Nguyên là chương hai trong Vật lý và Triết học của Werner Heisenberg (1958)

Biên dịch: Ngô Minh Tuấn



Nguồn gốc của thuyết lượng tử có liên quan đến một hiện tượng được nhiều người biết đến, nó không nằm ở trung tâm của vật lý nguyên tử. Bất kì một mẩu vật chất nào khi được đốt nóng đều bắt đầu phát sáng, có màu đỏ nóng hoặc màu trắng nóng khi đạt nhiệt độ cao. Màu sắc này không phụ thuộc nhiều lắm vào bề mặt của vật liệu, và đối với vật thể đen thì màu sắc này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Do đó, bức xạ do một vật thể đen phát ra ở nhiệt độ cao là một vật thể thích hợp cho nghiên cứu vật lý; đó là một hiện tượng đơn giản và lẽ ra có thể tìm được một lời giải thích đơn giản dưới dạng những quy luật phát xạ và nhiệt đã biết. Tuy nhiên, nỗ lực thực hiện điều này của Lord Rayleigh và Jeans vào cuối thế kỷ XIX đã gặp phải thất bại, và để lộ ra những khó khăn nghiêm trọng. Không thể mô tả những khó khăn này ở đây bằng những lời lẽ giản đơn được. Có thể nói rằng việc áp dụng những quy luật đã biết vào đây không đem lại những kết quả có thể nhận thức được. Khi Plank, vào năm 1895, bước vào con đường nghiên cứu vấn đề này ông đã cố gắng chuyển vấn đề từ sự phát xạ sang nguyên tử bức xạ. Việc chuyển đổi này không làm vơi bớt chút nào những khó khăn vốn cố hữu của vấn đề, nhưng nó làm đơn hóa cách hiểu những sự kiện kinh nghiệm. Cũng vào thời gian này, trong suốt mùa hè năm 1900, Curlbaum và Rubens ở Berlin đã thực hiện được một phép đo mới rất chính xác quang phổ của bức xạ nhiệt. Khi Plank nghe được những kết quả này ông đã cố trình bày chúng bằng những công thức toán học đơn giản nhìn hợp lý từ nghiên cứu của ông về mối liên hệ chung giữa nhiệt và bức xạ. Một ngày nọ Plank cùng Rubens ngồi uống trà ở nhà của Plank và đem so sánh những kết quả mới nhất của Rubens với một công thức mới do Plank đề xuất. Việc đối chiếu đã chỉ ra một sự tương đồng hoàn toàn. Đây là sự phát hiện ra định luật Plank về bức xạ nhiệt.

Đó cũng là thời kỳ bắt đầu công tác lý thuyết mạnh mẽ của Plank. Đâu là cách giải thích vật chất đúng đắn cho công thức mới đó? Từ khi Plank có thể, từ tác phẩm trước đó của ông, diễn dịch công thức của ông một cách dễ dàng thành một lời phát biểu về nguyên tử bức xạ (cái gọi là máy tạo dao động), ông hẳn phải sớm nhận ra rằng công thức mới của ông nhìn như thể máy tạo dao động chỉ có thể chứa đựng những lượng tử năng lượng rời rạc – một kết quả khác với bất cứ điều gì đã được biết đến trong vật lý cổ điển, mà ông chắc hẳn lúc đầu đã không tin vào điều đó. Nhưng trong một thời kỳ làm việc cao độ suốt mùa hè năm 1900 cuối cùng ông đã thuyết phục được bản thân rằng không có cách nào thể thoát khỏi kết luận này. Con trai của Plank kể lại rằng cha của anh đã nói với anh về ý tưởng mới của ông trong một cuộc tản bộ xuyên suốt Grunewald, khu rừng ở ngoại ô Berlin. Trong chuyến tản bộ này ông đã giải thích rằng ông cảm thấy có thể ông đã có một khám phá quan trọng bậc nhất, có lẽ chỉ có thể so sánh được với những phát hiện của Newton. Do vậy Plank trong thời kỳ này hẳn đã nhận ra rằng công thức của ông đã động chạm đến nền tảng của sự mô tả của chúng ta về tự nhiên, và rằng những nền tảng này một ngày nào đó sẽ bắt đầu chuyển từ vị trí truyền thống của nó hiện giờ lên một vị trí ổn định mới vẫn còn chưa biết. Plank, người bảo thủ trong toàn bộ quan điểm của mình, không thích cái hệ quả này chút nào, nhưng ông đã công bố giả thuyết lượng tử của mình vào tháng 12 năm 1900.

Ý tưởng cho rằng năng lượng có thể được phát ra hoặc hấp thụ chỉ theo những gói rời rạc quá ư mới mẻ đến nỗi nó không phù hợp với khuôn khổ truyền thống của vật lý. Plank đã cố gắng dung hòa giả thuyết mới của ông với những quy luật bức xạ trước kia và thất bại ở điểm cốt yếu. Bước tiếp theo theo chiều hướng này phải mất năm năm sau mới được bước tiếp.

Lần này là chàng trai trẻ Albert Einstein, một thiên tài mang tính cách mạng trong số những nhà vật lý, người đã không ngại ngần xông pha vào những miền xa xăm từ những khái niệm cổ điển. Có hai vấn đề trong đó ông có thể làm cho ý tưởng mới hữu dụng. Một là hiệu ứng quang điện, các miếng kim loại phát ra các electron dưới tác dụng của ánh sáng. Các thí nghiệm, đặc biệt là của Lenard, đã chỉ ra rằng năng lượng của các electron bứt ra không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng, mà chỉ phụ thuộc vào màu sắc của nó hay, chính xác hơn, tần số của nó. Không thể hiểu được hiện tượng này dựa trên nền tảng của lý thuyết bức xạ truyền thống. Einstein có thể giải thích những quan sát bằng này cách viện đến giả thuyết của Plank khi nói rằng ánh sáng đó bao gồm những bó năng lượng di chuyển trong không gian. Năng lượng của một bó ánh sáng, phù hợp với giả định của Plank, bằng tần số của ánh sáng đó nhân với hằng số Plank.

Vấn đề còn lại là tỷ nhiệt của những vật rắn. Lý thuyết truyền thống đem đến những giá trị của tỷ nhiệt phù hợp với những quan sát ở nhiệt độ cao nhưng lại sai khác với quan sát ở nhiệt độ thấp. Einstein lại một lần nữa chỉ ra rằng có thể hiểu được hành trạng này bằng cách áp dụng giả thuyết lượng tử vào những chuyển động bốc đồng của các nguyên tử trong vật thể rắn. Hai kết quả này đã đánh dấu một bước tiến bộ vô cùng quan trọng, kể từ khi họ khám phá ra sự hiện diện của lượng tử Plank trong hoạt động – như hằng số của ông được cộng đồng các nhà vật lý gọi như vậy – của một số hiện tượng, ngay tức thời thì không biết làm gì với bức xạ nhiệt. Họ đồng thời khám phá ra tính cách mạng sâu sắc của giả thuyết mới, từ khi người đầu tiên trong số họ đem đến một cách miểu tả ánh sáng hoàn toàn khác so với bức tranh sóng truyền thống. Ánh sáng vừa có thể được hiểu là bao gồm những sóng điện từ, theo như lý thuyết của Maxell, hoặc là bao gồm những lượng tử, những gói năng lượng di chuyển trong không gian với vận tốc rất lớn. Nhưng liệu nó có thể là cả hai không? Tất nhiên Einstein biết rằng hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa được mọi người biết đến có thể được giải thích chỉ trên nền tảng quang cảnh sóng. Ông không thể tranh luận gì về sự mâu thuẫn hoàn toàn giữa bức tranh sóng với ý tưởng về lượng tử ánh sáng; ông thậm chí cũng không cố gắng loại bỏ sự mâu thuẫn này trong cách giải thích. Ông đơn giản chỉ coi sự mâu thuẫn này như là cái gì đó chắc chắn rất lâu sau này sẽ được hiểu rõ.

Trong lúc ấy những cuộc thí nghiệm của Becquerel, Curie và Rutherford đã đem đến một sự gạn lọc sáng tỏ liên quan đến cấu trúc của hạt nhân. Năm 1911 những quan sát của Rutherford về sự tương tác của những tia – α xuyên qua vật chất dẫn đến kết quả là mô hình nổi tiếng của ông về nguyên tử. Nguyên tử được vẽ ra gồm có một hạt nhân, tích điện dương và chiếm gần toàn bộ tổng khối lượng của nguyên tử, với các electron, quay xung quanh hạt nhân giống như những hành tinh quay xung quanh Mặt trời. Sự liên kết hóa học giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau được giải thích là một tương tác giữa những electron lớp ngoài của các nguyên tử cạnh nhau; nó không làm gì trực tiếp đụng đến các hạt nhận nguyên tử. Hạt nhân quyết định hành trạng hóa học của nguyên tử thông qua tích điện của nó phù hợp với số electron trong một nguyên tử trung hòa. Lúc đầu mô hình nguyên tử này không thể giải thích được hầu hết các đặc trưng tiêu biểu của nguyên tử, sự ổn định vô cùng của nó. Không có hệ thống hành tinh nào theo các quy luật cơ giới của Newton lại có thể luôn trở về cấu hình nguyên thủy của nó sau khi va chạm với hệ thống khác như vậy. Nhưng một nguyên tử của nguyên tố Carbon, chẳng hạn, sẽ vẫn duy trì một nguyên tử carbon sau vụ va chạm bất kỳ hoặc sau một tương tác trong liên kết hóa học.

Lời giải thích cho sự ổn định khác thường này được Bohr đưa ra vào năm 1913, sau khi áp dụng giả thuyết lượng tử của Plank. Nếu như nguyên tử chỉ có thể thay đổi năng lượng của nó theo những lượng tử năng lượng rời rạc, thì điều này có nghĩa là nguyên tử chỉ có thể tồn tại ở những trạng thái dừng riêng rẽ, trạng thái dừng thấp nhất là trạng thái thông thường của nguyên tử. Do đó, sau bất cứ kiểu tương tác nào nguyên tử sau cùng cũng sẽ luôn trở về trạng thái thông thường của nó.

Bằng sự áp dụng này lý thuyết lượng tử vào mô hình nguyên tử, Bohr không những có thể giải thích sự bền vững của nguyên tử mà còn, trong một số trường hợp đơn giản, đưa ra một lý giải mang tính lý thuyết đối với vạch quang phổ phát ra bởi các nguyên tử sau khi bị kích thích bởi sự phóng điện hoặc nhiệt. Lý thuyết của ông dựa trên sự kết hợp chuyển động cơ học cổ điển của các electron với những electron có tính đến những trạng thái lượng tử, bị áp đặt lên những chuyển động cổ điển đối với việc xác định những trạng thái dừng riêng rẽ của hệ thống. Một sự công thức hóa toán học phù hợp với những trạng thái lượng tử đó được Sommerfeld trình bày sau này. Bohr đã nhận ra ngay sự thực là những trạng thái lượng tử theo một số cách nào đó đã phá hủy tính kiên định của cơ học Newton. Trong trường hợp đơn giản của nguyên tử hidro có thể tính toán được theo lý thuyết của Bohr tần số của ánh sáng do nguyên tử này phát ra, và nhất trí hoàn hảo với quan sát.