Enrico Fermi - nhà tiên tri của nền vật lý

Từ khi còn trẻ Enrico Fermi đã nổi tiếng với vốn kiến thức uyên bác. Ảnh: Atomic Heritage Foundation.

Có không ít nhà vật lí của thế kỉ 20 giàu trí tưởng tượng hơn Enrico Fermi, một vài người có tư duy sâu sắc hơn, và một vài người có năng khiếu toán học hơn. Nhưng Fermi, với khả năng xuất chúng trong việc nhìn ra bản chất cốt lõi của mọi câu hỏi vật lí, là nhà giải quyết vấn đề vĩ đại nhất. Ông cũng là cá nhân với tới những tầm cao nhất của ngành này trong cả cương vị một lí thuyết gia lẫn một nhà thực nghiệm.

Phản ứng của ông đối với vụ nổ bom nguyên tử đầu tiên đã thể hiện những đức tính này. Fermi chịu trách nhiệm không kém, hay có lẽ còn hơn bất cứ cá nhân nào, cho những khái niệm vật lí dẫn đến việc chế tạo quả bom tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos ở New Mexico, trung tâm nghiên cứu và thiết kế của chương trình phát triển vũ khí hạt nhân, mật danh “Dự án Manhattan”.

Ông cũng có vai trò chủ chốt trong quá trình thiết kế chế tạo thực tế quả bom. Nhiều người ở Los Alamos coi ông là một nhà tiên tri, có thể xin lời khuyên về bất kì vấn đề vướng mắc nào trong lí thuyết, thực nghiệm hoặc đánh giá số học. Thế nhưng người ta không hề ghi lại được một câu nào ông thốt ra khi vụ nổ thử nghiệm xảy ra vào ngày 16 tháng 7 năm 1945. Tuy nhiên lại có một câu chuyện hoàn toàn khác.

Sách Những nhà khoa học tiên phong mang đến cho bạn đọc nhiều câu chuyện thú vị về lịch sử của các phát minh vĩ đại. Ảnh: K.Đ.

Phản ứng tức thời của J. Robert Oppenheimer, giám đốc kĩ thuật của Dự án Manhattan, đối với sự kiện nói trên là phản ứng được nhiều người biết đến nhất. Khi trông thấy vụ nổ thắp sáng cả bầu trời, trong ông đã bật ra một câu trích từ kinh Hindu Bhagavad Gita, trong đó thần Vishnu tuyên bố với Hoàng tử rằng: “Nay ta trở thành Thần Chết, kẻ phá hủy các thế giới”. Kém văn hoa hơn hẳn, người phụ trách vụ thử nghiệm là Kenneth Bainbridge lại chỉ nói đơn giản rằng: “Giờ thì tất cả chúng ta đều là lũ khốn”.

Trong khi những người khác có mặt ở hiện trường đang cố gắng xác định phản ứng của mình, từ sợ hãi đến tự hào về thành tựu đạt được, người ta thấy con người luôn tỏ ra thực tế là Fermi lại xé nhỏ một tờ giấy thành nhiều mảnh, hòng tìm một cách nhanh chóng và đơn giản để tính toán tác động của vụ nổ.

Sau khoảng 40 giây, ông tung đống giấy lên không trung, đúng vào lúc sóng xung kích của vụ nổ lan tới chỗ ông đứng. Ông bình tĩnh quan sát xem những mẩu giấy đó bay đi bao xa, rồi đối chiếu với một biểu đồ đơn giản mình đã chuẩn bị từ trước, lấy ra chiếc thước loga và thông báo với mọi người ước tính của mình về quy mô của vụ nổ.

Như thường lệ, những đo đạc chi tiết sau này đã cho thấy tính toán đơn giản của Fermi gần với kết quả chính xác tới mức đáng kinh ngạc. Fermi vốn có khả năng huyền thoại trong việc ước lượng độ lớn của mọi hiện tượng vật lý, và lần này cũng không là ngoại lệ.

Fermi sinh ngày 29 tháng 9 năm 1901 tại Rome và lớn lên trong một gia đình bình thường. Cha ông là nhân viên ngành đường sắt quốc gia còn mẹ là một giáo viên. Năng khiếu đặc biệt của ông đã nhanh chóng được phát hiện và ông được trao học bổng đại học tại ngôi trường hàng đầu của Italy là Scuola Normale Superiore ở Pisa.

Ở đây, ông nhanh chóng nổi bật không chỉ so với tất cả sinh viên khác, mà còn vượt qua cả giáo viên, trong hoàn cảnh của Italy khi đó khá lạc hậu trong lĩnh vực vật lý.

Điều này có nghĩa là Fermi về cơ bản là tự học, tự phát triển một phong cách của riêng mình tập trung vào việc lột trần một vấn đề cho đến cốt lõi của nó rồi tìm kiếm một giải pháp đơn giản. Phong cách này đối lập hoàn toàn với trường phái nghiên cứu của Đức khi đó đang chiếm ưu thế, vốn dựa nhiều vào phân tích toán học.

Sau khi tốt nghiệp, Fermi nhanh chóng giải quyết một số vấn đề quan trọng trong vật lý lý thuyết, bao gồm cách tiếp cận cơ học thống kê là thứ gắn liền với những ý tưởng mới về cơ học lượng tử. Trong khi làm việc đó, ông thu hút sự chú ý của Orso Corbino.

Đó là một vị giáo sư vật lý lớn tuổi và được kính trọng ở Rome, người vẫn đang mơ tưởng về việc xây dựng một viện nghiên cứu vật lý hàng đầu và đang tìm người thích hợp để điều hành nó. Con người có vị thế về chính trị là Corbino đã thấy ở Fermi khả năng thực hiện ước vọng của mình và giúp ông giành được một chỗ đứng trong ngành vật lý lý thuyết ở Rome ở tuổi 26, một tiền lệ chưa từng có ở Italy.

Fermi vượt xa mọi mong đợi hoang đường nhất của Corbino, thu hút nhiều vị khách từ khắp châu Âu đến làm việc với ông và phát triển nhiều tài năng trẻ của Italy. Ở tầm cá nhân, đóng góp nổi tiếng nhất của Fermi đối với vật lý lý thuyết chính là việc đưa ra cái gọi là thuyết tương tác yếu vào năm 1934.

Trong nhiều năm, người ta đã biết rằng quá trình phân rã hạt nhân trong đó một electron bị giải phóng có vẻ vi phạm định luật bảo toàn năng lượng, đây là một câu đố lớn vì định luật này được coi là nền tảng của vật lý. Niels Bohr từng gợi ý rằng định luật bảo toàn có lẽ không phải là tuyệt đối.

Ngược lại, Wolfgang Pauli lại giữ vững quan điểm rằng nó là tuyệt đối và rằng phần năng lượng thiếu hụt được một hạt mang đi mất mà không bị phát hiện ra. Nhưng bằng cách nào? Vào năm 1934, Fermi đã chỉ ra một cách để hiện tượng này có thể xảy ra. Gọi hạt của Pauli là neutrino, ông phỏng đoán sự tồn tại của một loại tương tác cơ bản mới, cho phép một neutron phân rã thành một proton, một electron và một neutrino.

Ông cho thấy dạng thức mà tương tác này có thể có, dự đoán độ lớn và khám phá các hệ quả của nó. Vào thời mà hai lực duy nhất được biết tới là lực hấp dẫn và lực điện từ, đây là một khái niệm mang tính cách mạng; kể từ đó đến nay nó đã được coi là một bước ngoặt của ngành vật lý.

Trong khi tiếp tục làm việc như một nhà vật lý lí thuyết, Fermi cũng đồng thời giúp xây dựng một đội ngũ gắn bó chặt chẽ gồm các nhà vật lý thực nghiệm, hầu hết sau này đều có sự nghiệp vẻ vang của riêng mình.

Nhóm cơ cấu ban đầu gồm có Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Franco Rasetti và Emilio Segrè, tham gia vào công cuộc thí nghiệm có lẽ là quan trọng nhất của Fermi.

Cho đến đầu những năm 1930, sử dụng một kĩ thuật do Ernest Rutherford mở đầu, quá trình chia tách các mục tiêu hạt nhân luôn đạt được chủ yếu thông qua việc dùng các tia alpha (tức là các hạt nhân heli) thu được từ quá trình phân rã phóng xạ để bắn phá mục tiêu. Nhưng khám phá của James Chadwick về hạt neutron ở Cambridge vào năm 1932 đồng nghĩa với việc một loại đạn mới đã xuất hiện.

Việc tập trung một tia neutron quả thực khó khăn hơn, nhưng tính trung hòa về điện của nó khiến các neutron không bị đẩy ra khi bắn phá một hạt nhân và vì thế dễ trúng mục tiêu hơn. Ngoài ra, Fermi giờ đã có một nhận thức quan trọng. Người ta dự kiến rằng khả năng chuyển đổi hạt nhân sẽ tăng lên khi năng lượng của đợt bắn neutron tăng lên, nhưng ông đã nhận ra rằng sự thật là ngược lại.

Các neutron bay đến càng chậm, chúng càng mất nhiều thời gian để đi qua mục tiêu và khả năng tương tác giữa chúng càng tăng. Hệ thống mới này dẫn đến một loạt những khám phá rất quan trọng, bao gồm sự phân hạch hạt nhân vào năm 1938, một số là do nhóm của ông khám phá ra và một số là do những người khác.

Fermi được trao giải Nobel Vật lí năm 1938 cho công trình nghiên cứu của mình và đi thẳng từ Thụy Sĩ đến Mỹ, một lựa chọn sáng suốt vì vợ ông là người Do Thái, còn Italy dưới quyền Mussolini vừa thông qua một loạt điều luật hà khắc về chủng tộc.

Việc Fermi ra đi đánh dấu sự chấm dứt của kỉ nguyên vật lí tại Italy, nhưng ngành khoa học này đã đi vào dòng chảy chính của nước này và sẽ tiếp tục duy trì vị thế đó bất chấp sự thiếu vắng nhà nghiên cứu vĩ đại nhất của nó.

Nghiên cứu của Fermi về neutron tiếp tục ở quê hương mới, dù ngày càng hướng đến mục đích quân sự. Ông đứng đầu việc xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên, tại trường Đại học Chicago vào năm 1942, và có mặt trong buồng kiểm soát khi đến điểm tới hạn, điểm mà tại đó một lò phản ứng có thể tự duy trì chuỗi phản ứng phân hạch.

Sau đó ông chuyển hoạt động sang Los Alamos, nhưng vào cuối cuộc chiến tranh ông trở lại trường Đại học Chicago và trở thành người điều hành lĩnh vực mới nổi là vật lí năng lượng cao, đồng thời với tay sang những lĩnh vực khác như vật lí thiên văn. Vẫn duy trì thói quen làm việc như một nhà vật lí lí thuyết vừa như một nhà thực nghiệm, ông tiếp tục sự nghiệp huyền thoại của mình, thu hút nhiều nhà vật lí trẻ thuộc hàng xuất chúng nhất nước Mỹ tới Chicago.

Vào năm 1954, trong khi đang ở đỉnh cao sự nghiệp, Fermi bị chẩn đoán mắc bệnh ung thư dạ dày và qua đời không lâu sau khi cuộc phẫu thuật thăm dò cho thấy khối u đã di căn. Toàn thế giới tiếc thương ông: Cơ sở năng lượng cao lớn nhất nước Mỹ được đặt tên là Phòng thí nghiệm Quốc gia Fermi. Cụ thể hơn nữa, mọi loại hạt cơ bản có vòng quay bán nguyên (một thuộc tính bên trong), bao gồm neutron, proton, electron và neutrino, đều được gọi theo tên ông: hạt fermion.

Andrew Robinson/NXB Kim Đồng