English | Français   rss
Liên kết
Con đường dẫn đến giải Nobel (phần 2) (23-07-2008 08:51)
Góp ý
Khi chúng tôi bắt đầu thực hiện thí nghiệm mà nhờ nó chúng tôi đã dành được vinh quang, nhiều nhà vật lý đã nói với chúng tôi rằng công trình chỉ phí thời gian. Thậm chí nhiều thành viên trong nhóm hợp tác của chúng tôi, người mà tham gia vào thiết kế và xây dựng các dụng cụ đã từ bỏ thí nghiệm này bởi vì họ muốn làm một điều gì đó hữu hiệu hơn. Bây giờ tôi xin chia sẻ với các bạn về công việc của chúng tôi.
<body>

Nhưng trước khi bắt đầu, tôi nên đặt công việc này trong bối cảnh là những gì được biết về vật chất. Nhìn lại phần đầu của slide đầu tiên, chúng tôi chỉ thấy vật chất thông thường, bao gồm nguyên tử và phân tử. Mọi thứ ở đây đều được tạo ra từ vật chất, chiếc bàn này, chúng ta và mọi thứ xung quanh chúng ta. Nếu chúng ta tăng độ phóng đại lên 100 triệu lần, chúng ta sẽ thấy nguyên tử. Nguyên tử gồm các hạt electron bao bọc xung quanh một vật thể cực kỳ nhỏ ở giữa gọi là hạt nhân. Bức tranh này do một nhà vật lý người Nhật, Hantaro Nagaoka, đưa ra năm 1904. Nó được Rutherford chứng minh thông qua hàng loạt thí nghiệm nổi tiếng về sự tán xạ của các hạt alpha vào năm 1911. Bây giờ nếu chúng ta tăng độ phóng đại lên thêm 100.000 lần nữa, chúng ta sẽ thấy hạt nhân bao gồm các nơtron và proton. Bức tranh đó được bắt đầu dựng lên vào năm 1919, khi Rutherford xác định proton là hạt nhân của nguyên tử hydro, và năm 1932 Chadwick có một khám phá mới về nơtron. Nếu chúng ta tăng độ phóng đại hơn nữa, chúng ta sẽ thấy proton và nơtron có nhiều phần tử khác nữa gọi là hạt quark. Câu chuyện đó bắt đầu mở ra vào năm 1968 và tiếp tục cho đến ngày nay. Đó là câu chuyện mà tôi muốn kể với các bạn. *

Câu chuyện này bắt đầu với việc phát hiện ra một loại hạt mới gọi là hạt pi meson hay hạt pion. Sự tồn tại của loại hạt mới này đã từng được một nhà vật lý người Nhật, Giáo sư Hideki Yukawa, phỏng đoán trên lý thuyết vào năm 1935. Các nhà vật lý bắt đầu tìm kiếm loại hạt mới này bởi vì lý thuyết đó rất thuyết phục. Vào năm 1947, nó đã được tìm thấy; và GS. Yukawa đã được trao giải Nobel về Vật lý năm 1949 cho công trình lý thuyết nổi bật này. Khi hạt pion được phát hiện, cộng đồng vật lý học cảm thấy rất vui mừng bởi vì họ có cảm giác là đã hiểu biết được đôi chút về thế giới hạ nguyên tử. Nhưng niềm vui sướng chỉ tồn tại một thời gian ngắn, bởi vì những vấn đề vô cùng phức tạp đã sớm nảy sinh trong lĩnh vực này. *

Vào năm 1960 một số lượng lớn các loại hạt khác đã được phát hiện nhưng mối liên quan giữa các loại hạt này vẫn chưa được thấy rõ. Những loại hạt mới được phát hiện này là thành quả của những loại máy gia tốc mới có năng lượng cao hơn và những loại máy dò hạt mới.

Vào năm 1961, một hệ thống phân loại những loại hạt mới phát hiện này đã được phát triển. Nó trông giống như bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học, trừ việc nó được dùng cho hạt. Hệ thống phân loại này không chỉ cung cấp một trật tự cho những loại hạt mới được phát hiện, mà còn dự đoán sự tồn tại của những loại hạt chưa được phát hiện. Và tất cả những loại hạt theo dự đoán của hệ thống này sau đó đã được tìm thấy. Nhưng lại dấy lên một câu hỏi: Tại sao hệ thống phân loại này lại thành công đến vậy?*

Vào năm 1964, hai nhà vật lý đã độc lập cùng đưa ra ý tưởng xem các hạt quark là những khối hợp nhất của các hạt, bởi vì họ phát hiện ra rằng các hạt quark có thể là nền tảng của hệ thống phân loại này. Ban đầu, theo mô hình hạt quark thì có 3 loại hạt quark: Hạt quark TRÊN, hạt quark DƯỚI và hạt quark LẠ. Nhưng những hạt quark có một đặc tính rất khác thường, gây không ít ngạc nhiên và phiền toái. Chúng đều có điện tích phân số, và chưa có một loại hạt nào được tìm thấy trong tự nhiên lại có điện tích phân số như thế. Hạt quark TRÊN có điện tích +2/3, hạt quark DƯỚI có điện tích -1/3, còn hạt quark LẠ có điện tích -1/3. *

Như các bạn thấy, proton được tạo thành từ 2 hạt quark TRÊN và một hạt quark DƯỚI, nên proton có điện tích là +1, còn nơtron được tạo thành từ 2 hạt quark DƯỚI và 1 hạt quark TRÊN, nên nơtron có điện tích là 0. Bạn có thể thấy về cơ bản cách proton và nơtron được tạo ra theo lý thuyết này. *

Các nhà vật lý làm gì để xác minh một vật gì đó có thực hay không? Họ sẽ tìm kiếm nó. Đã có rất nhiều cố gắng trong việc tìm kiếm những hạt quark này. Nhưng không có một hạt quark nào được tìm thấy. Đối với nhiều nhà vật lý thì chuyện này cũng chẳng có gì đáng ngạc nhiên. Điện tích phân số được xem là một khái niệm thật sự khác lạ và khó chấp nhận, và quan điểm chung vào năm 1966 xem các hạt quark đó gần như chỉ là những biểu diễn toán học – hữu ích nhưng không có thật.
Như vậy, hầu hết các nhà vật lý tại thời điểm đó đều không nghĩ là hạt quark có tồn tại. Tuy nhiên, vẫn còn một số ít các nhà vật lý không từ bỏ mô hình hạt quark, và họ kiên trì thực hiện các phép tính toán về khả năng ứng dụng của mô hình hạt quark. Nhưng công việc của họ được rất ít nhà vật lý khác chú ý đến.

Vào năm 1966, đã có một bước phát triển quan trọng trong câu chuyện này. Máy gia tốc tuyến tính Stanford tại SLAC đã được hoàn thành và đưa vào vận hành. Đây là một máy gia tốc tuyến tính rất dài và có năng lượng lớn dùng để gia tốc electron. Các cuộc thử nghiệm tán xạ electron-proton không đàn hồi đã được bắt đầu từ năm 1967 và tiếp tục cho đến năm 1974 dưới sự cộng tác giữa MIT và SLAC, bao gồm Henry Kendall, Richard Taylor và tôi, cùng với các nhà vật lý khác. Nói một cách khái quát thì đây là một cuộc thử nghiệm rất đơn giản. Bạn sẽ bắn các hạt electron vào các hạt proton. Các hạt electron sẽ bị tán xạ; nhiều loại hạt khác sẽ được sinh ra. Bạn chỉ cần dò tìm và đo các hạt electron và thế là đã có những bằng chứng trực tiếp đầu tiên về các hạt quark. Hãy để tôi giải thích cách tiến hành, bởi vì phương pháp khoa học thực sự khá là đơn giản. Tôi sẽ giải thích bằng một ví dụ tương tự. *

Tôi đưa cho bạn một cái bể cá có chứa một số lượng cá nhất định và đặt nó vào trong một phòng tối. Tôi yêu cầu bạn cho tôi biết có bao nhiêu con cá trong cái bể này. Tôi cũng yêu cầu bạn không được nhúng tay vào trong cái bể cá. Nhưng tôi sẽ đưa cho bạn một cây đèn pin. Vậy thì bạn sẽ bật đèn pin và quan sát, đúng không? Bạn sẽ nhìn thấy có bao nhiêu con cá trong cái bể. Đó sẽ là một cách làm hợp lý.

Bạn thấy đấy, cuộc thử nghiệm cơ bản cũng có chung ý tưởng như thế. Thay vì có một chùm sáng, bạn có một chùm electron. Thay vì dùng mắt, bạn dùng máy dò hạt. Thay vì sử dụng não bộ để tái cấu trúc hình ảnh, bạn sử dụng một máy tính, lập trình bằng trí thông minh của con người. Và dĩ nhiên, thay vì tìm cá trong cái bể, bạn tìm kiếm cái bên trong hạt proton. Ý tưởng cơ bản là như thế. Bạn đang quan sát bên trong hạt proton bằng một thiết bị tương đương với một kính hiển vi electron rất mạnh. Độ phóng đại hiệu dụng của cuộc thí nghiệm này gấp 60 tỷ lần một một kính hiển vi thông thường. *

Đây là bức ảnh của máy gia tốc tuyến tính Standford. Nó dài 2 dặm và bạn có thể nhìn thấy có cả một con đường chạy phía trên nó. Các hạt electron được uốn thành ba chùm. Có hai buồng thí nghiệm. Cuộc thí nghiệm được tiến hành ở buồng lớn hơn. Chùm electron được uốn cong và đi vào buồng này, nơi chứa thiết bị thí nghiệm. Máy gia tốc tuyến tính phát ra một chùm electron có điện thế 20 tỷ electronvon, một mức năng lượng rất cao vào thời điểm đó.

Đây là một bức hình của các máy đo từ trường dùng để đo năng lượng của các electron bị tán xạ. Cái lớn hơn trong hai cái máy là máy đo 20 tỷ electronvon. Nó dài 50 mét và nặng 3000 tấn. Cái còn lại có thể đo đến mức 8 tỷ electronvon và dài 25 mét. Chùm hạt đi vào từ phía bên trái, và chạm đích tại trục xoay phía trước các máy đo. Các máy đo có thể di chuyển trên đường ray quanh trục. Đây là những thiết bị lớn nhất trong ngành vật lý vào thời điểm đó. *

Bây giờ thì bạn có thể hình dung ra được những đặc điểm gì của sự tán xạ căn cứ trên mô hình hạt quark khi so sánh với với đặc điểm tán xạ từ một hạt proton có điện tích bị làm nhoè, vốn là mô hình hạt proton vào thời điểm đó? Theo một nghĩa nào đó, đây là điểm cốt yếu của vấn đề nhìn từ góc độ vật lý học. Nếu bạn có mô hình cũ, trong đó điện tích khá khuếch tán, bạn sẽ cho rằng electron đi vào và không trệch hướng quá nhiều, bởi vì điện tích đã bị làm nhoè và không còn cái gì cứng bên trong để có thể thật sự làm tán xạ nó trong vụ va chạm mạnh. Electron mới đến đi vào và đi xuyên qua proton mà không bị trệch hướng quá nhiều. Quá trình này được trình bày ở hình phía trên. Nhưng nếu bạn còn có những phần tử bên trong hạt proton, thì thỉnh thoảng một electron đi vào và tán xạ một góc rộng từ một trong số các phần tử, như bạn có thể thấy ở hình phía dưới.

Như vậy, một lượng quá lớn tán xạ góc rộng sẽ đưa đến kết luận là có những vật thể nhỏ hơn rất nhiều bên trong proton. Kết quả là, bằng cách quan sát phân phối xác suất tán xạ, bạn có thể phát hiện những gì bên trong hạt proton, và đây chính là cách cuộc thí nghiệm được phân tích. Tôi muốn trình bày với bạn kết quả tìm thấy.

Trong slide này, chúng tôi trình bày những phân bố xác suất tán xạ từ cuộc thí nghiệm, so sánh với những phân bố xác suất tán xạ có thể có từ mô hình hạt proton cũ. Những đường cong phía trên cùng là các phép đo. Những đường cong hướng xuống đột ngột là các loại phân bố bạn có thể hình dung ra từ mô hình proton cũ. Bạn sẽ nhìn thấy sự khác nhau, xấp xỉ 1/1000, giữa những gì mô hình cũ có thể dự đoán về xác suất tán xạ và những gì mà cuộc thí nghiệm tạo ra. Về cơ bản, các phép đo này cho thấy đã quan sát được một lượng lớn bất thường tán xạ góc rộng. Bây giờ, những người thí nghiệm tiếp tục cố gắng phân tích và tác cấu trúc hình ảnh, liên quan đến những gì đã được đo đạc.

Những vật thể bên trong lớn đến mức nào? Kết quả cho thấy chúng giống như một điểm. Chúng nhỏ hơn mức có thể đo được với độ phân giải của hệ thống. Nhưng đây quả thực là một quan điểm rất lạ. Nó khác xa những gì có thể nghĩ đến vào thời điểm mà chúng tôi bất đắc dĩ mới bàn luận về nó một cách công khai.

Vì thế, khi sử dụng những thiết bị này, chúng tôi phát hiện ra rằng cả proton và nơtron đều được cấu thành từ những phần tử giống như 1 điểm. Chúng tôi gọi chúng là hạt điểm bởi vì chúng nhỏ đến mức chúng tôi không thể nào đo được kích thước của chúng. Chúng tôi cũng không sao xác định được liệu có phải chúng có điện tích phân số hay không.

Điện tích phân số là một vấn đề còn khó khăn hơn nhiều; và để thực sự giải quyết được vấn đề đó, một dạng tán xạ khác cần phải được đưa vào bức tranh toàn cảnh. Tán xạ nơtrinô có thể giúp đưa ra câu trả lời. *

Trước tiên, nơtrinô là gì? Nơtrinô căn bản là những hạt gần như vô hình. Chúng có khối lượng cực nhỏ, không có điện tích và hiếm khi tương tác. Chúng tương tác yếu đến nỗi một nơtrinô có điện thế 100 tỷ volt thông thường phải đi xuyên qua 4 triệu km sắt mới tán xạ một lần.

Làm thế nào để xác định điện tích của những phần tử này? Bạn có thể phát hiện điện tích của các phần tử này bằng cách so sánh eletron và nơtrinô tán xạ từ proton và nơtron. Việc so sánh kết quả tán xạ electron của chúng tôi và kết quả đo lường tán xạ nơtrino của CERN, một phòng thí nghiệm ở Thuỵ Sĩ, đã chứng tỏ một cách chắc chắn rằng mô hình hạt quark là đúng đắn.Và những nhà vật lý vốn hoài nghi sự tồn tại của hạt quark cuối cùng cũng phải công nhận sự tồn tại của chúng.

Vẫn còn một câu hỏi – Kích thước của hạt quark là bao nhiêu? Kích thước của hạt quark vẫn nhỏ hơn mức chúng ta có thể đo lường. Vì thế chúng ta nói nó là hạt điểm.

Chúng ta không nhất thiết phải tin rằng nó là một điểm, nhưng trong khả năng giới hạn của những dụng cụ đo lường, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy các điểm. Giới hạn trên của kích thước của nó theo các đo đạc hiện thời là vô cùng nhỏ bé. Nếu chúng ta lấy một nguyên tử cacbon, vốn nhỏ hơn rất nhiều lần so với 1 con vi-rút và phóng to cho đến khi ngang bằng kích thước của quả đất, khi đó một hạt quark sẽ có kích thước nhỏ hơn ½ cm. Và đó chỉ mới là giới hạn trên của kích thước của hạt quark. Nhưng ngay cả nếu như chúng ta không thể đo kích thước hạt quark, tôi hi vọng các bạn vẫn tin rằng các bạn được tạo thành từ những hạt quark, và các hạt quark của bạn liên kết với nhau rất tốt. *

Các bạn có thể thắc mắc là tôi đã học được những gì về cuộc sống từ công việc của tôi? Đây là một vài điều tôi đã học được:

Có ước mơ và làm việc chăm chỉ; và những nguyện vọng cao xa nhất của bạn có thể thành hiện thực. Khi các bạn chọn nghề, hãy chọn lấy lĩnh vực mà bạn thực sự yêu thích. Chỉ khi nào bạn có một niềm hứng thú và say mê đối với một lĩnh vực, bạn mới cam kết nỗ lực đạt được một điều gì quan trọng. Chính lòng ngưỡng mộ các kỳ quan tự nhiên và lòng ham hiểu biết mãnh liệt về cách thức tự nhiên vận động đã đưa tôi đến với vật lý học.

Khi tôi còn là một sinh viên và cả trong suốt sự nghiệp của mình, tôi đã làm việc chăm chỉ. Nhưng tôi chưa bao giờ cảm thấy tôi đã làm việc một cách khó nhọc bởi vì tôi vô cùng yêu thích vật lý học. Tôi cảm thấy mình đã được làm một trong những công việc tốt nhất thế giới. Tôi đã được đền đáp cho việc cố gắng tìm lời giải cho những bài toán hóc búa và cho việc giảng dạy một bộ môn mà tôi yêu thích.

Công việc là một nguồn hạnh phúc lớn lao của tôi. Khi tôi nhìn thấu vào bên trong một vấn đền đang đánh đố tôi, tôi được trải nghiệm một niềm vui lớn. Và có được một phát kiến còn đem lại niềm vui lớn lao hơn. Thử nghĩ xem, khi có được một phát kiến, bạn có thể là người đầu tiên trong lịch sử nhân loại quan sát được hoặc hiểu được một bí mật của tự nhiên mà bạn vừa khám phá ra.

Công việc này đã dạy cho tôi rằng để có thể đạt được điều gì quan trọng, bạn thường phải chấp nhận mạo hiểm để theo đuổi những mục đích và ý tưởng, ngay cả khi người khác ngăn cản bạn làm điều đó. Bạn phải có đủ lòng can đảm và niềm tin vào những gì bạn lựa chọn. Tôi sẽ không bao giờ được nhận giải Nobel nếu không đi ngược lại những lời khuyên đầy thiện ý của những người đáng kính trọng trong lĩnh vực của tôi.

Bây giờ tôi muốn đi đến kết luận bằng một vài nhận xét chung về tầm quan trọng của khoa học và công nghệ. Những gì chúng ta học được từ khoa học đã định hình một cách sâu sắc cách chúng ta nhìn vị trí của chúng ta trong vũ trụ. Nó đã mang lại cho chúng ta những hiểu biết về cách vũ trụ hoạt động, từ những khối hợp nhất cơ bản của thế giới hạ nguyên tử cho đến những biên giới xa xôi của vũ trụ. Và ngành sinh học tiến hoá đã đem lại cho chúng ta sự hiểu biết về vị trí của chúng ta trong trật tự tự nhiên của cuộc sống.

Không những thế khoa học cũng tác động to lớn đến cách chúng ta sống. Thế giới thay đổi rất nhanh, chịu ảnh hưởng rất lớn từ khoa học và công nghệ. Sự phát triển của nhân loại gắn kết mật thiết với những phát kiến được ươm mầm từ óc sáng tạo của con người, từ những công cụ thô sơ thời nguyên thuỷ đến xã hội công nghệ hiện đại ngày nay. Trong thời kỳ hiện đại, khoa học và kỹ thuật đã cung cấp những phát kiến giúp nâng cao mức sống, cải thiện sức khoẻ của chúng ta và thúc đẩy nền kinh tế của mỗi quốc gia. Nhưng khoa học và công nghệ phải được xã hội sử dụng một cách khôn ngoan và đầy tính nhân văn. Nhà vật lý lý thuyết vĩ đại Victor Weisskopf từng nói: “Xã hội dựa trên hai trụ cột, tri thức và tình thương. Tình thương mà không có tri thức thì vô ích. Và tri thức mà không có tình thương là vô nhân đạo.”

Các bạn sinh viên ở đây đang được hưởng một nền giáo dục tạo nền tảng vững chắc cho tương lai của các bạn. Hãy nhớ, một nền giáo dục tốt là một nền tảng mà bạn có thể tựa vào trong suốt cuộc đời và có thể mang lại cho bạn một công việc vừa ý.
Tất cả các bạn sẽ đóng góp rất nhiều cho đất nước của các bạn và cho thế giới. Sự giúp đỡ của các bạn là cần thiết để kiến tạo một tương lai tươi sáng, một tương lai dựa trên tri thức và tình thương. Tôi tin chắc rằng các bạn có thể đảm đương được nhiệm vụ này. Vậy thì hãy làm tất cả những gì có thể để hoàn thiện khả năng của bạn; thành quả và tương lai của bạn có thể vượt xa những gì bạn mơ ước.

Xin cám ơn.
 

</body>
Liên kết
×