Những thập kỷ khó quên của vật lý lý thuyết Nhật Bản

Bối cảnh

Năm 1854, tàu chiến của Commodore Matthew Perry buộc Nhật Bản phải mở cửa giao thương, kết thúc hàng thế kỷ khép kín. Nhật Bản nhận ra, thiếu kỹ thuật hiện đại sẽ dẫn tới sự yếu kém về quân sự. Một nhóm các samurai có học thức đã buộc nhóm shogun đương quyền thoái vị vào năm 1868 và khôi phục ngai vàng cho Nhật hoàng. Chính quyền mới gửi các thanh niên trẻ sang Đức, Pháp, Anh và Mỹ để học ngoại ngữ, khoa học, kỹ thuật, y học và thành lập các trường đại học theo phong cách Tây Âu tại Tokyo, Kyoto và một vài nơi khác.

Hantaro Nagaoka (1865 -1950) là một trong những nhà vật lý đầu tiên của Nhật Bản. Bố ông, một cựu samurai, đã dạy con trai tiếng Trung Quốc và viết chữ Nho. Nhưng sau chuyến công du ra nước ngoài, người cha rất lấy làm tiếc vì đã dạy cho con trai những môn học không hợp thời. Tại đại học, Nagaoka ngần ngại không dám chọn khoa học, ông không dám chắc người châu Á có thể làm chủ được nó. Nhưng sau một năm nghiên cứu lịch sử khoa học Trung Quốc, ông quyết định người Nhật Bản phải tìm cơ hội cho riêng mình.

Năm 1903, Nagaoka đưa ra mô hình nguyên tử chứa một hạt nhân nhỏ bao quanh bởi một vòng các electron. Mô hình chứa hạt nhân được Enerst Rutherford tìm ra tại phòng thí nghiệm Cavendish, Cambridge , Anh.

So với những nước đến với khoa học muộn như Trung Quốc (1895) hay Nga (1905) và trong bối cảnh Chiến tranh thế giới thứ nhất, việc phát triển khoa học tại Nhật Bản đã là một thành công. Những công ty lớn thành lập phòng thí nghiệm riêng, và vào năm 1917 Viện nghiên cứu Riken của Chính phủ (The Institute of Physical and Chemical Research) ra đời tại Tokyo. Được thiết kế để trợ giúp kỹ thuật cho ngành công nghiệp, Riken đồng thời tiến hành nghiên cứu cơ bản.

Những năm cuối thập niên 20, một số tài năng vật lý của phương Tây như K. Heisenberg, Paul A. M. Dirac bắt đầu tới Nhật Bản giảng dạy trong các trường đại học.

Thời kỳ này, các nhà vật lý lý thuyết Nhật Bản tập trung nghiên cứu tương tác giữa photon và electron - tương tác cơ bản cho lý thuyết lượng tử mới về điện từ, cũng như tương tác giữa proton và neutron.

Năm 1941, Chiến tranh thế giới lần thứ hai nổ ra, đặt dấu chấm hết cho thời kỳ hoàng kim của vật lý lượng tử. Các nhà vật lý trẻ tuổi sống gần Tokyotiếp tục học tập khi có thể, trong khi các giáo sư ĐH Tokyo tổ chức những buổi học đặc biệt vào chủ nhật. Năm 1944, một số sinh viên được ngừng nghiên cứu cho quân đội để quay lại trường đại học. Tuy nhiên, đây vẫn là giai đoạn khó khăn. Địa điểm cho một buổi hội thảo có khi chuyển tới vài lần. Nhiều nhà khoa học phải sống trong phòng thí nghiệm, ngủ trên nệm rơm trải trên bàn làm việc, phải mặc quân phục do thiếu quần áo. Thực phẩm luôn là nỗi lo và vào dịp cuối tuần, các nhà khoa học phải về các vùng lân cận hỏi mua thực phẩm của nông dân.

Giai đoạn này, bên cạnh việc tiếp tục nghiên cứu về hạt nhẹ và năng lượng riêng vô hạn, các nhà vật lý lý thuyết còn tham gia một số nghiên cứu phục vụ quân đội như phát triển lý thuyết magnetrons - thiết bị sử dụng trong hệ trống radar để làm phát sinh các sóng điện từ dùng cho tàu lớn hay tính toán khả năng chế tạo bom nguyên tử.

Sau khi đầu hàng vào tháng 8/1945 Nhật Bản bị Mỹ chiếm đóng trong vòng 7 năm. Chính quyền của tướng Douglas MacArthur cải cách, mở rộng và trao quyền tự do cho hệ thống trường học. Nhưng các thí nghiệm về hạt nhân và các lĩnh vực liên quan vẫn bị cấm. Tất cả các máy gia tốc ở Nhật Bản đều bị tháo dỡ và ném xuống biển do lo sợ chúng sẽ được dùng để nghiên cứu bom nguyên tử. Thêm vào đó, điều kiện kinh tế kiệt quệ cũng không cho phép tiến hành những nghiên cứu thực nghiệm đắt tiền.

Niels Bohr tranh luận về vật lý với Nishina và Kikuchi trong chuyến thăm Nhật Bản tháng 4/1937

Giới vật lý Nhật Bản bắt đầu nối lại quan hệ với những người chế tạo bom nguyên tử tại Mỹ. Tình cảm của họ dành cho những người Mỹ có gì đó thật khó hiểu. Những vụ ném bom xuống Tokyo, thảm kịch tại Hiroshima và Nagasaki làm kinh hoàng tất cả người dân Nhật Bản. Nhưng mặt khác, những chính sách tự do hóa của Mỹ đã tạo điều kiện thuận lợi cho khoa học (lớp trẻ thường xuyên ghé thăm các thư viện do MacArthur lập nên để đọc các bài báo mới). Nhưng có lẽ yếu tố then chốt ở đây là họ cùng chia sẻ niềm say mê khoa học.

Nghiên cứu nổi bật của thời kỳ này là quy luật đằng sau những đặc tính của hạt lạ. Năm 1947, những hạt mới bắt đầu xuất hiện và rất khó giải thích nên nhiều nhà vật lý gọi là “hạt lạ”. Mặc dù xuất hiện ít và thường đi theo cặp những hạt này có thời gian sống rất lâu. Các nhà nghiên cứu của Nhật Bản đã độc lập phát hiện ra quy luật đằng sau những đặc tính của chúng, được miêu tả bằng một số lượng tử gọi là “số lạ”.

Những năm đầu 1950, nhiều nhà vật lý trẻ của Nhật Bản bắt đầu đi sang Mỹ nhưng vẫn duy trì mối liên bệ với đồng nghiệp trong nước bằng cách gửi về các bản thông tin, thường được đọc to trong các buổi gặp gỡ của các nhóm nghiên cứu.

Một số chân dung nổi bật

Người ta đã thử lý giải thành công của các nhà vật lý lý thuyết Nhật Bản thời chiến bằng nhiều cách. Có thể vì các nhà khoa học tập trung vào nghiên cứu để lánh mình khỏi những tai ương chiến tranh. Có thể chiến tranh đã làm tăng tình trạng biệt lập và do vậy làm nổi rõ thêm sự độc đáo. Có thể các nhà vật lý đã được tự do để theo đuổi ý tưởng của mình. Dưới đây là một số chân dung nhà vật lý lý thuyết nổi bật của giai đoạn quá đặc biệt để lý giải này.

Yosho Nishina (1890-1951)

Là nhà khoa học trẻ của Viện nghiên cứu Riken, Yoshio Nishina, được gửi đi du học năm 1919. Ông đã tới Anh, Đức và lưu lại 6 năm tại Viện nghiên cứu của Niels Bohr ở Copenhagen . Cùng với Oskar Klein, Nishina đã tính toán xác suất của photon, lượng tử ánh sáng, bật ra sau va chạm với electron. Sự tương tác này rất cơ bản cho lý thuyết lượng tử mới về điện từ, mà nay được gọi là điện động lực học lượng tử.

Yukawa đi dạo với Einstein và đồng nghiệp tại Princeton, Mỹ

Trở lại Nhật Bản năm 1928, Nishina mang theo tinh thần Copenhagen - phong cách dân chủ trong nghiên cứu. Theo đó, không ai có thể phán xét tư duy của các nhà nghiên cứu cũng như tri thức về các vấn đề mới và phương pháp mới - điều này đối lập hoàn toàn với quy chuẩn trước đây trong các trường đại học Nhật Bản. Trong thời gian chiến tranh, Nishina được quân đội đào tạo để tính toán khả năng chế tạo bom nguyên tử. Năm 1943, ông kết luận có khả năng chế tạo nếu đủ tiền và thời gian. Ông giao cho nhà vật lý tia vũ trụ trẻ tuổi là Masa Takeuchi xây dựng một thiết bị để tách đồng vị uranium nhẹ cần thiết cho chế tạo bom. Nishina nghĩ rằng dự án sẽ giúp cho các nghiên cứu vật lý tiếp tục tồn tại sau khi chiến tranh kết thúc. Tuy nhiên, tại thời điểm đó, những dự án của Nhật chỉ sản xuất được một mẩu uranium kích thước bằng con tem và vẫn chưa được làm giàu.

Shinichiro Tomonaga (1906-1979)

Trong thời gian K. Heisenberg giảng dạy cho sinh viên Nhật Bản những năm cuối thập niên 20, Shinichiro Tomonaga là một trong số ít người hiểu được bài giảng của nhà vật lý tài năng này. Ông chỉ mất một năm rưỡi ở bậc đại học và tự dạy cho mình về cơ học lượng tử từ những bài báo khoa học trên các tạp chi tiếng Anh.

Tomonaga luôn sát cánh với người bạn học thân thiết Hideki Yukawa, sau này cả hai đều đem giải Nobel về cho Nhật Bản. Bố của hai ông đều là học giả và từng xuất ngoại: bố của Tomonaga là giáo sư triết học phương Tây, còn bố của Yukama là giáo sư địa lý. Cả hai ông đều dòng dõi samurai.

Hai ông nhận bằng cử nhân của ĐH Kyoto năm 1929, thời kỳ bắt đầu cuộc đại suy thoái. Do không có việc, họ tạm thời đảm nhận công việc phụ tá tại đại học và không được trả lương. Họ đã dạy cho nhau về lý thuyết vật lý mới và độc lập tiến hành những dự án nghiên cứu “Cuộc suy thoái đã biến chúng tôi trở thành học giả”, Yukawa sau này thường hài hước nói.

Năm 1932 , Tomonaga tham gia nhóm của Nishina tại Riken và làm việc với Nishina về điện động lực học lượng tử.

Năm 1937, ông thăm Heisenberg tại ĐH Leipzig , hợp tác với Heisenberg trong hai năm về các lý thuyết lực của hạt nhân.

Chiến tranh nổ ra, ông trở về Nhật Bản, làm giáo sư tại ĐH Tokyo Bunkira. Ông cùng với Masao Kotani phát triển lý thuyết magnetrons - thiết bị sử dụng trong hệ thống radar để làm phát sinh các sóng điện từ dùng cho tàu lớn đưa thuyền trưởng của một tàu ngầm, Heisenberg gửi cho Tomonaga bài báo về kỹ thuật miêu tả tương tác giữa các hạt lượng tử. Tomonaga nhanh chóng áp dụng để phát triển các sóng dẫn đường cho radar.

Cùng thời gian này, Tomonaga nghiên cứu bài toán năng lượng riêng vô hạn mà Yukawa đã ngừng quan tâm. Ông phát triển các phương pháp để miêu tả tương tác của một số hạt lượng tử như electron, chuyển động gần với tốc độ ánh sáng.

Trong thời gian chiến tranh, giống như nhiều nhà khoa học khác, Tomonaga sống với gia đình trong phòng thí nghiệm. Là người luôn ốm yếu về thể chất, ông đã nhiều lần giảng bài cho sinh viên của mình trong khi vẫn nằm trên giường.

Yukawa đoạt giải Nobel Vật lý năm 1949

“Giữa đổ nát và bạo loạn của chiến tranh, Tomonaga vẫn duy trì được trường phái nghiên cứu vật lý lý thuyết có nhiều điểm đi trước so với thời đại của ông”,nhà vật lý Mỹ Freeman Dyson viết về Tomonaga.

Tháng 7/1947, Tomonaga đọc trong Newsweek kết quả thí nghiệm do Willis E. Lamb và Robert C. Rutherford thuộc ĐH Columbia thực hiện. Electron trong nguyên tử hydrogen có thể chiếm một trong vài trạng thái lượng tử; hai trong số các trạng thái này được cho là có cùng mức năng lượng nhưng trên thực tế chúng có năng lượng khác nhau. Sau khi phát hiện được công bố, Hans Beth thuộc ĐH Cornell (Mỹ) đã đưa ra phương pháp tính nhanh, phi tương đối độ dịch chuyển Lamb khi sự khác biệt về năng lượng đã được công nhận. Hiệu ứng này chỉ có tác động nhỏ tới năng lượng riêng của electron khi nó chuyển động bên trong nguyên tử. Cùng với các sinh viên của mình, Tomonaga đã tính lại kết quả tương đối khi kể đến các đại lượng phân kỳ.

Công trình nghiên cứu rất giống nhau của họ gần như được thực hiện cùng một thời gian với công trình của Julian S. Schwinger, ĐH Harvard. Sau này, Tomonaga và Schwinger nhận thấy những nét tương đồng trong sự nghiệp của họ: cùng nghiên cứu về radar, sóng lan truyền magnetrons và cả hai đều dùng lý thuyết của Heisenberg để giải quyết một vấn đề. Và cả hai cùng chia giải Nobel với Richard Feynman năm 1965 cho các nghiên cứu phát triển điện động lực học lượng tử.

Năm 1949, Tomonaga được mời tới làm việc tại Viện nghiên cứu tiên tiến Princetonvà thấy rất thích thú. Nhưng ông nhớ nhà, “tôi cảm thấy như bị đày ở thiên đường”, ông viết cho sinh viên của mình. Năm sau, ông trở về Nhật Bản, nghiên cứu lý thuyết các hạt cơ bản chuyển động trong không gian một chiều, nghiên cứu này hiện rất hữu ích cho các nhà lý thuyết dây.

Hide Yukawa (1907-1981)

Trong thời gian chiến tranh, Yukawa là giáo sư ĐH Kyoto , đồng thời phục vụ cho quân đội mỗi tuần một ngày. Nhưng trước đó, những năm đầu thập kỷ 30, Yukawa tập trung vào nghiên cứu những vấn đề hóc búa nhất thời ấy, mà một trong số đó là bài toán về tính vô hạn của năng lượng riêng. Kết quả của nhiều tính toán đều cho kết quả vô hạn: electron tương tác với các photon trong trường điện từ của chính nó làm cho năng lượng trở thành vô hạn. Yukawa không tiến thêm được nhiều trong vấn đề vốn làm đau đầu những bộ óc ưu tú của ngành vật lý thế giới trong hơn hai thập kỷ. “Ngày hôm nay tôi lại phải loại bỏ ý tưởng phôi thai ngày hôm qua. Và một hôm, trên đường về nhà, đi qua sông Kamo, tôi thấy mình tuyệt vọng ”, Yukawa nhớ lại.

Tuy nhiên, Yukawa giải quyết được vấn đề đơn giản hơn: lực tương tác giữa proton và neutron. Heisenberg đã cho rằng lực này được tạo ra khi có sự trao đổi electron. Vì electron có mô-men góc nội tại tức là có sớm, ý tưởng của ông đã vi phạm quy luật bảo toàn mô-men góc, nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử. Heisenberg, Bohr và một số người khác thay thế quy luật cổ điển bằng quy luật lượng tử về tương tác của các electron và photon, song họ lại sẵn sàng loại bỏ vật lý lượng tử và cho rằng các proton và neutron tuân theo quy luật mới. Mô hình của Heisenberg phỏng đoán phạm vi tương tác của lực hạt nhân lớn hơn gấp 200 lần.

Yukawa phát hiện ra rằng phạm vi tương tác của một lực phụ thuộc tỷ lệ nghịch vào khối lượng của hạt chuyển tải lực đó. Lực điện từ có phạm vi tương tác là vô hạn vì nó được chuyển tải bới photon là hạt không có khối lượng. Mặt khác, lực hạt nhân, có phạm vi tương tác trong vòng kích thước của hạt nhân phải được chuyển tải bởi một hạt có khối lượng gấp 200 lần khối lượng của electron. Ông cũng cho rằng hạt đó cần phải có spin bằng không hoặc bằng một để mô-men góc được bảo toàn.

Yukawa công bố những phát hiện của mình trên tạp chí Proceedings of the PMSJ (Hội Toán Lý Nhật Bản) năm 1935. Mặc dù được viết bằng tiếng Anh, bài báo bị quên lãng trong suốt hai năm. Yukawa mạnh dạn phỏng đoán hạt mới.

Năm 1937, Carl D. Anderson và Seth H. Neddermeyer thuộc Viện Đại học Công nghệ California đã phát hiện trong các vết để lại bởi tia vũ trụ tới những hạt có khối lượng chuẩn phù hợp với các yêu cầu của lý thuyết của Yukawa. Những hạt của tia vũ trụ xuất hiện ở mực nước biển thay vì bị hấp thu ở trong khí quyển, vậy chúng tồn tại 100 lần dài hơn hạt mà Yukawa dự đoán.

Năm 1942, Shoichi Sakata và Takeshi Inoue cho rằng Anderson và Neddermeyer chưa từng nhìn thấy hạt pion do Yukawa phát hiện ra mà nhìn thấy hạt nhẹ hơn gọi là “muon” sinh ra từ quá trình phân rã của hạt pion, hạt mà Yukawa tiên đoán.

Vào thời gian phát hiện ra hiện tượng dịch chuyển Lamb, một nhóm nghiên cứu tại Anh phát hiện ra sự phân rã của hạt pion trên các tấm kính ảnh đặt dưới các tia vũ trụ ở độ cao. Phát hiện này đã chứng tỏ Inoue, Sakata và Yukawa đã đúng. Yukawa đã khám phá ra quy luật sâu sắc về các lực: chúng được chuyển tải bởi các hạt và spin của các hạt này phải là một số nguyên, khối lượng của chúng xác định phạm vi tương tác của lực. Phương pháp xác định một hạt mới của ông rất thành công.

Năm 1948, J. Robert Oppenheimer, Giám đốc Viện Nghiên cứu tiên tiến Princeton, mời Yukawa sang Viện của ông. Ông nghiên cứu ở đây một năm, một năm ở ĐH Columbia và nhận giải Nobel năm 1949.

Năm 1953, Yukawa trở thành Giám đốc Viện Nghiên cứu mới tại Kyoto , nay đổi thành Viện Nghiên cứu vật lý lý thuyết Yukawa. Cũng trong năm đó, ông và Tomonanga tổ chức hội thảo quốc tế về vật lý lý thuyết tại Tokyovà Kyoto .