Hai cha con, hai lý thuyết, hai giải Nobel

Người viết bài này đã lựa chọn hướng xuất hành lên phương Bắc, đoạn đường đầu tiên trong hành trình qua Tây Âu năm nay. Đến với đất nước Đan mạch, đi qua hoặc dừng lại ở 5 trong số 400 hòn đảo lớn nhỏ giữa biển Ban-tích, quan sát và chiêm nghiệm xứ sở và con người của đảo quốc độc đáo này.
 

Đích chờ đợi là đây. Thủ đô Copenhagen. Và Viện Niels Bohr, tên khai sinh là Viện Vật lý lý thuyết, thuộc Đại học Copenhagen do chính Niels Bohr, một trong những nhà bác học danh tiếng nhất thế giới thế kỷ 20 thành lập và trực tiếp làm viện trưởng nhiều năm.

Niels Bohr và thuyết cấu tạo nguyên tử

Tôi đến đúng dịp nơi này vừa kỷ niệm 25 thành lập Nhà Lưu niệm N. Bohr và đang nô nức chuẩn bị, tiến đến kỷ niệm trọng thể “Mẫu cấu tạo nguyên tử Bohr” 100 năm tuổi (1912-2013). Ngồi viết những dòng địa chỉ lưu niệm ở chính bàn viết trước đây của nhà vật lý tiền bối bậc thầy nhiều thế hệ, tôi bỗng có cảm giác như mình đang hành hương về một trong những nơi đặt nền móng cho nền khoa học hạt nhân nguyên tử của nhân loại vậy. 

Câu hỏi phải chăng mọi vật đều tạo thành từ vật thể nhỏ nhất không thể phân chia được (gọi là atom hay nguyên tử) đã đặt ra từ hàng ngàn năm nay và nhiều nhà triết học cổ đại đã nghĩ đến. Đến những năm cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, các phát minh về thực nghiệm đã thực sự chứng tỏ sự tồn tại của nguyên tử.

Nhưng một vấn đề mới nảy sinh, nguyên tử chưa phải là phần tử cuối cùng tạo nên mọi vật, nó có cấu trục nội tại nào đó. Việc đi tìm mô hình cấu trúc của bản thân nguyên tử lại trở nên sôi động trong giới vật lý.

Chính trong khoảng thời gian sôi động này, nhà vật lý trẻ tuổi tài năng ở Đan mạch N. Bohr, sau khi nhận học vị Tiến sĩ được cử qua Đại học Cambridge (1911-1912) và Đại học Manschester (Anh quốc) tiếp tục công việc nghiên cứu khoa học với hai nhà vật lý Anh nổi tiếng J.J. Thomson và Ernest Rutherford. Không chỉ tiếp thu ý tưởng về các mẫu cấu tạo nguyên tử do các vị đó đưa ra, N. Bohr còn nhận rõ những hạn chế trong các mẫu đó và tìm cách cải tiến, đặc biệt với mẫu của Rutherford.

Rutherford đưa ra giả thuyết, nguyên tử bao gồm một hạt nhân ở giữa và một hay nhiều điện tử (hay electron, ký hiệu e) quay xung quanh; tương tự như Quả đất và các hành tinh khác (sao Mộc, sao Thổ, sao Hoả…) quay xung quanh Mặt Trời. Đặc biệt, trong nguyên tử hầu hết khối lượng dồn vào hạt nhân còn các điện tử có khối lượng bé hơn hàng chục vạn lần. Điểm khác nhau quan trọng là Mặt trời và các hành tinh đều trung hoà điện tích, trong lúc hạt nhân có điện tích dương và các electron có điện tích âm. 

Chính điểm khác biệt trên dẫn đến mẫu Rutherford, vừa ra đời, đã gặp phải bế tắc. Vì theo thuyết điện động lực (cổ điển), do chuyển động tròn quanh hạt nhân và do mang điện nên các electron giảm dần vận tốc hay mất dần năng lượng, điều đó dẫn đến quỹ đạo của chúng nhỏ dần và cuối cùng electron phải rơi vào hạt nhân. Nói cách khác, theo mẫu Rutherford, nguyên tử không thể tồn tại. Trong lúc, vật chất vẫn tồn tại, vũ trụ đang tồn tại hàng chục tỷ năm nay!

Để giải quyết bế tắc trên, năm 1913, Niels Bohr đưa ra giả thiết táo bạo, rằng trong nguyên tử các electron không chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo bất kỳ, cũng có nghĩa là không có thể giảm dần quỹ đạo một cách liên tục. Lý lẽ cho giả thiết này là đối với hệ vi mô như nguyên tử, quan niệm và công thức tính toán cho hệ vĩ mô trong điện động lực cổ điển không còn đúng nữa.

Trong nguyên tử, các electron chỉ chuyển động hay tồn tại trong những trạng thái (hay quỹ đạo) nhất định (gọi là trạng thái dừng) ứng với một năng lượng nhất định, và elecron chỉ có thể nhảy bậc giữa các trạng thái dừng với năng lượng gián đoạn đó. Trước hết, electron có thể nhảy từ trạng thái năng lượng thấp lên trạng thái cao khi được kích thích, chẳng hạn vật thể được nung nóng. Và sau đó, các electron từ trạng thái cao có thể nhảy xuống trạng thái thấp, lúc đó nguyên tử sẽ phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ như ánh sáng. Phổ gián đoạn của bức xạ phát ra trong các thí nghiệm đã chứng minh sự đúng đắn của lý thuyết mẫu nguyên tử của Bohr. 

Lý thuyết “Mẫu cấu trúc nguyên tử Bohr” ra đời thực sự là một cuộc cách mạng mới, sâu sắc về nhận thức của loài người về thế giới tự nhiên. Mẫu Bohr ra đời đã có tác động to lớn đến sự hình thành và phát triển của lý thuyết lượng tử với những quy luật quan trọng xảy ra trong thế giới vi mô. Từ mẫu nguyên tử của mình, Niels Bohr, năm 1922,  đã xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết về hệ tuần hoàn, giải thích trọn vẹn bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học nổi tiếng và được sử dụng vô cùng rộng rãi ngót một thế kỷ nay. 

Với ý nghĩa và sự đóng góp to lớn vào lịch sử phát triển nhận thức của nhân loại, Niels Bohr đạt đến đỉnh vinh quang khoa học và nhận giải Nobel Vật lý năm 1922. Tên của ông cũng được long trọng đặt tên cho nguyên tố siêu nặng 107, nguyên tố Bohrium trong bảng tuần hoàn các nguyên tố.

Mô tả mẫu nguyên tử Bohr: ở giữa là hạt nhân với điện tích Ze với 3 trạng thái dừng gián đoạn1,2 và 3. Mũi tên sự nhảy bậc của e từ trạng thái ngoài cùng xuống trạng thái thứ hai và phát ra bức xạ. (Ảnh tư liệu).

Aage Bohr và mẫu cấu trúc hạt nhân

Điều trùng hợp ngẫu nhiên, thú vị là cũng năm 1922 này, người con trai của Bohr - Aage Niels Bohr ra đời, để sau đó theo gót chân cha nhận tiếp một giải Nobel Vật lý của năm 1975, đưa vòng nguyệt quế vinh quang thứ hai về cho gia đình Niels Bohr.

Cũng thú vị nữa, hướng khoa học mang lại giải Nobel của Aage Bohr tương tự con đường đi đến giải Nobel của cha mình, đó là nghiên cứu cấu trúc vật chất. Chỉ khác nhau về đối tượng nghiên cứu, Niels Bohr nghiên cứu cấu trúc nguyên tử còn Aage Bohr đi sâu vào cấu trúc bên trong hạt nhân.

Cũng cần nói người cha vĩ đại trao đã cho người con thứ tư của mình một gia tài trí thức đồ sộ ít ai có được. Sinh năm 1922 ở thủ đô Copenhagen, Aage Neils Bohr sớm tiếp nhận được nền giáo dục đặc biệt, ngoài học ở trường, còn ở Viện Vật lý lý thuyết của cha mình, ở đây ông được tiếp xúc và chỉ bảo của những tên tuổi hàng đầu vật lý thế giới. Từ năm 1943 lại theo cha sang Mỹ. Tại Mỹ, Aage sát cánh cha tham gia Dự án Manhattan bí mật nghiên cứu chế tạo vũ khí nguyên tử và làm viêc tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos trong tư cách thư ký và trợ lý cho chính Niels Bohr. 
 
Sau Thế chiến II Aage theo cha trở về Đan mạch, hoàn tất việc học tập ở Đại học Copenhagen, nhận học vị Thạc sĩ năm 1946 và Tiến sĩ năm 1954, rồi vừa làm giảng viên ở trường đại học vừa có vị trí nghiên cứu ở Viện Vật lý lý thuyết. Ông lại được viện này cử sang Mỹ, năm 1949, tạo cơ duyên để gặp J. Rainwater và cùng hình thành ý tưởng về một lý thuyết mới mô tả cấu trúc hạt nhân.

Trước khi Aage Bohr vào cuộc, đã tồn tại hai lý thuyết (gọi là mẫu) cấu trúc hạt nhân trái ngược nhau. Mỗi mẫu như vậy đã giải thích thành công một số tính chất hạt nhân cụ thể trong một vùng hạt nhân nhất định.

Một mẫu, gọi là mẫu giọt chất lỏng xây dựng bởi chính Bohr bố (năm 1936), cho rằng các hạt p và n hút nhau tạo thành một lực tương tự lực phân tử trong một giọt nước. Phát triển mẫu này, những người kế tiếp đã giải thích tốt cơ chế phân hạch hạt nhân được sử dụng trong công nghệ hạt nhân sau này.

Mẫu thứ hai, gọi là mẫu lớp, cho rằng hạt nhân có dạng hình cầu và các p và n chuyển động trong một trường lực tổng hợp hình cầu. Các tính toán dựa trên trường thế đó đã đưa ra những tiên đoán vật lý rất quan trọng phù hợp với các số liệu thực nghiệm thu được với các hạt nhân nhẹ và trung bình. Đặc biệt mẫu lớp này đã tìm được các con số “ma” đối với số hạt n và p trong hạt nhân (những số như 2, 8, 20, 28, 50, 82…) và giải thích những tính chất bền vững của các hạt nhân magic có số p hay n trùng với các số “ma” trên. 

Nhưng còn nhiều tính chất hạt nhân chưa được mẫu nào giải thích, đặc biệt đối với nhóm hạt nhân trong vùng chuyển tiếp, vùng các nguyên tố đất hiếm và các hạt nhân siêu nặng. Vấn đề đặt ra là cần thiết phải có một lý thuyết (mẫu) cấu trúc hạt nhân mới.

Từ đầu thập kỷ 50 của thế kỷ trước, một mẫu như vậy được nung nấu hình thành. Bộ ba gồm Aage Bohr, B. Mottelson và J. Rainwater đã phối hợp nhau xây dựng nên một lý thuyết mới tổ hợp từ hai mẫu trên, gọi là mẫu tập thể.

Mẫu mới này công nhận rằng mặt hạt nhân biến dạng như sự biến dạng của một giọt nước, có hình dạng khác với hình cầu, còn các hạt p và n chuyển động trong một trường lực biến dạng, chẳng hạn hình elip tròn xoay. Đồng thời hạt nhân cũng tham gia những chuyển động tập thể khác như dao động co dãn hay xoay tròn toàn bộ hạt nhân.

Các tác giả Aage Bohr, B. Mottelson và J. Rainwater đã thành công đặc biệt trong việc liên kết giữa chuyển động riêng lẻ của các p hay n với các chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân để mô tả cấu trúc hạt nhân, cụ thể là các trạng thái năng lượng và các đặc trưng mức của các hạt nhân nằm ngoài vùng magic.

Tập hợp đồ sộ, bao gồm các công trình nghiên cứu được công bố, các cuốn sách có giá trị kinh điển, các bài giảng nổi tiếng về “Phát hiện mối liên kết giữa chuyển động tập thể và chuyển động hạt (các p và n) và sự phát triển lý thuyết cấu trúc hạt nhân nguyên tử dựa vào mối liên kết đó” đã được cộng đồng vật lý thế giới tôn vinh và Aage N. Bohr cùng với Mottelson, Rainwater đã xứng đáng được trao giải Nobel năm 1975 về Vật lý.

Cùng với 2 giải Nobel Vật lý của gia đình Bohr, 9 công dân khác của đất nước Đan mạch còn sở hữu 9 giải Nobel khác nữa; gồm 5 Nobel Sinh-Y, 2 Nobel Văn chương, 1 Nobel Hoá học và 1 Nobel Hoà bình.

11 giải Nobel đối với một đảo quốc nhỏ với diện tích khiêm tốn chỉ 14.000 cây số vuông và số dân không đông chỉ 5,5 triệu dân! Tỷ lệ Nobel này quả là một hiện tượng hiếm hoi trên thế giới.

Đất nước này, dân tộc này đáng để cho nhân loại nghiêng mình nể trọng. Nể trọng cả các thế hệ lãnh đạo nước này, không chỉ có công biến Đan mạch trở thành “đất nước nhỏ, trí tuệ lớn” mà còn xây dựng một xã hội được bình chọn là tham nhũng ít nhất và đời sống người dân hạnh phúc nhất trên thế giới.