Kasumi
25-03-2007, 11:49 AM
Họ đã tự học cơ học lượng tử để xây dựng nên lý thuyết lượng tử về điện từ và tiên đoán sự tồn tại của những hạt mới. Họ đã sống một thời gian dài trong sự bất ổn, đất nước bị tàn phá và dạ dày thì trống rỗng. Nhưng, trong trường hợp này, những lúc tồi tệ nhất của các nhà khoa học lại chính là những lúc tuyệt vời nhất của khoa học. Sau chiến tranh, các nhà vật lý Nhật Bản đã mang về quê hương họ ba giải Nobel.
http://img185.imageshack.us/img185/2430/5dee49a632vp4.png
Yoichiro Nambu, ảnh chụp năm 1942 ở Đại học Tokyo. (nguồn: Scientific American)
Năm 1903, Hantaro Nagaoka, một trong những nhà vật lý đầu tiên của Nhật Bản đã đề xuất một mô hình nguyên tử với một hạt nhân nhỏ và một vành đai các electron xung quanh. Cái mô hình kiểu "Thổ tinh" này là mô hình nguyên tử đầu tiên có chứa một hạt nhân, được Rutherford tìm ra năm 1911 ở Phòng thí nghiệm Cambridge.
Với những chiến thắng trong các cuộc chiến tranh với Trung Quốc (1895), Nga (1905), và chiến tranh thế giới I, sự phát triển kỹ thuật công nghệ của Nhật đã được coi là một thành công. Những công ty lớn của nó đã thiết lập những phòng thí nghiệm nghiên cứu. Và năm 1917, một viện nghiên cứu vật lý và hoá học mang tên Riken đã được xây dựng ở Tokyo. Ngoài việc cung cấp những công nghệ phục vụ công nghiệp, Riken cũng thực hiện những nghiên cứu khoa học cơ bản.
Năm 1919, một nhà khoa học trẻ ở Riken là Yoshio Nishina được gửi sang Anh và Đức và đã làm việc 6 năm tại viện của Bohr ở Copenhagen. Cùng với Oskar Klein, Nishina đã tính toán xác suất quá trình tương tác của một photon với một electron. Đây là một tương tác cơ bản của lý thuyết lượng tử mới về điện từ, gọi là điện động lực học lượng tử.
Năm 1928, Nishina trở về Nhật và mang theo "tinh thần Copenhagen" - một phong cách dân chủ trong nghiên cứu mà trong đó bất cứ ai cũng có thể nói lên quan điểm của riêng mình, điều này tương phản với tính chất giáo điều trong các trường đại học ở Nhật. Vào thời gian đó, Werner Heisenberg và Paul. A. M. Dirac cũng đã từng sang Nhật để giảng bài.
Ngồi ở tít phía sau hội trường nhưng Shinichiro Tomonaga lại là một trong số rất ít người hiểu được những bài giảng của Heisenberg. Ông đã dành một năm rưỡi để tự học cơ học lượng tử qua bài báo khoa học. Sau những giờ giảng cuối cùng, Tomonaga đã bức xúc mà phàn nàn rằng, Heisenberg và Dirac đã phát minh ra một lý thuyết mới khi họ mới ngoài 20 tuổi, vậy mà những sinh viên Nhật vẫn là những kẻ đờ đẫn, chỉ biết chép lại nguyên si bài giảng.
Những con trai của Samurai
Tomonaga có một người bạn thân là Hideki Yukawa. Cả hai người đều có bố là những học giả học ở nước ngoài. Tomonaga bố là một giáo sư triết học phương Tây còn Yukawa bố là một giáo sư địa chất. Cả hai đều thuộc dòng dõi samurai. Thậm chí trước khi đến trường, Yukawa con đã được học về Khổng giáo từ ông nội của mình. Yukawa đã chọn con đường khoa học khi ông phải đối mặt với những vấn đề của Đạo giáo với quá nhiều điều cần được giải thích. Tomonaga thì bắt đầu say mê nghiên cứu vật lý sau khi được nghe những bài giảng của Albert Einstein ở Kyoto năm 1922.
Năm 1929 hai người nhận bằng cử nhân ở Đại học Kyoto. Thất nghiệp, họ ở lại trường và làm những thư ký không lương. Họ cùng học với nhau về vật lý hiện đại và bắt đầu mày mò với những đề án nghiên cứu độc lập. "Chính sự chán nản đã khiến chúng tôi trở thành những nhà khoa học", Yukawa sau này đã nói đùa như vậy.
http://img299.imageshack.us/img299/295/8ab43229fevh6.png
Các nhà vật lý ở Riken, ảnh chụp năm 1936 trên núi Phú Sỹ. Tomonaga ngồi ở hàng trước (người thứ ba từ trái sang phải), Nishina cũng ở hàng trước (người thứ ba từ phải sang trái)
Năm 1932, Tomonaga tham gia nhóm của Nishina ở Riken, còn Yukawa dời đến Đại học Osaka. Vào thời gian này, Yukawa đã tập trung suy nghĩ về bản chất của lực tương tác giữa neutron và proton trong hạt nhân. Heisenberg đã từng đề xuất rằng, lực này được truyền bởi sự trao đổi một electron. Ý tưởng này không thành công vì electron có spin (momen xung lượng nội tại) bằng 1/2, vi phạm định luật bảo toàn momen xung lượng. Hơn nữa mô hình của Heisenberg lại dẫn đến tầm tác dụng của lực hạt nhân lớn hơn 200 lần so với thực tế.
Yukawa đã tìm ra rằng, tầm tác dụng của lực tỷ lệ nghịch với khối lượng của hạt truyền lực. Vì vậy, lực hạt nhân, có tầm tác dụng bên trong hạt nhân, sẽ phải được truyền bởi một hạt có khối lượng bằng khoảng 200 khối lượng electron. Thêm vào đó, hạt này phải có spin bằng không để bảo toàn momen xung lượng.
Công trình đầu tiên này của Yukawa được công bố năm 1935 trên tạp chí của Hội Toán Lý Nhật Bản. Mặc dù được viết bằng tiếng Anh nhưng nó đã bị phớt lờ trong hai năm. Năm 1937, Carl D. Anderson và Seth H. Neddermeyer ở Viện Công nghệ California đã phát hiện trong tia vũ trụ một loại hạt tích điện có khối lượng khoảng 200 lần khối lượng electron nhưng rất tiếc là chúng lại sống lâu hơn 100 lần so với hạt mà Yukawa tiên đoán. Trong khi đó, Tomonaga đang cùng với Nishina nghiên cứu về điện động lực học lượng tử. Năm 1937, ông đến Đại học Leipzig và làm việc hai năm với Heisenberg về lý thuyết lực hạt nhân.
http://img299.imageshack.us/img299/6773/cc212813d4yx2.jpg
Heisenberg và Tomonaga
Một cuộc chiến không giống bất cứ cuộc chiến nào khác
Năm 1941, Nhật Bản tham gia chiến tranh và Yukawa khi ấy đã là giáo sư ở Kyoto. Năm 1942, Shoichi Sakata và Takeshi Inoue đã đề xuất rằng, hạt mà Anderson và Neddermeyer phát hiện (về sau được gọi là muon) chính là sản phẩm phân rã của hạt mà Yukawa đã tiên đoán (về sau được gọi là pion). Họ đã công bố lý thuyết này trên một tạp chí của Nhật.
Yukawa phải làm việc phục vụ chiến tranh một ngày mỗi tuần, tuy nhiên ông chưa bao giờ nói rằng công việc này là bắt buộc. Tomonaga khi ấy cũng là giáo sư ở Đại học Tokyo Bunrika và cũng tham gia phục vụ chiến tranh. Cùng với Masao Kotani ở Đại học Tokyo, ông đã phát triển một lý thuyết về các magnetron - đó là các thiết bị phát sóng điện từ dùng trong hệ thống rađa của hải quân. Dựa trên một lý thuyết về sóng mà Heisenberg đã gửi cho mình, Tomonaga đã thiết kế được những hệ thống dẫn đường bằng rađa.
Cũng vào thời gian đó, Tomonaga bắt đầu nghiên cứu về vấn đề năng lượng tự tương tác. Cuối cùng, ông đã phát triển một phương pháp mô tả đặc tính của một vài hạt lượng tử tương tác, chẳng hạn như các electron chuyển động với vận tốc gần bằng ánh sáng. Bằng việc tổng quát hoá một ý tưởng của Dirac, ông đã gắn cho mỗi hạt không chỉ các tọa độ không gian mà còn cả các tọa độ thời gian của chúng. Công trình này được xuất bản trên tạp chí khoa học của Riken và đã trở thành một nền tảng quan trọng của điện động lực học lượng tử.
Thời ấy, hầu hết các sinh viên đều bị vận động phục vụ chiến tranh, nhưng những nhà vật lý trẻ ở Tokyo vẫn tiếp tục những nghiên cứu của họ bất cứ khi nào có thể. Các giáo sư, trong đó có cả Tomonaga đã tổ chức những khoá học đặc biệt cho họ vào các ngày chủ nhật. Năm 1944, một số sinh viên được giải phóng khỏi quân đội để trở về trường đại học. Nhưng ngay cả khi trở về trường đại học thì mọi thứ vẫn còn rất khó khăn. Nhà cửa của một số sinh viên bị thiêu huỷ, một số khác thì lại bị bắt đi quân dịch. Tomonaga khi đó rất yếu, ông vẫn thường phải nằm trên giường bệnh để hướng dẫn các học trò của mình.
Nishina đã nhận được chỉ thị của quân đội về nghiên cứu khả năng chế tạo bom nguyên tử. Năm 1943, ông kết luận rằng, bom nguyên tử là khả thi nếu có đủ thời gian và tiền. Ông đã nhận một nhà vật lý tia vũ trụ trẻ tuổi tên là Masa Takeuchi để xây dựng một thiết bị phân tách các đồng vị urani phục vụ chế tạo bom. Rõ ràng là Nishina đã nghĩ rằng kế hoạch này sẽ nuôi sống nghiên cứu vật lý cho đến khi chiến tranh kết thúc.
Ở bên kia Thái Bình Dương, Chương trình Manhattan đang sử dụng tới hơn 150.000 con người và 2 tỷ đô la. Trái lại, khi các sinh viên Nhật nhận ra rằng họ cần đường để điều chế urani hexaflouride (mà từ đó họ có thể tách ra được urani) thì có nghĩa là họ phải trực tiếp đem khẩu phần ăn ốm đói của mình ra phục vụ nghiên cứu. Khi chiến tranh kết thúc, kết quả chương trình chế tạo bom nguyên tử của người Nhật chỉ là một mẩu kim loại urani chưa làm giàu và không lớn hơn cái tem thư.
Tháng 8 năm 1945, hai quả bom nguyên tử được Mỹ thả xuống Nhật Bản. Luis W. Alvarez thuộc Đại học California đã sử dung các thiết bị để đo cường độ của vụ nổ ở Nagasaki. Sau đó ông cùng hai đồng nghiệp Philip Morrison và Robert Serber đã viết một bức thư (gồm hai bản sao) gửi cho Riokichi Sagane, con trai của Nagaoka và là nhà vật lý thuộc nhóm của Tomonaga. Là một nhà thực nghiệm, Sagane đã dành hai năm ở Berkely để nghiên cứu về các máy gia tốc cyclotron. Vì có mối quan hệ nên ba nhà khoa học Mỹ đã gửi cho ông những thông tin về quả bom. Mặc dù bức thư đã bị quân đội Mỹ thu giữ nhưng sau chiến tranh Sagane cũng đã được đọc nó. Sau 1945, người Mỹ tiếp tục chiếm đóng Nhật Bản trong bảy năm. Tướng Mỹ khi ấy là Douglas MacArthur đã cho xây dựng lại, tự do hoá và mở rộng hệ thống trường đại học. Tuy nhiên, những nghiên cứu thực nghiệm về hạt nhân và các lĩnh vực liên quan về cơ bản là bị cấm. Tất cả các máy cyclotron ở Nhật đều bị ném xuống biển, người Mỹ đã sợ rằng chúng có thể được người Nhật sử dụng để nghiên cứu bom nguyên tử.
Nền kinh tế khi ấy rõ ràng là không cho phép những nghiên cứu thực nghiệm tốn kém. Tomonaga sống cùng gia đình trong một phòng thí nghiệm mà một nửa của nó đã bị bom đạn tàn phá. Yoichiro Nambu khi ấy là một nhân viên nghiên cứu của Đại học Tokyo và đã phải sống ba năm trong phòng thí nghiệm, ngủ trên một cái đệm rơm trải lên bàn làm việc. Nambu thậm chí đã phải mặc quân phục cả ngày vì không có bộ quần áo nào khác.
http://img299.imageshack.us/img299/2655/1db0ba7499vs6.jpg
Albert Einstein, Hidekei Yukawa và John A. Wheeler ở Princeton năm 1954
http://img185.imageshack.us/img185/2430/5dee49a632vp4.png
Yoichiro Nambu, ảnh chụp năm 1942 ở Đại học Tokyo. (nguồn: Scientific American)
Năm 1903, Hantaro Nagaoka, một trong những nhà vật lý đầu tiên của Nhật Bản đã đề xuất một mô hình nguyên tử với một hạt nhân nhỏ và một vành đai các electron xung quanh. Cái mô hình kiểu "Thổ tinh" này là mô hình nguyên tử đầu tiên có chứa một hạt nhân, được Rutherford tìm ra năm 1911 ở Phòng thí nghiệm Cambridge.
Với những chiến thắng trong các cuộc chiến tranh với Trung Quốc (1895), Nga (1905), và chiến tranh thế giới I, sự phát triển kỹ thuật công nghệ của Nhật đã được coi là một thành công. Những công ty lớn của nó đã thiết lập những phòng thí nghiệm nghiên cứu. Và năm 1917, một viện nghiên cứu vật lý và hoá học mang tên Riken đã được xây dựng ở Tokyo. Ngoài việc cung cấp những công nghệ phục vụ công nghiệp, Riken cũng thực hiện những nghiên cứu khoa học cơ bản.
Năm 1919, một nhà khoa học trẻ ở Riken là Yoshio Nishina được gửi sang Anh và Đức và đã làm việc 6 năm tại viện của Bohr ở Copenhagen. Cùng với Oskar Klein, Nishina đã tính toán xác suất quá trình tương tác của một photon với một electron. Đây là một tương tác cơ bản của lý thuyết lượng tử mới về điện từ, gọi là điện động lực học lượng tử.
Năm 1928, Nishina trở về Nhật và mang theo "tinh thần Copenhagen" - một phong cách dân chủ trong nghiên cứu mà trong đó bất cứ ai cũng có thể nói lên quan điểm của riêng mình, điều này tương phản với tính chất giáo điều trong các trường đại học ở Nhật. Vào thời gian đó, Werner Heisenberg và Paul. A. M. Dirac cũng đã từng sang Nhật để giảng bài.
Ngồi ở tít phía sau hội trường nhưng Shinichiro Tomonaga lại là một trong số rất ít người hiểu được những bài giảng của Heisenberg. Ông đã dành một năm rưỡi để tự học cơ học lượng tử qua bài báo khoa học. Sau những giờ giảng cuối cùng, Tomonaga đã bức xúc mà phàn nàn rằng, Heisenberg và Dirac đã phát minh ra một lý thuyết mới khi họ mới ngoài 20 tuổi, vậy mà những sinh viên Nhật vẫn là những kẻ đờ đẫn, chỉ biết chép lại nguyên si bài giảng.
Những con trai của Samurai
Tomonaga có một người bạn thân là Hideki Yukawa. Cả hai người đều có bố là những học giả học ở nước ngoài. Tomonaga bố là một giáo sư triết học phương Tây còn Yukawa bố là một giáo sư địa chất. Cả hai đều thuộc dòng dõi samurai. Thậm chí trước khi đến trường, Yukawa con đã được học về Khổng giáo từ ông nội của mình. Yukawa đã chọn con đường khoa học khi ông phải đối mặt với những vấn đề của Đạo giáo với quá nhiều điều cần được giải thích. Tomonaga thì bắt đầu say mê nghiên cứu vật lý sau khi được nghe những bài giảng của Albert Einstein ở Kyoto năm 1922.
Năm 1929 hai người nhận bằng cử nhân ở Đại học Kyoto. Thất nghiệp, họ ở lại trường và làm những thư ký không lương. Họ cùng học với nhau về vật lý hiện đại và bắt đầu mày mò với những đề án nghiên cứu độc lập. "Chính sự chán nản đã khiến chúng tôi trở thành những nhà khoa học", Yukawa sau này đã nói đùa như vậy.
http://img299.imageshack.us/img299/295/8ab43229fevh6.png
Các nhà vật lý ở Riken, ảnh chụp năm 1936 trên núi Phú Sỹ. Tomonaga ngồi ở hàng trước (người thứ ba từ trái sang phải), Nishina cũng ở hàng trước (người thứ ba từ phải sang trái)
Năm 1932, Tomonaga tham gia nhóm của Nishina ở Riken, còn Yukawa dời đến Đại học Osaka. Vào thời gian này, Yukawa đã tập trung suy nghĩ về bản chất của lực tương tác giữa neutron và proton trong hạt nhân. Heisenberg đã từng đề xuất rằng, lực này được truyền bởi sự trao đổi một electron. Ý tưởng này không thành công vì electron có spin (momen xung lượng nội tại) bằng 1/2, vi phạm định luật bảo toàn momen xung lượng. Hơn nữa mô hình của Heisenberg lại dẫn đến tầm tác dụng của lực hạt nhân lớn hơn 200 lần so với thực tế.
Yukawa đã tìm ra rằng, tầm tác dụng của lực tỷ lệ nghịch với khối lượng của hạt truyền lực. Vì vậy, lực hạt nhân, có tầm tác dụng bên trong hạt nhân, sẽ phải được truyền bởi một hạt có khối lượng bằng khoảng 200 khối lượng electron. Thêm vào đó, hạt này phải có spin bằng không để bảo toàn momen xung lượng.
Công trình đầu tiên này của Yukawa được công bố năm 1935 trên tạp chí của Hội Toán Lý Nhật Bản. Mặc dù được viết bằng tiếng Anh nhưng nó đã bị phớt lờ trong hai năm. Năm 1937, Carl D. Anderson và Seth H. Neddermeyer ở Viện Công nghệ California đã phát hiện trong tia vũ trụ một loại hạt tích điện có khối lượng khoảng 200 lần khối lượng electron nhưng rất tiếc là chúng lại sống lâu hơn 100 lần so với hạt mà Yukawa tiên đoán. Trong khi đó, Tomonaga đang cùng với Nishina nghiên cứu về điện động lực học lượng tử. Năm 1937, ông đến Đại học Leipzig và làm việc hai năm với Heisenberg về lý thuyết lực hạt nhân.
http://img299.imageshack.us/img299/6773/cc212813d4yx2.jpg
Heisenberg và Tomonaga
Một cuộc chiến không giống bất cứ cuộc chiến nào khác
Năm 1941, Nhật Bản tham gia chiến tranh và Yukawa khi ấy đã là giáo sư ở Kyoto. Năm 1942, Shoichi Sakata và Takeshi Inoue đã đề xuất rằng, hạt mà Anderson và Neddermeyer phát hiện (về sau được gọi là muon) chính là sản phẩm phân rã của hạt mà Yukawa đã tiên đoán (về sau được gọi là pion). Họ đã công bố lý thuyết này trên một tạp chí của Nhật.
Yukawa phải làm việc phục vụ chiến tranh một ngày mỗi tuần, tuy nhiên ông chưa bao giờ nói rằng công việc này là bắt buộc. Tomonaga khi ấy cũng là giáo sư ở Đại học Tokyo Bunrika và cũng tham gia phục vụ chiến tranh. Cùng với Masao Kotani ở Đại học Tokyo, ông đã phát triển một lý thuyết về các magnetron - đó là các thiết bị phát sóng điện từ dùng trong hệ thống rađa của hải quân. Dựa trên một lý thuyết về sóng mà Heisenberg đã gửi cho mình, Tomonaga đã thiết kế được những hệ thống dẫn đường bằng rađa.
Cũng vào thời gian đó, Tomonaga bắt đầu nghiên cứu về vấn đề năng lượng tự tương tác. Cuối cùng, ông đã phát triển một phương pháp mô tả đặc tính của một vài hạt lượng tử tương tác, chẳng hạn như các electron chuyển động với vận tốc gần bằng ánh sáng. Bằng việc tổng quát hoá một ý tưởng của Dirac, ông đã gắn cho mỗi hạt không chỉ các tọa độ không gian mà còn cả các tọa độ thời gian của chúng. Công trình này được xuất bản trên tạp chí khoa học của Riken và đã trở thành một nền tảng quan trọng của điện động lực học lượng tử.
Thời ấy, hầu hết các sinh viên đều bị vận động phục vụ chiến tranh, nhưng những nhà vật lý trẻ ở Tokyo vẫn tiếp tục những nghiên cứu của họ bất cứ khi nào có thể. Các giáo sư, trong đó có cả Tomonaga đã tổ chức những khoá học đặc biệt cho họ vào các ngày chủ nhật. Năm 1944, một số sinh viên được giải phóng khỏi quân đội để trở về trường đại học. Nhưng ngay cả khi trở về trường đại học thì mọi thứ vẫn còn rất khó khăn. Nhà cửa của một số sinh viên bị thiêu huỷ, một số khác thì lại bị bắt đi quân dịch. Tomonaga khi đó rất yếu, ông vẫn thường phải nằm trên giường bệnh để hướng dẫn các học trò của mình.
Nishina đã nhận được chỉ thị của quân đội về nghiên cứu khả năng chế tạo bom nguyên tử. Năm 1943, ông kết luận rằng, bom nguyên tử là khả thi nếu có đủ thời gian và tiền. Ông đã nhận một nhà vật lý tia vũ trụ trẻ tuổi tên là Masa Takeuchi để xây dựng một thiết bị phân tách các đồng vị urani phục vụ chế tạo bom. Rõ ràng là Nishina đã nghĩ rằng kế hoạch này sẽ nuôi sống nghiên cứu vật lý cho đến khi chiến tranh kết thúc.
Ở bên kia Thái Bình Dương, Chương trình Manhattan đang sử dụng tới hơn 150.000 con người và 2 tỷ đô la. Trái lại, khi các sinh viên Nhật nhận ra rằng họ cần đường để điều chế urani hexaflouride (mà từ đó họ có thể tách ra được urani) thì có nghĩa là họ phải trực tiếp đem khẩu phần ăn ốm đói của mình ra phục vụ nghiên cứu. Khi chiến tranh kết thúc, kết quả chương trình chế tạo bom nguyên tử của người Nhật chỉ là một mẩu kim loại urani chưa làm giàu và không lớn hơn cái tem thư.
Tháng 8 năm 1945, hai quả bom nguyên tử được Mỹ thả xuống Nhật Bản. Luis W. Alvarez thuộc Đại học California đã sử dung các thiết bị để đo cường độ của vụ nổ ở Nagasaki. Sau đó ông cùng hai đồng nghiệp Philip Morrison và Robert Serber đã viết một bức thư (gồm hai bản sao) gửi cho Riokichi Sagane, con trai của Nagaoka và là nhà vật lý thuộc nhóm của Tomonaga. Là một nhà thực nghiệm, Sagane đã dành hai năm ở Berkely để nghiên cứu về các máy gia tốc cyclotron. Vì có mối quan hệ nên ba nhà khoa học Mỹ đã gửi cho ông những thông tin về quả bom. Mặc dù bức thư đã bị quân đội Mỹ thu giữ nhưng sau chiến tranh Sagane cũng đã được đọc nó. Sau 1945, người Mỹ tiếp tục chiếm đóng Nhật Bản trong bảy năm. Tướng Mỹ khi ấy là Douglas MacArthur đã cho xây dựng lại, tự do hoá và mở rộng hệ thống trường đại học. Tuy nhiên, những nghiên cứu thực nghiệm về hạt nhân và các lĩnh vực liên quan về cơ bản là bị cấm. Tất cả các máy cyclotron ở Nhật đều bị ném xuống biển, người Mỹ đã sợ rằng chúng có thể được người Nhật sử dụng để nghiên cứu bom nguyên tử.
Nền kinh tế khi ấy rõ ràng là không cho phép những nghiên cứu thực nghiệm tốn kém. Tomonaga sống cùng gia đình trong một phòng thí nghiệm mà một nửa của nó đã bị bom đạn tàn phá. Yoichiro Nambu khi ấy là một nhân viên nghiên cứu của Đại học Tokyo và đã phải sống ba năm trong phòng thí nghiệm, ngủ trên một cái đệm rơm trải lên bàn làm việc. Nambu thậm chí đã phải mặc quân phục cả ngày vì không có bộ quần áo nào khác.
http://img299.imageshack.us/img299/2655/1db0ba7499vs6.jpg
Albert Einstein, Hidekei Yukawa và John A. Wheeler ở Princeton năm 1954