Joseph John Thomson và những di sản khoa học ở Phòng thí nghiệm Cavendish, Cambridge (Phần 1)

Năm 1997, Viện Đại học Cambridge và Phòng thí nghiệm Cavendish danh tiếng của Cambridge đã tổ chức một hoạt động vinh danh nhà khoa học lỗi lạc người Anh Joseph John Thomson nhân dịp 100 năm phát hiện ra điện tử của Sir J. J. Thomson (Electron centenary). Hơn 40 năm làm việc tại Cavendish và Cambridge, Sir J. J. Thomson đã để lại một di sản khoa học vĩ đại làm nền tảng cho sự phát triển của khoa học và công nghệ ngày nay, góp phần đưa Phòng thí nghiệm Cavendish trở thành trung tâm nghiên cứu và giảng dạy hàng đầu thế giới về vật lý. Bài viết này giới thiệu về sự nghiệp nghiên cứu của Sir J. J. Thomson, thí nghiệm phát hiện ra điện tử của ông và về Phòng thí nghiệm Cavendish danh tiếng, nơi Thomson từng làm việc như một bài học lý thú trong việc thành lập các trung tâm nghiên cứu khoa học xuất sắc.

Phần 1. John Joseph Thomson và sự thành lập của Cavendish Laboratory

1. Những năm tháng đầu đời

Joseph John Thomson sinh ngày 18 tháng 12 năm 1856 tại Cheetham Hill ở vùng ngoại thành Manchester ngày nay. Gia đình ông có một cửa hàng bán sách cổ là di sản để lại từ ông nội của Thomson, và hiệu sách này đã đem lại cho Thomson một lượng kiến thức đáng kể do đọc sách. Khi còn nhỏ, Thomson tỏ ra có năng khiếu đặc biệt về các môn khoa học. Năm 1870, khi mới chỉ 14 tuổi, Thomson ghi danh theo học ở Owens College [1], ngôi trường sau này phát triển trở thành Đại học Manchester danh tiếng ngày nay. Cha mẹ của Thomson thì muốn con mình ghi danh theo học kỹ sư học việc của Công ty đầu máy hơi nước Sharp-Stewart, nhưng kế hoạch này đã không thành sau khi cha ông đột ngột qua đời vào năm 1873. Năm 1876, J. J. Thomson chuyển đến học ở trường Trinity College của Viện Đại học Cambridge, một trong những college danh tiếng nhất của Cambridge (college này từng đào tạo ra 31 sinh viên nhận giải Nobel, 5 Huy chương Fields và 6 Thủ tướng Anh) với nhiều danh nhân từng học và làm việc ở đây như Isaac Newton, Niels Bohr. Sau bốn năm theo học ở Trinity College, J. J. Thomson nhận bằng Cử nhân Toán hạng nhất (First Class Honour – thuật ngữ Cambridge gọi là Wrangler) vào năm 1880, và sau đó 3 năm nhận bằng Thạc sĩ Toán với Giải Adam của Khoa Toán Cambridge. Năm 1884, lãnh đạo PTN Cavendish là Lord Rayleigh, người thứ hai giữ chức vụ Giáo sư Vật lý Cavendish sau James Clerk Maxwell, từ chức (Rayleigh chuyển sang giữ chức vụ Giáo sư Triết học Tự nhiên của Cambridge) và J. J. Thomson đã nộp đơn ứng cử vào vị trí này. Chỉ đúng một tuần sau, J. J. Thomson đã được bổ nhiệm vào vị trí này và trở thành Giáo sư Vật lý Cavendish thứ 3 của PTN Cavendish. Sự bổ nhiệm này gây ra một sự ngạc nhiên lớn đối với những người đang làm việc ở Cavendish và Cambridge vì ai cũng nghĩ một nhân vật khác, Richard T. Glazebrook, sẽ được bổ nhiệm vào vị trí này vì Glazebrook có nhiều kinh nghiệm làm việc hơn Thomson. Thế nhưng lãnh đại Viện Đại học Cambridge không nghĩ như nhiều người và đã Thomson chứng minh cho thấy quyết định này của lãnh đạo Cambridge là hoàn toàn đúng đắn.

Trinity College, một trong những college thành viên của Viện Đại học Cambridge, nơi J. J. Thomson đã tốt nghiệp.

Cambridge là viện đại học lâu đời thứ hai ở Vương quốc Anh (sau Oxford) và là một trong những đại học lâu đời nhất trên thế giới còn tồn tại và phát triển cho đến ngày nay. Cambridge và Oxford là hai viện đại học được tổ chức theo mô hình độc đáo và duy nhất trên thế giới theo mô hình ”collegiate research university”, được cấu thành bởi các trường thành viên (college) và các khoa (department) hoặc phân khoa (faculty) song song. Khác với kiểu các college phân theo các lĩnh vực học thuật như các đại học ngày nay (mô hình kiểu Mỹ), các college của Cambridge (ngày nay Cambridge có tới 31 college thành viên) đóng vai trò là nơi cung cấp cơ sở vật chất cho giảng dạy, cũng như cung cấp các học bổng cho sinh viên và các học giả tham gia giảng dạy. Mô hình college này cũng cho phép sinh viên được hỗ trợ học tập rất tốt từ các học giả và trợ giảng đang làm việc tại các khoa và phân khoa. Các college hoàn toàn độc lập với nhau, cạnh tranh nhau về chất lượng học thuật và danh tiếng. Song song với các college là hệ thống các khoa và phân khoa (không nằm trong college) là nơi tổ chức nghiên cứu và cung cấp học giả. Các thành viên của các khoa có thể là các học giả (fellow) của các college, và các khoa cũng đóng vai trò cung cấp tư liệu nghiên cứu (phòng thí nghiệm, đề tài, …) cho sinh viên của các college, và cũng là nơi mà các nhà nghiên cứu của Cambridge làm việc.

2. Sự thành lập Cavendish Laboratory

Phòng thí nghiệm Cavendish (Cavendish Laboratory) là tên gọi đặt cho Khoa Vật lý (Department of Physics) của Cambridge, với tên gọi Cavendish để tưởng nhớ tới nhà vật lý, hóa học người Anh Henry Cavendish (1731-1810), người thực hiện thí nghiệm ”cân trái đất” nổi tiếng kiểm chứng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, và theo tên của Công tước vùng Devonshire William Cavendish (họ hàng của Henry Cavendish, Hiệu trưởng danh dự của Cambridge, người đã dành tài sản của mình để thành lập PTN Cavendish). Việc thành lập PTN Cavendish cũng là một câu chuyện dài cho thấy khát khao phát triển lĩnh vực vật lý của lãnh đại Đại học Cambridge, cũng như là một câu chuyện tiêu biểu của việc các nhà hảo tâm hiến tặng tài sản cho khoa học ở các nước phương Tây. Cho đến nửa đầu thế kỷ 19, nghiên cứu khoa học đã phát triển rất sôi nổi trong các trường đại học ở Anh nói riêng, cũng như Châu Âu nói chung nhưng chưa các nghiên cứu đó thường đến từ các cá nhân riêng lẻ, thiếu chuyên nghiệp, rải rác khắp nơi (ví dụ như Newton là một nhà vật lý kiệt xuất của Cambridge, nhưng ông không hề có nhóm nghiên cứu, có phòng thí nghiệm riêng, mà ông là một fellow của Trinity College). Chưa một nơi nào có một trung tâm nghiên cứu và đào tạo các nhà vật lý một cách hệ thống và bài bản [2], và việc lập một trung tâm như thế sẽ là một bước phát triển hiện đại, tất yếu, và lãnh đạo của Cambridge đã sớm nhận ra việc đó: ”The systematic teaching of practical physics is a modern development. Until the second half of the nineteenth century was well begun, no teaching laboratory and no regular course of instruction were known[3]. Và Hiệu trưởng danh dự của Cambridge khi đó là Công tước vùng Devonshire, William Cavendish (1808-1891) [4], là họ hàng của nhà vật lý nổi tiếng Henry Cavendish đã lấy một phần tài sản riêng của mình (số tiền 6300 bảng Anh) để thành lập một phòng thí nghiệm vật lý ở Cambridge. Và cái tên Cavendish Laboratory (bắt đầu từ năm 1871) là vừa để vinh danh nhà vật lý Henry Cavendish, vừa mang tên nhà hảo tâm William Cavendish. Thực chất thì một phòng thí nghiệm vật lý như thế đã được hình thành ở Đại học Glasgow (một đại học danh tiếng khác ở Vương quốc Anh nằm ở thành phố Glasgow xứ Scotland) bởi William Thomson (Kelvin) [5], và Kelvin đã tạo ra rất nhiều thành tựu từ nghiên cứu tại đây, nhưng nhóm của Kelvin chưa được đầu tư và tổ chức bài bản [6]. Ban đầu, lãnh đạo của Cambridge muốn mời Kelvin trở lại Cambridge để lãnh đạo Cavendish và tận dụng chính kinh nghiệm của Kelvin ở Canvendish. Nhưng Kelvin đã từ chối vì muốn giành toàn bộ đời mình cho Glasgow, nơi đã bổ nhiệm ông giữ ghế lãnh đạo ngành triết học tự nhiên (Chair of Natural Philosophy). Ứng viên thứ hai được mời là Lord Rayleigh [7], một nhà vật lý, toán học kiệt xuất khi đó, nhưng Rayleigh cũng mải mê với phòng thí nghiệm của riêng mình ở Essex nên không nhận lời. Và người cuối cùng được chọn là nhà vật lý học James Clerk Maxwell [8], người đã có thành tích tốt nghiệp xuất sắc nhất (Senior Wrangler) ở Trinity College vào năm 1854, và đã công bố công trình nghiên cứu về lý thuyết điện từ trường vào năm 1865 khi đang là giáo sư ở King College London [9]. Và một vị trí giáo sư vật lý thực nghiệm mang tên Cavendish Professor of Physics đã được tạo ra và người đầu tiên được bổ nhiệm là James Clerk Maxwell với mục đích dẫn dắt Phòng thí nghiệm Cavendish khám phá khoa học, và địa điểm đầu tiên được chọn là New Museum Site, trung tâm thành phố Cambridge, cũng là trung tâm của Viện Đại học Cambridge [10]. Maxwell đã làm việc ở Cavendish 8 năm và qua đời năm 1879 do ung thư vùng bụng (khi đó ông mới 48 tuổi) và người thay thế Maxwell sau đó là Lord Rayleigh. Tám năm làm việc ở Cavendish, Maxwell đã hoàn thiện lý thuyết điện từ trường, hoàn chỉnh lại các nghiên cứu của Henry Cavendish về lực hấp dẫn, cũng như thành phần của nước. Lord Rayleigh, người thay thế Maxwell vào năm 1879 đã đẩy nghiên cứu ở Cavendish “chuyên nghiệp” thêm một bước với việc hình thành một quỹ nghiên cứu trị giá 1500 bảng Anh, trong đó ông đóng góp 500 bảng từ tiền cá nhân, Hiệu trưởng danh dự William Cavendish đóng góp 500 bảng, và 500 bảng còn lại là tiền từ các nhà hảo tâm bên ngoài trường. Nhưng Rayleigh cũng chỉ giữ ghế giáo sư Cavendish có 5 năm để chuyển sang một vị trí mới ở Cambridge và kỷ nguyên mới của Cavendish bắt đầu kể từ khi J. J. Thomson được bổ nhiệm vào năm 1884.

Bia lưu niệm ghi nhớ sự thành lập của Cavendish Laboratory với sự đónggóp của William Cavendish, và ghế Giáo sư Cavendish đầu tiên của J C Maxwell

(Đón chờ phần 2: Những năm tháng huy hoàng của Cavendish Laboratory dưới thời Sir J. J. Thomson)

(Hoặc đọc toàn bộ bài viết của tôi đã đăng trên Tia sáng nếu bạn không thể kiên nhẫn chờ)

Chú thích:

[1]. Owens College (Manchester) được thành lập năm 1851, sau đó nhập vào Victoria University, và nhận được chứng nhận hoàng gia thành một trường đại học thực thụ vào năm 1880, và được biết đến với tên gọi Victoria University of Manchester cho đến năm 2004. Năm 2004, trường sáp nhập với Học viện Khoa học và Công nghệ Manchester thành University of Manchester, cái tên được biết đến ngày nay.

[2]. Trong lĩnh vực hóa học, ở Đức đã xuất hiện khoa đào tạo và nghiên cứu về hóa học (có thể coi là đầu tiên trên thế giới về lĩnh vực hóa) ở Đại học Giessen (Đức) từ năm 1824, được thành lập bởi nhà hóa học người Đức Justus von Liebig  (1803-1873), tức là tới 47 năm trước khi Cavendish Laboratory được thành lập.

[3]. Nguồn: “A Hundred Years and More of Cambridge Physics”, phát hành nhân kỷ niệm 100 năm thành lập PTN Cavendish, có thể đọc tại: http://www.phy.cam.ac.uk/history/years/

[4]. Lãnh đạo các đại học có truyền thống ở Anh bao gồm hiệu trưởng (Principal) là người giữ quyền điều hành, Hiệu trưởng danh dự (Chancellor) thường là các quý tộc mang tính chất hình thức, Principal cũng là Vice-Chancellor.

[5]. William Thomson (Huân tước Kelvin, 1824-1907), nhà vật lý nổi tiếng với các nghiên cứu và phát minh về nhiệt động lực học, điện, điện tín và tên ông được đặt cho thang nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin). W. Thomson cùng họ Thomson với J. J. Thomson nhưng không có họ hàng vì W. Thomson có gốc gác từ Bắc Ireland. W. Thomson cũng chính là một nhà nghiên cứu ở Cambridge, từng là fellow của St. Peter’s College trước khi sáng lập ra trường phái vật lý tại Glasgow.

[6]. Năm 1846, khi được bổ nhiệm làm giáo sư giữ chức Chair of Natural Philosophy, William Thomson đã thành lập Department of Natural Philosophy (ngày nay là School of Physics and Astronomy nằm trong College of Physical Sciences and Engineering) tại Đại học Glasgow (đại học cổ thứ 4 trong các nước nói tiếng Anh, được thành lập ở Glasgow, Scotland năm 1451).

[7]. Lord Rayleigh, tên thật là John William Strutt (1842-1919), nhà vật lý hóa học quý tộc người Anh với những nghiên cứu về cơ học, âm học và chất khí (phát hiện ra khí Argon), được trao giải Nobel Vật lý năm 1904. Rayleigh là tước hiệu của ông.

[8]. James Clerk Maxwell (1831-1879), nhà vật lý lỗi lạc người Anh, sinh ra ở Edinburgh (thủ đô vùng Scotland), người đã xây dựng lý thuyết về trường điện từ, với những ảnh hưởng trong vật lý có thể sánh ngang với Newton, Einstein, nhưng ông ít được biết đến hơn trong đại chúng.

[9]. King’s College London được thành lập năm 1829, là một đại học thành viên của liên minh Đại học London, cũng là một trong những trường đại học danh tiếng ở Anh.

[10]. Vào những năm 1970, Cavendish Laboratory đã di chuyển về địa điểm mới ở phía tây Cambridge.

1 Comment

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