Dương Chấn Ninh

Dương Chấn Ninh tại Hội nghị Nobel Lindau về Vật lý lần thứ tám vào tháng 7 năm 1973 – Nguồn: mediatheque.lindau-nobel.org

Dương Chấn Ninh đã nghĩ ra điều không tưởng và được trao giải Nobel Vật lý vào năm 1957. Dương cùng đồng nghiệp của mình là Lý Chính Đạo đã chứng minh rằng tính chẵn lẻ – một định luật mà các nhà vật lý tin rằng luôn được bảo toàn giống như năng lượng, động lượng và điện tích, bị phá vỡ trong tương tác yếu. Ông cũng hợp tác với Robert Mills để đưa ra lý thuyết Yang-Mills, một trong những lý thuyết trường chuẩn. Dương sinh ra tại thành phố Hợp Phì, Trung Quốc vào ngày 22 tháng 9 năm 1922 trong gia đình có người cha là Giáo sư Toán Học ở Đại học Thanh Hoa, Bắc Kinh. Năm 1937, khi quân đội Nhật tấn công Trung Quốc, gia đình ông đã phải di tản đến thành phố Côn Minh. Tại đây, Dương theo học tại Đại học liên kết quốc gia Tây Nam và tốt nghiệp ở tuổi 20, với bằng cử nhân vật lý. Với niềm đam mê mãnh liệt dành cho vật lý, ông quyết định học lên thạc sĩ tại Đại học Thanh Hoa và tốt nghiệp năm 1944. 

MỘT NHÀ VẬT LÝ TRẺ XUẤT SẮC

Sau một thời gian ngắn làm giáo viên, vào năm 1946, Dương đã giành được học bổng của chính phủ Hoa Kỳ tại Đại học Chicago. Tại đây, dưới sự cố vấn của Edward Teller – cha đẻ của bom khinh khí, hai năm sau, Dương nhận bằng Tiến sĩ vật lý cho công trình nghiên cứu về phản ứng hạt nhân của mình. Ông ở lại Chicago thêm một năm và làm việc với Enrico Fermi – một trong những nhà vật lý có tầm ảnh hưởng lớn nhất thế kỷ 20. Năm 1949, Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton – nơi Albert Einstein đã làm việc từ năm 1933 cho đến khi qua đời vào năm 1955, mời Dương trở thành nhà nghiên cứu vật lý lý thuyết.

ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TÍNH CHẴN LẺ

Nguồn ảnh: nangluonghatnhan.com

Phá vỡ nguyên tử

Trong những năm 1950, các máy gia tốc hạt và máy dò tia vũ trụ đã khiến các nhà vật lý phải đau đầu bởi dữ liệu ngày càng phức tạp. Máy gia tốc đã đẩy tốc độ của các ion cùng các hạt khác đến độ cực đại và khiến chúng va chạm với nhau. Các nhà vật lý hy vọng rằng những mảnh vỡ từ các cuộc va chạm này sẽ tiết lộ bí mật về bản chất cũng như cách thức hoạt động của vật chất. Manh mối cũng được hi vọng đến từ những mảnh vỡ được tạo ra khi các tia vũ trụ – các hạt năng lượng cao tới từ Mặt Trời và các hành tinh khác – va vào bầu khí quyển của Trái Đất. Những mảnh vỡ từ máy gia tốc và tia vũ trụ chứa các hạt subatomic, thường không ổn định và nhanh chóng phân rã thành các hạt khác. 

Vấn đề meson

Meson theta và meson tau là hai hạt meson không ổn định được phát hiện trong những năm 1950. Xét theo nhiều khía cạnh, meson theta và meson tau có vẻ như có thể là cùng một hạt bởi khối lượng và thời gian tồn tại trung bình của cả hai giống nhau. Cách duy nhất để phân biệt là thông qua các sản phẩm phân rã của chúng. Hạt meson theta phân rã thành hai pion trong khi hạt meson tau phân rã thành ba pion.

Vào thời điểm đó, các nhà vật lý khẳng định rằng meson theta và meson tau là hai hạt khác nhau. Bởi theo định luật bảo toàn tính chẵn lẻ,  khi bất kỳ hạt nào phân rã, tính chẵn lẻ của nó vẫn giữ nguyên. Do đó, một hạt không bao giờ có thể vừa phân rã thành hai pion, vừa phân rã thành ba pion. Các nhà vật lý học thời đó coi tính chẵn lẻ là một định luật cơ bản của vũ trụ, là định luật luôn được bảo tồn như năng lượng, động lượng và điện tích. Họ không tin rằng tính chẵn lẻ có thể bị phá vỡ, vì điều này sẽ đồng nghĩa với sự đối xứng cơ bản mà các nhà vật lý tin rằng có tồn tại trong vũ trụ cũng sẽ bị phá vỡ.

Sự xuất hiện của Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo

Tại Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton, Dương bắt đầu làm việc với Lý Chính Đạo. Cả hai gặp nhau lần đầu tiên ở Trung Quốc tại Đại học liên kết quốc gia Tây Nam. Lúc này, Dương là giáo sư vật lý lý thuyết mới được thăng chức vào năm 1955.

Vào mùa hè năm 1956, Dương và Lý đã nghĩ ra điều không tưởng. Nếu tính chẵn lẻ thực sự có thể bị phá vỡ thì sao? 

Theo như nghiên cứu của các nhà vật lý thời đó, sự phân rã của hai loại hạt meson liên quan đến lực hạt nhân yếu – lực chịu trách nhiệm cho phản ứng hạt nhân và phát xạ hạt beta từ hạt nhân nguyên tử. Để hoàn thiện công trình của mình, Dương và Lý đã nghiên cứu kĩ càng về mặt lý thuyết và thực hiện một số lượng lớn các tính toán. Họ muốn tìm ra đáp án cho câu hỏi: “Liệu thực sự có một định luật vật lý cơ bản ngăn cản tính chẵn lẻ bị phá vỡ đối với các tương tác liên quan đến lực hạt nhân yếu hay không?” Trước đó, đã có bằng chứng cho thấy tính chẵn lẻ không thể bị phá vỡ đối với các tương tác liên quan đến lực hạt nhân mạnh.

Cuối năm 1956, Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo công bố nghiên cứu của mình, cho thấy họ không thể tìm thấy bất cứ thứ gì ngăn cản tính chẵn lẻ bị phá vỡ đối với tương tác yếu đồng thời mô tả các thí nghiệm mà bản thân đã thiết kế nhằm giải đáp nghi vấn liệu tính chẵn lẻ có bị phá vỡ hay không.

Giải Nobel cho sự thật không tưởng

Một nhóm các nhà vật lý do Ngô Kiện Hùng dẫn đầu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Nhiệt độ thấp tại Viện Tiêu chuẩn Quốc gia ở Washington đã thực hiện một trong những thí nghiệm được thiết kế bởi Dương và Lý.  Và kết luận của hai nhà vật lý là hoàn toàn chính xác: tính chẵn lẻ hoàn toàn bị phá vỡ trong tương tác yếu.

Năm 1957, Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo giành được giải Nobel Vật lý. Cả hai đã nghĩ ra điều không tưởng, tính toán của họ cho thấy điều không tưởng đó là có thể, và họ đã thiết kế các thí nghiệm chứng minh điều này là sự thật: meson theta và meson tau thực ra là cùng một hạt và tính chẵn lẻ hoàn toàn không được bảo tồn. 

Theo những lời trang trọng hơn của Ủy ban Giải Nobel, giải thưởng của Dương và Lý là dành cho: “Cuộc điều tra sâu sắc về cái gọi là “định luật bảo toàn tính chẵn lẻ”, từ đó dẫn đến những phát hiện quan trọng về các hạt cơ bản.”

Công trình của hai người họ mang ý nghĩa vô cùng to lớn. Vật lý hạt nhân đã gặp khó khăn trong nhiều năm bởi niềm tin về “định luật bảo toàn tính chẵn lẻ”. Và sự xuất hiện của Dương Chấn Ninh cùng Lý Chính Đạo đã xoá đi trở ngại đó và mở ra một trang mới cho lĩnh vực vật lý hạt nhân thế giới.

Thí nghiệm của Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo

Trong bài diễn văn Nobel của mình, Dương Chấn Ninh đã mô tả lại thí nghiệm do cả hai thiết kế như sau:

“Các nguyên tắc cơ bản của các thí nghiệm này đều giống nhau: Đầu tiên là xây dựng hai bộ hệ thống thí nghiệm là hình ảnh phản chiếu của nhau và chứa các tương tác yếu. Sau đó, kiểm tra xem hai bộ hệ thống này có luôn cho cùng kết quả hay không hiện trên giá đọc của đồng hồ đo (hoặc bộ đếm). Nếu kết quả không giống nhau, người ta sẽ có bằng chứng rõ ràng rằng tính chẵn lẻ bị phá vỡ. Thí nghiệm này được minh họa trong Hình 2, được đề xuất để kiểm tra tính bảo toàn chẵn lẻ trong phân rã β của hạt nhân cobalt-60. 

Thí nghiệm này lần đầu tiên được thực hiện vào nửa sau năm 1956 và hoàn thành vào đầu năm nay (1957) bởi Ngô Kiện Hùng cùng đồng nghiệp. Thiết lập thí nghiệm trong thực tế rất phức tạp, vì để loại bỏ các ảnh hưởng bên ngoài gây nhiễu, thí nghiệm phải được thực hiện ở nhiệt độ rất thấp. Kỹ thuật kết hợp đo phân rã β với thiết bị nhiệt độ thấp trước đây chưa được biết đến và là một khó khăn lớn đã được nhóm các nhà vật lý này giải quyết thành công.

Minh hoạ thí nghiệm do Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo thiết kế – Nguồn: nobelprize.org

Theo kết quả của Tiến sĩ Ngô và cộng sự, có một sự khác biệt rất lớn trong các giá đọc của hai đồng hồ đo trong Hình 2. Vì hoạt động của các bộ phận khác trong thiết bị của họ vẫn tuân theo đối xứng trái-phải, nên sự khác biệt này phải được quy cho tính chẵn lẻ của hạt nhân cobalt. Rất nhanh chóng sau khi những kết quả này được công bố, nhiều thí nghiệm đã được thực hiện, chứng minh thêm sự phá vỡ tính bảo toàn chẵn lẻ trong các tương tác yếu khác nhau.”

Lý thuyết Yang-Mills

Dương Chấn Ninh và Robert Mills – Nguồn: quantamagazine.org

Trước khi giành giải Nobel, Dương Chấn Ninh đã nghiên cứu các lực cơ bản trong vật lý hạt nhân và cách chúng liên quan đến nhau.

Sự thống nhất của các lực trong vật lý lần đầu tiên xảy ra vào thế kỷ 19, khi James Clerk Maxwell thống nhất lực điện và lực từ. Ông cho thấy chúng thực sự là một lực duy nhất: lực điện từ. Khi làm như vậy, Maxwell đã chứng minh rằng ánh sáng là một sóng điện từ mang năng lượng giữa các điện tích. Công trình của Maxwell đã làm rung chuyển toàn bộ thế giới vật lý. Kể từ khi đó, các nhà vật lý đã mơ ước về việc thống nhất tất cả các lực của tự nhiên thành một lý thuyết cơ bản: một lý thuyết về tất cả mọi thứ.

Năm 1953, Dương Chấn Ninh làm việc tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven. Tại đây, ông gặp Robert Mill – một nhà vật lý trẻ khác. Sau khi trao đổi ý tưởng với nhau, họ đã phát triển một khái quát mới về các phương trình của Maxwell, hiện được gọi là lý thuyết Yang-Mills.

Lý thuyết này đưa các phương trình của Maxwell về dạng một trường hợp đặc biệt. Ngoài việc giải thích lực điện từ, lý thuyết Yang-Mills cũng giải thích các tương tác giữa các hạt nhân. Việc này đã mang vật lý đến gần hơn với lý thuyết về tất cả mọi thứ. Lý thuyết này ban đầu đã bị phản đối mạnh mẽ bởi vẫn có một vài bí ẩn mà chính bản thân Dương và Mills cũng không thể lý giải. 

Lý thuyết Yang-Mills hiện là nền tảng của Mô hình chuẩn trong vật lý hạt nhân. Mô hình chuẩn cố gắng kết nối lực điện từ, lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh và tất cả các hạt subatomic thành một hệ thống nhất quán duy nhất – một lý thuyết về tất cả mọi thứ. Ngoài ra, bài toán trong lý thuyết Yang–Mills cũng là một trong bảy bài toán thiên niên kỷ của toán học với giải thưởng lên tới một triệu đô cho người tìm ra đáp án chính xác. Chính vì vậy cho đến ngày nay, dù đã được ra đời hơn năm mươi năm, lý thuyết Yang–Mills vẫn là một đề tài nghiên cứu vô cùng sôi nổi.

CUỘC SỐNG HIỆN TẠI

Dương Chấn Ninh lắng nghe câu hỏi của một sinh viên tại lễ khai mạc Hội nghị chung CAS-Leopoldina lần thứ nhất tại Bắc Kinh, thủ đô Trung Quốc, ngày 9 tháng 9 năm 2019 – Nguồn: Xinhua

Là một trong hai người Trung Quốc đầu tiên được giải Nobel, cùng với việc đã có công đóng góp sớm nhất, tích cực nhất vào sự nghiệp xây dựng tổ quốc, và có nhiều ý kiến độc đáo trên các mặt khoa học – kinh tế, văn hóa – giáo dục; Dương Chấn Ninh được chính quyền Trung Quốc vô cùng trọng vọng, luôn luôn là nhân vật trung tâm được các nhà báo phỏng vấn, đưa tin. Chính quyền, báo chí Trung Quốc và đặc biệt giới trí thức nước này rất coi trọng các ý kiến, quan điểm của ông, nhất là khi họ có tranh luận chưa ngã ngũ về một vấn đề nào đó. Đến nay, dù đã bước qua tuổi 101, Dương Chấn Ninh vẫn sống vô cùng khỏe mạnh và hiện đang an dưỡng tuổi già tại Trung Quốc.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

The Nobel Prize – Chen Ning Yang

Famous Scientists – Biography, Facts and Pictures