Mozart và Cơ học Lượng tử

Chiến tranh Thế giới II đã gây ra một áp lực đặc biệt khiến chúng tôi buộc phải phát triển những siêu vũ khí nhằm giành được thắng lợi. Nhiều nhà khoa học, trong đó có cả tôi đã tham gia vào công việc này vì mối lo sợ rằng những kẻ như Hitler cũng như các hệ thống chính trị phát xít sẽ có được những loại vũ khí đó trước chúng tôi…Tôi đã có mặt ở đó, ngày 16/7/1945, khi quả bom nguyên tử đầu tiên được cho nổ ở sa mạc New Mexico. Tôi đã nhìn thấy nó qua kính râm: ánh sáng của nó mạnh hơn 20 lần so với ánh sáng mặt trời lúc giữa trưa. Hai ngày sau, tôi lái một chiếc xe jeep chở Hans Bethe, Enrico Fermi, Robert Oppenheimer và tướng Leslie Groves đến xem chỗ quả bom nổ. Cát sa mạc đã bị nấu chảy và tráng thành một lớp thuỷ tinh trên một vùng có bán kính khoảng 200 thước Anh (1 thước Anh = 0,914 mét). Tướng Groves chép miệng: ‘Tất cả chỉ có thế thôi sao?’. Chẳng lẽ ông ấy còn muốn đào một cái hố vào tận tâm Trái Đất chắc?”  (Victor Weisskopf)

 Victor Weisskopf – Mozart và Cơ học Lượng tử, không phải bom hạt nhân

 “Đối với tôi, có hai điều đáng để sống,” Victor Weisskopf vẫn thường nói với học trò của ông, “đó là Mozart và Cơ học Lượng tử.” Vốn là một nhạc công piano, cực kỳ say mê âm nhạc, lý do để Weisskopf đến với vật lý lý thuyết cũng xuất phát từ những niềm say mê khoa học trong sáng và hướng thiện. Ông đã có nhiều đóng góp quan trọng cho điện động lực học lượng tử và vật lý hạt nhân. Chiến tranh cùng với những nghiên cứu hạt nhân đã cuốn ông vào chương trình Manhattan chế tạo bom nguyên tử. Sống qua những thảm hoạ chiến tranh và hạt nhân nhưng Weisskopf vẫn luôn giữ được niềm vui của mình, những niềm vui ấy có lẽ cũng là nguồn gốc cho lương tri của một con người.

 

Trên những chặng đường của QED

Viki (tên gọi thân thiện của Victor Weisskopf) sinh ngày 19/9/1908 ở Vienna. Khi còn niên thiếu, Viki đã rất thích thiên văn học. Khi chưa đầy 15 tuổi, sau một đêm quan sát bầu trời, cậu đã cho đăng một nghiên cứu về những trận mưa sao băng Perseid. Thành Vienna khi ấy, như người ta vẫn ca tụng, chính là nơi mà âm nhạc của Mozart và những bản Valse của gia đình nhà Strauss có thể xua tan đi những suy nghĩ tăm tối trong đầu óc con người. Môi trường trí thức và giàu nghệ thuật ở đây đã nuôi dưỡng thế giới quan và những niềm say mê trong cuộc sống của Viki. Một niềm say mê lớn của Viki chính là âm nhạc. Khi còn rất trẻ, Viki đã trở thành một nghệ sỹ đệm đàn piano và thậm chí còn được coi là một nhạc công chuyên nghiệp.

 

 Weisskopf đang chỉ huy một dàn nhạc thính phòng trình diễn Concerto Brandenburg Số 3 của Bach. (1974)

 Những bài giảng tuyệt vời của Hans Thirring ở Đại học Vienna đã đem đến cho Viki sự tiếp xúc đầu tiên với vật lý lý thuyết. Năm 1928, theo lời khuyên của Thirring, Viki đã đến Göttingen, thánh địa của cơ học lượng tử. Vào thời gian đó, phương trình Dirac cùng với lý thuyết lượng tử về trường điện từ của Dirac đã đặt nền móng cho sự ra đời của điện động lực học lượng tử (QED). Mặc dù sớm có được những thành công ban đầu nhưng QED đã gặp phải những khó khăn sâu sắc về các khái niệm và kỹ thuật tính toán. Chính Viki đã luôn bám sát những chặng đường dài hàng chục năm của QED và đã đóng một vai trò lớn cho sự phát triển tốt đẹp của lý thuyết này.

Bề rộng tự nhiên của các vạch phổ là vấn đề đầu tiên mà Viki nghiên cứu. Ông đã đưa ra lời giải cho trường hợp các mức năng lượng chỉ chuyển về một trạng thái bền. Cùng với Eugene Wigner, ông đã mở rộng lý thuyết cho tất cả các loại chuyển dịch. Luận án tiến sỹ năm 1931 của ông đã mô tả sự áp dụng lý thuyết đó cho sự huỳnh quang cộng hưởng.

Trong những năm 1931-1937, Viki làm những nghiên cứu sau tiến sỹ, đầu tiên là với Werner Heisenberg ở Leipzig, sau đó với Erwin Schrödinger ở Berlin, Niels Bohr ở Copenhagen, Wolfgang Pauli ở Zürich, và cuối cùng lại quay về với Bohr. Tháng 1/1933, phát xít lên nắm quyền và thi hành chính sách bài Do Thái, vì lẽ đó mà Viki thường gặp khó khăn khi tìm việc.

Trong thời kỳ này, Viki cũng đã kết bạn với nhiều đồng nghiệp trẻ tài năng như Patrick Blackett, Felix Bloch, Henrik Casimir, Max Delbrück, Rudolf Peierls và George Placzek. Năm 1932 ở Copenhagen, ông đã gặp và cưới Ellen Tvede.                  

Trong giai đoạn này, Viki đã tập trung vào hai vấn đề lớn của QED: vai trò của các phản hạt và năng lượng tự tương tác của electron. Trong hai năm làm việc với Pauli ở Zürich, Viki đã thực hiện hai công trình quan trọng góp phần giải quyết hai vấn đề này. Theo gợi ý của Pauli, ông đã sử dụng lý thuyết lỗ để thực hiện một tính toán nhiễu loạn cho năng lượng tự tương tác của electron. Viki đã mắc phải một lỗi về dấu nhưng đã được Wendell Furry nhanh chóng nhận ra. Kết quả là năng lượng tự tương tác phân kỳ theo dạng lôgarít khi bán kính electron tiến tới không. 

Đây là một kết quả lạ lùng. Từ trước đó, điện động lực học cổ điển chỉ cho sự phân kỳ tuyến tính và ngay cả QED cũng chỉ vừa mới cho thấy một năng lượng tự tương tác phân kỳ bậc hai nếu phương trình Dirac được dùng để mô tả một hạt. Viki đã cảm thấy chán nản vì chuyện mắc lỗi trong tính toán, ông trở nên mất niềm tin vào khả năng toán học của mình. Sau này, chính sự thiếu tự tin đó đã một lần nữa ảnh hưởng đến những tính toán về dịch chuyển Lamb của ông.

Công trình thứ hai được viết cùng với Pauli, liên quan đến lượng tử hoá các trường vô hướng. Vào thời điểm đó, công trình này chỉ được xem là một bài tập lý thuyết thuần tuý, bởi vì người ta vẫn chưa biết hạt “cơ bản” nào có spin bằng không. Tuy nhiên, sự tồn tại của những  hạt này đã trở thành một đặc trưng không thể tránh khỏi của lý thuyết trường lượng tử cho các boson tích điện. Thêm vào đó, công trình của Pauli-Weisskopf đã cho thấy rằng, sự kết hợp thuyết tương đối và cơ học lượng tử không cần đòi các hạt phải có spin 1/2 như nhiều người vẫn nghĩ. Và với thành công của lý thuyết meson Yukawa, lý thuyết trường vô hướng đã không còn chỉ là một bài tập cho các nhà vật lý.

Năm 1936, lần thứ hai đến Copenhagen, Viki đã xuất bản một công trình kinh điển về sự phân cực chân không bởi một điện trường đều có độ lớn bất kỳ. Đặc biệt đáng chú ý trong nghiên cứu này là, ông đã phần nào đoán nhận được sự tái chuẩn hoá điện tích. 

Chạy trốn

Năm 1936, Viki cảm thấy rằng, đối với một người Áo Do Thái thì tốt hơn hết là nên dời châu Âu càng sớm càng tốt. Ông đã quyết định làm một số nghiên cứu về vật lý hạt nhân để có thể tìm đường sang Mỹ. Và thế là Viki đã có được một công trình xuất sắc áp dụng cơ học thống kê cho sự phát các neutron của hạt nhân, kết quả này đã được đăng trên Physical Review.

Thực ra, Viki cũng đã từng được mời làm sang Liên bang Xô Viết làm giáo sư ở Kiev và một vị trí nghiên cứu ở Moscow. Nhưng khi nhận ra rằng, không khí chính trị ở đây đã còn như chuyến thăm lần trước, Viki đã quyết định rằng, ông sẽ chỉ đến USSR nếu không còn sự lựa chọn nào khác. Trong những năm này, Bohr vẫn thường xuyên qua lại giữa Anh và Mỹ để “vận chuyển” những người tị nạn trong viện của ông. Năm 1937, Bohr đã thuyết phục được Đại học Rochester nhận Viki làm một chân trợ giảng, Viki nhận lời. 

Sau khi Viki đến Rochester, vật lý hạt nhân đã trở thành một hướng nghiên cứu chính của ông. Những nghiên cứu của ông về sự kích thích Coulomb và những chuyển dịch bức xạ là đặc biệt đáng chú ý. Ông cũng tiếp tục nghiên cứu chi tiết hơn về vấn đề năng lượng tự tương tác của electron trong QED. Ông đã thu được một kết quả rất giá trị là chứng minh năng lượng tự tương tác phân kỳ theo dạng lôgarít.

Đầu năm 1943, Oppeheimer mời Viki đến Los Alamos. Khi ấy, người ta vẫn chưa hề có những dữ liệu thực nghiệm liên quan đến các vụ nổ hạt nhân. Chương trình Manhattan phải dựa trên sự chỉ dẫn của các nhà lý thuyết. Viki đã trở thành một nhân vật sáng giá của bộ môn vật lý lý thuyết. Hans Bethe, trưởng bộ môn này, đã chọn Viki làm phó của ông. Với những tính toán quan trọng liên quan đến hiệu ứng bom, Viki cũng đã tham gia chứng kiến vụ thử Trinity ở sa mạc New Mexico tháng 7/1945. Một tháng sau đó, Mỹ ném bom hạt nhân ở Hiroshima và Nagasaki.

 Sau chiến tranh

Năm 1946, Viki đến Viện Công nghệ Massachusett (MIT). Sau khi Hendrik Kramers đưa ra ý tưởng và Bethe thực hiện tính toán phi tương đối tính để giải thích sự dịch chuyển Lamb, French và Weisskopf đã lần đầu tiên hoàn thành một tính toán thực sự phù hợp cho sự dịch chuyển này. Nhưng Viki đã không công bố kết quả vì nó có một sự sai khác nhỏ so với các tính toán của Richard Feynman và Julian Schwinger. Viki đã không dám tin là kết quả của ông và French đúng. Ông nghĩ rằng hai thiên tài trẻ như Feynman và Schwinger với những kỹ thuật tính toán mới và hiệu quả thì không thể mắc cùng một sai lầm được. Nhưng trên thực tế, Feynman và Schwinger đã mắc cùng một sai lầm.     

Sau chiến tranh, Viki tập trung vào vật lý hạt nhân chứ không phải QED nữa. Cùng với các cộng sự, đặc biệt là với Herman Feshbach, ông đã xuất bản hàng loạt những công trình về các phản ứng hạt nhân. Một cuốn sách được coi là kiệt tác của Viki: chuyên luận về vật lý hạt nhân, viết cùng với John Blatt đã từng trở thành sách gối đầu giường cho nhiều thế hệ các nhà lý thuyết hạt nhân. Công trình có tầm ảnh hưởng lớn nhất của Viki sau chiến tranh được viết cùng với Feshbach và Charles Porter, nó mô tả tiết diện tán xạ toàn phần và đàn hồi của các neutron.

Trước vụ thử Trinity, Viki đã từng tham gia vào một cuộc thảo luận do Bohr khởi xướng, bàn về sự đe doạ của vũ khí hạt nhân đối với loài người. Sau chiến tranh, Viki thuộc vào nhóm những nhà khoa học của Chương trình Manhattan, nhóm này đã thành lập nên Liên đoàn các nhà Vật lý Mỹ. Khi ấy, Viki cũng là thành viên của một hội đồng nhỏ do Albert Einstein làm chủ tịch, nhằm phổ biến và cảnh báo cho công chúng về bom hạt nhân. Trong những năm 1950, Viki đã tham dự những hội nghị Pugwash đầu tiên giữa các nhà khoa học hạt nhân phương Tây và Liên Xô, sau đó ông tiếp tục liên kết với những nhà khoa học Liên Xô để theo đuổi những nỗ lực kiềm chế vũ khí hạt nhân.

Năm 1960, Weisskopf làm chủ tịch Hội Vật lý Mỹ. Sau đó ông được làm giám đốc Cơ quan Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu (CERN). Trong suốt nhiệm kỳ của Viki, số người làm việc ở CERN đã tăng gấp đôi lên 2500. Các phòng thí nghiệm ở đây đã bắt đầu có những khám phá quan trọng, chẳng hạn như sự phân rã beta của hạt pion và phép đo với độ chính xác cao momen từ dị thường của hạt muon. Đến tháng 12/1965 thì Viki kết thúc nhiệm kỳ, Hội đồng CERN đã chấp thuận kế hoạch do ông vạch ra, xây dựng một máy gia tốc 300 GeV.

Trở về từ châu Âu, Viki đã đề nghị thành lập Ban Cố vấn Năng lượng Cao (HEPAP) cho Hội đồng Năng lượng Nguyên tử (sau này là Uỷ ban Năng lượng Hoa Kỳ). Viki đã trở thành chủ nhiệm đầu tiên của ban cố vấn này. Năm 1966, Viki trở về MIT và làm trưởng khoa trong sáu năm. Sau đó ông cũng có bốn năm làm chủ tịch của Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học. Ông đã viết sách, các bài luận và đặc biệt là cuốn tự thuật Niềm vui của sự Hiểu biết.

 Con người của Viki

Viki và cháu trai Jonah Weisskopf (1984).

 Tình yêu của Viki với cây đàn piano và âm nhạc cổ điển đã đi theo ông suốt cả cuộc đời. Một nửa chương cuối trong cuốn tự thuật của ông (“Mozart, Cơ học Lượng tử và một Thế giới tốt đẹp hơn”) được dành để nói về tình yêu của ông đối với âm nhạc, cả như một thính giả và như một nghệ sỹ biểu diễn. Những nghệ sỹ biểu diễn cùng ông vẫn nhìn nhận ông như một nghệ sỹ piano tài năng với sự thể hiện sâu sắc âm nhạc của Beethoven, Mozart, Schubert và nhiều nhà soạn nhạc khác.

“Tôi đã sống cuộc đời hạnh phúc trong một thế kỷ chết chóc”. Viki đã từng nói như vậy, sau khi phải thấy một cuộc chiến tranh thế giới đầy rẫy những tội ác và là nhân chứng cho vụ nổ hạt nhân đầu tiên của loài người. Ồng vẫn luôn luôn duy trì được tâm trạng hạnh phúc và yêu đời ngay cả trong những tình huống khắc nghiệt. Những tháng đầu tiên làm giám đốc CERN, ông đã phải nằm trong bệnh viện vì một tai nạn ô tô.

Victor Weisskopf là sự kết hợp của hai con người, nói chung là trái ngược nhau. Một con người thì uỷ mị, đa cảm và rất lãng mạn, con người kia lại nghiêm ngặt, khắt khe và rất lý tính. Ông vẫn thích nói rằng, ông gắn bó với Mozart và cơ học lượng tử. Ông đã lấy tiêu đề cuốn sách phổ biến khoa học viết năm 1963 của mình là Kiến thức và điều Kỳ diệu. Trong những buổi nói chuyện về vũ trụ học, ông vẫn thường bật lên đoạn crescendo chói tai trong bản oratorio Đấng Sáng tạo của Haydn. Weisskopf  mất ngày 22/4/2002.   

  

Tài liệu tham khảo

1. Speak Out Against the New Right edited by Herbert F. Vetter (Boston: Beacon Press, 1982)

2. Mozart and Quantum Mechanics: An Appreciation of Victor Weisskopf. Phys. Today, Vol. 56, No.2, 43-47

3. Kurt Gottfried and J. David Jackson – Victor Frederick Weisskopf, A Biographical Memoir. Published 2003 by The National Academies Press Washington, D. C.

4. H. H. Stroke. Some Weisskopf contributions to atomic physics. Phys. Today 56, pp. 13-14.

5. 8. M. Jacob. Knowledge and Wonder. In Victor F. Weisskopf 1908-2002, CERN Courier Commemorative Issue, December 2002, pp.18-21.

Trần Trung Dũng (Dịch và biên soạn)

————

Nói thêm về tác giả của bài viết: Trần Trung Dũng (PhD) là một người bạn tri giao của tôi, hiện đang làm việc tại Đại học Khoa học và Công nghệ Nauy. Anh đặc biệt có niềm say mê về hội họa và âm nhạc giao hưởng dù nghề của anh là một nhà vật lý học. Tôi và Dũng có nhiều điểm tương đồng ở cách suy nghĩ nhưng Dũng hơn tôi đặc biệt ở sự thông minh và tài hoa!!

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s