố khổ rằng KWG là “một quái thai của Do Thái” (nhiều nhà kỹ nghệ gốc Do Thái đã tài trợ đáng kể cho sự thành lập) và kể cả Hàn lâm viện chỉ là một “Ổ của lực lượng phản động”, bao lâu chúng chưa khuynh đảo được. Thực chất những người này muốn thành lập một nền “vật lý Đức” hoàn toàn theo “tiêu chuẩn Đức” duy ý chí của họ, và phủ nhận hoàn toàn nền vật lý hiện đại đang phát triển như vũ bão trong cộng đồng thế giới. Những năm giữa 1930, Planck đã mất hết ảo tưởng cuối cùng về chế độ. https://thuviensach.vn 72 Cuối năm 1937 ông bị buộc phải từ chức Chủ tịch Hàn Lâm viện, sau khi quốc xã hoàn toàn khống chế và lũng đoạn tổ chức này. Năm 1938, với sự tài trợ của Quỹ Rockefeller1, Viện Vật lý Kaiser-Wilhelm mà trước đây do Einstein làm giám đốc nay được chính thức xây dựng mới. Đề nghị của Debrye (là người được bầu làm viện trưởng tương lai) và của các nhà vật lý khác đặt tên viện này là ‘Viện Max Planck’ không được thực hiện do sự phá hoại của nhóm “Vật lý Đức” cuồng tín. Stark cho rằng Planck “chưa đóng góp đủ cho ngành vật lý để xứng đáng với tên gọi như thế”. Cuối cùng, Planck rút lui trong sự chán chường và cay đắng. Từ việc chấp nhận một sự thỏa hiệp nhất định và hợp tác từng phần ban đầu với chế độ, nghĩ rằng để cứu vớt nền khoa học Đức, Planck chuyển qua sự chống đối lại sự thống trị quốc xã vô nhân, thể hiện trong các bài diễn văn của mình. Planck vốn là người thích diễn thuyết để quảng bá nhận thức khoa học. Từ năm 1908, trong những bài thuyết trình đại chúng, Planck đã lấy quan điểm về các cơ sở vật lý có tính cách thế giới quan và nhận thức luận. Đối với công chúng không chuyên nghiệp, ông muốn truyền đạt những kiến thức khoa học mới mẻ nhất. Đối với giới đồng nghiệp, ông muốn củng cố một thế giới quan thống nhất và đối lập với thuyết chứng luận. Đến những năm 30 và 40, những bài diễn thuyết của ông, như “Vật lý trong cuộc chiến đấu cho thế giới quan” (1935), “Về bản chất của tự do ý chí” (1936), “Tôn giáo và khoa học tự nhiên” (1937), “Chủ nghĩa tất định và chủ nghĩa bất định” (1937), “Ý nghĩa và ranh giới của khoa học chính xác” (1941) đều phản ánh sự chống đối chế độ toàn trị quốc xã rõ rệt về mặt tinh thần, thế giới quan, chính trị và đạo lý. Trong bài “Tôn giáo và khoa học tự nhiên” Planck nhấn mạnh tầm quan trọng của những giá trị tôn giáo cần thiết cho hành động đạo đức, và đặt tính chất phi đạo đức và tâm hồn bệnh hoạn của Nazi đối diện với những giá trị của Kitô giáo và của tinh thần nhân bản lành mạnh. Khẩu hiệu của Planck “Hãy hướng về Thượng đế” chính là hình thức phản kháng nội tâm của ông trước chế độ vô nhân. Ông cũng muốn góp phần củng cố niềm tin cho thính giả. Tháng 9 năm 1939, quân đội Đức kéo lê sự chết chóc và tàn phá vào hết nước này đến nước khác của châu Âu. Planck, ở tuổi 81, viết cho Laue: “Hòa bình không đến gần mà lại đi xa. Sự mất trí này, sự tự sát này của giống loài được 1 Quỹ đã tại trợ nhiều cho Max-Planck-Gesellschaft, với số tiền lên tới 1 triệu rưỡi đô la mỗi năm. Báo chí Đức bảo sở dĩ như thế là vì những người của dòng họ Rockefeller là có gốc Đức. https://thuviensach.vn 73 ca tụng của chúng ta, còn kéo dài đến bao giờ nữa? Tình hình là tuyệt vọng. Nhưng tôi vẫn luôn còn hy vọng - chứng kiến kết cục”. Tháng 6 năm 1944, Hàn lâm viện Phổ tổ chức lễ mừng 50 năm Planck là thành viên của Hàn lâm viện. Ông lúc này đã được di tản khỏi Berlin. Mặc dù sức khoẻ đã rất xấu, ông đã 86 tuổi, nhưng Planck cũng quyết định trở lại Berlin, với suy nghĩ để gặp lại bạn bè, đồng nghiệp, và có lẽ nhìn lại thành phố Berlin thân yêu lần cuối. Heisenberg thuật lại quang cảnh buổi lễ một cách cảm động: “Vào lúc mà ông bước vào lễ đường, thì mọi thứ thình lình trở lại như bốn mươi năm trước. Một sự yên tĩnh tức thì ngự trị, mọi người đến chào Planck với sự ngưỡng mộ, người ta nhận rõ, bao nhiêu tình cảm được dâng cho con người này, và người ta cũng có thể cảm nhận, chính ông cũng hạnh phúc khi nhìn thấy những khuôn mặt quen thuộc. Bộ tứ tấu âm nhạc bắt đầu xướng lên, và trong vòng một hay hai giờ, người ta được đưa trở về thời gian của Berlin năm xưa, Berlin văn hóa, ở đó Planck, dĩ nhiên, là nhân cách lãnh đạo, và ở đó một lần nữa cả nền văn hóa của thời đại trước hiện ra trước mặt.” XI. "Con người không có quyền hạnh phúc“ Erwin Planck trước “tòa án nhân dân” của quốc xã năm 1945 Planck chứng kiến được kết cục của cuộc chiến tranh hủy diệt, nhưng một kết cục đau khổ biết bao cho cá nhân ông! Năm 1944 ngôi nhà đầy kỷ niệm với những tư liệu cực kỳ quý báu của Planck ở đường Wagenheimstrasse, Berlin, trong đó có thư viện, thư tín và các quyển nhật ký, bị phá hủy hoàn toàn1 bởi các cuộc không kích của đồng minh. Lúc đó, 1 Thực ra, phần lớn sách vở hay cả tư liệu đã được di tản trước đó sang một nơi an toàn hơn, có lẽ theo lệnh của Max von Laue. Nhưng tất cả đã rơi vào tay Hồng quân, sau đó được đưa về Liên Xô, bị phân tán đi khắp nơi không ai biết. Người ta không hiểu rằng đó là những tư liệu vô giá của Max Planck. Cộng hòa Dân chủ Đức đã ra sức tìm lại di https://thuviensach.vn 74 ông đã được di tản sang nơi khác. Năm 1945, trước khi chiến tranh kết thúc, đứa con trai út Erwin thương yêu nhất còn lại của ông bị quốc xã hành quyết vì có tên trong danh sách chính phủ của một tổ chức ám sát Hitler ngày 20 tháng 7. Planck lặng người đi. Lúc đó ông đã 87 tuổi. Ông ngồi vào cây đàn dương cầm, đánh lên những điệu nhạc mà con trai của ông hằng ưa thích. “Sự đau đớn của tôi không thể diễn tả được bằng lời... Tôi lại cố gắng ngày qua ngày, để có lại sức, để cam chịu với số phận này. Bởi vì với mỗi ngày lên, một ngọn đòn mới đến với tôi, làm tôi tê tái, và làm mờ đi ý thức sáng sủa của tôi. Sẽ còn lâu tôi mới trở lại sự quân bình tinh thần. Bởi vì nó là một phần quý báu của đời tôi. Nó là tia sáng mặt trời, niềm hãnh diện của tôi, niềm hy vọng của tôi. Cái tôi đã mất đi theo nó, không thể nào được diễn tả bằng lời.” Nỗi đau kinh hoàng, định mệnh nghiệt ngã như đã bắt Planck phải chịu đựng vào giờ phút cuối đời như thể những đau khổ trước đó vẫn chưa đủ. “Tôi rất cố gắng tìm lại sức mình, để khỏi lịm đi trước đau thương. Điều giúp tôi ở đây là tôi xem như một ân huệ từ bên trên, rằng kể từ lúc tuổi thơ niềm tin vững chắc, không gì lay chuyển, vào đấng toàn năng, toàn thiện đã bám rễ trong tôi. Dĩ nhiên, con đường của Ngài không phải là con đường của chúng ta; nhưng niềm tin vào Ngài giúp chúng ta vượt qua được những thử thách lớn nhất.” Thư viện riêng của Max Planck XII. Max-Planck-Gesellschaft từ đống tro tàn Khi chiến tranh chấm dứt, với sự giúp đỡ của bạn bè, Planck trở về sống ở Göttingen, thành phố của những người thuộc thế hệ trước trong gia đình ông. Berlin giờ đây chỉ còn là đống gạch vụn. Ông ra sức cứu vãn và tái thiết sản này, và phía Liên Xô cũng đồng ý cho phép đưa về nếu tìm được, nhưng rồi chẳng ai biết chúng ở đâu. Rút cuộc, chỉ tìm được một ít sách vở và tạp chí. Các tư liệu vô giá như hồi ký, thư tín, bản thảo... không còn nữa! https://thuviensach.vn 75 Tổ chức khuếch trương khoa học Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft như quan tâm hàng đầu, mặc dù sức khỏe ông đã giảm sút nặng từ nhiều năm do bệnh tuổi già. Phần lớn các Viện Kaiser-Wilhelm bị phá hủy, các thành viên hoặc bị trục xuất, chết hay mất tích; còn vị chủ tịch cuối cùng của Tổ chức thì cũng tự tử sau khi chế độ quốc xã sụp đổ. Từ những vị chủ tịch cũ thì chỉ còn lại có Planck, và ông chính là niềm hy vọng duy nhất để tập hợp lực lượng và cứu sống lại Tổ chức chứ không ai khác. Tháng 9.1945 các viện được phép hoạt động trở lại. Planck nhận lời làm “Chủ tịch danh dự” của Kaiser-Wilhelm Gesellschaft tương lai. Tháng 7 năm 1946, Hàn Lâm viện Anh quốc tổ chức lễ kỷ niệm sinh nhật thứ 300 của Isaac Newton. Lễ này đáng lẽ đã được tổ chức năm 1942, nhưng đã bị hoãn lại vì lý do chiến tranh. Planck là nhà khoa học Đức duy nhất được mời tham dự. Một máy bay quân sự Anh đã đưa ông và vợ sang London. Ông di chuyển rất khó khăn. Tại buổi lễ, Planck được cộng đồng khoa học thế giới chào đón nồng nhiệt và kính cẩn nhất như người đại diện của một ‘nước Đức khác’. Người ta vẫn không quên những đóng góp khoa học lớn lao của ông và thái độ phản kháng tích cực của ông trong thời đệ tam đế chế. Một sự kiện nhỏ diễn ra đã làm ông không vui. Người giới thiệu chương trình xướng lên tên tuổi của các nhà khoa học thế giới như những đại diện của quốc gia họ. Đến lượt Planck thì người đó ngập ngừng một lúc rồi mới tiếp: Giáo sư Planck, đại diện của “No country”! Vâng một nước Đức huy hoàng mà ông đã từng cống hiến cho nó không còn nữa. Người ta kể, ông cảm thấy bị tổn thương nặng nề. Nhưng ông rất đỗi vui mừng gặp lại cộng đồng khoa học thế giới, gặp lại người học trò quý mến Lise Meitner năm xưa. Đối với bà, sự gặp lại người thầy cũ kính mến là “một món quà từ trên trời”. Bà buồn vì thấy thầy mình đã già yếu đi rõ rệt, không còn sức sống của năm 1943 trước đó khi bà gặp ông ở Stokholm, nhưng “sự trong sáng và liêm khiết của nhân cách ông vẫn nguyên vẹn qua năm tháng”. https://thuviensach.vn 76 Planck chúc mừng Hahn được nhận giải Nobel hóa học. Bức ảnh này cũng tượng trưng cho sự “chuyển giao thế hệ”: Hahn trở thành chủ tịch đầu tiên của Max-Planck-Gesellschaft từ ngày 1.4.1946. Trong ảnh: phía sau bên trái là von Laue, bên phải là Heisenberg. Ngày 11 tháng 9 năm 1946, “Tổ chức nghiên cứu Max-Planck-Gesellschaft nhằm khuếch trương khoa học” được chính thức ra đời tại Bad Driburg, thay thế cho Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft, phù hợp với nguyện vọng của những người sáng lập, và cũng đúng với ý muốn của chính quyền quân sự lâm thời Anh trong vùng quản lý, không muốn thấy cái tên của vua Wilhelm nữa, vốn là biểu tượng của chủ nghĩa quân phiệt. Max Planck là chủ tịch danh dự của tổ chức. Không còn cái tên nào phù hợp hơn, không còn ai xứng đáng hơn để đặt cho tổ chức. Trong bài phát biểu ngắn trước máy quay phim của báo chí để cảm ơn những người thành lập là những nhà khoa học được giải Nobel còn lại, và để đáp lại sự chúc mừng và ca ngợi của họ, ông nhiều lần đã nghẹn lời. XIII. Ra đi Ông vẫn tiếp tục đi diễn thuyết một cách không mệt mỏi. “Về mặt khoa học, với tuổi 89, tôi không còn sáng tạo nữa; cái còn lại là khả năng tôi theo dõi các tiến bộ khoa học mà công trình của tôi đã đặt nền móng, và thỉnh thoảng, bằng sự lập lại các bài diễn thuyết của tôi, đáp ứng nguyện vọng của những người nỗ lực đi tìm chân lý và nhận thức, nhất là tuổi trẻ.” Một trong những vị khách cuối cùng đến thăm Planck tháng 7 năm 1947 đã ghi lại vài hình ảnh và cảm nghĩ: “Tôi không thể nào quên được ấn tượng khi đứng trực diện với một dáng đứng lưng còng của một con người già nua, bước đi ngập ngừng, với cái mũ vải dẹt, và cây gậy”. Tuy ông không tiếp khách được lâu, nhưng không vì thế mà ông “làm giảm đi ấn tượng lớn của một nhân cách, dù đã ở tuổi cao và mặc cho những khó khăn thể xác nhưng cũng vẫn còn gây ấn tượng mạnh, trong khi cuộc vật lộn tinh thần của cả một đời đã in sâu vào các vết hằn trên khuôn mặt, và đã hình thành một tấm gương trong sáng của tâm hồn một con người vĩ đại. Nó hòa lẫn với sự khiêm tốn chưa từng có, điều cũng không thể xóa đi sự vĩ đại của tư chất ông như một nhà nghiên cứu và một con người, dù trong một phút giây. Ngược lại: Đứng trước tôi là một trong những con người vĩ đại của thế giới trí tuệ mà bi kịch cá nhân đã không lấy đi được chút nào nhân cách.” Vào những ngày cuối đời, ông nói nhiều về cuộc đời, về Thượng đế và thế giới: “Chịu đựng can đảm trong cuộc chiến đấu cho cuộc đời, và âm thầm tuân thủ vào ý muốn của một quyền lực cao hơn ngự trị trên chúng ta”. Ông “không thuộc những người để mình cay đắng” và biết“vượt cao khỏi thế giới này”. https://thuviensach.vn 77 Ngày 4.10.1947 ông vĩnh viễn ra đi sau những giờ phút đau đớn. Quan tài được quàn ba ngày tại nhà thờ thành phố Göttingen. Người đến viếng chật ních. Otto Hahn, lúc này đã nhận xong giải Nobel cho hiện tượng phân hạch của mình năm 1938, và Max von Laue, người học trò yêu quý nhất của Planck và được giải Nobel trước cả thầy mình, đọc điếu văn. Laue đứng bên cạnh quan tài được phủ đầy những vòng hoa, nghẹn ngào trong nước mắt: “Và ở kia còn một vòng hoa tang giản dị. Tôi đã đặt nó xuống để thay mặt cho toàn thể những học trò mà tôi là một thành viên trong đó, như một dấu tích phù vân của tình yêu và lòng biết ơn vĩnh cửu của chúng tôi.” Quan tài ông được các sinh viên vật lý khiêng ra xe và đưa về nghĩa trang thành phố trong tiếng chuông đổ của tất cả các nhà thờ thành phố. Trong những lá thư chia buồn từ khắp nơi trên thế giới gửi về cho góa phụ Marga Planck, người vợ thứ hai của ông, có một lá thư gửi từ Princeton, N.J., của Albert Einstein: “Bây giờ cũng đến lượt chồng Bà hoàn tất những ngày của ông ấy, sau khi ông ấy đã làm được cái vĩ đại và nếm trải cái đắng cay. Đó là một thời gian đẹp và thành công mà tôi được phép cùng trải nghiệm trong sự gần gũi với ông ấy. Mắt ông hướng về những cái vĩnh cửu, nhưng ông vẫn dự phần hằng ngày vào tất cả những gì thuộc về phạm vi con người và thời đại. Thế giới con người sẽ khác đi và tốt đẹp biết bao, nếu có nhiều hơn nữa những người lãnh đạo như ông. Nhưng điều đó dường như không thể có được. Những tính cách cao thượng trong mỗi thời đại và ở khắp nơi vẫn luôn bị cô lập, không thể ảnh hưởng được cuộc đời bên ngoài. Những giờ phút tôi được phép trải qua ở nhà của Ông Bà, những cuộc trò chuyện mà tôi đã thực hiện riêng với con người tuyệt vời, sẽ thuộc về những kỷ niệm đẹp nhất trong phần đời còn lại của tôi. Điều đó vẫn đúng, mặc dù một biến cố bi thảm đã chia cắt chúng tôi. Tôi cầu chúc Bà trong những ngày cô đơn tìm thấy niềm an ủi rằng Bà đã đem ánh sáng và sự hài hòa vào đời của con người được kính yêu. Từ xa, tôi xin chia sẻ với Bà nỗi đau của cuộc chia ly.” https://thuviensach.vn 78 Thư chia buồn của A. Einstein gửi bà Marga Planck. (Nguồn: [5]) (Nguồn: Hans Roos & Armin Hermann [4]) Planck đã đi tìm cái vĩnh cửu, tuyệt đối, và ông đã được toại nguyện: những khám phá vĩ đại của ông trong khoa học, thuyết lượng tử, hằng số tác động h, cùng với tên tuổi của ông đã trở thành những cái vĩnh cửu, tuyệt đối trong vũ trụ và thế giới chúng ta. Hằng số h, với trị số của nó, được khắc lên bia mộ của ông tại nghĩa trang thành phố Göttingen như biểu tượng của một khám phá vĩnh hằng đã theo ông suốt cuộc hành trình gian khổ. “Tuy cuộc đời vĩ đại của ông đã hạ xuống không chiếu sáng mà bị bao bọc bởi một lớp mây dày của đau khổ. Nhưng chúng ta biết rằng trong tương lai xa nó sẽ chiếu sáng”, như Wilhelm Westphal, người thuộc giới vật lý Berlin và rất gần gũi với gia đình Planck đã nhận xét. Đúng thế, cuộc đời vĩ đại của ông sáu mươi năm sau khi mất giờ đây chiếu sáng hơn bao giờ hết. Tờ The New York Times ngày 5 tháng 10 năm 1947 viết trong bài cáo phó một ngày sau khi Planck mất: “Planck là một trong những người khổng lồ trí thức của thế kỷ 20, một trong những trí thức ngoại hạng của tất cả mọi thời đại. Như người cha của thuyết lượng tử, ông được xếp hạng với những người bất tử của khoa học, như Archimdes, Galileo, Newton và Einstein.” Tài liệu tham khảo: 1. Max Planck, Die Ableitung der Strahlungsgesetze. Ostwalds Klassiker der Exakten Wissenschaften, Band 206. Verlag Harri Deutsch, 2007. 2. Armin Hermann, Planck. Rohwohlt, 1973. 3. Armin Hermann, The Genesis of Quantum Theory (1899-1913). MIT https://thuviensach.vn 79 Press Classic, 1971. 4. Hans Roos & Armin Hermann, Max Planck. Vorträge, Reden, Erinnerungen. Springer, 2001. 5. Dieter Hoffmann, Max Planck. Die Entstehung der mondern Physik. C.H.Beck, 2008. 6. John L. Heilbron, Max Planck. Hirzel, 2006. 7. Ernst P. Fischer, Der Physiker. Max Planck und das Zerfallen der Welt. Siedler, 2007. 8. William H. Cropper, Great Physicists. Oxford University Press, 2004. 9. Max von Laue, Zu Max Plancks 100. Geburtstage. Trong Max von Laue, Aufsätze und Vorträge. Vieweg, 1961. 10. Walther Gerlach, Max Planck. Trong Die Grossen, Band IX, 1. Kindler Verlag, 1976. 11. Max Born, Max Planck. Trong Die Grossen Deutschen, Band 4. Propyläen Verlag, 1957. 12. Hans Hartmann, Max Planck als Mensch und Denker. Karl Siegismund Berlin, 1943. 13. Werner Heisenberg, Schritte über Grenzen. Piper, 1977. 14. Werner Heisenberg, Physik und Philosophie. Ullstein Materialien, 1981. 15. MaxPlanck, Vorträge und Ausstellung zum 50. Todestag. Do Max Planck-Gesellschaft, München xuất bản 1997. 16. Max Planck, Revolutionär wider Willen. Spektrum der Wissenschaft, Biografie, 1/2008. 17. Max Planck und die Max-Planck-Gesellschaft. Zum 150. Geburtstag. Berlin, 2008. 18. Robert Jungk, Heller als Tausend Sonnen. Das Schicksal der Atomforscher. Rororo, 1983. 19. Domenico Giulini, Max Planck und die Begründung der Quantentheorie, preprint 2001. 20. Martin J. Klein, Planck, Entropy, and Quanta. Trong The Natural Philosopher I. Blaisdell Publishing Company, 1963. 21. Abraham Pais, “Raffiniert ist der Herrgott...”. Albert Einstein, Eine wissenschaftliche Biographie. Vieweg, 1986. 22. Nguyễn Xuân Xanh, Einstein. NXB Tổng hợp Thành phố Hồ Chí https://thuviensach.vn 80 Minh, 2007. Fahasa phát hành. Thành phố Hồ Chí Minh ngày 20.4, được sửa chữa và bổ sung ngày 4.11.2008 https://thuviensach.vn