Tìm hiểu về Vật lí

Tìm hiểu về Vật Lí
1) Vật lí là gì?
Vật lí được coi là một môn khoa học cơ bản nhất của khoa học tự nhiên. Vật lí
giả quyết những thành phần cơ bản nhất của vật chất và các tương tác giữa
chúng cũng như nghiên cứu về các nguyên tử và việc tạo thành phân tử và chất
rắn. Vật lí cố gắng đưa ra những mô tả thống nhất về tính chất của vật chất và
bức xạ, bao quát rất nhiều loại hiện tượng. Trong mộ số ứng dụng, vật lí rất gần
với hóa học cổ điển và trong một số ứng dụng khác nó lại liên quan đến các đối
tượng nghiên cứu của các nhà thiên văn học. Một số lĩnh vực của vật lí hiện nay
còn hướng gần đến vi sinh học.
Mặc dù hóa học và thiên văn học là các ngành khoa học hoàn toàn độc lập,
nhưng cả hai đều dùng vật lí như là một cơ sở trong nghiên cứu các lĩnh vực,
khái niệm và công cụ của các vấn đề khoa học. Phân biệt cái nào là vật lí và hóa
học trong một số lĩnh vực thường là rất khó. Điều này cũng được minh chứng
vài lần trong lịch sử của các giải Nobel. Dưới đây sẽ nhắc đến một số giải Nobel
về hóa học đặc biệt là những giải có liên hệ rất chặt chẽ đến các công trình mà
những người đoạt giải Nobel vật lí thực hiện. Đối với thiên văn học, tình huống
lại khác vì không có giải Nobel cho thiên văn học nên ngay từ đầu, những phát
kiến của thiên văn học được trao giải Nobel về vật lí.
2. Từ vật lí cổ điển đến vật lí lượng tử
Năm 1901, khi giải Nobel đầu tiên được trao thì các lĩnh vực của vật lí cổ điển
đã dựa trên một nền tảng vững chắc do các nhà vật lí và hóa học vĩ đại của thế kỉ
thứ 19 tạo nên. Hamilton đã đưa ra những công thức mô tả động học của vật rắn
từ những năm 1830. Carnot, Joule, Kelvin và Gibbs đã phát triển nhiệt động học
tới mức cực kì hoàn thiện trong nửa cuối của thế kỉ đó.
Các phương trình nổi tiếng của Maxwell đã được chấp nhận như là một mô tả
tổng quát về các hiện tượng điện từ và có thể ứng dụng trong bức xạ quang học
và sóng radio lúc bấy giờ mới được Hetz phát hiện.
Tất cả mọi thứ, bao gồm cả các hiện tượng sóng, có vẻ như là rất phù hợp với
bức tranh vật lí được dựng trên chuyển động cơ học của các thành phần của vật
chất tự thể hiện trong các hiện tượng vĩ mô khác nhau. Một số nhữung nhà quan

sát cuối thể kỉ 19 cho rằng, những việc cho các nhà vật lí làm tiếp theo là giải
quyết những vấn đền nhỏ trong một vấn đề lớn đã được xây dựng gần hết.
Tuy vậy, sự thỏa mãn về bức tranh vật lí đó kéo dài không được bao lâu. Thời
điểm bước sang thế kỉ mới là thời điểm quan sát các hiện tượng mà vật lí lúc bấy
giờ không lí giải được và những ý tưởng cực mới về cơ sở của vật lí lí thuyết
được đưa ra. Chúng ta cần nhìn lại một sự trùng hợp lịch sử mà có thể ngay cả
chính Alfred Nobel cũng không thấy trước được, đó là việc trao giải thưởng
Nobel đã bắt đầu đúng lúc để có thể ghi công những đóng góp nổi bật mở ra thời
đại mới của vật lí vào giai đoạn đó.
Một trong những hiện tượng không giả thích được của vài năm cuối cùng của
thế kỉ 19 đó là việc Wilhelm Conrad Röntgen, người được trao giải Nobel vật lí
đầu tiên (1901) phát hiện ra tia X vào năm 1895. Lại nữa, năm 1896 Antoine
Henri Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ và hai vợ chồng nhà bác học
Marie và Pierre Curie tiếp tục nghiên cứu bản chất của hiện tượng này. Lúc bấy
giờ, người ta chưa hiểu nguồn gốc của tia X, nhưng người ta nhận ra rằng sự tồn
tại của hiện tượng đó che dấu một thế giới các hiện tượng mới (mặc dù lúc đầu
người ta chưa thấy những ứng dụng thực tiễn trong việc chẩn đoán bệnh của tia
X). Nhờ công trình về hiện tượng phóng xạ đã, Becquerel vợ chồng Curie được
trao giải Nobel năm 1903 (một nửa giải cho Becquerel và một nửa cho vợ chồng
Curie). Cùng với công trình của Ernest Rutherford (người đạt giải Nobel về hóa
học năm 1908) người ta hiểu rằng thực ra nguyên tử bao gồm một hạt nhân rất
nhỏ chứ không phải như người ta từng nghĩ như trước đây là một phần tử không
có cấu trúc. Người ta còn thấy một số hạt nhân nguyên tử lại không bền, chúng
có thể phát ra các bức xạ anpha, betha và gamma. Đó là cuộc cách mạng lúc bấy
giờ, cùng với nhiều công trình vật lí khác, người ta đã vẽ ra những bức tranh đầu
tiên của cấu trúc nguyên tử.
Năm 1897, Joseph J. Thomson phát hiện các tia phát ra từ ca tốt trong một ống
chân không là những hạt có mang điện tích. Ông đã chứng minh rằng, các tia
này gồm những hạt rời rạc mà sau này chúng ta gọi là các hạt điện tử. Ông đã đo
tỉ số giữa khối lượng của hạt và điện tích (âm) của hạt đó và thấy rằng giá trị đó

chỉ bằng một phần rất nhỏ so với giá trị dự đoán của các nguyên tử mang điện.
Và ngay sau đó người ta thấy rằng các hạt có khối lượng nhỏ bé mang điện tích
âm đó phải là những viên gạch cùng với hạt nhân mang điện tích dương đã tạo
nên tất cả các loại nguyên tử. Thomson nhận giải Nobel vào năm 1906. Trước
đó một năm (1905), Phillip E.A. von Lenard đã làm sáng tỏ rất nhiều tính chất
thú vị của những tia phat ra từ ca tốt như là khả năng đi sâu vào những tấm kim
loại và tạo ra huỳnh quang. Sau đó, vào năm 1912, Robert A. Millikan lần đầu
tiên đo chính xác điện tích của điện tử bằng phương pháp giọt dầu (oil-drop), và
điều này dẫn ông đến giả Nobel năm 1923. Millikan cũng được trao giải cho
những công trình về hiệu ứng quang điện.
Vào đầu thế kỉ 20, các phương trình của Maxwell đã có mặt được vài chục thập
kỉ, nhưng rất nhiều câu hỏi vẫn chưa được giải đáp: môi trường nào là môi
trường trung gian dẫn chuyền sóng điện từ (trong đó có cả ánh sáng) và các hạt
tải điện có phải là nguyên nhân của sự phát xạ ánh sáng hay không? Albert A.
Michelson đã phát triển một phương pháp giao thoa, theo phương pháp này thì
khoảng cách giữa hai vật thể có thể được đo bằng số các bước sóng ánh sáng
(hoặc là những phần nhỏ của chúng). Điều này làm cho việc xác định chiều dài
chính xác hơn trước đó rất nhiều. Rất nhiều năm sau, Văn phòng đo lường quốc
tế (Bureau International de Poids et Mesures) ở Paris đã định nghĩa đơn vị mét
trên cơ sở số các bước sóng của một bức xạ đặc biệt thay cho định nghĩa trước
đây là chiều dài của một tấm platin. Dùng chiếc giao thoa kế đó, Michelson và
W. Morley đã tiến hành thí một nghiệm nổi tiếng, thí nghiệm đó kết luận rằng
vận tốc của ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động tương đối của nguồn
sáng và người quan sát. Thí nghiệm này bác bỏ giả thuyết trước đó coi ê-te là
môi trường truyền ánh sáng. Michelson nhận giải thưởng Nobel năm 1907.
Các cơ chế phát xạ ánh sáng bởi các hạt tải điện đã được Hendrik A. Lorentz
nghiên cứu. Ông cũng là người đầu tiên áp dụng các phương trình của Maxwell
vào việc dẫn điện trong vật chất. Lí thuyết của ông có thể được áp dụng và bức
xạ gây ra bởi dao động giữa các nguyên tử, và vào bối cảnh đó, lí tuyết có thể
giải thích một thí nghiệm cực kì quan trọng. Vào năm 1896, Pieter Zeeman khi

nghiên cứu về các hiệu ứng điện từ của ánh sáng đã tìm ra một hiện tượng quan
trọng, đó là các vạch phổ của Natri khi bị đốt cháy trong một từ trường mạnh bị
tách thành một vài thành phần. Hiện tượng này có thể được giải thích rất chi tiết
bằng lí thuyết của Lorentz khi lí thuyết này được áp dụng cho các dao động của
các điện tử. Lorentz và Zeeman chia nhau giải Nobel năm 1902, thậm chí trước
cả Thomson (phát hiện ra điện tử). Sau đó, Johannes Stark chứng minh ảnh
hưởng trực tiếp của điện trường lên phát xạ ánh sáng nhờ việc phát ra một chùm
các nguyên tử (chùm tia a-nốt gồm các nguyên tử hoặc phân tử) trong một điện
trường mạnh. Ông đã quan sát được sự tách phức tạp của các vạch phổ cũng như
dịch chuyển Doppler phụ thuộc và vận tốc của nguồn phát. Stark nhận giải
Nobel năm 1919.
Với bối cảnh đó, việc xây dựng một mô hình chi tiết của nguyên tử, một vấn đề
đã tồn tại như một khái niệm từ thời cổ đại nhưng được coi là một thành phần
không có cấu trúc trong vật lí cổ điển có thể thực hiện được. Bắt đầu từ giữa thế
kỉ 19, người ta đã có một tài liệu thực nghiệm đó là những vạch phổ đặc trưng
phát ra trong những vùng có thể nhìn thấy được từ những loại nguyên tử khác
nhau. Bức xạ tia X đặc trưng do Charles G. Barkla (Nobel 1917) phát hiện bổ
sung thêm cho tài liệu đó. Barkla phát hiện điều đó sau khi Max von Laue
(Nobel 1914) xác định bản chất sóng của bức xạ và nhiễu xạ tia X. Phát hiện của
Laue trở thành một nguồn thông tin quan trọng về cấu trúc bên trong của nguyên
tử.
Tia X đặc trưng của Barkla là những chùm tia thứ cấp, đặc trưng cho mỗi
nguyên tố, phát bức xạ từ những ống phát tia X (nhưng không phụ thuộc vào
công thức hóa học của mẫu). Karl Manne G. Siegbahn nhận thấy rằng đo phổ tia
X đặc trưng của tất cả các nguyên tố sẽ cho biết một cách có hệ thống các lớp
điện tử kế tiếp được thêm vào như thế nào khi đi từ các nguyên tố nhẹ tới các
nguyên tố nặng. Ông đã thiết kế các máy đo quang phổ cực kì chính xác cho
mục đích này. Và nhờ đó sự khác nhau về năng lượng của các lớp điện tử khác
nhau cũng như các qui tắc cho việc dịch chuyển bức xạ giữa các lớp đó được
xác định. Ông nhận giải Nobel vật lí năm 1924 (nhận giải năm 1925). Tuy vậy,

hóa ra là để hiểu sâu hơn cấu trúc của nguyên tử, người ta cần nhiều hơn rất
nhiều những khái niệm thông thường của vật lí cổ điển mà khó ai có thể tưởng
tượng nổi.
Vật lí cổ điển coi chuyển động là liên tục cũng như việc trao đổi năng lượng
cũng là liên tục. Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra những bức xạ có một
đỉnh cực đại? Ở đây, một vấn đề có nguồn gốc từ cuối thế kỉ thứ 19 đã cho
những đầu mối quan trọng để giải thích thắc mắc trên. Wilhelm Wien nghiên
cứu về bức xạ của “vật đen” từ những vật rắn nóng (tương phản với bức xạ của
các nguyên tử khí có phân bố tần số liên tục). Sử dụng điện động học cổ điển,
ông đi tới một biểu thức cho phân bố tần số của bức xạ này và cho sự dịch
chuyển của bước sóng có cường độ cực đại khi nhiệt độ của một vật đen bị thay
đổi (định luật dịch chuyển Wien, rất hiệu quả trong việc xác định nhiệt độ của
mặt trời chẳng hạn). Ông được trao giải Nobel năm 1911.
Tuy vậy, Wien không thể rút ra một công thức phân bố phù hợp với thực nghiệm
cho cả hai vùng bước sóng dài và bước sóng ngắn. Vấn đề đó không được giả
quyết cho đến khi Max K. E. L. Planck đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới là
năng lượng phát xạ chỉ phát ra từng lượng gián đoạn có một giá trị nhất định gọi
là lượng tử. Một lượng tử năng lượng có giá trị lớn khi bước sóng nhỏ và có giá
trị nhỏ khi bước sóng lớn (lượng tử năng lượng bằng hằng số Plank nhân với tần
số của lượng tử đó). Đây được coi là sự ra đời của vật lí lượng tử. Wien nhận giả
Nobel năm 1911 và Plank nhận ít năm sau đó, vào năm 1918 (trao giải vào năm
1919). Các bằng chứng quan trọng chứng minh ánh sáng phát ra theo từng lượng
tử năng lượng cũng được củng cố bằng lời giải thích của Albert Eistein về hiệu
ứng quang điện (được Hetz quan sát lần đầu tiên vào năm 1887). Hiệu ứng
quang điện bao gồm phần mở rộng của lí thuyết Plank. Einstein nhận giải Nobel
vật lí năm 1921 (trao giải năm 1922) về hiệu ứng quang điện và về “những đóng
góp cho vật lí lí thuyết” (điều đó ám chỉ một bối cảnh khác).
Trong các thí nghiệm sau này, James Franck và Gustav L. Hertz đã chứng minh
hiệu ứng quang điện ngược (tức là khi một điện tử va chạm với một nguyên tử
thì cần một năng lượng tối thiểu để sinh ra các lượng tử ánh sáng với năng lượng

đặc trưng phát ra từ va chạm đó) và chứng minh tính đúng đắn của lí thuyết
Plank và hằng số Plank. Franck and Hertz cùng nhận giải Nobel năm 1926, lễ
trao giải này tiến hành năm 1927. Cũng vào khoảng thời gian đó, Arthur H.
Compton (người nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1927) nguyên cứu sự mất mát
năng lượng của photon (lượng tử sóng điện từ) tia X khi tán xạ lên các hạt vật
chất và cho thấy rằng các lượng tử của chùm tia X có năng lượng lớn hơn năng
lượng của ánh sáng nhìn thấy 10.000 lần và chúng cũng tuân theo các qui tắc
lượng tử. Charles T. R. Wilson (xem dưới đây) nhận một nửa giải Nobel năm
1927 vì tạo ra dụng cụ quan sát tán xạ năng lượng cao có thể được dùng để
chứng minh tiên đoán của Compton.
Với khái niệm cơ sở về lượng tử hóa năng lượng, tình hình vật lí đã hướng cho
những cuộc phiêu lưu tiếp theo vào thế giới bí ẩn của vật lí vi mô. Cũng giống
như một số nhà vật lí nổi tiếng trước đó, Niels H. D. Bohr làm việc với mô hình
hành tinh nguyên tử trong đó các điện tử quay xung quanh hạt nhân. Ông thấy
rằng các vạch phổ sắc nét phát ra từ các nguyên tử có thể được giải thích nếu
cho rằng, điện tử quay xung quanh hạt nhân trên các quĩ đạo tĩnh đặc trưng bởi
một mô-men góc bị lượng tử hóa (bằng một số nguyên lần hằng số Plank chia
cho 2*pi). Ông cũng cho thấy năng lượng phát xạ chính bằng sự khác nhau giữa
các trạng thái năng lượng bị lượng tử hóa đó. Giả thiết ông đưa ra có xuất phát
điểm từ vật lí cổ điển hơn là từ lí thuyết của Plank. Mặc dầu giả thiết trên chỉ
giải thích được một số đặc điểm đơn giản của quang phổ và nguồn gốc của nó
nhưng người ta cũng sớm chấp nhận nó vì phương pháp của Bohr là một điểm
khởi đầu đúng đắn, ông nhận giải Nobel năm 1922.
Hóa ra là muốn hiểu sâu hơn tính chất của bức xạ và vật chất (cho đến lúc bấy
giờ người ta vẫn coi đó là hai thực thể hoàn toàn riêng biệt) người ta cần thêm
những tiến bộ về mô tả lí thuyết của thế giới vi mô. Năm 1923, Louis-Victor P.
R. de Broglie (thuộc dòng dõi quí tộc nước Pháp) đã phát biểu rằng các hạt vật
chất cũng có những tính chất sóng và rằng sóng điện từ cũng thể hiện những tính
chất của các hạt dưới dạng các photon. Ông đã phát triển các công thức toán học
cho tính lưỡng tính này, trong đó có một công thức mà sau này gọi là “bước

sóng de Broglie” cho các hạt chuyển động. Các thí nghiệm ban đầu của Clinton
J. Davisson đã chỉ ra rằng thực ra các điện tử thể hiện tính chất phản xạ giống
như các sóng khi đập vào một tinh thể và các thí nghiệm này được lặp lại nhiều
lần chứng minh giả thiết lưỡng tính của de Broglie. Một thời gian sau George P.
Thomson (con trai của J. J. Thomson) đã đưa ra nhiều thí nghiệm đã được cải
tiến rất nhiều cho biết hiện tượng tán xạ khi các điện tử năng lượng cao đi sâu
vào trong các tấm kim loại. De Broglie nhận giải Nobel năm 1929 và sau đó
Davisson và Thomson chia nhau giải Nobel năm 1937.
Điều cần làm là phải đưa ra các phương trình toán học mô tả một lí thuyết mới
thay thế cho cơ học cổ điển mà lí thuyết đó giải thích đúng đắn các hiện tượng
qui mô nguyên tử và bức xạ của chúng. Từ năm 1924 đến 1926 là khoảng thời
gian phát triển cao độ trong lĩnh vực này. Erwin Schrödinger phát triển thêm ý
tưởng của de Broglie và viết một bài báo cơ bản về “Lượng tử hóa như là một
bài toán trị riêng” vào đầu năm 1926. Ông đã tạo ra một cái gọi là “cơ học
sóng”. Nhưng một năm trước đó Werner K. Heisenberg đã bắt đầu một phương
pháp toán học hoàn toán khác gọi là “cơ học ma trận” và bằng cách đó ông cũng
thu được các kết quả tương tự như các kết quả mà Schrödinger đưa ra sau đó.
Cơ học lượng tử mới của Schrödinger và Heisenberg là một sự khởi đầu căn bản
từ bức tranh cảm tính của các quĩ đạo cổ điển trong nguyên tử. Nó cũng ngụ ý
rằng có những giới hạn tự nhiên trong việc xác định chính xác đồng thời các đại
lượng vật lí (Hệ thức bất định Heisenberg).
Heisenberg được trao giải Nobel năm 1932 cho sự phát triển của cơ học lượng
tử, trong khi đó Schrödinger và Paul A. M. Dirac cùng nhận giải vào năm sau
đó. Cơ học lượng tử của Schrödinger và Heisenberg đúng đối với các vận tốc và
năng lượng tương đối thấp của chuyển động “quĩ đạo” của các điện tử hóa trị
trong nguyên tử. Nhưng các phương trình đó không thỏa mãn các yêu cầu được
xác định bởi các nguyên lí của Eistein cho các hạt chuyển động nhanh. Dirac đã
sửa đổi các công thức khi tính đến lí thuyết tương đối hẹp của Eistein và cho
thấy rằng một lí thuyết như vậy không chỉ bao gồm những thông số tương ứng
cho sự tự quay của điện tử xung quanh mình nó-gọi là spin (do đó giả thích mô-

men từ nội tại của điện tử và cấu trúc tinh tế quan sát được trong phổ nguyên tử)
mà còn tiên đoán sự tồn tại của một loại hạt hoàn toàn mới gọi là các phản hạt
có khối lượng bằng khối lượng của điện tử nhưng mang điện tích dương. Phản
hạt đầu tiên của điện tử do Carl D. Anderson (được trao một nửa giải Nobel năm
1936) phát hiện năm 1932 được gọi là positron.
Giải Nobel những năm sau đó được trao cho những người có đóng góp quan
trọng khác cho sự phát triển của cơ học lượng tử. Max Born, thầy của
Heisenberg vào những năm đầu của thập niên 20 có những đóng góp quan trọng
về mô tả toán học và giải thích vật lí. Ông nhận một nửa giả nobel vào năm 1954
cho công trình của ông về ý nghĩa thống kê của hàm sóng. Wolfgang Pauli đã
đưa ra nguyên lí loại trừ (mỗi trạng thái lượng tử chỉ có thể có một điện tử mà
thôi) dựa trên cơ sở lí thuyết bán cổ điển của Bohr. Sau này, người ta cũng thấy
nguyên lí Pauli liên quan đến tính đối xứng của hàm sóng của các hạt có spin
bán nguyên nói chung gọi là các fermion để phân biệt với các hạt boson có spin
là một số nguyên lần của hằng số Plank chia cho 2*pi. Nguyên lí loại trừ có
nhiều hệ quả quan trọng trong nhiều lĩnh vực của vật lí và Pauli nhận giải Nobel
năm 1945.
Việc nghiên cứu spin của điện tử tiếp tục mở ra những chân trời mới trong vật lí.
Các phương pháp chính xác để xác định mô-men từ của các hạt tự quay đã được
phát triển vào những năm 30 và 40 cho nguyên tử và hạt nhân (do Stern, Rabi,
Bloch và Purcell thực hiện, xem phần dưới). Năm 1947 họ đã đạt đến một độ
chính xác mà Polykarp Kusch có thể phát biểu rằng mô-men từ của một điện tử
không có giá trị đúng như Dirac tiên đoán mà khác với một đại lượng rất nhỏ.
Vào cùng thời gian đó Willis E. Lamb cũng nghiên cứu một vấn đề tượng tự về
spin của điện tử tương tác với các trường điện từ bằng việc nghiên cứu cấu trúc
siêu tinh tế của quang phổ phát ra từ nguyên tử Hidro với các phương pháp cộng
hưởng tần số radio có độ phân giải rất cao. Ông quan sát thấy rằng sự tách cấu
trúc siêu tinh tế luôn luôn sai khác với giá trị của Dirac một lượng đáng kể. Các
kết quả này làm cho người ta phải xem lại các khái niệm cơ bản đằng sau những
ứng dụng lí thuyết lượng tử vào các hiện tượng điện từ, một lĩnh vực đã được

Dirac, Heisenberg và Pauli khởi đầu nhưng vẫn còn một vài khiếm khuyết.
Kusch và Lamb cùng nhận giải Nobel năm 1955.
Trong điện động học lượng tử (gọi tắt là DDHLT), lí thuyết nhiễu loạn lượng tử
mô tả các hạt tích điện tương tác thông qua trao đổi các photon. Mô hình cũ của
DDHLT chỉ bao gồm trao đổi photon riêng lẻ, nhưng Sin-Itiro Tomonaga, Julian
Schwinger và Richard P. Feynman nhận ra rằng tình huống lại phức tạp hơn rất
nhiều vì tán xạ điện tử-điện tử có thể bao gồm trao đổi một vài photon. Một điện
tích điểm “trần trụi” không tồn tại trong bức tranh của họ. Điện tích luôn tạo ra
một đám các cặp hạt-phản hạt ảo ở xung quanh nó, do đó, mô-men từ hiệu dụng
của nó thay đổi và thế năng Coulomb cũng bị biến đổi tại các khoảng cách ngắn.
Các tính toán từ mô hình này đã tái tạo lại các dữ liệu thực nghiệm của Kusch và
Lamb với một độ chính xác ngạc nhiên và mô hình DDHLT mới được coi là
một lí thuyết chính xác nhất đã từng có. Tomonaga, Schwinger và Feynman
cùng nhận giải Nobel vật lí năm 1965.
Phát triển này của DDHLT lại có một tầm quan trọng vĩ đại nhất cho cả việc mô
tả các hiện tượng vật lí năng lượng cao. Khái niệm sinh cặp từ trạng thái chân
không của một trường lượng tử là một khái niệm cơ sở trong lí thuyết trường
hiện đại của các tương tác mạnh và của sắc động học lượng tử (quantum
chromodynamics-có ai biết từ này dịch như thế đúng hay không?).
Khía cạnh cơ bản khác của cơ học lượng tử và lí thuyết trường lượng tử là tính
đối xứng của các hàm sóng và các trường. Các tính chất đối xứng tương ứng với
trao đổi hạt đồng nhất thì dựa trên nguyên lí loại trừ Pauli nói ở trên, nhưng các
đối xứng tương ứng với các biến đổi không gian cũng trở nên quan trọng không
kém. Năm 1956, Lí Chính Đạo (Tsung-Dao Lee) và Dương Chấn Ninh (Chen
Ning Yang) đã chỉ ra rằng các tương tác vật lí có thể không tuân theo đối xứng
gương (tức là, chúng có thể khác nhau khi hệ tọa độ quay trái hoặc quay phải).
Điều này có nghĩa là tính chất “chẵn lẻ” của hàm sóng, kí hiệu là “P” không
được bảo toàn khi hệ bị đặt dưới một tương tác như vậy và tính chất đối xứng
gương có thể bị thay đổi. Công trình của hai ông là điểm khởi đầu cho một
nghiên cứu chuyên sâu về các hiệu ứng như vậy và ngay sau đó người ta thấy

rằng phân rã của hạt betta và pi thành hạt muy do tương tác yếu gây ra không
bảo toàn tính chẵn lẻ (xem thêm phần dưới). Lí và Dương cùng nhận giải Nobel
năm 1957. (*Bổ sung: các định luật bảo toàn đều được rút ra từ các tính chất đối
xứng. Tính đối xứng và đồng nhất của không gian và thời gian làm cho năng
lượng, xung lượng, mô-men xung lượng được bảo toàn. Do đó, tính đối xứng và
bảo toàn là tương đương – DT*)
Các tính chất đối xứng khác của cơ học lượng tử được liên hệ với sự thay thế
của các hạt bằng các phản hạt (gọi là giao hoán điện tích, kí hiệu là “C”). Các
trường hợp chuyển đổi phóng xạ mà Lí và Dương nghiên cứu, người ta thấy
rằng mặc dù tính chẵn lẻ không được bảo toàn, nhưng vẫn tồn tại một đối xứng
trong đó các hạt và phản hạt phá vỡ tính chẵn lẻ theo các cách trái ngược nhau
hoàn toàn và do đó toán tử tổ hợp C*P bảo toàn tính đối xứng. Nhưng nguyên lí
bảo toàn C*P đó kéo dài không được bao lâu cho đến khi James W. Cronin và
Val L. Fitch phát hiện sự phân rã của hạt “meson K” vi phạm nguyên lí trên,
mặc dù sự vi phạm đó trong một qui mô rất nhỏ. Cronin và Fitch đưa ra phát
hiện này vào năm 1964 và học cùng nhau nhận giải Nobel năm 1980. Hệ quả
của phát hiện trên (bao gồm các câu hỏi về tính đối xứng của các quá trình tự
nhiên khi đào ngược thời gian – đối xứng T) vẫn được thảo luận cho đến ngày
nay và đã chạm đến những nền tảng sâu nhất của vật lí lí thuyết bởi vì đối xứng
P*C*T luôn được coi là bảo toàn.
Người ta biết rằng trường điện từ có tính chất gọi là “đối xứng chuẩn” (gauge
symmetry), tức là các phương trình trường giữ nguyên dạng ngay cả khi các thế
năng điện từ được nhân lên với các hằng số pha cơ học lượng tử nhất định.
Người ta không biết tương tác yếu có tính chất như thế cho đến những năm
1960, khi Sheldon L. Glashow, Abdus Salam, và Steven Weinberg đưa ra lí
thuyết thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ. Họ cùng nhau chia giải
Nobel năm 1979 về lí thuyết thống nhất này và đặc biệt là tiên đoán của họ về
một loại tương tác yếu đặc biệt được điều hòa bởi “dòng nơ-trôn” đã được thực
nghiệm kiểm chứng mới gần đây. Giải Nobel vật lí cuối cùng của thế kỉ 20 được
trao cho Gerhardus 't Hooft và Martinus J. G. Veltman. Họ đã tìm ra cách để tái

chuẩn hóa lí thuyết “điện-yếu”, và loại bỏ các điểm kì dị trong các tính toán
lượng tử (giống như DDHLT đã giải quyết bài toán với tương tác Coulomb).
Công trình của họ cho phép tính toán chi tiết đóng góp của tương tác yếu vào
tương tác của các hạt nói chung, chứng minh tính hiệu quả của các lí thuyết dựa
trên bất biến chuẩn cho tất cả các tương tác vật lí cơ bản.
Cơ học lượng tử và phần mở rộng của nó là lí thuyết trường lượng tử là một
trong những thành tựu vĩ đại của thế kỉ 20. Bản phác thảo con đường từ vật lí cổ
điển đến vật lí hiện đại đã dẫn chúng ta đi được một chặng đường dài đến một
bức tranh cơ bản và thống nhất về các hạt và các lực trong tự nhiên. Nhưng vẫn
còn rất nhiều việc phải làm và cái đích vẫn còn ở xa phía trước. Ví dụ còn phải
thống nhất lực điện-yếu với lực hạt nhân “mạnh” và với lực hấp dẫn. Nhưng ở
đây, người ta nhận thấy rằng mô tả lượng tử của thế giới vi mô có một ứng dụng
cơ bản khác: đó là tính toán các tính chất hóa học của các hệ phân tử (đôi lúc
được mở rộng thành sinh học phân tử) và của cấu trúc chất rắn, những ngành mà
đã thu được một số giả Nobel về vật lí và hóa học.
3. Từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô
Phần trước “Từ vật lí cổ điến đến vật lí lượng tử” đã đưa chúng ta đi từ các hiện
tượng của thế giới vĩ mô mà chúng ta gặp hàng ngày tới thế giới lượng tử của
các nguyên tử, điện tử và hạt nhân. Bắt đầu từ nguyên tử, các công trình của
những người đạt giải Nobel đã cho chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn thế giới hạ
nguyên tử và các thành phần nhỏ bé của nó.
Chúng ta cũng nhận thấy rằng, chỉ trong nửa đầu thế kỉ 20, những khám phá tính
chất của thế giới vi mô của các hạt và tương tác mới là cần thiết để hiểu lịch sử
cấu thành và tiến hóa của những cấu trúc lớn hơn của vũ trụ - thế giới vĩ mô. Tại
thời điểm hiện tại, vật lí, vật lí thiên văn và vũ trụ học liên hệ với nhau rất chặt
chẽ, dưới đây sẽ trình bày một vài ví dụ.
Một mối liên hệ khác liên kết các thực thể nhỏ nhất và lớn nhất trong vũ trụ của
chúng ta là lí thuyết tương đối của Albert Einstein. Einstein đưa ra lí thuyết
tương đối hẹp của mình lần đầu tiên vào năm 1905 với phương trình cho biết
mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng E=mc2. Và vào thập kỉ tiếp theo, ông

tiếp tục đưa ra lí thuyết tương đối rộng liên hệ lực hấp dẫn với cấu trúc của
không gian và thời gian. Tất cả các tính toán khối lượng hiệu dụng của các hạt
năng lượng cao, của các biến đổi năng lượng trong phân rã phóng xạ cũng như
các tiên đoán của Dirac về sự tồn tại của phản hạt, đều dựa trên lí thuyết tương
đối của ông. Lí thuyết tương đối rộng là cơ sở cho các tính toán chuyển động
trên thang vĩ mô của vũ trụ, kể cả giả thiết về tính chất của hố đen. Eistein nhận
giải Nobel vào năm 1922 lại do công trình về hiệu ứng quang điện thể hiện bản
chất hạt của ánh sáng. (*Có lẽ ủy ban trao giải thưởng đã quá thận trọng khi
không trao giải Nobel cho ông về lí thuyết tương đối. Họ sợ rằng, một lí thuyết
quan trọng như vậy, nếu sai có thể để lại một hậu quả rất lớn, chính vì thế
Eistein được trao giải vì hiệu ứng quang điện, một vấn đề kém quan trọng hơn
nhiều so với thuyết tương đối. Và do đó, ủy ban giải thưởng trao giải cho Eistein
về thuyết tương đối nhưng lại nói là trao vì hiệu ứng quang điện, một hiệu ứng
chắc chắn đúng – DT*).
Các nghiên cứu của Becquerel, vợ chồng Curie và Rutherford làn nảy sinh các
câu hỏi: đâu là nguồn năng lượng của hạt nhân phóng xạ để có thể duy trì việc
phát xạ anpha, betha và gamma trong khoảng thời gian rất dài mà một vài người
trong số họ đã quan sát được? hạt anpha là gì và hạt nhân có tạo thành từ hạt này
hay không? Câu hỏi đầu tiên (có vẻ như là vi phạm định luật bảo toàn năng
lượng, một trong những định luật quan trọng nhất của vật lí) đã có câu trả lời từ
lí thuyết biến tố của Rutherford và Frederick Soddy (Nobel hóa học 1921). Họ
đã theo dõi rất chi tiết một chuỗi các phân rã phóng xạ khác nhau và so sánh
năng lượng phát ra với sự thay đổi về khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân
con. Họ tìm thấy rằng hạt nhân thuộc một nguyên tố hóa học có thể có các khối
lượng khác nhau gọi là các “đồng vị”. Một giải Nobel cũng được trao vào năm
1922 cho Francis W. Aston về việc tách quang phổ - khối lượng của một số lớn
các đồng vị của các nguyên tố không phóng xạ. Cùng lúc đó Marie Curie cũng
nhận giải Nobel lần thứ hai (lần này về hóa học) về phát hiện ra các nguyên tố
hóa học radium và polonium.
Khối lượng của các đồng vị đều là một số nguyên lần khối lượng của proton, hạt

proton do Rutherford phát hiện lần đầu tiên khi ông chiếu tia anpha và hạt nhận
nguyên tử Ni-tơ. Nhưng các đồng vị không thể chỉ được tạo thành từ các proton
được vì mỗi nguyên tố hóa học chỉ có một giá trị tổng điện tích hạt nhân. Thông
thường các proton chỉ chiếm không đến một nửa khối lượng hạt nhân, điều đó
có nghĩa là một số thành phần không mang điện cũng có mặt trong hạt nhân.
James Chadwick lần đầu tiên tìm thấy chứng cứ cho hạt đó, gọi là hạt neutron
khi ông nghiên cứu các phản ứng hạt nhân năm 1932. Ông nhận giải Noebel vật
lí năm 1935.
Ngay sau phát hiện của Chadwick, Enrico Fermi và một số người khác cũng bắt
tay vào nghien cứu neutron như là một phương pháp để tạo ra các phản ứng hạt
nhân mà có thể gây ra phóng xạ “nhân tạo”. Fermi thấy rằng xác suất của các
phản ứng hạt nhân cảm ứng (không bao gồm biến đổi nguyên tố) tăng lên khi
neutron bị làm chậm đi và điều này cũng đúng cho các nguyên tố nặng giống
như với các nguyên tố nhẹ, trái ngược với phản ứng của các hạt mang điện (*ví
dụ như proton*) cảm ứng. Ông nhận giải Nobel vật lí năm 1938.
Một nhánh của vật lí gọi là “vật lí hạt nhân” đã được hình thành dựa trên giả
thiết hạt nhân được tạo thành từ các proton và neutron và một vài thành tựu quan
trọng đã được ghi nhận bằng các giải Nobel. Ernest O. Lawrence, người nhận
giải Nobel vật lí năm 1939 đã xây máy gia tốc đầu tiên trong đó các hạt được gia
tốc dần dần bằng việc gia tăng năng lượng cho hạt sau mỗi vòng quay trong từ
trường. Bằng các máy gia tốc này ông có thể gia tốc các hạt nhân tới các năng
lượng cao mà ở đó các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra và ông đã thu được kết
quả mới rất quan trọng. Ngài John D. Cockcroft và Ernest T. S. Walton đã gia
tốc các hạt bằng việc tác động trực tiếp một điện thế rất cao và các ông cũng
được trao giải vào năm 1951 cho công trình nghiên cứu về biến tố (*nguyên tố
mẹ biến đổi thành nguyên tố con thông qua phóng xạ*).
+++
Otto Stern nhận giả Nobel vật lí năm 1943 cho các phương pháp thực nghiệm
của ông để nghiên cứu tính chất từ của hạt nhân, đặc biệt là xác định mô-men từ
của proton. Isidor I. Rabi làm tăng độ chính xác lên hai bậc trong việc xác định

mô-men từ vủa hạt nhân bằng kĩ thuật cộng hưởng tần số radio, và do đó, ông
nhận giải Nobel vật lí năm 1944. Các tính chất từ của hạt nhân cung cấp các
thông tin quan trọng để hiểu chi tiết proton và neutron tạo nên hạt nhân như thế
nào. Sau đó, vào nửa cuối của thế kỉ một vài nhà vật lí lí thuyết được trao giải
cho những công trình về mô hình hóa lí thuyết các hệ nhiều hạt như vậy: Eugene
P. Wigner (nửa giải), Maria Goeppert-Mayer (một phần tư) and J. Hans D.
Jensen (một phần tư) vào năm 1963 và Aage N. Bohr, Ben R. Mottelson và L.
James Rainwater vào năm 1975. Chúng ta sẽ trở lại những công trình này trong
phần “Từ đơn giản đến phức tạp”.
Ngay từ năm 1912 Victor F. Hess (giải Nobel năm 1936 cùng với Carl D.
Anderson) thấy rằng các bức xạ có khả năng đi sâu vào vật chất có thể đến với
chúng ta từ khoảng không ngoài vũ trụ. “Bức xạ vũ trụ” này được ghi nhận bằng
các buồng ion hóa và sau này là buồng mây Wilson (người được nhắc đến ở
phần trước). Các tính chất của các hạt có thể phỏng đoán từ các vạch cong của
các hạt để lại trong buồng ion hóa dưới tác dụng của từ trường ngoài rất lớn.
Theo cách đó, C. D. Anderson đã phát hiện ra positron (* phản hạt của điện tử*).
Anderson và Patrick M. S. Blackett cho thấy rằng, tia gamma (cần một năng
lượng photon ít nhất bằng hai lần me*c2, me là khối lượng điện tử) có thể sinh
ra các cặp điện tử-phản điện tử và ngược lại, điện tử và phản điện tử có thể hủy
nhau tạo ra chính tia gamma bị mất đi. Blackett nhận giải Nobel vật lí năm 1948
cho việc phát triển buồng mây sau này và các phát minh mà công đã thực hiện
đển làm việc đó.
Mặc dù sau này, các máy gia tốc được phát triển nhiều, bức xạ vũ trụ vẫn là
nguồn chủ yếu của các hạt năng lượng cao trong vài thập kỉ (và hạt từ bức xạ vũ
trụ có năng lượng lớn hơn năng lượng của các hạt tạo ra từ các máy gia tốc lớn
nhất trên trái đất, mặc dù cường độ của bức xạ vũ trụ rất nhỏ) và nó đã cung cấp
những hình ảnh ban đầu của một thế giới hạ hạt nhân mà lúc bấy giờ con người
hoàn toàn chưa biết. Một loại hạt mới gọi là meson được phát hiện năm 1937 có
khối lượng xấp xỉ 200 lần khối lượng điện tử (nhưng nhẹ hơn proton 10 lần).
Năm 1946, Cecil F. Powell đã làm sáng tỏ hiện tượng trên và cho rằng thực ra là

có có hơn một loại hạt như vậy tồn tại. Một trong số đó có tên là “meson pi”
phân rã thành một hạt khác gọi là “meson muy”. Powell nhận giải Nobel vật lí
năm 1950.
Lúc bấy giờ các nhà lí thuyết đang nghiên cứu về lực mà giữ proton và neutron
lại trong hạt nhân. Năm 1935, Hideki Yukawa giả thiết rằng lực tương tác
“mạnh” có thể được truyền bằng các hạt trao đổi (* có hai loại hạt: hạt thực có
spin bán nguyên và hạt truyền tương tác hay còn gọi là hạt trao đổi, có spin
nguyên, ví dụ hạt gravion là hạt truyền tương tác hấp dẫn – DT*), giống như lực
điện từ được giả thiết được truyền thông qua trao đổi các photon ảo trong lí
thuyết trường lượng tử. Yukawa cho rằng một hạt như vậy phải có khối lượng
khoảng 200 lần khối lượng của điện tử để giải thích tầm tác dụng ngắn của lực
tương tác mạnh mà thực nghiệm tìm ra. Hạt meson pi mà Powell tìm ra có các
tính chất phù hợp để có thể là “hạt Yukawa”. Ngược lại, hạt meson muy lại có
các tính chất hoàn toàn khác (và tên của nó sau này được đổi thành “muon”).
Yukawa nhận giải thưởng Nobel vật lí năm 1949. Mặc dù các nghiên cứu sau
này chỉ ra rằng cơ chế của lực tương tác mạnh phức tạp hơn bức tranh của
Yukawa rất nhiều nhưng ông vẫn được coi là tiên chỉ trong nhiên cứu các hạt
truyền tương tác mạnh.
Có thêm các hạt mới được phát hiện vào những năm 1950, từ bức xạ vũ trụ cũng
như từ các va chạm của các hạt được gia tốc. Vào cuối những năm 50, các máy
gia tốc có thể đạt năng lượng vài tỉ eV (electron-volt), tức là các cặp hạt với khối
lượng bằng khối lượng của proton có thể được tạo ra từ chuyển đổi năng lượng-
khối lượng. Phương pháp này được nhóm nghiên cứu của Owen Chamberlain và
Emilio Segrè sử dụng khi lần đầu tiên họ đã xác định và nghiên cứu phản proton
vào năm 1955 (học chia nhau giải Nobel năm 1959). Các máy gia tốc năng
lượng cao cũng cho phép cũng cho phép nghiên cứu cấu trúc của proton và
neutron chi tiết hơn trước đó rất nhiều và Robert Hofstadter có thể phân biệt chi
tiết cấu trúc điện từ của các nucleon nhờ quan sát tán xạ của chúng lên các điện
tử năng lượng cao. Ông nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1961.
Hạt này kế tiếp hạt kia, các hạt meson mới và các phản hạt tương ứng của chúng

đã xuất hiện nhờ các vết trên các phim chụp hoặc các máy thu hạt tích điện. Sự
tồn tại của hạt neutrino tiên đoán từ lí thuyết của Paulivào những năm 30 cũng
đã được ghi nhận. Các bằng chứng trực tiếp thực nghiệm đầu tiên về hạt
neutrino được C. L. Cowan và Frederick Reines cung cấp vào năm 1957 nhưng
mãi đến năm 1995, công trình đó mới được trao một nửa giải Nobel (lúc đó
Cowan đã chết, ông chết năm 1984). Neutrino cũng có mặt trong các quá trình
liên quan đến tương tác “yếu” (như là phân rã của hạt betha và hạt meson pi
thành hạt muon) và khi cường độc chùm hạt tăng lên, các máy gia tốc có thể tạo
ra các chùm neutrino thứ cấp. Leon M. Lederman, Melvin Schwartz và Jack
Steinberger đã phát triển phương pháp này vào những năm 60 và chứng minh
rằng hạt neutrino đi kèm trong phân rã meson pi thành muon không đồng nhất
với các neutrino liên quan đến các điện tử trong phân rã hạt betha, chúng là hai
hạt riêng biệt gọi là hạt “neutrino điện tử” và “neutrino muon”.
Bây giờ, các nhà vật lí có thể bắt đầu phân biệt một số thứ tự trong các hạt: hạt
điện tử (e), hạt muon (muy), neutrino điện tử (nuy e), neutrino muon (nuy muy)
và các phản hạt của chúng đã được tìm thấy và chúng thuộc cùng một lớp gọi là
“lepton”. Các hạt trên không tương tác bởi lực tương tác mạnh, ngược lại, các
hạt proton, neutron, meson và hyperon (tập hợp các hạt có khối lượng lớn hơn
khối lượng của proton) lại được xác định bởi lực tương tác mạnh. Các hạt lepton
được mở rộng khi Martin L. Perl và nhóm nghiên cứu của ông đã phát hiện ra
hạt lepton “tau” có khối lượng lớn hơn điện tử và muon. Perl chia giải Nobel với
Reines vào năm 1995.
Tất cả các lepton vẫn được coi là các hạt cơ bản, tức là chúng giống như các
điểm và không có cấu trúc nội, nhưng đối với proton,… thì lại không phải vậy.
Murray Gell-Mann và những người khác cố gắng phân loại các hạt tương tác rất
mạnh (gọi là các “hardron”) thành các nhóm có các liên hệ và kiểu tương tác
giống nhau. Gell-Mann nhận giải Nobel năm 1969. Hệ thống của ông dựa trên
giả thiết rằng tất cả các hạt đều được tạo thành từ các hạt nguyên tố gọi là các
hạt “quark”. Bằng chứng thực về việc các nucleon được tạo thành từ các hạt
giống như quark đến từ công trình của Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall

và Richard E. Taylor. Họ “nhìn thấy” các hạt cứng bên trong các lepton khi
nghiên cứu tán xạ không đàn hồi của các điện tử (các điện tử có năng lượng lớn
hơn năng lượng mà Hofstadter có thể dùng trước đó) lên các lepton. Do đó, họ
cùng nhau chia giải Nobel năm 1990.
Người ta hiểu rằng tất cả các hạt tương tác mạnh đều được tạo thành từ các
quark. Vào giữa những năm 70, một hạt có thời gian sống rất ngắn được phát
hiện một cách độc lập bởi nhóm của Burton Richter và Samuel C. C. Ting. Đó là
một loại hạt quark chưa được biết vào lúc đó và được đặt tên là “đẹp” (charm).
Hạt quark này không có mối liên hệ nào đến hệ thống các hạt cơ bản và Burton
và Ting chia nhau giải Nobel năm 1976. Mô hình chuẩn trong vật lí hạt phân
chia các hạt thành 3 họ, họ thứ nhất gồm: 2 quark (và các phản quark) và hai
lepton, trong mỗi lepton đều có các quark “thuận” và “ngược”, điện tử và
neutrino điện tử; họ thứ hai gồm: quark “lạ” và quark “đẹp”, muon và neutrino
muon; họ thứ ba gồm: quark thuận, quark ngược, tau và tau neutrino. Các hạt
truyền tương tác trong tương tác điện yếu là các photon, hạt Z và hạt boson W
và trong tương tác mạnh là các hạt gluon.
Năm 1983, Carlo Rubbia và nhóm nghiên cứu của ông đã chứng minh sự tồn tại
của các hạt W và Z bằng buồng va chạm proton-phản proton với năng lượng đủ
cao để tạo ra các hạt rất nặng đó. Rubbia chia giải năm 1984 với Simon van der
Meer, người có những phát minh quan trọng trong việc xây dựng buồng va
chạm đó. Họ cũng syu đoán rằng có các hạt khác có thể được tạo ra tại các năng
lượng cao hơn năng lượng của các máy gia tốc hiện thời, nhưng đến giờ không
có bằng chứng thực nghiệm nào về điều đó.
Vũ trụ học là một ngành khoa học nghiên cứu về cấu trúc và tiến hóa của vũ trụ
chúng ta và các đối tượng trên nấc thang vĩ mô trong đó. Các mô hình được xây
dụng trên các tính chất của các hạt cơ bản đã biết và các tương tác của chúng
cũng như tính chất của không-thời gian và hấp dẫn. Mô hình vụ nổ lớn mô tả
một kịch bản có thể cho sự tiến hóa của vũ trụ tại những thời điểm đầu tiên. Một
trong những tiên đoán của mô hình đó là sự tồn tại của nền bức xạ vũ trụ mà đã
được Arno A. Penzias và Robert W. Wilson tìm ra vào năm 1960. Họ cùng nhận

giải Nobel vật lí năm 1978. Bức xạ này là tàn dư của các quá trình va chạm được
giả thiết xuất hiện vào các giai đoạn rất sớm sau vụ nổ lớn. Nhiệt độ cân bằng tại
thời kì hiện tại của vũ trụ là 3 độ Kenvin. Nhiệt đó đó gần như đồng nhất theo
tất cả các hướng quan sát khác nhau; các sai khác nhỏ khỏi giá trị đồng nhất
đang được nghiên cứu và sẽ nói cho chúng ta biết nhiều hơn về lịch sử sớm nhất
của vũ trụ của chúng ta.
Khoảng không vũ trụ được ví như một đấu trường lớn cho các hạt tương tác với
nhau vì ở đó các điều kiện đặc biệt mà không thể tạo ra trong một phòng thí
nghiệm trên trái đất có thể được tạo ra một cách tự phát. Các hạt có thể được gia
tốc tới các năng lượng cao hơn bất lì máy gia tốc nào trên trái đất, các phản ứng
hạt nhân xảy ra bên trong các ngôi sao, và lực hấp dẫn có thể nén các hạt đến
mật độ cực cao. Hans A. Bethe lần đầu tiên mô tả chu kì Hidro và các-bon trong
đó năng lượng được giải phóng trong các ngôi sao bởi sự kết hợp của proton
thành hạt nhân Hê-li. Vì đóng góp này, ông nhận giải Nobel vật lí vào năm
1967.
Subramanyan Chandrasekhar đã tính toán lí thuyết quá trình tiến hóa của các
ngôi sao, đặc biệt là các ngôi sao sẽ kết thúc cuộc đời của mình ở một trạng thái
gọi là “sao lùn trắng”. Dưới một số điều kiện đặc biệt, sản phẩm cuối cùng có
thể là “sao neutron”, một vật thể cực đặc trong đó tất cả các proton biến thành
neutron. Trong các vụ nổ siêu sao, các nguyên tố nặng được tạo ra trong quá
trình tiến hóa của các sao sẽ bay vào trong khoảng không vũ trụ. William A.
Fowler đã làm sáng tỏ rất chi tiết cả về mặt lí thuyết và thực nghiệm (sử dụng
các máy gia tốc) các phản ứng hạt nhân quan trọng nhất trong các ngôi sao và sự
hình thành các nguyên tố nặng. Fowler và Chandrasekhar cùng nhận giải Nobel
vật lí năm 1983.
Ánh sáng nhìn thấy và bức xạ vũ trụ không phải là các sóng điện từ duy nhất mà
có thể đến với chúng ta từ khoảng không vũ trụ. Tại các bước sóng dài hơn,
thiên văn vô tuyến cung cấp các thông tin về các vật thể vũ trụ mà chúng ta
không thể quan sát được bằng phổ quang học. Ngài Martin Ryle đã phát triển
một phương pháp trong đó các tín hiệu từ vài kính thiên văn đặt cách xa nhau có

thể kết hợp với nhau để làm tăng độ phân giải của bản đồ nguồn sóng radio từ
bầu trời. Antony Hewish và nhóm nghiên cứu của ông đã thực hiện một phát
minh rất ngẫu nhiên vào năm 1964 khi sử dụng kính thiên văn của Ryle: các vật
thể không xác định gọi là pulsar phát ra các xung tần số sóng radio với tốc độ
lặp lại rất xác định. Những vật thể này ngay sau đó được xác định là các sao
neutron, hoạt động như các ngọn hải đăng quay rất nhanh phát ra sóng radio bởi
vì chúng là những cục nam châm rất mạnh. Ryle và Hewish chia giải Nobel vật
lí năm 1974.
Năm 1974 cuộc tìm kiếm pulsar là đối tượng chính của các nhà thiên văn vô
tuyến, nhưng một bất ngờ khác đã đến vào mùa hè năm đó khi Russell A. Hulse
và Joseph H. Taylor, Jr. đã chú ý đến sự điều biến chu kì của tần số các xung
của một pulsar mới được phát hiện gọi là PSR 1913+16. Đó chính là pulsar đôi
đầu tiên được ghi nhận, nó được đặt tên như vậy bởi vì sao neutron phát ra sóng
radio là một thành phần trong một hệ sao đôi có kích thước gần bằng nhau. Các
quan sát trên 20 năm về hệ sao này cho thấy bằn chứng của sóng hấp dẫn. Sự
suy giảm của tần số quay rất phù hợp với các tính toán dựa trên lí thuyết của
Einstein về mất mát năng lượng gây ra do phát ra sóng hấp dẫn. Hulse và Taylor
chia nhau giải Nobel vật lí vào năm 1993. Tuy vậy việc thu trực tiếp sóng hấp
dẫn trên trái đất vẫn chưa được thực hiện.
4. Từ đơn giản đến phức tạp
Nếu tất cả các tính chất của các hạt cơ bản cũng như các lực tương tác giữa
chúng đã được biết rất chi tiết thì liệu có thể đoán được tính chất của các hệ gồm
các hạt như vậy không? Việc tìm kiếm các thành tố cơ bản của tự nhiên và tìm
kiếm các mô tả lí thuyết tương tác giữa chúng (ở tầm vĩ mô cũng như vi mô) đã
được khuyến khích một phần bởi một học thuyết giản hóa luận. Tất cả các nhà
khoa học không cho rằng có một phương pháp tổng hợp ngay cả về mặt nguyên
lí. Nhưng thậm chí nếu nó đúng thì các tính toán tính chất của hệ phức cũng
nhanh chóng trở thành bất khả thi khi số hạt và tương tác trong hệ tăng lên. Do
đó người ta mô tả hệ nhiều hạt phức bằng các mô hình đơn giản hóa, trong đó,
chỉ các đặc điểm quan trọng nhất của các thành phần các hạt và tương tác được

dùng như là các điểm khởi đầu. Người ta thường xuyên thấy rằng các hệ phức
thể hiện các đặc điểm được gọi là các “tính chất chung” mà không thể đoán
được từ các tương tác cơ bản giữa các thành phần của chúng.
4.1. Hạt nhân nguyên tử
Các hệ phức đầu tiên từ quan điểm của các nhà giản hóa luận là thành phần cấu
thành hạt nhân, tức là các neutron và proton được tạo thành từ các quark và
gluon. Hệ thứ hai là các hạt nhân nguyên tử, theo một phép gần đúng bậc một,
được tạo thành từ các hạt nucleon. Mô hình đầu tiên về cấu trúc hạt nhân là mô
hình các lớp hạt nhân, do Maria Goeppert-Mayer và Johannes D. Jensen đưa ra
vào cuối những năm 40, họ nhận thấy rằng ít nhất đối với các hạt nhân với hình
gần như hình cầu thì các nucleon bên ngoài cùng cũng lấp đầy các mức năng
lượng giống như các điện tử trong nguyên tử. Tuy vậy, trật tự của các nucleon
lại khác với các điện tử và được xác định bởi một thế năng chung và bởi sự kết
cặp spin-quĩ đạo rất mạnh của các lực hạt nhân. Mô hình của họ giải thích tại
sao hạt nhân lại đặc biệt ổn định với một số xác định (con số kì diệu) các proton.
Họ chia nhau giải Nobel vật lí năm 1963 cùng với Eugene Wigner, người đã
công thức hóa các nguyên lí đối xứng cơ bản rất quan trọng trong vật lí hạt nhân
và vật lí hạt.
Hạt nhân có số nucleon khác với con số kì diệu thì lại không phải là hình cầu.
Niels Bohr đã từng nghiên cứu mô hình giọt chất lỏng áp dụng cho các hạt nhân
bị biến dạng như vậy (có thể có dạng hình e-líp), và vào năm 1939 người ta thấy
rằng nếu kích thích các hạt nhân bị biến dạng mạnh có thể dẫn đến sự phân chia
hạt nhân, tức là hạt nhân bị phá vỡ thành hai mảnh lớn. Otto Hahn nhận giải
Nobel hóa học năm 1944 cho phát hiện quá trình mới này. Hình phi cầu của hạt
nhân biến dạng sinh thêm các bậc tự do cũng giống như sự dao động tập thể của
các hạt nhân. James Rainwater, Aage Bohr (con trai của Niels Bohr) và Ben
Mottelson đã phát triển các mô hình mô tả các kích thích hạt nhân và họ cùng
nhận giải Nobel vật lí năm 1975.
Các mô hình về hạt nhân được nhắc đến trên đây không chỉ dựa trên các nguyên
lí chung, có tính định hướng mà còn dựa trên các thông tin ngày càng tăng về

phổ hạt nhân. Harold C. Urey đã phát hiện ra deuterium, một đồng vị nặng của
Hidro, và vì thế, ông được trao giải Nobel về hóa học vào năm 1934. Fermi,
Lawrence, Cockcroft, và Walton đã được nhắc đến ở phần trước đã phát triển
các phương pháp để tạo ra các đồng vị hạt nhân không bền. Edwin M. McMillan
và Glenn T. Seaborg nhận giải Nobel hóa học năm 1951 vì đã mở rộng bảng
đồng vị hạt nhân tới các nguyên tố nặng nhất. Năm 1954, Walther Bothe và Max
Born (người được nhắc đến ở trên) nhận giải Nobel vật lí vì phát triển phương
pháp trùng hợp cho phép những người nghiên cứu quang phổ có thể lựa chọn
các chuỗi bức xạ hạt nhân có liên quan từ phân rã hạt nhân. Phương pháp này lại
hóa ra rất quan trọng, đặc biệt là trong nghiên cứu các trạnng thái kích thích của
hạt nhân và tính chất điện từ của chúng.
4.2. Nguyên tử
Khi xem xét các hệ nhiều hạt, các lớp điện tử của các nguyên tử dễ nghiên cứu
hơn của hạt nhân (hạt nhân thực ra bao gồm không chỉ các proton và neutron mà
còn nhiều thành phần hơn nguyên tử, như là các hạt “ảo” có thời gian sống
ngắn). Đó là do lực điện từ yếu và đơn giản hơn lực hạt nhân “mạnh” giữ các
thành phần của hạt nhân lại với nhau. Cơ học lượng tử của Schrödinger,
Heisenberg, và Pauli và phần mở rộng tương đối tính của Dirac đã có thể mô tả
khá tốt các tính chất cơ bản của các điện tử trong nguyên tử. Tuy vậy, một bài
toán có từ lâu vẫn chưa được giải quyết, tức là các vấn đề toán học liên quan đến
các tương tác lẫn nhau giữa các điện tử sau khi tính đến lực hút của các hạt nhân
mang điện tích dương. Một khía cạnh của vấn đề này đã được đế cập bởi một
trong những người đạt giải Nobel hóa học mới đây (1998), đó là Walter Kohn.
Ông đã phát triển phương pháp “hàm mật độ” có thể áp dụng vào các nguyên tử
tự do cũng như áp dụng cho các điện tử trong các phân tử và trong chất rắn.
Vào đầu thế kỉ 20, bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học vẫn chưa hoàn thiện.
Lịch sử ban đầu của giải Nobel bao gồm các phát hiện một số các nguyên tố còn
thiếu. Lord Raleigh (John William Strutt) đã chú ý đến những dị thường về khối
lượng nguyên tử tương đối khi các mẫu ô-xi và ni-tơ được tách trực tiếp từ
không khí quanh ta chứ không phải tách chúng từ các thành phần hóa học. Ông

kết luận rằng khí quyển phải có chứa thành phần chưa biết, đó là nguyên tố
argon có khối lượng nguyên tử là 20. Ông nhận giải Nobel vật lí năm 1904, cùng
năm với ngài William Ramsay nhận giải Nobel hóa học vì đã tách được nguyên
tố Hê-li.
Trong nửa cuối của thế kỉ 20, đã có một sự phát triển vượt bậc về phổ và độ
chính xác nguyên tử, mà nhờ đó người ta có thể đo được các dịch chuyển giữa
các trạng thái nguyên tử hoặc phân tử mà rơi vào vùng vi sóng hoặc cùng ánh
sáng khả kiến. Vào những năm 50, Alfred Kastler (người nhận giải Nobel năm
1966) và các đồng nghiệp cho thấy các điện tử trong các nguyên tử có thể được
đặt vào các trạng thái kích thích lọc lựa bằng các sử dụng ánh sáng phân cực.
Sau phân rã phóng xạ, ánh sáng phân cực cũng có thể làm cho spin của các
nguyên tử ở trạng thái cơ bản định hướng.
Cảm ứng dịch chuyển tần số radio đã mở ra các khả năng đo một cách chính xác
hơn trước rất nhiều các tính chất của các trạng thái bị lượng tử hóa của các điện
tử trong nguyên tử. Một hướng phát triển song song đã dẫn đến việc phát hiện ra
maser và laser dựa trên “khuyếch đại phát xạ kích thích sóng radio” trong các
trường sóng điện từ ở vùng vi sóng và khả kiến (ánh sáng) – các hiệu ứng mà về
mặt nguyên lí đã được tiên đoán từ các phương trình của Einstein vào năm 1917
nhưng đã không được quan tâm đặc biệt cho đến tận đầu những năm 50.
Charles H. Townes đã phát triển maser đầu tiên vào năm 1958. Nikolay G.
Basov và Aleksandr M. Prokhorov đã thực hiện công trình lí thuyết về nguyên lí
maser. Maser đầu tiên sử dụng một dịch chuyển kích thích trong phân tử a-mô-
ni-ắc. Nó đã phát ra bức xạ vi sóng mạnh không giống như các bức xạ tự nhiên
(với các photon có các pha khác nhau). Độ sắc nét của tần số của maser ngay lập
tức trở thành một công cụ quang trọng trong kĩ thuật, xác định thời gian và các
mục đích khác. Townes nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1964, Basov và
Prokhorov chia nhau một nửa giải còn lại.
Đối với bức xạ khả kiến, sau này laser được phát triển trong một số phòng thí
nghiệm. Nicolaas Bloembergen và Arthur L. Schawlow được nhận nửa giải
Nobel năm 1981 cho công trình nghiên cứu về phổ laser chính xác của các

nguyên tử và phân tử. Một nửa giải của năm đó được trao cho Kai M. Siegbahn
(con trai của Manne Siegbahn), người đã phát triển một phương pháp có độ
chính xác cao trong việc xác định phổ nguyên tử và phân tử dựa vào các điện tử
phát ra từ các lớp điện tử bên trong khi bị tác động của chùm tia X có năng
lượng đã được xác định. Phổ điện tử của ông được sử dụng làm công cụ phân
tích trong rất nhiều ngành của vật lí và hóa học.
Sự tác động có điều khiển giữa các điện tử của nguyên tử và các trường điện từ
tiếp tục cung cấp những thông tin chi tiết hơn về cấu trúc của các trang thái của
điện tử trong nguyên tử.
Norman F. Ramsey đã phát triển các phương pháp chính xác dựa trên sự hưởng
ứng của các điện tử tự do trong chùm nguyên tử với trường điện từ tần số radio,
Wolfgang Paul đã phát minh ra các “bẫy” nguyên tử tạo thành từ các điện
trường và từ trường tác động lên toàn bộ thể tích mẫu. Nhóm nghiên cứu của
Hans G. Dehmelt là những người đầu tiên cách li được các hạt riêng lẻ (trong
trường hợp này là các phản điện tử) cũng như là các nguyên tử riêng lẻ trong các
bẫy như vậy. Lần đầu tiên, các nhà thực nghiệm có “thể giao tiếp” được với các
nguyên tử riêng biệt bằng các tín hiệu vi sóng và laser. Điều này cho phép
nghiên cứu các khía cạnh mới của tính chất cơ học lượng tử và làm tăng độ
chính xác hơn nữa trong việc xác định tính chất nguyên tử và chuẩn hóa thời
gian. Paul và Dehmelt nhận một nửa giải Nobel năm 1989 và một nửa giải còn
lại được trao cho Ramsey.
Bước cuối cùng trong tiến bộ này là làm cho các nguyên tử trong các bẫy như
vậy chuyển động chậm đến mức, ở trạng thái cân bằng nhiệt trong môi trường
khí, chúng có thể tương ứng với nhiệt độ chỉ vài micro Kenvin. Điều đó được
thực hiện bằng cách cho chúng vào để làm nguội bằng laser thông qua một tập
hợp các hệ thống được thiết kế rất thông minh do Steven Chu, Claude Cohen-
Tannoudji và William D. Phillips thực hiện khi nhóm này nghiên cứu thao tác
lên các nguyên tử thông qua quá trình va chạm với các photon laser. Công trình
của họ được nhìn nhận bằng giải Nobel năm 1997, hứa hẹn những ứng dụng
quan trọng trong kĩ thuật đo lường bổ sung thêm tính chính xác trong việc xác

định định lượng nguyên tử.
4.3 Phân tử và plasma
Các phân tử tạo thành từ các nguyên tử. Chúng tạo ra mức phức tạp tiếp theo khi
nghiên cứu các hệ nhiều hạt. Nhưng các nghiên cứu phân tử thường được coi
như một nhánh của học (ví dụ như giải Nobel hóa học năm 1936 được trao cho
Petrus J. W. Debye), và hiếm khi được trao giải Nobel về vật lí. Chỉ có một
ngoại lệ đó là công trình của Johannes Diderik van der Waals, ông đã đưa ra các
phương trình trạng thái của các phân tử tcho chất khí khi tính đến tương tác lẫn
nhau giữa các phân tử và sự giảm thể tích tự do do gây ra bởi kích thước hữu
hạn của chúng. Các phương trình van der Waals là những điểm rất quan trọng
trong việc mô tả quá trình ngưng tụ của các chất khí thành chất lỏng. Ông nhận
giải Nobel vật lí năm 1910. Jean B. Perrin nghiên cứu chuyển động của các hạt
nhỏ lơ lửng trong nước và nhận giải Nobel năm 1926. Nghiên cứu của ông cho
phép khẳng định lí thuyết thống kê của Einstein về chuyển động Brown cũng
như các định luật điều khiển quá trình cân bằng của các hạt lơ lửng trong chất
lỏng khi chịu tác dụng của trọng lực.
Năm 1930, ngài Sir C. Venkata Raman nhận giải Nobel vật lí cho các quan sát
của ông chứng tỏ rằng ánh sáng tán xạ từ các phân tử bao gồm các thành phần
có tần số bị dịch chuyển tương ứng với ánh sáng đơn sắc. Sự dịch chuyển này
gây bởi sự tăng hoặc giảm năng lượng đặc trưng của phân tử khi chúng thay đổi
chuyển động quay hoặc dao động. Phổ Raman nhanh chóng trơ thành nguồn
thông tin quan trọng cung về cấu trúc và động học phân tử.
Plasma là trạng thái khí của vật chất trong đó các nguyên tử hoặc phân tử bị ion
hóa rất mạnh. Lực điện từ giữa các ion dương và giữa các ion và điện tử đóng
một vai trò nổi trội điều này làm tăng tính phức tạp khi nghiên cứu plasma so
với nguyên tử hoặc phân tử trung tính. Năm 1940, Hannes Alfvén đã chứng
minh rằng một loại chuyển động tập thể mới, gọi là “sóng từ-thủy động lực học”
có thể được sinh ra trong các hệ plasma. Các sóng này đóng một vai tròn quan
trọng xác định tính chất của plasma, trong phòng thí nghiệm cũng như trong khí
quyển trái đất và trong vũ trụ. Alfvén nhận nửa giải Nobel năm 1970.

4.4. Vật lí chất rắn
Các tinh thể được đặc trưng bởi sự xắp xếp đều đặn của các nguyên tử. Sau khi
phát hiện ra tia X không lâu, Max von Laue nhận thấy rằng, các tia X bị tán xạ
khi đi qua các tinh thể chất rắn giống như ánh sáng đi qua một cách tử quang
học. Có hiện tượng này là do bước sóng của tia X thông thường trùng với
khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất rắn. Ngài William Henry Bragg
(cha) and William Lawrence Bragg (con) lần đầu tiên dùng tia X để đo khoảng
cách giữa các nguyên tử và phân tích sự sắp xếp hình học của các nguyên tử
trong các tinh thể đơn giản. Vì các công trình tiên phong trong việc nghiên cứu
tinh thể học bằng tia X (mà sau này được phát triển đến trình độ rất cao), họ
được trao giải Nobel vật lí, Laue năm 1914 và cha con Bragg năm 1915.
Cấu trúc của tinh thể là trạng thái ổn định nhất trong nhiều trạng thái rắn mà
nguyên tử có thể được xắp xếp tại nhiệt độ và áp suất thông thường. Vào những
năm 30, Percy W. Bridgman đã phát minh ra các dụng cụ mà nhờ đó có thể
nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc tinh thể, tính chất điện, từ, nhiệt của chất rắn
dưới áp suất cao. Rất nhiều tinh thể thể hiện các chuyển pha dưới các điều kiện
đặc biệt như vậy. Sự sắp xếp hình học của các nguyên tử bị thay đổi đột ngột tại
áp suất nhất định. Bridgman nhận giải Nobel vật lí năm 1946 cho các phát minh
trong lĩnh vực vật lí áp suất cao.
Vào những năm 40, nhờ sự phát triển của các máy phản ứng phân rã hạt nhân,
các nhà thực nghiệm có thể thu được các neutron năng lượng thấp. Người ta
cũng thấy rằng, giống như tia X, các neutron cũng rất hiệu quả trong việc xác
định cấu trúc tinh thể bởi vì bước sóng de Broglie của hạt nhân cũng cỡ khoảng
cách giữa các nguyên tử trong chất rắn. Clifford G. Shull đã có nhiều đóng góp
cho sự phát triển kĩ thuật nhiễu xạ neutron trong việc xác định cấu trúc tinh thể,
và cũng cho cho biết rằng, sự sắp xếp của các mô-men từ nguyên tử trong các
vật liệu có trật tự từ có thể làm tăng nhiễu xạ neutron, cung cấp một công cụ rất
mạnh để xác định cấu trúc từ.
Shull nhận giải Nobel vật lí năm 1994 cùng với Bertram N. Brockhouse, chuyên
gia về một khía cạnh khác của tán xạ neutron trên chất rắn: khi các neutron kích

thích kiểu dao động phonon trong tinh thể gây ra suy giảm năng lượng. Do đó,
Brockhouse đã phát triển máy phổ neutron 3 chiều, nhờ đó có thể thu được toàn
vẹn các đường cong tán sắc (năng lượng của phonon là một hàm của véc-tơ
sóng). Các đường cong tương tự có thể thu được đổi với dao động của mạng từ
(kiểu magnon).
John H. Van Vleck có đóng góp đặc biệt cho lí thuyết từ học trong chất rắn vào
những năm sau khi ra đời cơ học lượng tử. Ông đã tính toán các ảnh hưởng của
liên kết hóa học lên các nguyên tử thuận từ và giải thích sự phụ thuộc vào nhiệt
độ và từ trường ngoài của tính chất từ. Đặc biệt ông đã phát triển lí thuyết
trường tinh thể của các hợp chất của các kim loại chuyển tiếp, đó là điều vô
cùng quan trọngtrong việc tìm hiểu các tâm hoạt động trong các hợp chất dùng
cho vật lí laser cũng như sinh học phân tử. Ông cùng nhận giải Nobel vật lí với
Philip W. Anderson và ngài Nevill F. Mott (xem dưới đây).
Các nguyên tử từ có thể có các mô-men từ sắp xếp theo cùng một phương trong
một thể tích nhất định (vật liệu như vậy được gọi là vật liệu sắt từ), hoặc các mô-
men có cùng độ lớn nhưng lại sắp xếp đan xen “thuận” rồi đến “nghịch” (vật
liệu phản sắt từ), hoặc sắp xếp đan xen nhưng độ lớn lại khác nhau (vật liệu ferri
từ,…). Louis E. F. Néel đã đưa ra các mô hình cơ bản mô tả các vật liệu phản sắt
từ và ferri từ, đó là các thành phần quan trọng trong nhiều dụng cụ chất rắn. Các
vật liệu đó được nghiên cứu rất nhiều bằng kĩ thuật nhiễu xạ neutron đã nói trên
đây. Néel nhận một nửa giải Nobel vật lí năm 1970. (*Hiện nay ở CNRS
Grenoble có một phòng thí nghiệm về từ học rất nổi tiếng mang tên ông, ông
cũng được coi là cha đẻ của ngành khoa học tự nhiên Grenoble, ông từng là giáo
sư của trường Joseph Fourier – Grenoble 1 mà rất nhiều AEVG đang theo học*).
Trật tự của các nguyên tử trong tinh thể chất rắn cũng như rất nhiều loại trật tự
từ khác nhau là những ví dụ của các hiện tượng trật tự nói chung trong tự nhiên
khi các hệ tìm thấy sự sắp xếp sao cho có lợi về mặt năng lượng bằng cách chọn
những trạng thái đối xứng nhất định. Các hiện tượng tới hạn, là các hiện tượng
mà tính đối xứng sắp bị thay đổi (ví dụ khi nhiệt độ thay đổi chẳng hạn), có tính
phổ quát cao cho các loại chuyển pha khác nhau, mà trong đó bao gồm cả

chuyển pha từ. Kenneth G. Wilson, người nhận giải Nobel vật lí năm 1982, đã
phát triển một lí thuyết gọi là lí thuyết tái chuẩn hóa cho các hiện tượng tới hạn
liên hệ với các chuyển pha, một lí thuyết còn được ứng dụng trong lí thuyết
trường của vật lí hạt cơn bản.
Các tinh thể lỏng tạo ra một lớp vật liệu đặc biệt có rất nhiều đặc tính lí thú, trên
cả quan điểm tương tác cơ bản trong chất rắn cũng như các ứng dụng kĩ thuật.
Pierre-Gilles de Gennes đã phát triển lí thuyết cho tinh thể lỏng và sự chuyển
giữa các pha có độ trật tự khác nhau. Ông cũng sử dụng cơ học thống kê để mô
tử sự sắp xếp và động lực học của các chuỗi polymer, và bằng cách đó cho thấy
rằng, các phương pháp được phát triển cho các hiện tượng trật tự trong các hệ
đơn giản có thể được khái quát hóa cho các hệ phức tạp có mặt trong “chất rắn
mềm”. Vì đóng góp đó, ông nhận giải Nobel vật lí năm 1991.
Một dạng chất lỏng đặc biệt đã được quan tâm nghiên cứu đó là chất lỏng hê-li.
Tại áp suất thông thường, hê-li là chất hóa lỏng ở nhiệt độ thấp nhất. Hê-li cũng
có hiệu ứng đồng vị mạnh nhất, từ hê-li (4) hóa rắn ở nhiệt độ 4.2 độ Kenvin,
cho đến hê-li (3) hóa rắn ở nhiệt độ 3.2 độ Kenvin. Heike Kamerlingh-Onnes là
người đầu tiên hóa lỏng hê-li vào năm 1909. Ông nhận giải Nobel vật lí năm
1913 cho các kết quả của hê-li lỏng và cho các nghiên cứu của ông về tính chất
của vật chất tại nhiệt độ thấp. Lev D. Landau đã đưa ra các khái niệm cơ bản (ví
dụ như chất lỏng Landau) liên quan đến các hệ nhiều hạt trong chất rắn và áp
dụng các khái niệm đó vào lí thuyết hê-li lỏng để giải thích các hiện tượng đặc
biệt của hê-li (4) như là hiện tượng siêu chảy (xem dưới đây), kích thích “roton”,
và các hiện tượng âm học. Ông được trao giải Nobel năm 1962.
Vào những năm 20 và 30, Pyotr L. Kapitsa đã phát triển một số kĩ thuật thực
nghiệm để thực hiện và nghiên cứu các hiện tượng ở nhiệt độ thấp. Ông nghiên
cứu nhiều khía cạnh của hê-li (4) lỏng và cho thấy rằng hê-li lỏng có tính siêu
chảy (tức là chảy không có ma sát) khi nhiệt độ thấp hơn 2.2 độ Kenvin. Sau này
hiện tượng siêu chảy được hiểu là sự thể hiện của mối liên hệ lượng tử giữa hiện
tượng ngưng tụ Bose-Einstein (được tiên đoán bằng lí thuyết vào năm 1920) và
nhiều tính chất giống như trạng thái siêu dẫn của điện tử trong một số chất dẫn

điện đặc biệt. Kapitsa được trao một nửa giải Nobel vật lí năm 1978.
Hê-li (3) thì lại thể hiện các hiện tượng đặc biệt, vì mỗi hạt nhân hê-li có spin
khác không chứ không giống như hê-li (4). Do đó, nó giống như là các hạt
fermion và không bị ngưng tụ Bose-Einstein như các hạt boson. Tuy vậy, giống
như các vật liệu siêu dẫn (xem dưới đây), các cặp hạt có spin bán nguyên có thể
tạo thành các hạt “giả boson” và có thể bị ngưng tụ gây nên trạng thái siêu chảy.
Hiện tượng siêu chảy của hê-li (3) xảy ra tại nhiệt độ thấp hơn của hê-li (4) hàng
ngàn lần và đã được David M. Lee, Douglas D. Osheroff và Robert C.
Richardson phát hiện ra, họ nhận giải Nobel vật lí năm 1996. Họ đã quan sát
thấy các pha siêu chảy khác nhau cho thấy cấu trúc xoáy phức tạp và các hiện
tượng lượng tử rất thú vị.
Các điện tử trong chất rắn có thể bị định xứ ở xung quanh các nguyên tử của
chúng trong các chất cách điện, hoặc chúng có thể chuyển động qua lại giữa các
vị trí của các nguyên tử trong các chất dẫn điện hoặc chất bán dẫn. Vào đầu thế
kỉ 20, người ta biết rằng các kim loại có thể phát ra các điện tử khi bị nung nóng,
nhưng người ta không biết điện tử phát ra là do bị kích thích nhiệt hay là do các
tương tác hóa học với môi trường khí xung quanh. Bằng các thực nghiệm tiến
hành trong môi trường có chân không cao, cuối cùng, Owen W. Richardson đã
xác định rằng sự phát xạ của điện tử là do hiệu ứng nhiệt và ông cũng thiết lập
định luật phân bố của của các điện tử theo vận tốc. Và do đó, Richardson nhận
giải Nobel năm 1928.
Cấu trúc điện tử xác định các tính chất điện, từ và quang của chất rắn và nó còn
có vai trò quan trọng đến tính chất cơ và nhiệt nữa. Một trong những nhiệm vụ
quan trọng của các nhà vật lí thế kỉ 20 là đo trạng thái và động học của các điện
tử và mô hình hóa các tính chất của chúng để hiểu các tổ chức của các điện tử
trong các loại chất rắn khác nhau. Điều rất tự nhiên là các hiện tượng khác
thường đã thu hút mạnh mẽ các nhà vật lí chất rắn. Điều đó được phản ánh trong
giải Nobel vật lí: vài giải đã được trao các các phát hiện liên quan đến siêu dẫn
và các hiện tượng đặc biệt thể hiện trong một số chất bán dẫn.
Siêu dẫn lần đầu tiên được phát hiện từ rất sớm, từ năm 1911. Kamerlingh-

Onnes đã thấy rằng điện trở của thủy ngân giảm xuống nhỏ hơn một phần tỉ giá
trị bình thường khi bị làm lạnh thấp hơn một nhiệt độ chuyển pha Tc khoảng 4
độ Kenvin. Như được nhắc ở phần trên, ông đã nhận giải Nobel năm 1913. Tuy
vậy, một thời gian dài người ta không hiểu tại sao các điện tử có thể chuyển
động mà không bị cản trở trong các chất siêu dẫn tại nhiệt độ thấp. Nhưng vào
đầu những năm 60, Leon N. Cooper, John Bardeen và J. Robert Schrieffer đã
đưa ra lí thuyết dựa trên ý tưởng là các cặp điện tử (có spin và hướng chuyển
động ngược nhau) có thể giảm một lượng năng lượng Eg bằng cách chia xẻ một
cách chính xác cùng một độ biến dạng của mạng tinh thể khi chúng chuyển
động. Các cặp Cooper này hành động giống như các hạt boson. Sự tạo cặp này
cho phép chúng chuyển động như một chất lỏng liên kết, không bị ảnh hưởng
khi các kích thích nhiệt (có năng lượng là kT) nhỏ hơn năng lượng tạo thành khi
kết cặp (Eg). Lí thuyết BCS này được trao giải Nobel vật lí năm 1972.
Đột phá trong việc hiểu cơ sở cơ học năng lượng này dẫn đến các tiến bộ trong
các mạch siêu dẫn: Brian D. Josephson đã phân tích sự dịch chuyển của các hạt
tải điện giữa hai kim loại siêu dẫn được ngăn cách bởi một lớp vật liệu dẫn điện
thường rất mỏng. Ông tìm thấy rằng pha lượng tử xác định tính chất dịch chuyển
là một hàm dao động của điện thế bên ngoài đặt lên chuyển tiếp này. Hiệu ứng
Josephson có các ứng dụng quan trọng trong các phép đo chính xác vì nó thiết
lập mối liên hệ giữa điện thế và tần số. Josephson nhận một nửa giải Nobel vật lí
năm 1973. Ivar Giaever, người đã phát minh và nghiên cứu các tính chất chi tiết
của “chuyển tiếp đường ngầm” này (một hệ thống điện tử dựa trên chất siêu dẫn)
chia nhau một nửa giải còn lại với Leo Esaki cho công trình nghiên cứu về hiệu
ứng đường ngầm trong chất bán dẫn (xem dưới đây).
Mặc dầu có khá nhiều các hợp kim và hợp chất siêu dẫn được phát hiện trong
khoảng 75 năm sau phát hiện của Kamerlingh-Onnes, hiện tượng siêu dẫn mãi
được xem như là hiện tượng chỉ xảy ra tại nhiệt độ thấp, với nhiệt độ chuyển pha
siêu dẫn thấp hơn 20 độ Kenvin. Cho nên khi J. Georg Bednorz và K. Alexander
Müller cho thấy rằng Ô-xít Lanthan-đồng có pha thêm Ba-rri có nhiệt độ chuyển
pha là 35 độ Kenvin thì mọi người rất ngạc nhiên. Và ngay sau đó, các phòng thí

nghiệm khác công bố các hợp chất có cấu trúc tương tự như thế có tính siêu dẫn
ở nhiệt độ khoảng 100 độ Kenvin. Phát hiện về “siêu dẫn nhiệt độ cao” này khởi
động một làn sóng trong vật lí hiện đại: tìm hiểu có chế có bản cho tính siêu dẫn
của các vật liệu đặc biệt này. Bednorz and Müller nhận giải Nobel năm 1987.
Chuyển động của các điện tử trong kim loại ở trạng thái dẫn điện bình thường đã
được mô hình hóa về lí thuyết đến một độ phức tạp chưa từng có từ khi có mặt
của cơ học lượng tử. Một trong những bước tiến lớn ban đầu là việc đưa vào
khái niệm sóng Bloch, hàm sóng được lấy tên của nhà vật lí Felix Bloch (người
nhận nửa giải Nobel vật lí năm 1952 cho công trình nghiên cứu về cộng hưởng
từ). Một khái niệm quan trọng nữa là “chất lỏng điện tử” trong các chất dẫn điện
do Lev Landau (xem phần hê-li lỏng). Philip W. Anderson đã có những đóng
góp quan trọng vào lí thuyết cấu trúc điện tử của các kim loại, đặc biệt là các bất
đồng nhất trong các hợp kim và các nguyên tử từ tạp chất trong các kim loại.
Nevill F. Mott đã nghiên cứu các điều kiện chung cho tính dẫn điện của điện tử
trong chất rắn và đưa ra các công thức xác định các điểm mà một chất bán dẫn
biến thành một chất dẫn điện (chuyển pha Mott) khi thành phần hoặc các thông
số bên ngoài bị thay đổi. Anderson và Mott chia nhau một nửa giải Nobel năm
1977 và một nửa giải được trao cho John H. Van Vleck cho các nghiên cứu lí
thuyết về cấu trúc điện tử của các hệ từ và mất trật tự.
Một giải Nobel vật lí trước đây (1920) đã được trao cho Charles E. Guillaume
cho phát hiện cho thấy rằng giãn nở nhiệt của một số thép ni-ken (hợp kim được
gọi là invar) bằng không. Giải Nobel này được trao chủ yếu bởi tầm quan trọng
của các hợp kim invar trong các phép đo chính xác được dùng trong vật lí,
ngành đo đạc và đặc biệt là thước mét chuẩn được đặt ở Paris. Các hợp kim này
được dùng rất rộng rãi trong các dụng cụ có độ chính xác cao như là đồng hồ, …
Các cơ sở lí thuyết về sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ giãn nở chỉ mới được
giải thích gần đây. Và mới đây (1998), Walter Kohn nhận giải Nobel hóa học
cho các phương pháp của ông khi xử lí các tương quan trao đổi lượng tử , mà
nhờ đó người ta có thể vượt qua các giới hạn trong tính toán cấu trúc điện tử
trong chất rắn và các phân tử.

Trong các chất bán dẫn, độ linh động của các điện tử bị giảm đi rất mạnh do có
sự tồn tại của vùng cấm năng lượng đối với các điện tử gọi là các khe năng
lượng. Sau khi người ta hiểu được vai trò cơ bản của các tạp chất cho điện tử và
nhận điện tử trong si-líc siêu sạch (và sau này còn có các vật liệu khác), các chất
bán dẫn được sử dụng làm các bộ phận trong điện kĩ thuật. William B. Shockley,
John Bardeen (xem thêm lí thuyết BCS) và Walter H. Brattain đã tiến hành các
nghiên cứu cơ bản về siêu dẫn và đã phát triển transistor loại một. Đó là bình
minh của kỉ nguyên “linh kiện điện tử”. Họ cùng nhận giải Nobel năm 1956.
Sau này Leo Esaki đã phát triển đi-ốt đường ngầm, một linh kiện điện tử có điện
trở vi phân âm, đó là một tính chất kĩ thuật rất thú vị. Nó tạo thành từ hai chất
bán dẫn pha tạp loại “n” và loại “p”, có một đầu chuyển dư điện tử và một đầu
khác thiếu điện tử. Hiệu ứng đường ngầm xuất hiện khi điện thế dịch lớn hơn
khe năng lượng trong các chất bán dẫn. Ông chia giải Nobel vật lí năm 1973 với
Brian D. Josephson.
Với kĩ thuật hiện đại, người ta có thể tạo các màng mỏng cấu trúc xác định từ
các vật liệu bán dẫn và chúng thể tiếp xúc trực tiếp với nhau. Với cấu trúc không
đồng nhất như vậy, con người không bị giới hạn vào các khe năng lượng trong
các chất bán dẫn như si-lic hoặc germani nữa. Herbert Kroemer đã phân tích lí
thuyết về độ linh động của các điện tử và lỗ trống trong các chuyển tiếp không
đồng nhất. Lí thuyết của ông dẫn đến việc tạo ra các transistor với các đặc trưng
được cải tiến rất nhiều mà sau này gọi là HEMT (transistor có độ linh động điện
tử cao), các HEMT rất quan trọng đối với các linh kiện điện tử tốc độ cao ngày
nay. Kroemer cũng giả thiết rằng các cấu trúc không đồng nhất kép có thể tạo
điều kiện cho hoạt động của laser, cùng khoảng thời gian với Zhores I. Alferov
đưa ra ý tưởng như thế. Sau này Alferov đã tạo ra laser bán dẫn xung đầu tiên
vào năm 1970. Sự kiện này là điểm khởi đầu của kỉ nguyên các dụng cụ quang
điện hiện này đang dùng trong các đi-ốt laser, đầu đọc đĩa CD, đầu đọc mã vạch
và cáp quang viễn thông. Và gần đây, Alferov và Kroemer chia nhau một nửa
giải Nobel vật lí năm 2000, một nửa giải còn lại về tay Jack S. Kilby, đồng phát
minh mạch điện tử tích hợp (xem phần sau Vật lí và Kĩ thuật).

Khi áp một thế điện cực lên các hệ cấu trúc không đồng nhất, người ta có thể tạo
ra “các màng ngược”, trong đó các hạt tải điện chỉ chuyển động trong không
gian hai chiều. Các màng như vậy lại hóa ra có các tính chất rất thú vị và kì lạ.
Năm 1982, Klaus von Klitzing phát hiện ra hiệu ứng Hall lượng tử. Khi một từ
trường mạnh đặt vuông góc với mặt phẳng của màng giả hai chiều, thì các điều
kiện lượng tử lại không tăng một cách tuyến tính với sự tăng của từ trường mà
lại tăng một cách nhảy bậc ở biên của mẫu. Điện trở Hall giữa các bậc này có
giái trị h/ie2 trong đó i là các số nguyên tương ứng với các quĩ đạo điện tử bị
lượng tử hóa. Hiệ ứng này cho phép có thể đo tỉ số giữa các hằng số cơ bản rất
chính xác, nó có hệ quả quan trọng trong kĩ thuật đo lường, von Klitzing nhận
giải Nobel vật lí năm 1985.
Một ngạc nhiên nữa đến ngay sau khi Daniel C. Tsui và Horst L. Störmer thực
hiện các nghiên cứu kĩ hơn về hiệu ứng Hall lượng tử sử dụng các màng ngược
trong các vật liệu siêu sạch. Trạng thái ổn định xuất hiện trong hiệu ứng Hall
không chỉ đối với từ trường tương ứng với sự lấp đầy của các quĩ đạo bởi một,
hai, ba v.v. giá trị điện tích của điện tử mà còn đối với các điện tích không
nguyên!. Điều này chỉ có thể được hiểu dựa vào một khái niệm về chất lỏng
lượng tử mới mà ở đó chuyển động của các điện tử độc lập có điện tích e được
thay thế bởi các kích thích trong một hệ nhiều hạt mà hệ này cư xử (trong một từ
trường mạnh) như thể các điện tích có giá trị e/3, e/5,… tham gia vào. Robert B.
Laughlin phát triển lí thuyết mô tả trạng thái mới của vật chất này và chia giải
Nobel vật lí năm 1998 với Tsui and Störmer.
Đôi khi các phát hiện trong một lĩnh vực của vật lí lại hóa ra có các ứng dụng
quan trọng trong các lĩnh vực vật lí khác. Một ví dụ liên quan đến vật lí chất rắn
đó là quan sát của Rudolf L. Mössbauer vào cuối những năm 50. Hạt nhân của
nguyên từ hấp thụ có thể bị kích thích cộng hưởng bởi các tia gamma phát ra từ
các nguyên tử phát xạ được chọn một cách hợp lí khi các nguyên tử trong cả hai
trường hợp được bắn ra sao cho sự giật lùi của chúng loại trừ nhau. Năng lượng
bị lượng tử hóa của hạt nhân trong điện từ trượng nội của chất rắn đó có thể
được xác định vì năng lượng đó tương ứng với các vị trí khác nhau của sự cộng

hưởng mà sự cộng hưởng này rất sắc nét. Phát hiện này trở nên quan trọng trong
việc xác định cấu trúc điện từ của nhiều vật liệu và Mössbauer nhận một nửa
giải Nobel vật lí năm 1961 cùng với R. Hofstadter.
5. Vật lí và kĩ thuật
Rất nhiều các phát minh thực nghiệm và lí thuyết được nhắc cho đến nay có một
ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của các dụng cụ kĩ thuật bằng việc mở ra những
lĩnh vực vật lí hoàn toàn mới hoặc đưa ra các ý tưởng để có thể tạo ra các dụng
cụ kĩ thuật. Các ví dụ rất dễ thấy là công trình của Shockley, Bardeen, và
Brattain mà dẫn đến transitor và khởi đầu cuộc cách mạng điện tử; các nghiên
cứu cở bản của Townes, Basov, và Prokhorov dẫn đến việc phát triển maser và
laser. Cũng nên nhắc lại rằng các máy gia tốc hạt hiện nay là các công cụ rất
quan trọng trong một vài lĩnh vực khoa học vật liệu và y học. Các công trình
khác được vinh danh bằng giải Nobel ngày càng có thiên hướng về mặt kĩ thuật
hoặc chúng có tầm quan trọng đặc biệt trong việc xây dựng các linh kiện để phát
triển ngành liên lạc và thông tin.
Một giải Nobel cách đây khá lâu (1912) đã được trao cho Nils Gustaf Dalén cho
phát minh về “van mặt trời” (sun-valve) tự động được dùng rộng rãi trong các
cột mốc và phao trong ngành hàng hải. Phát minh đó dựa trên sự khác nhau về
bức xạ nhiệt từ các vật có độ phản xạ ánh sáng khác nhau: một trong số ba thanh
song song trong dụng cụ của ông có màu đen, điều này làm tăng sự sai khác
trong việc hấp thụ nhiệt và dãn nở nhiệt của các thanh trong thời gian mặt trời
chiếu vào. Hiệu ứng này được dùng để ngắt nguồn cấp khí tự động vào ban ngày
và làm giảm nhiều nhu cầu bảo dưỡng trên biển.
Các dụng cụ và kĩ thuật quang là những chủ đề cho vài giải Nobel. Khoảng đầu
thế kỉ 20, Gabriel Lippmann đã phát triển một phương pháp chụp ảnh màu sử
dụng hiệu ứng giao thoa ánh sáng. Một chiếc gương được đặt tiếp xúc với một
thể nhũ tương nhạy quang phủ trên một tấm kim loại sao cho khi chúng bị chiếu
sáng, ánh sáng phản xạ trong chiếc gương sẽ làm tăng sóng đứng trong thể nhũ
tương đó. Việc tráng ảnh làm cho các hạt bạc bị (trong thể nhũ tương đó) phân
tầng khi gương chiếu sáng lên tấm kim loại và ảnh tạo thành có màu sắc tự

nhiên như thật. Giải Nobel năm 1908 được trao cho Lippmann. Không may,
phương pháp của Lippmann mất nhiều thời gian phơi sáng. Sau này phương
pháp đó bị thay thế bởi các kĩ thuật nhiếp ảnh khác nhưng nó lại có nhiều ứng
dụng trong kĩ thuật tạo ảnh ba chiều chất lượng cao.
Trong hiển vi quang học, Frits Zernike cho thấy rằng thậm chí các vật hấp thụ
bức xạ rất yếu (trong suốt khi nhìn bằng mắt thường) có thể nhìn thấy được nếu
chúng tạo thành từ những vùng có hệ số khúc xạ ánh sáng khác nhau. Trong
kính “hiển vi nhạy pha” của Zernike, người ta có thể phân biệt các vệt sáng có
pha bị thay đổi khi đi qua các vùng không đồng nhất. Kính hiển vi loại này có
tầm quan trọng đặc biệt trong việc quan sát các mẫu sinh học. Zernike nhận giải
Nobel vật lí năm 1953. Vàn những năm 40, Dennis Gabor đề ra nguyên lí ảnh ba
chiều. Ông tiên đoán rằng nếu tia sáng tới có thể giao thoa với tia phản xạ từ
một mảng hai chiều thì có thể tạo được một ảnh ba chiều của vật thể. Tuy vậy,
việc thực hiện ý tưởng này phải đợi đến khi laser được phát hiện. laser có thể
cung cấp ánh sáng cố kết cần thiết cho quan sát hiện tượng giao thoa nói ở trên.
Gabor nhận giải Nobel năm 1971.
Hiển vi điện tử có ảnh hưởng sâu rộng trên nhiều lĩnh vực khoa học tự nhiên.
Ngay sau khi C. J. Davisson and G. P. Thomson phát hiện ta bản chất sóng của
điện tử, người ta nhận thấy rằng bước sóng ngắn của điện tử năng lượng cao có
thể làm tăng độ phân giải so với hiển vi quang học. Ernst Ruska tiến hành các
nghiên cứu cơ bản về quang điện tử và thiết kế kính hiển vi điện tử đầu tiên họat
động vào những năm đầu của thập niên 30. Nhưng cũng phải mất hơn 50 sau
ông mới nhận giải Nobel vật lí.
Ruska nhận một nửa giải Nobel vật lí vào năm 1986, nửa giải còn lại được chia
đều cho Gerd Binnig và Heinrich Rohrer, hai người đã phát triển một phương
pháp khác hẳn để thu được các bức ảnh với độ phân giải cực cao. Phương pháp
của họ được ứng dụng trong nghiên cứu về mặt chất rắn và dựa trên hiệu ứng
đường ngầm của các điện tử. Các điện tử của các nguyên tử ở một đầu kim loại
rất nhọn có thể chui sang các nguyên tử tử trên bề mặt chất rắn khi đầu nhọn
kim loại đó được di chuyển đến rất gần bề mặt (khoảng 1 nm). Bằng cách giữ

cho dòng điện tử chui ngầm đó cố định và di chuyển đầu nhọn theo bề mặt chất
rắn, người ta có thể có được bức ảnh ba chiều của bề mặt chất rắn cần nghiên