X17 phá lưới

Một lực chưa ai biết đến đang làm rung động thế giới hạt nhân. Nhưng lực này có thật hay không? Có phải hạt X17 khét tiếng là hạt mang lực này hay không? Những người “thợ săn hạt” đang bám sát theo dấu vết của nó.

Dịch từ bài Die fünfte Kraft của Robert Gast, Spektrum.de. Mọi sai sót trong việc dịch thuật là của tôi.


Đó là một thứ rất nhỏ, chỉ như một dấu chấm trong thế giới vi mô, như mọi hạt cơ bản khác. Nhưng hạt X17 phải là một hạt rất kén chọn, rất kín đáo, mà lại rất khoẻ. Khi nó xuất hiện, nó làm rung động cả thế giới hạt nhân, như sứ giả của một lực thứ năm chưa ai từng biết đến.

Nhưng lực thứ năm và hạt X17 có thực sự tồn tại hay không? Một trong những người muốn tìm ra câu trả lời cho câu hỏi này đang ở Debrecen, trong một viện nghiên cứu hàng đầu của Hungary. Ông thở dài. Attila Krasznahorkay là một người kín đáo, rụt rè, khiêm tốn và lịch sự, 66 tuổi, trông giống một người thủ thư hơn một người “thợ săn hạt”. “Chúng ta phải hết sức thận trọng,” ông khẽ nói.

Với ông, cuộc săn bắt đầu 20 năm trước, khi ông nhận cú điện thoại từ một đồng nghiệp người Hà Lan, Fokke de Boer. De Boer sốt sắng nhiệt tình kể cho ông về hạt mới. Đầu tiên Krasznahorkay còn hoài nghi, ông đòi các tài liệu về vấn đề này, cân đi nhắc lại. Sau đó ông đồng ý. “Lúc đó tôi nghĩ chỉ một tuần là xong.”

Đến hôm nay Krasznahorkay vẫn chưa làm xong việc này. Ông thành một dạng thủ lĩnh cuộc săn. Trong phòng làm việc ở Viện nghiên cứu Atomki, ông đặt lên bàn những bài báo được đóng ghim cẩn thận. Ánh sáng mặt trời buổi chiều xuyên qua rèm cửa, ngón tay ông chỉ vào một chỗ lồi trên đồ thị, cao chưa đến 3 cm. Đây là dấu vết của hạt X17, Krasznahorkay và cộng sư tin là như vậy. “Đây là một sai lệch rất nhỏ”.

Attila Krasnahorkay in his office in the Atomki Institute, March 2020.

Attila Krasnahorkay trong phòng làm việc ở Viện Atomki, tháng 3 năm 2020.

Trong vật lý, rất ít khi có ai tìm ra được một hạt cơ bản, và mỗi lần như vậy sử sách đều ghi lại. Giống như năm 2012 khi các nhà vật lý ở trung tâm nghiên cứu CERN ở Geneva tìm ra hạt Higgs nổi tiếng. Để tìm ra được hạt này người ta phải dùng đến một khẩu súng hạt nhân dài 27 km (máy gia tốc LHC) và hai bộ phân tích (detector) khổng lồ, mỗi cái nặng hàng nghìn tấn. Hàng ngàn nhà khoa học tham gia lập kế hoạch, xây cất, và phân tích kết quả trong vòng hàng chục năm.

Ở Debrecen mọi thứ đều nhỏ hơn vài cỡ. Nhóm của Attila Krasznahorkay có khoảng chục người, trong đó có con trai của ông, cũng làm vật lý. Thỉnh thoảng một số em học sinh giỏi các trường phổ thông cũng đuợc đến tham gia. Máy gia tốc cho cuộc tìm hạt X17 có thể đặt gọn trong một toà nhà to bằng gian chơi thể thao của một trường học. Mới nhìn thì bộ phân tích trông hơi giống một cái “vòng quay may mắn”, mắc thêm rất nhiều dây điện.

Từ tháng 1 năm 2016 khi nhóm Hungary công bố số liệu đo lường có chỗ nhô lên trong đồ thị, các chuyên gia trên thế giới đắn đo: phải chăng những người ngoài cuộc đã làm nên một bước đột phá lịch sử? Hay là thí nghiệm Hungary bị sai, và X17 là ảo tưởng?

Đi tìm câu trả lời cho những câu hỏi này, ta sẽ khám phá ra một câu chuyện đã bắt đầu từ hàng chục năm trước. Đó là câu chuyện về electron và phản hạt khó lường của nó, hạt positron, về các nhà vật lý ở các thành phố Darmstadt và Frankfurt của Đức, về Attila Krasznahorkay và đồng nghiệp người Hà Lan Fokke de Boer. Nhưng trên hết, đó là một câu chuyện về vòng xoáy của khám phá, về ranh giới giữa sự thật và mong muốn, và về câu hỏi khi nào thì ranh giới đó đã bị bước qua.

LHC

Máy LHC chạy dài 27 km trong một đường hầm hình tròn bên dưới thành phố Geneva. Bằng máy này các nhà khoa học đã tìm ra hạt Higgs.


Hồi 1: Con đường mòn dẫn vào một thế giới khác

Câu chuyện bắt đầu ở nơi trí tưởng tượng của con người đạt đến giới hạn: trong thế giới của hạt nhân nguyên tử và các lực xuất hiện ở trong đó. Đó là một thế giới trừu tượng, thoạt nhìn chỉ các chuyên gia mới hiểu được, nhưng rất quan trọng cho quan niệm của con người về Vũ trụ.

Trong thế giới này, các nhà vật lý thấy có hai “tộc” hạt cơ bản. Đầu tiên có những “viên gạch” xây nên thế giới xung quanh chúng ta, trong đó có các hạt quark trong hạt nhân nguyên tử và, nằm xa hạt nhân hơn, các hạt electron.

Nhưng nếu chỉ có quark và electron thì Vũ trụ sẽ hoàn toàn bất động. Một thế giới của các viên Lego mà không có gì chuyển động, bởi vì làm thế nào một hạt electron biết được là có một hạt khác ở gần nó?

Ở đây, một “tộc” các hạt khác xuất hiện: các hạt “sứ giả” hay “boson”. Từ quan điểm của vật lý hạt cơ bản, chúng làm nhiệm vụ truyền lực giữa các hạt. Khi hai electron gặp nhau, chúng trao đổi một hạt boson rất chóng vánh.

Mô hình chuẩn

“Mô hình chuẩn” mô tả tất cả các hạt cơ bản: các hạt vật chất (fermion), các hạt trao đổi (boson), và thêm hạt Higgs là hạt mang lại khối lượng cho tất cả các hạt khác.

Cho tới nay, các nhà khoa học biết bốn loại lực, mỗi lực được mang bởi một loại hạt sứ giả: hạt photon mang lực điện từ, hạt graviton (có lẽ) mang lực hấp dẫn. Các hạt gluon thì là “bố già” của lực hạt nhân giữa các quark, lực này giữ cho hạt nhân không bị tan rã. Và cuối cùng, boson W và Z là các hạt làm thay đổi “danh tính” của hạt nhân, mang lực hạt nhân “yếu”.

Với những viên gạch là các hạt và các lực này, các nhà vật lý có thể giải thích hầu hết các hiện tượng xảy ra trên Trái đất. Ta có thể tính được tại sao mặt trời chiếu sáng, tại sao một số hạt nhân lại phân rã. Nhưng bản vẽ thiết kế thế giới vi mô của ta có vẻ không hoàn chỉnh: khi các nhà thiên văn nhìn vào Vũ trụ, vào không gian giữa các thiên hà, họ thấy dấu vết của một thế giới mà hình như được làm bởi những hạt khác, ở đó có thể có các lực khác hoạt động. Các nhà khoa học gọi thế giới này là “vật chất tối”, nhưng đến giờ vẫn không biết khái niệm này thực chất là gì.

Một số nhà khoa học cho rằng X17 có thể là bước đầu tiên vào thế giới vô hình này. Trên trái đất, hạt sứ giả X17 có thể hoạt động rất bí mật: nó chỉ xuất hiện xung quanh các hạt nhân và ở một dạng nào đó chúng ta còn chưa hiểu. Nhưng trong vũ trụ bao la, hạt “ma quái” này có thể đóng một vai trò lớn hơn nhiều. Có thể hạt này chạy đi chạy lại giữa các hạt của vật chất tối, nếu đúng là nó tồn tại.

Các thiên hà

Các thiên hà trong vũ trụ được bao quanh bởi khí (màu da cam) và các sợi vật chất tối (màu xanh), theo các mô phỏng trên siêu máy tính

Một đặc thù của ngành vật lý là những vấn đề ngoạn mục nhất lại được nghiên cứu ở những chỗ kín đáo nhất. Đi qua cổng vào của Viện Atomki ở Debrecen, bạn cứ ngỡ là đang ở bên trong một công ty sản xuất ống sưởi hay là súng phun sơn. Một vài toà nhà sơn trắng hình khối đặt quanh một bãi đậu xe, xung quanh là một vài cây thông to.

Attila Krasznahorkay ra tận cửa đón tôi. Ông người to, dáng đi nặng nề, mặc áo khoác nhung và áo len màu xanh, mặt đỏ lên vì vừa phải vội chạy ra đón khách. Ông dẫn tôi đến thẳng một trong các toà nhà. Chúng tôi đi qua một phân xưởng bụi bặm, có mùi cao su cháy, đến một gian nhà, nơi cuộc tìm kiếm X17 đang diễn ra.

Ở đây ống, mặt bích, bơm chân không bóng nhoáng dưới ánh sáng nhân tạo của đèn halogen. Năm 2015 Viện Atomki khai trương một máy gia tốc mới bằng tiền của Liên minh Châu Âu, Viện Hàn lâm khoa học Hungary và một nhà máy điện nguyên tử trong vùng.

Krasznahorkay đi dọc theo đường ống chân không dài 20 mét, qua các nam châm dùng để giữ các hạt nhân không ra khỏi quỹ đạo, tới góc bên kia của gian nhà. Thiết bị đo của các thợ săn X17 ở đây: sáu cái “nan hoa” dài bằng cánh tay làm bằng nhựa đen, nối không biết bao nhiêu dây điện và bọc bằng băng dính. “Các đo đạc của chúng tôi bị phê phán nhiều nên chúng tôi quyết định thay mới tất cả các bộ phận của máy”.

The Atomki Research Institute

Viện nghiên cứu Atomki ở Debrecen, Hungary được thành lập năm 1954. Khoảng 100 nhà nghiên cứu về vật lý nguyên tử và khoa học vật liệu làm việc tại đây.

Ngược lại, quá khứ vẫn được giữ nguyên trong ngôi nhà bên cạnh. Đi đến phòng làm việc của Krasznahorkay, phòng 201 ở tầng 2, ta phải qua một thang máy lắc lư và đi trên sàn lát vải sơn đã úa vàng. Trên tường hành lang có một cái bảng ghim nhiều ảnh cũ. Đây là ảnh chụp chuyến thăm của cựu chủ tịch viện GSI ở Darmstadt, Đức, kia thì là các cảnh từ một hội nghị đã xảy ra từ lâu: các nhà vật lý nâng cốc trên bàn trải khăn trắng, hoặc đang cưỡi ngựa ở một trang trại.

Và đây, một người đàn ông, đầu hói một nửa, tóc màu sáng, mặc quần trắng, thân thiện nhìn vào ống kính. Ông ở vị trí trung tâm trong nhiều bức ảnh. Krasznahorkay lại gần một ảnh và chỉ vào bản cáo phó ghim cạnh đó. “Fokke de Boer đã qua đời năm 2010. Chúng tôi tiếp tục công việc để tưởng nhớ ông”.

Người đàn ông Hà Lan, người vào năm 2000 đã thuyết phục Krasznahorkay tham gia tìm hạt “ma quái”, là một nhân vật trung tâm của dự án. Chính vì de Boer, những đo đạc ở Debrecen không phải chỉ để chứng tỏ các nhà vật lý Hungary có kiểm soát được thiết bị của mình hay không. Nó còn để trả lời câu hỏi: liệu Krasznahorkay và cộng sự đã thoát được khỏi phong cách làm việc đặc thù của người đồng nghiệp từ Amsterdam hay chưa?

null

Các mẩu báo và ảnh cũ trong bảng ghim trong phòng làm việc của Attila Krasznahorkay


Hồi 2: Dị thường nhiều, giải thích chẳng bao nhiêu

Fokke de Boer là một trong những người đầu tiên quan tâm đến những hạt mới kiểu như X17. Hơn ai khác, ông tuyên truyền cho các thí nghiệm kiểm chứng, thúc đẩy đồng nghiệp và bênh vực các kết quả thí nghiệm trong hàng chục năm trời. Nhưng với thời gian, ông bị cuộc tìm kiếm cuốn vào đến mức nhìn đâu cũng ra hạt mới – tới lúc không ai tin ông nữa, kể cả Attila Krasznahorkay.

Với de Boer, giấc mơ về một hạt mới bắt đầu từ giữa những năm 1980 với những kết quả đo đạc từ Darmstadt. Lúc đó các nhà khoa học bắn các hạt nhân vào nhau bằng một máy gia tốc dài 120 m tên là UNILAC.

Trong mỗi một va chạm, động năng được chuyển hoá thành khối lượng theo công thức nổi tiếng E = mc² của Einstein. Trong trường hợp cụ thể này, các hạt nhân vỡ ra và tạo ra một đống các hạt khác. Dùng hai bộ phân tích tên là EPOS và ORANGE các nhà khoa học Darmstadt nghiên cứu các đống vụn đó. Và họ thấy một dị thường bí hiểm: ở một số năng lượng nhất định của máy gia tốc, các va chạm giữa các hạt nhân sinh ra một số lượng hạt positron nhiều một các đáng ngạc nhiên.

Hạt positron, phản hạt mang điện tích dương của electron, không phải là cái gì lạ trong thế giới vi mô. Khi thiên nhiên muốn xả năng lượng thừa, đôi khi nó tạo ra cặp hạt electron-positron. Nhưng một số nhà khoa học cho rằng các kết quả đo cũng có thể giải thích được bằng một hạt cơ bản mới chưa ai chưa biết; hạt này phân rã ra thành một electron và một positron sau khi bay một quãng ngắn.

Phải nói ngay là không rõ có đúng là có một hạt như vậy đằng sau dị thường Darmstadt hay không. Nhưng trong vòng nhiều năm, “EPOS peaks” là một đề tài làm các chuyên gia trên thế giới bận rộn. Một số nhà khoa học tin là họ đang trên con đường đến giải Nobel. Ít người nghĩ là tương lại sẽ mang đến một sự thất vọng tràn trề.

null

Fokke de Boer, người Hà Lan (thứ ba từ bên phải) mang tới cho Attila Krasznahorkay ý tưởng tìm hạt X bằng một phổ kế chế tạo tại Đức (ở phía sau).

De Boer, tuổi giữa tứ tuần, lúc đó đang tìm kiếm một thành công thu hút sự chú ý. Từng được tung hô như một tài năng xuất chúng ở thành phố Amsterdam nơi ông sinh ra, vào cuối những năm 1980 ông đã trải qua hơn mười năm di chuyển từ viện này sang viện khác, từ hợp đồng ngắn hạn này đến hợp đồng ngắn hạn khác. Ở dị thường positron, ông nhìn thấy khả năng làm nên tên tuổi. Bị cuốn hút, ông mường tượng ra là có một hạt gì đó đứng sau dị thường này, và tự tin bày tỏ các suy nghĩ của mình ở các hội thảo khoa học.

“Fokke luôn có rất nhiều ý tưởng.” Khi được gọi điện hỏi, đồng nghiệp của ông ở Amsterdam, Johan van Klinken, nhớ lại. Van Klinken làm việc với de Boer 35 năm, đồng hành với ông trong tất cả các chặng đường, ủng hộ ông đến phút cuối cùng. Van Klinken nói rằng bạn ông bị một cảm nhận đặc biệt về mỹ học thúc đẩy. Một trong các thần tượng của de Boer là Paul Dirac, nhà vật lý được giải thưởng Nobel người Anh, người đã tiên đoán ra sự tồn tại của hạt positron năm 1928. Dirac cho rằng các công thức đẹp gần với chân lý hơn là các công thức xấu.

De Boer mang triết lý của Dirac sang ngành vật lý hạt nhân, một ngành vốn khá nặng nề. Chỗ mà người khác chỉ nhìn thấy sơ đồ các kênh phân rã của hạt nhân với một mớ bòng bong các đoạn thẳng, số và mũi tên, de Boer lại nhìn thấy vẻ đẹp của Tạo hoá. “Về mặt này ông giống như một người nghệ sĩ”, van Klinken nói.

Không chỉ những số liệu của Darmstadt đã gây ấn tượng cho de Boer, mà cả những kết quả mà các nhà vật lý ở Cairo, Ai Cập nhận được trên máy gia tốc ở Dubna (Liên Xô) mà ông được biết từ năm 1984. Ở đây số lượng positron sinh ra trong va chạm hạt nhân cũng sai khác so với chờ đợi. Và de Boer biết phải làm gì để lần theo những dấu vết này.

Từ những năm 1970 máy UNILAC ở Darmstadt gia tốc các hạt nhân trên đường thẳng. Từ lúc đó đến nay các nhà vật lý luôn luôn hiện đại hoá máy này.

Ý tưởng của de Boer liên quan đến vật lý của hạt nhân nguyên tử. Mỗi hạt nhân có những mức năng lượng khác nhau, như các electron cũng có những quỹ đạo khác nhau trong lớp vỏ của nguyên tử. Nhưng hạt nhân giải quyết năng lượng thừa bằng cách khác: nó lúc lắc từ bên nọ sang bên kia với một tần số trong một danh sách các tần số dao động khác nhau.

Những tần số đó là gì thì phải những thí nghiệm tinh vi mới tìm ra được. Một cách là dùng những va chạm hạt nhân kiểu như những va chạm trong các máy gia tốc, nhưng “êm dịu” hơn. Các nhà vật lý chiếu các hạt proton đã được gia tốc trong điện trường vào các hạt nhân đứng yên. Nếu các hạt proton có động năng đúng ở một giá trị nào đó thì các hạt nhân không phân rã ra mà nó nuốt proton vào, lớn lên một chút và bắt đầu “uốn éo”.

Khi hạt nhân im ắng trở lại, nó “khạc nhổ” ra một chùm tia sáng. Hoặc, trong những trường hợp hiếm hoi, một cặp electron-positron. Nghiên cứu những “sản phẩm bài tiết” này, các nhà vật lý có thể tái thiết các mức năng lượng của hạt nhân.

Thực ra đây chỉ là công việc hàng ngày của các nhà vật lý hạt nhân, đã được thực hiện hàng nghìn lần và đã được nghiên cứu đến từng ngóc ngách cuối cùng. Nhưng de Boer và nhiều người khác nhận ra rằng, chỉ thay đổi một chút, công nghệ này có thể dùng để tìm hạt cơ bản mới. Đó là vì một hạt boson mới sẽ cho hạt nhân một cách khác để xả năng lượng thừa.

Hạt mới sẽ không thể là hạt bền, mà sau khi bay một quãng đường ngắn cũng sẽ phân rã thành một cặp electron-positron. Nhưng cặp electron-positron này khác với cặp electron-positron mà hạt nhân phát xạ ra trực tiếp ở một chi tiết: chúng phải bay ra khỏi nhau dưới một góc lớn hơn nhiều. Nếu ta theo dõi chính xác đường bay của hạt electron và positron này, ta có thể nhìn thấy dấu vết của hạt boson.

Các mức năng lượng

Khi hạt nhân hấp thụ năng lượng, nó rung lên với một tần số nhất định. Sau một khoảng thời gian ngắn nó trả lại năng lượng và với một xác suất nhất định chuyển về một mức năng lượng thấp hơn.


Hồi 3: Frankfurt nhiều kẻ hoài nghi, Hà Lan một người phấn khích

Đó là một ý tưởng sáng tạo, thoạt nhìn thì không phải rất khó để thực hiện. Bộ phân tích đo góc thì hầu như xưởng của viện nghiên cứu nào cũng có thể lắp ráp được mà không cần nhiều tiền. De Boer bắt đầu bước vào công việc. Cái ông thiếu là một máy gia tốc proton có thể lôi được hạt mới ra khỏi hạt nhân. Đầu những năm 1990 ông gọi điện đến Viện Vật lý hạt nhân ở Frankfurt.

Ở Frankfurt de Boer nói chuyện với Kurt Stiebing, một nhà vật lý thực nghiệm nghiêm túc và tận tâm. Vài năm trước Stiebing có tham gia vào thí nghiệm đo đạc ở Darmstadt, bây giờ là lúc ông có thể làm một thí nghiệm positron của bản thân mình. Nhưng khi de Boer mang thiết bị mà mình tự thiết kế đến Frankfurt, Stiebing chỉ biết lắc đầu. Nhà khoa học Hà Lan tính toán sai hoàn toàn thiết bị sẽ phản ứng với tín hiệu như thế nào.

Ngoài ra, cấu trúc dùng cánh tay xoay của de Boer rất dễ bị lỗi. Vì thế Stiebing và nghiên cứu sinh của mình, Oliver Fröhlich, bắt đầu xây dựng một thiết bị mới. Thiết bị này có tám bộ phân tích cố định, chĩa ra các hướng khác nhau như những chiếc nan hoa của một bánh xe – một ý tưởng mà Attila Krasznahorkay vẫn sử dụng 25 năm sau, chỉ thay đổi một chút.

Ý tưởng đo

Ý tưởng của việc tìm hạt X17: hạt proton làm kích thích hạt nhân, sau đó hạt nhân phát ra hạt X. Hạt X bay một đoạn ngắn rồi phân rã thành hạt electron và positron, và hai hạt này được thiết bị đo ghi lại.

Năm 1995 thí nghiệm Frankfurt nhận được những kết quả đầu tiên: các cặp hạt electron-positron bay ra khỏi nhau dưới một góc lớn với một số lượng quả thật nhiều hơn so với chờ đợi. Đây có thể coi là dấu vết của một hạt boson mới. Ít nhất, Fokke de Boer thấy vậy. Còn các đồng nghiệp người Đức của ông thì nhìn các số liệu thực nghiệm khó giải thích với con mắt nghi ngờ. “Tiến sĩ de Boer không đồng ý với quan điểm khá khiêm tốn của tôi về độ chính xác của thí nghiệm” – Oliver Fröhlich viết như vậy trong luận án tiến sĩ của mình, tài liệu sẽ trở thành sách gối đầu cho những người săn tìm X17.

Nếu hỏi Kurt Stiebing hôm nay, quan điểm của ông còn rõ ràng hơn. “Tôi kinh ngạc vì có người vẫn sử dụng thiết kế bộ phân tích của tôi”, ông nói, ám chỉ thí nghiệm Debrecen. Ngay từ ngày đó ông đã thấy rõ thí nghiệm với positron khó khăn như thế nào. “Có nhiều nguồn lỗi đến phát điên”. Kể cả có lấy số liệu hàng năm, kết quả cũng sẽ vẫn không rõ ràng.

Khó khăn không phải chỉ là việc phân biệt tín hiệu từ một phân rã hiếm hoi của một hạt mới với những cặp electron-positron từ các nguồn khác. Đôi khi những hạt này cũng bay khỏi nhau dưới góc lớn. Trong cơ học lượng tử những sự kiện ít có khả năng xảy ra đôi khi vẫn xảy ra. Cộng vào đó là nhiễu của thế giới vi mô: các hạt từ các phân rã khác, những hạt bật lại từ các va chạm loanh quanh, các hạt từ bức xạ của vũ trụ – tổng cộng lại, chúng là ác mộng của các nhà vật lý thực nghiệm.

Cuối cùng thì nhóm nghiên cứu Hà Lan–Đức đạt đến thoả hiệp, một diễn giải nằm giữa sự lạc quan của de Boer và sự hoài nghi của những nhà nghiên cứu người Đức. Sau đó Fröhlich đi làm ở công ty, Stiebing chuyển sang một hướng nghiên cứu khác. “Tôi không muốn theo đuổi một thứ mà thiết bị hiện có không cho phép tìm ra”, ông nói, nhìn lại thời gian đó. “Tới một thời điểm, tôi bắt đầu chán”.

Luận văn Froehlich

Luận văn tiến sĩ của Oliver Fröhlich vào năm 1995 vẫn còn là một tài liệu ai săn hạt X17 cũng phải đọc.

Ở một khía cạnh khác, những năm 1990 mang đến tin xấu cho nhưng người săn hạt: dị thường Darmstadt biến mất. Các nhà nghiên cứu Mỹ, như các đồng nghiệp Đức trước đó, cũng làm hạt nhân vỡ ra nhưng lại không thấy có positron thừa. Có vẻ là ở thí nghiệm trước người ta đánh giá hơi thấp số lượng hạt positron được tạo ra bằng cơ chế bình thường.

Một bước ngoặt lịch sử diễn ra sau đó: nhiều người chuyển sang các máy gia tốc lớn hơn, nơi các hạt nhân bị đập mạnh đến mức các thành phần nhỏ nhất của chúng cũng có thể nhìn được. Các nhà vật lý hạt nhân trở thành các nhà vật lý hạt cơ bản. Những đo đạc liên quan đến toàn bộ hạt nhân và positron trở nên lỗi mốt, và bị nhiều nhà khoa học nhìn với con mắt dè dặt.

Nhưng Fokke de Boer không nản chí. Ông tiếp tục công bố các bài báo khoa học với các ý tưởng sáng tạo giải thích kết quả thí nghiệm Frankfurt. “Có một cái gì đó ở đây”, ông vẫn nói với đồng nghiệp. Khi chắc chắn là thí nghiệm Frankfurt sẽ không được tiếp tục, mùa xuân năm 2000 ông gọi điện cho Attila Krasznahorkay, lúc ông này đang ở Nhật Bản. Ở Debrecen, thành phố của Krasznahorkay, có một máy gia tốc thích hợp.

Krasznahorkay lúc đó đã có tiếng tăm là một nhà thực nghiệm có năng lực. Lĩnh vực chuyên môn của ông là “cộng hưởng khổng lồ” trong va chạm hạt nhân, một lĩnh vực đã được cày xới từ lâu. Cú điện thoại của de Boer mời chào ông vào một lĩnh vực khác lạ, một cuộc phiêu lưu khoa học. Do đó sau khi suy nghĩ ít lâu Krasznahorkay đồng ý. Một thời gian ngắn sau Kurt Stiebing mang thiết bị đo góc của ông sang Hungary. Cuộc săn lại tiếp tục – với những kết quả đầu tiên đầy hứa hẹn.

Kín đáo và có phần ảm đạm thê lương: phòng đặt máy gia tốc của Viện Vật lý hạt nhân Frankfurt, nơi Fokke de Boer và Kurt Stiebing săn tìm hạt mới.


Hồi 4: Debrecen

Ở Debrecen, đầu tiên Krasznahorkay và de Boer làm việc với hạt nhân nguyên tử oxy. Khi được kích thích đúng cách, hạt này có lúc phát ra một hạt boson. Theo đo đạc thì hạt boson này có khối lượng 9 Megaelectronvolt (MeV), khoảng 18 lần khối lượng electron. Ngoài ra thí nghiệm với berili cho thấy một cái gì đó ở 12 MeV. Hạt mới này như vậy nặng hơn 1.6 MeV, khối lượng de Boer giả định vào những năm 1990, và nhẹ hơn một chút hạt X17 mà theo các số liệu hiện nay phải có khối lượng gần 17 MeV.

Đối với de Boer, công việc ở Debrecen đòi hỏi những cố gắng phi thường. Ông đi đi về về hàng tuần từ Hà Lan, nơi người bạn đời của ông sống cùng với con gái của hai người. Đôi khi ông và người bạn Johan van Klinken lái xe 1600 km. Lúc đó de Boer không có việc làm ổn định, ông kiện viện của ông ở Amsterdam nhưng đơn kiện bị bác.

Tuy nhiên, nhà vật lý Hà Lan cho rằng mình đang đi đúng hướng. Sau khi nghiền ngẫm những kết quả thực nghiệm ở Frankfurt và Debrecen, ông nghĩ rằng có thể giải thích chúng với cả thảy 8 boson mới. Một cuộc tranh cãi nổ ra. Như Kurt Stiebing trước đó, Attila Krasznahorkay nhìn cách de Boer giải thích kết quả thí nghiệm với con mắt phê phán. Theo Krasznahorkay, dữ liệu không đủ để minh chứng cho dù chỉ một hạt – sau đó quan hệ giữa hai người nguội lạnh đi đáng kể.

Dụng cụ nhóm Hungary dùng để dò tìm electron và positron. Các bộ phân tích cho phép đo góc giữa đường bay của hai hạt.

Cuối cùng, các bác sĩ chẩn đoán Fokke de Boer bị ung thư phổi. “Johan, người ta không tin tôi”, ông kêu ca với bạn ông, van Klinken, một năm trước khi chết. De Boer chết năm 2010. Con gái 17 tuổi của ông cho in trên thiệp tang một biểu đồ với tất cả các hạt boson mà ông tin là tồn tại.

Attila Krasznahorkay không đến Amsterdam dự đám tang. Nhưng ông treo một áp phích lớn trong hành lang viện Atomki ở Debrecen để tưởng nhớ “người bạn và người đồng nghiệp không thể nào quên”. Trong một bài báo năm 2015, ông và cộng sự cám ơn de Boer hết mức: “Chúng tôi rất mang ơn ông.”

Rất khó dung hoà lời cám ơn này với những gì nhà khoa học người Hungary nói ngày hôm nay. Nói chung, giờ đây Krasznahorkay không đánh giá cao de Boer. “Ông ta là một người mơ mộng và hành xử rất lạ”, Krasznahorkay nói như vậy.

Nhưng nếu vậy thì tại sao nhóm Krasznahorkay làm việc với nhà khoa học Hà Lan nhiều năm trời và nhiều lần cám ơn ông ta sau khi ông chết? Và tại sao Krasznahorkay vẫn viết báo cáo hội nghị chung với de Boer vào những năm 2006 và 2008, trong đó có giải thích kết quả thực nghiệm ở Debrecen bằng một boson mới?

Tới ngày hôm nay cáo phó của de Boer vẫn treo trong hành lang viện Atomki ở Debrecen. Phía trên bên phải là biểu đồ tất cả các boson mà de Boer đến phút cuối cùng vẫn tin là tồn tại.

Lúc tôi hỏi ông về vấn đề này trong phòng làm việc của ông ở Debrecen, Krasznahorkay trầm ngâm một chút. Sau đó ông trả lời, nhẹ nhàng và hơi có vẻ xấu hổ: “Fokke là một người đáng thương, ai cũng chống lại ông ấy”. Krasznahorkay nói là ông muốn ủng hộ người đồng nghiệp của mình; bản thân ông nhiều khi cũng cảm thấy mình giống một người ngoại đạo.

Ai đã từng gặp người đàn ông Hungary tốt bụng cũng sẽ dễ tin vào lời giải thích của ông. Tuy nhiên có nhiều câu hỏi được đặt ra. Johan van Klinken, người bạn tri kỷ của de Boer, có nhớ lại một giai đoạn mà Krasznahorkay cũng dùng hạt mới để giải thích kết quả thí nghiệm, không phải vì thương de Boer mà vì ông tin như vậy. Vậy có phải Krasznahorkay sau này tìm cách giữ khoảng cách đến người đồng nghiệp gây nhiều tranh cãi của mình cốt là để cứu vãn uy tín cho nhóm nghiên cứu của ông hay không? Krasznahorkay phủ nhận điều này: “Khoảng cách này bao giờ cũng có”.

Ngoài ra còn không rõ tại sao sau khi de Boer chết nhóm của Krasznahorkay không tìm xem thí nghiệm trước đây có gì sai. Trong khoa học việc chữa lại sai sót trong quá khứ được coi là hành động đáng làm. Nhóm của Krasznahorkay bị chỉ trích rất nhiều vì không làm việc này với những đo đạc nhóm ông làm trong những năm 2000. Nhìn lại quá khứ, Krasznahorkay biện hộ cho việc này bằng sự thiếu thời gian: tìm boson chỉ là một công việc phụ, ông phải cấp tốc viết những công trình khác để giữ tiến độ của mình trong khoa học.

Giá sách của Attila Krasznahorkay có đầy đủ các thứ cho cuộc săn X17: sách chuyên môn bằng tiếng Anh và tiếng Hungary, và thậm chí nhiều thiết bị điện tử.

Tất cả những thứ này chắc sẽ đều chẳng quan trọng lắm nếu cuộc săn tìm boson mới kết thúc sau khi de Boer chết. Nhưng cuộc săn vẫn tiếp diễn: Năm 2010 Krasznahorkay và cộng sự lại tiếp tục đo để kiểm tra, loại trừ tất cả kết quả trước đây. Và quả thật là họ không thấy hạt gì ở khối lượng 9 hay 12 MeV nữa. Nhưng họ lại tìm ra một dị thường mới ở 13,5 MeV.

Lúc Krasznahorkay báo cáo về chuyện này ở một hội nghị ở Ý năm 2012, sự quan tâm của cộng đồng quốc tế làm ông ngạc nhiên. Lúc đó các nhà vật lý thế giới đang xem xét khả năng hạt “photon tối” là một thành phần của vật chất tối. Hạt boson mới mà thí nghiệm Hungary bảo là tìm ra có vẻ giống như hạt “photon tối” này.

Những năm tiếp theo các số liệu ở Debrecen trở nên rõ ràng hơn, có thể là do nhóm sử dụng thiết bị mới, nhậy hơn trước nhiều. Nếu như trước đây những cặp electron-positron thừa có ở tất cả mọi góc, thì nay chúng tập trung ở góc 140 độ, như một chỗ lồi trên đồ thị. Và giá trị của khối lượng một lần nữa thay đổi. Thay vì 13,5 MeV thì khối lượng thành 17 MeV – hạt X17 xuất hiện. “Số liệu trước đây đúng, nhưng diễn giải của chúng tôi không hoàn toàn đúng” – Krasnahorkay nói.

Năm 2016 tạp chí Physical Review Letters, tạp chí uy tín nhất trong ngành vật lý, nhận đăng kết quả của Krasznahorkay. Và ngay sau đó một nhóm ở Đại học California ở Irvine đưa ra một diễn giải gây sự chú ý của giới vật lý hạt trên toàn thế giới: X17 có thể là một hạt rất kén chọn, nó chỉ tương tác với các hạt neutron trong hạt nhân, mà hoàn toàn không đoái hoài gì đến các hạt proton.

Làm việc với bộ phân tích.

Trong thế giới vi mô sự “kiêu căng” kiểu đó trước đây đã có: boson Z của tương tác yếu cũng xử sự như vây. “Các lý thuyết hiện nay không tiên đoán hạt gì như X17” – Tim Tait ở nhóm Irvine thừa nhận. “Nhưng thế giới tự nhiên có khi quái lạ hơn từ trước đến nay ta vẫn tưởng”.

Hạt X17 chắc chắn phải kén chọn như vậy, chứ không thì sự tồn tại nó mâu thuẫn với kết quả của các thí nghiệm khác. Trong nhiều năm các nhà vật lý đã tìm các hạt mới bằng những máy gia tốc càng ngày càng lớn.

Năng lượng được giải phóng ra từ các va chạm phải tạo ra hạt X17 nếu hạt này đúng là một hòn gạch tạo nên thế giới. Tuy nhiên hạt X17 không để lại một dấu vết gì, kể cả ở bộ phân tích NA64 ở CERN, rất phù hợp cho việc tìm kiếm này, hay ở phổ kế BESIII ở Trung Quốc.

Điều này không nhất thiết có nghĩa là không có hạt nào như vậy. Một số nhà vật lý cho rằng chỉ có thể tìm ra hạt X17 trong “bãi rác hạt nhân” nếu ta lục lọi bãi rác đó kỹ càng hơn so với ta làm từ trước đến nay. Có thể hạt này có những tính chất chưa biết làm cho nó xuất hiện ở thí nghiệm của Attila Krasznahorkay mà không xuất hiện ở đâu khác.

Máy gia tốc Tandetron ở viện Atomki lấy các hạt nhân nguồn phóng xạ và bắn chúng qua một ống chân không.

Trong vật lý rất hay có trường hợp một bộ phân tích cho những số liệu rất rõ ràng, nhưng những bộ phân tích khác thì không. Hầu hết tất cả những trường hợp này đều do lỗi của thí nghiệm. Phần lớn các chuyên gia đều nghĩ vậy về X17 – do đó họ dè dặt trong việc kiểm tra kết quả.

“Trên thế giới có khoảng 10 phòng thí nghiệm có khả năng làm lại thí nghiệm Atomki”, Andreas Zilges ở Đại học Cologne nói. “Bản thân chúng tôi cũng có thể làm việc đó trong vòng nửa năm ở tầng hầm của Viện”. Tuy nhiên Zilges và các đồng nghiệp không tin là nhà khoa học người Hungary đã tìm được một hiện tượng có thật của tự nhiên – do đó trong một thời gian dài không ai muốn bỏ công sức vào việc này.

Không phải là những người như Zilges có nghi vấn gì về nhóm nghiên cứu từ Đông Âu. Zilges vẫn coi Krasznahorkay và nhóm của ông là một nhóm trung thực và có năng lực. Các chuyên gia khác mà tạp chí “Spektrum” hỏi khi thu thập thông tin cho bài viết này cũng đánh giá đúng như vậy. “Nhưng điều đó không có nghĩa là họ không bao giờ mắc lỗi”, Zilges nói. Đặc biệt là vì thí nghiệm hoàn toàn không đơn giản.

Tới hôm nay Krasznahorkay và nhóm vẫn vật lộn với những vấn đề mà Kurt Stiebing đã gặp phải 25 năm trước: rất khó để lọc ra được dấu vết của một hạt giả định trong một đống tạp âm của thế giới vi mô. Ta không thể tính chính xác mà chỉ có thể đánh giá được có bao nhiêu hạt electron và positron bay ra và các bộ phân tích phản ứng với những hạt này thế nào. Các nhà nghiên cứu dựa vào một phần mềm của CERN tên là GEANT, mỗi mắt xích trong phần mềm này đều quan trọng. Nếu một trong những mắt xích này không khớp với thực tế thì toàn bộ quá trình đánh giá dữ liệu bị sai.

Krasznahorkay nói rằng trong vài năm gần đây ông và nhóm đã bỏ nhiều thời gian để loại trừ nguồn lỗi này và những nguồn khác. Cho tới hôm nay kết quả không thay đổi gì mà ngược lại, dấu vết còn trở nên rõ ràng hơn trước. Cả với hạt nhân heli, electron và positron bay khỏi nhau dưới góc lớn với số lượng nhiều hơn ta chờ đợi, ông báo cáo vào mùa thu năm 2019. Lần này tạp chí Physical Review Letters đòi các tác giả phải sửa chữa cải thiện rất nhiều, và cuối cùng thì từ chối không đăng.

Tấm mỏng này nằm giữa thiết bị đo. Khi các hạt proton bay vào đó, chúng đập vào các hạn nhân riêng lẻ. Các hạn nhân này sau đó rung lên rất mạnh.


Hồi kết: Chấm dứt và khởi đầu

Tuy nhiên những kết quả mới của Krasznahorkay đã kích thích những hoạt động trong việc tìm hạt X17. Ít nhất một phòng thí nghiệm sẽ lặp lại thí nghiệm Debrecen, đó là dự án “New JEDI” ở Orsay, Pháp. Và với thí nghiệm PADME ở Frascati, Ý và “Dark Light Experiment” ở Mỹ, các nhà khoa học trong vài năm tới sẽ tập trung vào tìm photon tối. Các nhóm hy vọng là dấu vết của hạt X17 có thể sẽ hiện ra.

Trong khi đó, cuộc săn tìm boson đã làm cho Attila Krasznahorkay thành nổi tiếng. Ông lên truyền hình Hungary, và cuối năm 2019 thậm chí ông còn được thành phố Debrecen bình chọn thành “Người của năm”. Đỉnh cao của ông là một bải giảng ở Budapest trước hàng trăm học sinh. “Chúng tôi rất khó khăn trong việc tìm người kế tục”, ông thở dài. “Giới trẻ ở đây thích đi làm kinh doanh hơn”.

Trước khi chia tay, nhà khoa học Hungary đẫn tôi một lần nữa qua gian nhà thí nghiệm của viện Atomki. Lúc đó là cuối giờ chiều, tiếng rì rì của máy bơm chân không đã ngừng, một kỹ thuật viên chuẩn bị tắt đèn. Krasznahorkay đứng trước máy đo của nhóm mình và nhẹ nhàng đặt tay lên máy. Ông và nhóm đã kiểm tra hết mọi chỗ chưa? Nhà vật lý to cao bỗng trở nên nghĩ ngợi. “Còn vài thứ nữa chúng tôi sẽ phải kiểm tra”, cuối cùng ông nói. “Về cơ bản, chúng tôi mới chỉ đang ở điểm khởi đầu”.

Máy phổ kế của X17 có thể để lên xe lăn và đẩy từ phòng nọ sang phòng kia.

Và như vậy, cho đến hôm nay, sau hàng chục năm tìm kiếm, vẫn còn hai khả năng. Có thể đúng là có một hạt mới ở nơi chưa ai tìm kiếm thật kỹ. Trong trường hợp này thì Fokke de Boer sẽ trở thành một người anh hùng bi thương của lịch sử, Attila Krasznahorkay có lẽ sẽ được giải Nobel. Và nhiều người sẽ tự hỏi bản thân mình đã từng có thành kiến với nhà vật lý người Hungary hay không.

Nhưng có lẽ khả năng thứ hai dễ xảy ra hơn: nếu không phòng thí nghiệm nào tìm ra X17, nó sẽ chỉ còn là một chú thích bên lề trong lịch sử vật lý hạt. Một lối mòn đánh lừa người đi, nơi các nhà khoa học lạc quan diễn giải các kết quả thực nghiệm hơi quá mức. Trong kịch bản này Attila Krasznahorkay chắc chắn sẽ hiểu là ông đã phạm sai lầm, và sẽ chuyển sang nghiên cứu một vấn đề khác của vật lý hạt nhân. “Tôi không muốn cứ khăng khăng bám vào một thứ và cuối cùng thì đau khổ như Fokke”, ông nói.

Attila trong phòng thí nghiệm

Có thời gian là Attila Krasznahorkay lại vào phòng thí nghiệm. Làm việc với các thiết bị điện tử là niềm đam mê của ông.

Hideki Yukawa: Thơ và khoa học

Thơ và khoa học – viết cho trẻ em

Hideki Yukawa

(Nguyên bản tiếng Nhật lấy từ đây. Cám ơn Doãn Hồng Trang đã giúp dịch.)

Thơ và khoa học trông xa mà gần, trông gần mà xa. Tại sao ta thấy hai thứ này xa nhau? Bởi vì khoa học giống như một người thầy giáo nghiêm khác: ta không thể trả lời thầy qua loa, mà phải cẩn thận làm những thí nghiệm phức tạp, phải giải những bài toán khó. Còn thơ thì giống như một người mẹ hiền: ta có nói gì đi nữa, mẹ lúc nào cũng lắng nghe. Trong thế giới của thơ, hoa nào cũng thơm, quả nào cũng ngọt.

Như dù sao ta vẫn thấy thơ và khoa học gần nhau. Vì sao? Vì xuất phát diểm của chúng là giống nhau. Cả hai đều bắt đầu từ việc nhìn và lắng nghe thiên nhiên. Không có khác nhau nhiều lắm giữa cảm giác khi ta ngửi một bông hoa hồng và ngợi ca vẻ đẹp của nó, và cảm giác lúc ta nghiên cứu hình dạng của bông hoa.

Nhưng làm một bài thơ về hoa hồng và mang kính hiển vi ra soi thì đã rất khác nhau. Khoa học ngày nay tiến bộ rất nhanh và đã chia thành nhiều chuyên ngành nhỏ. Trong phòng thí nghiệm la liệt các thiết bị, trong cuốn sách đầy rẫy những công thức khó hiểu, ta không còn thấy hình bóng của thơ nữa. Nhà khoa học là người đã quên thơ, là người đã đánh mất thơ.

Nếu vậy thì tôi không biết bài thơ một lần bị mất có bao giờ quay trở về thế giới khoa học nữa hay không. Cái ta gọi là thơ là một thứ có tính thất thường. Không nhất thiết là ta sẽ tìm được thơ ở nơi ta cứ đi cặm cụi tìm nó. Đôi khi, ở một góc của phòng thí nghiệm bừa bộn, nhà khoa học lại bất ngờ phát hiện ra một bài thơ. Trong những công thức mà người bình thường không thấy gì hay ho gì, con mắt của người làm chuyên môn lại thấy một hình hài của tự nhiên đẹp hơn cả đoá hoa hồng mà mắt ai cũng nhìn thấy được. Nhưng không phải chỉ các nhà khoa học mới cảm nhận được vẻ đẹp ẩn giấu của tự nhiên. Có thể việc tìm lại vẻ đẹp của tự nhiên trong lòng khoa học là đặc quyền của một số khá ít các học giả xuất sắc. Nhưng một bài thơ, khi đã được một người tìm ra, có thể được chia sẻ cho bao nhiêu người khác cũng được.

Chung quy thì có khi thơ và khoa học không những chỉ cùng xuất phát từ một chỗ, mà còn đến cùng một điểm. Có khi ta thấy chúng xa nhau vì ta chỉ để ý đến quãng đường ta đi giữa chừng. Tôi không rõ nếu cứ đi tiếp, hai con đường có sẽ xích lại gần nhau hay không. Không phải chỉ như vậy, có khi hai con đường còn sẽ giao thoa một cách bất ngờ.


Giới thiệu về tác giả

(trích Tiểu sử các nhà vật lý của Nguyễn Đình Noãn và Trần Ngọc Hải, 2020).

Hideki Yukawa (tên khai sinh là Hideki Ogawa) sinh ngày 23 tháng 1 năm 1907 tại Tokyo, Nhật Bản. Bố mẹ ông đều xuất phát trong những gia đình truyền thống võ sĩ đạo (samurai) của Nhật. Ông là người thứ năm trong bảy anh chị em. Lúc Hideki sinh ra, bố ông, Takuji Okawa, đang làm việc tại Uỷ ban điều tra địa chất ở Tokyo, nhưng lúc Hideki một tuổi ông nhận chức Giáo sư Địa Lí tại Đại học Kyoto và mang cả gia đình về thành phố Kyoto, cố đô của Nhật Bản. Lúc mới 5-6 tuổi Hideki được ông ngoại dạy đọc chữ Hán (kanji) qua các sách Đại học, Luận ngữ và Mạnh Tử. Cách dạy của ông ngoại là ông lấy que chỉ vào từng chữ trong sách, Hideki phải theo ông đọc to thành tiếng từng chữ. Mặc dù lúc đó Hideki không hiểu tí nào ý nghĩa của những thứ ông ngoại dạy mình đọc, những bài tập đọc này giúp cho ông đọc được sách sớm hơn các bạn cùng tuổi.

Những năm đầu học phổ thông ông không có vẻ không có thiên hướng gì về vật lý mà lại say mê văn học hơn là khoa học. Nhưng ở trường trung học, ông bắt đầu làm quen với vật lý hiện đại (thuyết tương đối và cơ học lượng tử) qua những cuốn sách trong thư viện của trường và bị môn này lôi cuốn. Năm 1926 Hideki Ogawa trúng tuyển vào khoa Vật Lí trường Đại học Kyoto. Một người bạn học cùng phổ thông trung học với ông, Shin-Ichiro Tomonaga, cũng trúng tuyển vào trường này. Trong thời gian học đại học hai người bạn giúp đỡ nhau học. Sau khi tốt nghiệp, cả hai người đều ở lại trường làm trợ giảng trong vài năm. Năm 1932 Hideki Ogawa thành giảng viên ở Kyoto, còn bạn ông, Tomonaga, chuyển về Tokyo. Cũng vào năm 1932 Hideki cưới vợ. Vợ ông, Sumi Yukawa, là một nghệ sĩ múa. Gia đình vợ ông không có con trai, theo truyền thống của Nhật, bố mẹ vợ ông nhận ông làm con nuôi và từ đó ông mang họ của nhà vợ, Yukawa.

Những năm Hideki Yukawa bắt đầu đi làm là lúc Cơ học lượng tử đã định hình và các nhà vật lý bắt đầu quan tâm đến một vấn đề mới: cấu trúc của hạt nhân nguyên tử. Lúc đó người ta biết một hạt nhân có thể biến thành hạt nhân khác qua phân rã alpha hoặc phân rã beta, hoặc qua phản ứng hạt nhân, nhưng người ta vẫn chưa biết hạt nhân cấu tạo từ những hạt gì. Tới năm 1931 người ta vẫn nghĩ rằng hạt nhân được cấu thành từ hạt proton (hạt nhân nguyên tử hidro) và electron. Chỉ tới năm 1932, sau khi Chadwick phát hiện ra hạt neutron, nhà vật lý Đức Heisenberg và nhà vật lí Nga Ivanenko mới đưa ra giả thuyết rằng hạt nhân được cấu tạo từ hạt proton và hạt neutron. Câu hỏi là lực nào gắn các hạt proton và neutron lại với nhau? Lúc đó người ta đã biết lực điện từ là lực giữa các hạt mang điện tích và lực này có thể được giải thích như sự trao đổi hạt photon giữa các hạt mang điện. Người ta cũng biết tương tác yếu gây ra phân rã beta của một số hạt nhân. Nhưng lực gắn các hạt proton và neutron trong hạt nhân có vẻ lớn hơn nhiều và không thể quy vào hai tương tác trên.

Cũng như các nhà vật lý ở châu Âu, Yukawa suy nghĩ nhiều năm về vấn đề này. Lời giải cho câu đố về bản chất của lực hạt nhân đến với Yukawa vào một buổi tối cuối tháng 10 năm 1934: lực hạt nhân phải được mang bằng một hạt mới. Nếu hạt này có khối lượng, ta có thể giải thích được tại sao lực hạt nhân lại chỉ tác dụng trong một bán kính rất nhỏ. Nói đơn giản ra, ý tưởng của Yukawa như sau. Một hạt có khối lượng m mang năng lượng E = mc2, trong đó c là vận tốc ánh sáng. Nếu không có đủ năng lượng E ta sẽ không thể sinh ra hạt này, nhưng theo cơ học lượng tử, hạt này có thể sinh ra rồi lại biến đi trong một khoảng thời gian ngắn, độ dài của khoảng thời gian này là h/E, trong đó h là hằng số Planck (theo hệ thức bất định Heisenberg). Do vận tốc ánh sáng c là vận tốc tối đa, trong khoảng thời gian này quãng đường tối đa hạt này có thể chuyển động được là (h/E)c = h/mc. Biết rằng lực hạt nhân có bán kính tác dụng là khoảng 1 femtomet (10-15 m), Yukawa tính ra là hạt này phải có khối lượng lớn hơn khối lượng electron 200 lần. Yukawa công bố phát kiến của mình trong bài báo “Tương tác của các hạt cơ bản”, in năm 1935.

Việc Yukawa chỉ dùng kiến thức về bán kính tương tác của lực hạt nhân mà đưa ra giả thuyết về một hạt mới chưa từng được tìm ra là một bước nhảy mang tính cách mạng cho vật lý thời đó. Lúc đó các nhà vật lý hết sức dè dặt trong việc đưa ra các giả thuyết về các hạt mới. Trước Yukawa chỉ có hai người đã làm việc này: Pauli đưa ra giả thuyết về hạt neutrino năm 1930, và Dirac đưa ra giả thuyết về hạt positron (phản hạt của electron) năm 1931. Việc tìm tòi hạt mang lực hạt nhân (nay ta gọi là hạt pion, kí hiệu là π) ban đầu không đưa đến kết quả. Năm 1937 một hạt có khối lượng khoảng 200 lần khối lượng electron được tìm ra trong tia vũ trụ, nhưng người ta nhanh chóng xác định rằng nó không thể là hạt mà Yukawa đưa ra, vì nó tương tác rất yếu với proton và neutron. Hạt này nay ta gọi là hạt muon (ký hiệu là μ). Chỉ đến năm 1947 hạt pion mới được tìm ra trong tia vũ trụ. Năm 1949 ông trở thành người Nhật Bản đầu tiên được giải thưởng Nobel. Bạn học của ông, Shin-Ichiro Tomonaga, được giải Nobel về Vật lý năm 1965, và là người Nhật Bản thứ hai được giải thưởng này.

Từ năm 1948 đến năm 1949, Hideki Yukawa là Giáo sư mời tại Viện nghiên cứu cao cấp tại Đại học Princeton và năm 1949 ông trở thành Giáo sư Vật lý tại Đại học Colombia. Năm 1953, để lôi kéo ông về lại Nhật Bản, chính phủ Nhật Bản thành lập Viện Nghiên cứu Vật lí cơ bản tại Đại học Kyoto và mời ông về làm giám đốc đầu tiên của Viện này. Viện này nay mang tên Viện Vật lý lí thuyết Yukawa và là một trong những viện nghiên cứu hàng đầu của Nhật Bản về vật lý. Ông cũng là người sáng lập ra tạp chí “Progress of Theoretical Physics” (Những thành tựu của Vật lí lí thuyết). Ông cũng là một trong những người ký tên vào tuyên ngôn Russell-Einstein kêu gọi giải trừ vũ khí hạt nhân.

Hideki Yukawa là một người đọc rộng và chịu ảnh hưởng của văn hoá cả phương Đông lẫn phương Tây. Năm 1966 khi ông đưa ra ý tưởng về một không-thời gian gián đoạn, ông liên hệ ý tưởng này với một câu văn của Lý Bạch: “Trời đất là quán trọ của muôn vật; thời gian là khách ghé của trăm đời”. Ngoài những bài báo khoa học, ông còn để lại nhiều tác phẩm khác, trong đó có cuốn sách “Tabibito” (Người lữ hành), viết về cuộc đời của bản thân mình từ nhỏ đến năm 1935, lúc ông hoàn thành xong bài báo sau này đã mang lại giải Nobel cho ông. Kết thúc cuốn sách, ông viết về cảm xúc của mình sau khi khám phá ra bản chất của lực hạt nhân:

Tôi cảm thấy mình như một người lữ hành ngồi nghỉ trong một quán nước nhỏ trên đỉnh núi. Lúc đó tôi không suy nghĩ là đằng trước tôi còn có ngọn núi nào nữa không.

Tính nhẩm

Bài tập: Ở một nước trong một đợt dịch số người nhiễm virus tăng lên gấp 10 lần sau 10 ngày. Không dùng máy tính, hãy tính xem mỗi ngày số người nhiễm tăng lên thêm bao nhiêu phần trăm.

Lời giải:

Ta phải tính nhẩm căn bậc 10 của 10, tức là 101/10. Một trong những phương pháp tính nhẩm như sau. Ai cũng biết một kilobit gần bằng 1000 bit:

2^{10} = 1024 \approx 10^3

Như vậy

10^{1/10} \approx 2^{1/3}

Để tính 21/3 ta có thể dùng mẹo sau:

\displaystyle{2^{1/3} = \left( \displaystyle{\frac{2^{10}}{2^9}} \right)^{1/3} \approx   \left( \frac{10^3}{2^9} \right)^{1/3} = \frac{10}{2^3} = \frac54 = 1.25}

Như vậy xấp xỉ một ngày số ca nhiễm tăng 25%.

Để tính toán chính xác hơn ta có thể nhận xét là 2 không hoàn toàn bằng 1.253. Ta có thể phân tích

\displaystyle{2 =\frac54\cdot \frac54\cdot \frac{32}{25} = 1.25 \cdot 1.25 \cdot 1.28}

từ đó suy ra

10 = 2^3 \cdot \displaystyle{\frac54} = (1.25^2 \cdot 1.28)^3 \cdot 1.25 =   1.25^7\cdot 1.28^3

nghĩa là số 101/10 là trung bình nhân của 10 số, trong đó có 7 số bằng 1.25 và 3 số bằng 1.28. Trong trường hợp các số gần nhau như vậy thì trung bình nhân gần bằng trung bình cộng, tức là

10^{1/10} \approx \displaystyle{\frac1{10}} (7\cdot 1.25 + 3\cdot 1.28) \approx 1.259

Như vậy chính xác hơn nữa là tốc độ tăng là 25.9% một ngày. Dùng máy tính ta có thể thấy tính toán này rất chính xác: 101/10 ≈ 1.258925…

Tương tự, ta có thể tính căn bậc 3 của 2:

2^{1/3} \approx \displaystyle{\frac13}(1.25+1.25+1.28) = 1.26

Giá trị này cũng rất gần với giá trị thực 1.259921…

Tuổi chó, tuổi người

Trong dân gian, người ta hay nói: một tuổi chó bằng 7 tuổi người. Một con chó 8 tuổi như vậy sẽ già bằng một người 8×7=56 tuổi. Tuy nhiên gần đây các nhà khoa học, bằng cách nghiên cứu những biến đổi của ADN do quá trình lão hoá gây ra, đã tìm được một công thức chính xác hơn

tuổi_người = 16 ln(tuổi_chó) + 31

trong đó tuổi người và tuổi chó đều đo bằng năm, và ln là logarit tự nhiên.

age conversion

Vì 16 ln(2)≈11, nếu tuổi chó tăng gấp đôi thì tuổi người tăng thêm 11.

Chó 1 tuổi già bằng người 31 tuổi
Chó 2 tuổi già bằng người 42 tuổi
Chó 4 tuổi già bằng người 53 tuổi
Chó 8 tuổi già bằng người 64 tuổi
Chó 16 tuổi già bằng người 75 tuổi

Ta thấy quá trình già đi của chó càng ngày càng chậm lại so với người. Bài báo chỉ nghiên cứu các con chó từ 16 tuổi trở xuống, nhưng nếu ta ngoại suy công thức này thì ta sẽ có:

Chó 32 tuổi già bằng người 86 tuổi
Chó 64 tuổi già bằng người 97 tuổi
Chó 128 tuổi già bằng người 108 tuổi
Chó 256 tuổi già bằng người 119 tuổi….

Nếu vậy thì tuổi thọ con người không thể kéo dài quá 405 (=31+11×34) tuổi, vì tuổi chó tương đương sẽ là 234 = 17 tỷ tuổi, lớn hơn tuổi của vũ trụ! 😀

Bài báo gốc: T. Wang et al., Quantitative translation of dog-to-human aging by conserved remodeling of epigenetic networks, https://doi.org/10.1101/829192

A problem by Sakharov

Andrei Sakharov (1921-1989) was a Soviet physicist. He is well known (among other things) for his work on the origin of baryon asymmetry in the Universe, his contributions to the Soviet hydrogen bomb program, and his political activism.

Here is one of his math problems.

A pizza his cut by straight lines into small pieces. The number of lines is very large and the cuts are drawn completely randomly. Most of the pizza pieces are then polygons with straight edges, with varying number of vertices.

Pizza

Pizza

Question 1: What is the average number of vertices of a pizza piece?

Question 2: Let S be the average area and p be the average perimeter of a pizza piece. What is the value of S/p2?

(In the original version, the pizza is replaced by a slice of cabbage. It is said that Sakharov made up this problem while he was cutting cabbage to help his wife with pirogi making.)

Source: Сахаровский сборник, изд. Хроника, Нью-Йорк, 1981, с. 140.