Sách » Khoa Học » Kỷ yếu Max Planck

Dòng sông bao la

Tôi chỉ thật sự thích vật lý vào năm thi bằng cử nhân. Hai năm đầu trên băng ghế một giảng đường chứa hơn bốn trăm sinh viên dự bị lý hoá, tôi học thì có học, hiểu thì cũng tạm hiểu – phải vào thư viện tìm sách đọc thêm – làm bài tập và vào phòng thực nghiệm cũng khá đều đặn. Sinh viên du học với học bổng bị đè trên vai một thứ bổn phận nặng hơn bình thường. Trước mặt ông tuỳ viên văn hoá ở toà đại sứ Pháp, tôi cũng như các bạn cùng trường hợp phải nghe thêm một câu mà dặn dò thì ít, đe doạ nhiều hơn : nếu thi hỏng hai năm liền sẽ bị cúp học bổng và ‘‘cho về nước’’. Thời ấy, tôi còn nhiều hiếu thắng của tuổi trẻ, không muốn bị ai ‘‘cho về nước’’, tự nhủ sẽ chính mình quyết định một khi học xong như đã hứa với mẹ, một người mẹ đau lòng để đứa con độc nhất đi xa vạn dặm. 

Bản tính thích xã hội văn chương hơn khoa học nhưng tôi vẫn theo ban toán thời trung học, do bạn bè thân đều chọn ban này. Một cách khác, tôi quí bạn nên đi theo. Cũng nhờ bạn mà thời đầu khi sang xứ người tôi dần dần vượt qua những khó khăn ngôn ngữ và thiếu sót kiến thức khoa học, so với đa số bạn bè tây đầm cùng lớp ở đất mới này. Và cũng do bạn, nhờ thầy, tôi bắt đầu yêu khoa học nói chung, vật lý nói riêng. 

Tôi đã may mắn có được một người bạn Pháp tử tế thông minh nhận làm bạn đồng song trong giờ làm thực nghiệm. Tử tế, không bao giờ anh ta tỏ vẻ khó chịu trước trăm câu hỏi của tôi, nhiều câu chẳng liên quan gì đến thí nghiệm đang thực tập. Lại còn giảng giải thêm y như một người anh cả trước cô em út trong nhà, dù chỉ hơn tôi một tuổi. Dĩ nhiên tầm vóc cao lớn và ngôn ngữ cho anh ta sự vững vàng ấy trước một cô sinh viên ngoại quốc bé nhỏ, ngỡ ngàng. Thông minh, anh ta không học gạo mà biết cách chỉ giữ trong đầu những điểm chính yếu. Tôi từng cười chế : ‘‘Moa’’ bảo ‘‘toa’’ khôn, chẳng phải qua cái gì lớn lao mà chỉ vì ‘‘toa’’ biết hết nhược điểm của ‘‘moa’’. 

Buổi trưa đầu tháng sáu trên đồi cỏ khuôn viên đại học, bọn chúng tôi ngồi ôn bài thi cuối năm thứ hai dự bị. Nhìn các nhành hoa dại phởn phơ hứng nắng sau suốt một mùa đông giá và những ngày xuân mưa phùn ủ ê, tôi nhớ nắng quê nhà hơn bao giờ, rồi lại lo ra. Quay sang nói với cô bạn đầm khá thân và anh ta rằng tôi không biết năm sau ra sao, nếu thi đậu tôi sẽ tiếp tục học cử nhân hay xin đổi sang học dược như một số bạn người Việt đã làm. Họ cho rằng theo ngành ấy chỉ cần giỏi học thuộc lòng, và như mẹ tôi gửi thư sang nhắn nhủ : Liệu con thích nghề kỹ sư không ? dược sĩ hợp hơn với phụ nữ. Cứ tưởng than thở vậy cho vui, không ngờ anh bạn trợn mắt ngó tôi và phán : ‘‘Toa tưởng mình có nhiều trí nhớ lắm sao !’’ 

Ngày kết quả vừa niêm yết, tôi khuân đi trả anh ta mấy cuốn sách đã mượn và từ giã nhau cho một cuộc nghỉ hè háo hức. Trong niềm vui chắc chắn sẽ được chính phủ Pháp cấp vé may bay cho về thăm gia đình bè bạn, hồn tôi bay bổng, nhưng anh kéo tôi về thực tại với một giọng già dặn : ‘‘Có bao giờ khi ngồi học, toa nghĩ đến quá trình, chuyển biến của các phát minh khoa học, đến những lập luận dẫn tới các phát minh ấy, nhất là về vật lý không ? Hay toa chỉ biết cho vào đầu những kết quả của chúng bằng cách ghi nhớ phương trình công thức mà thôi ?’’ Mới nghe câu hỏi, tôi tưởng anh ta chê hay trách móc, giương mắt nhìn thẳng vào bạn mình. Nhưng anh không để ý đến nét mặt người đối diện cũng chẳng đợi tôi trả lời, đã nói luôn rằng đấy là điều anh ta tự đặt ra để hỏi chính mình từ một thời gian nay. 

Tiếc là người bạn tốt ấy không tiếp tục ngồi trên băng ghế giảng đường cùng tôi, tựu trường niên học mới tôi được chọn vào trường kỹ sư, còn anh ta đổi đi thành phố khác. Nhưng những trao đổi với anh làm tôi suy ngẫm và mở đường, trước nhất cho sự tiếp cận với vật lý, rồi sau đó đi theo ngành nghiên cứu của mình. Học để hiểu đại khái hiện tượng khoa học và thuộc công thức, biết cách áp dụng chúng chỉ là để thi đậu lên lớp. Nhưng muốn yêu cái mình học thì bạn tôi bảo phải có óc tò mò, tìm hiểu ngọn ngành mới thấy thích thú. 

Sau năm cử nhân, sinh viên lớp maîtrise (một năm sau cử nhân, theo học trình nước Pháp thời ấy) chúng tôi học vật lý với một ông thầy vốn là nhà khoa học tài danh nhưng không nổi tiếng như một người thầy giỏi. Sinh viên chới với sau những giờ dạy của ông, tất cả đều phải chạy vào thư viện tìm sách đọc thêm hay đợi đến những buổi làm bài tập với giảng viên. Không viết dàn bài trên bảng đã đành – sinh viên ở trình độ này hẳn khỏi cần – ông lại ít khi ghi rõ các công thức, phương trình, thảng hoặc ông có viết gì trên ấy thì chữ nhỏ li ti. Ông luôn bước vào lớp với một chồng sách nặng khệ nệ trĩu hai cánh tay, rồi vừa nói thao thao vừa giở một số trang ra chỉ cho chúng tôi những hình ảnh. Khi thì hình các thí nghiệm, khi hình các cấu trúc vật thể, lúc đường biến thiên giữa hai thông số, hoặc chân dung vài nhà bác học. Hàng ghế đầu cách ông ít nhất hai thước, bọn học trò nào thấy gì. Chúng tôi có kêu lên thì ông gục gặc đầu xin lỗi, xích lại gần một tí, nhưng rồi buổi giảng sau vẫn vậy. Suốt năm chúng tôi ngao ngán, tuy thế tính ông rất dễ thương. Nhiều lần vừa vào lớp, đặt chồng sách xuống ông xoa tay, ngước mắt nhìn đám sinh viên : - Các anh chị có cần hỏi gì không ? Tất cả im lìm. Ông gật gù : - Như thế tôi có hai kết luận, một là các anh chị lười chưa xem lại cua lần trước, hai là tôi giảng quá rõ ràng. Chúng tôi chỉ nháy mắt ngó nhau. Nghĩ lại, mấy mươi năm trước, sinh viên tây cũng còn sợ thầy ra gì, dù buổi ấy có nhiều đứa đã rất nhiệt tình trong cách mạng tháng năm 68. 

Không ngờ, chính tôi lại là người nói với ông sự thật. Vào kỳ vấn đáp, tôi bốc nhằm một đề tài mà tôi nhớ rõ là bữa ông dạy xong, đi ra khỏi giảng đường chúng tôi cùng nhìn nhau lắc đầu. Nó lại nằm trong những cua cuối của niên khoá. Khi ôn thi, chẳng còn thời giờ nên tôi đành bỏ qua. Lúc đến phiên tôi lên bảng, ông hỏi ngay : - Sao không thấy cô sửa soạn câu trả lời ? Tôi cúi đầu ngượng ngập : - Khi ông giảng về đề tài này, bữa đó, tôi không hiểu gì cả. Ông rất ngạc nhiên : - Thế mấy người trong lớp thì sao ? Tôi đành đáp : - Tôi không biết chính xác, nhưng những bạn tôi quen đều vậy. Ông thở dài bảo : - Thôi, cô cứ chọn chương nào cô hiểu. Khi tôi mở cửa bước ra, ông dặn theo : - Bữa nào đến văn phòng gặp tôi. 

Trong khi chờ đợi kết quả chứng chỉ vật lý ấy, tôi vừa thấp thỏm vừa e ngại không hiểu ông thầy muốn nói gì với mình. Cuối cùng, sau hôm gặp ông tôi đã thích thú khám phá ra một người thầy lạ lùng, ngoài tưởng tượng. Cứ ngỡ ông sẽ quay lại với đề tài mà tôi bị bí bữa thi vấn đáp hay hỏi thêm về cách giảng bài của ông trong lớp. Nhưng không, chỉ sau vài trao đổi thông thường, bỗng nhiên cao hứng, ông vui thú nói về con đường đi đến với khoa học, với vật lý. Từ những suy ngẫm mang tính triết lý khoa học ông tung mình vào những định luật chế ngự không gian vũ trụ rồi rớt xuống đời sống con người trên trái đất. Rồi cũng từ con người ông trở lại với vật lý. Bước khỏi văn phòng ông, tôi bật cười một mình, thấy cái lỗ đen hôm thi vấn đáp vẫn tối mịt mùng, nhưng có một thúc đẩy nhóm lên khiến tôi quyết định phải dành thời gian vẽ lại/ngẫm lại con đường đã qua để xem mình đã học/tiếp cận với vật lý như thế nào. 

Tôi đã làm việc ấy sau tháng hè về thăm quê nhà rồi trở sang Pháp. Nhưng điều làm tôi thích thú không phải là con đường tôi đi – dĩ nhiên thôi – mà là biến chuyển nhanh chóng của vật lý từ cuối thế kỷ XIX trở về đây. Nó toả ra sức hấp dụ lạ lùng khi tôi ngồi lại làm một đúc kết tổng hợp cho mình về quá trình suy luận và khám phá của một số khoa học gia. Vào thời điểm ấy, khi đa số các nhà vật lý cho rằng họ đã hiểu hết về vật thể, hay nếu không, chỉ còn thiếu vài chi tiết mà thôi, thì bỗng nhiên năm 1900 Max Planck trong cuộc nghiên cứu hoàn toàn lý thuyết đã khám phá ra điều cốt lõi của khoa học lượng tử : năng lượng không phát ra một cách liên tục (mang tính chất sóng) như vật lý cổ điển đã quan niệm. Nói một cách khác, ông cho rằng năng lượng bức xạ là những chùm hạt ‘‘quanta’’ (số nhiều của ‘‘quantum’’). Ở thời thượng cổ Hy Lạp, nguyên tử được xem là một đơn vị nhỏ nhất bất- khả-phân (từ chữ Hy Lạp ‘‘atomos’’), nhưng đến cuối thế kỷ XIX, những thí nghiệm của Ernest Rutherfordcho thấy nguyên tử là một kết hợp giữa các proton và electron. Quantum của Max Planck giờ mới là đơn vị nhỏ nhất bất-khả-phân ấy. Phát hiện về sự nguyên-lượng-hoá các trao đổi năng lượng này của ông đã khởi nguồn cho những công trình nghiên cứu của nhiều khoa học gia khác như Einstein, de Broglie, Schrödinger, Heisenberg... về tính nhị nguyên hạt/sóng, phương trình sóng, nguyên lý bất định ... Đặc biệt, sự tương quan giữa phát hiện của Planck với ‘‘hiệu ứng quang-điện’’ đã đưa đến khái niệm ‘‘quang tử’’ mà Einstein sáng chế ra năm 1905 và đoạt giải Nobel vật lý mười mấy năm sau. 

Điều khiến tôi thú vị là nếu khởi đầu Einstein không hề tin vào sự hiện hữu của các hạt và đã công nhận là mình không hiểu nguyên nhân của sự chuyển năng lượng không liên tục vốn trái ngược với thuyết liên tục của điện-từ-trường, thì sau đó, qua khám phá về quantum của Planck, Einstein đã giải thích được những kết quả ông thu nhận từ công trình nghiên cứu về ‘‘hiệu ứng quang-điện’’ ấy. 

Khoa học vật lý cứ như thế xuất hiện dàn trải trong đầu cô sinh viên bé nhỏ là tôi như một con sông bao la không thấy bờ bên kia, càng lúc càng dồn dập cuốn rút. Một cánh lá nhỏ xíu rơi vào đó lúc nào không hay. 

Gần đây, những nhà khoa học quan tâm tới ngành vật lý trong nước Pháp nhận ra sinh viên không còn tha thiết theo học, các nghiên cứu viên bỏ mặc hoặc đi làm vật lý ở một vài quốc gia khác như Hoa Kỳ, Trung quốc, Nhật Bản, những nơi mà ngành này là một trong các trung tâm điểm của chiến lược mở mang khai phá. Để lôi kéo họ trở lại, nhân dịp vinh danh ‘‘Năm thế giới về vật lý - 2005’’ nhiều chương trình, hội thảo đã được giới quan tâm ấy tổ chức trên toàn nước Pháp. Chủ tịch Hàn lâm viện về Khoa học và cũng là nhà nghiên cứu cơ học lượng tử, Edouard Brézin, tuyên bố rằng : ‘‘Vật lý hẳn là một ngành khoa học cơ bản, không chỉ cho kiến thức của chúng ta về thế giới – còn lâu lắm chúng ta mới đục được bức màn bí mật của vật chất và vũ trụ – nó cũng đem đến vô số ứng dụng cho đời sống hằng ngày’’. Hẳn, thế giới vật chất còn chứa vạn điều ẩn mật. Biết bao nhiêu lý thuyết đã được đưa ra ngõ hầu cung ứng cho con người những giải đáp, tuy trong đó có nhiều trả lời sai trật nhưng chính chúng góp phần làm cho khoa học tiếp tục đi tới. Có người còn bảo rằng ngay cả các lý thuyết hiện đại như thuyết tương đối, lượng tử đều giản dị là những điều cho đến nay chưa bị phản bác mà thôi. 

Còn về ứng dụng vào đời sống thường nhật của con người, những thành quả nghiên cứu của vật lý và các đóng góp của kỹ thuật tối tân trong thế kỷ XX vừa qua cho đến nay đã đem lại những tiến bộ thật quan trọng trong rất nhiều lãnh vực : điện tử, kỹ thuật truyền thông, công nghệ nano, y khoa, vi tính, khí tượng thời tiết... 

Chẳng hạn khoa học nano đã trở thành một điều cụ thể từ cách đây khoảng hơn 25 năm, nhờ sự sáng chế ra kính hiển vi điện tử cho phép quan sát trạng thái, vị trí, cách xếp đặt các phân tử, nguyên tử, ion của vật liệu trong những môi trường tiếp cận khác nhau. Rồi sau đó, người ta có thể biến hoá môi trường ấy bằng cách thay đổi nhiệt độ, áp suất, thành phần hoá học, điện-từ-trường v.v... để các phần tử trong vật liệu ấy chuyển đổi vị trí, các ion thay hoá trị tạo thành một cấu trúc như ý muốn, đưa đến một sản phẩm mới có tính chất vật lý đặc thù hoặc có mức độ áp dụng kỹ nghệ cao hơn. Vật liệu mới ở tầm mức nano (1 nm = một phần tỉ mét, 10-9 m) như thế đang được khai thác ráo riết trong nhiều phạm trù của đời sống hằng ngày. 

Thí dụ, trong ngành thực phẩm, các nhà hoá học Hoa Kỳ đã chế ra các ‘‘bọt nano’’ (nanobubbles); chúng được bọc trong lớp vỏ mang cấu trúc riêng biệt có khả năng kháng cự tác hại của áp suất bên ngoài. Chất bọt nano này sẽ giúp bảo toàn thực phẩm và giữ được hương vị chúng lâu dài. Theo giới quan sát các tiến triển kỹ nghệ, chỉ trong vòng vài ba năm nữa thôi những nước Á châu với ít nhất phân nửa dân số toàn cầu sẽ là một thị trường lớn cho ngành thực phẩm nano. 

Các ống than nano đã được đưa vào thử nghiệm y khoa trong nghiên cứu chữa trị ung thư bằng phương pháp hoá học. Một nhóm nghiên cứu viên của đại học Texas - Hoa Kỳ đã làm thử nghiệm : cho thêm ống than nano vào một đĩa cực nhỏ (khoảng hai lần bé hơn một hồng huyết cầu) rồi chích đĩa ấy vào một môi trường cấy tế bào. Sau vài giờ đĩa sẽ vỡ, tiết ra các hoá chất nó chứa đựng. Các ống than sẽ ngấm vào tế bào và tác dụng vào đúng những vị trí cần thiết. Điều sau cùng này là một bước tiến quan trọng so với cách hoá học trị liệu từ trước đến nay vốn chưa được hiệu quả lớn và có thể gây tác dụng xấu cho những tế bào lành mạnh chung quanh bứu ung thư. Ống than nano cũng sẽ có ứng dụng hiệu quả trong xây dựng nhờ chúng cứng rắn hơn thép 100 lần và nhẹ hơn khoảng 10 lần. Về năng lượng, người ta đang tính chuyện phủ ngoài các toà nhà bằng những lớp vật liệu nano để làm công cụ tạo năng lượng mặt trời thay cho điện. 

Trả lời câu hỏi những vật dụng gì trong đời thường đã tập hợp nhiều thành quả của vật lý ? E. Brézin không ngần ngại cho rằng đấy là điện thoại và máy vi tính di động. Đầu đọc của chúng là một ứng dụng của spin điện tử. Và có thể trong tương lai chẳng mấy xa, người ta sẽ thấy xuất hiện máy vi tính nano. Không gian sẽ mở rộng mênh mông, còn thời gian càng thu ngắn lại. 

Cách đây hơn 12 năm, khi đọc thấy tin một thí nghiệm do 23 nhà nghiên cứu vật lý Ý và Đức với Walter Oelert là người hướng dẫn, thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN, Genève), đã cho ra đời 9 phản nguyên tử hydrogen* đầu tiên, thì tôi lại lan man tự hỏi : Liệu chắc rằng phản vật chất và vật chất có những phản ứng hoàn toàn khác nhau dưới tác động của các định luật vật lý ? Chúng có mặt ngay từ thời big-bang và đã bị triệt tiêu từ trong trứng nước ? hay còn ẩn náu nơi nào trong cái vũ trụ xem chừng vẫn tiếp tục bành trướng nhưng còn đầy bí mật này ? Và giả dụ một ngày kia, dưới tác dụng biến đổi của áp suất, nhiệt độ, trường gia tốc, trường hấp dẫn v.v... của vũ trụ, chúng ló đầu ra rồi đụng độ với vật chất thì khi ấy sự nổ bùng của phản ứng huỷ diệt, theo qui định vật lý mà ta biết, sẽ đưa đến hậu quả khủng khiếp ở mức độ khó lường nào ?Bao nhiêu năm rời ghế giảng đường, bây giờ thảng hoặc, trong đôi phút thư thả ngửng nhìn bầu trời cao, vẫn như ngày xưa tôi còn đầy thắc mắc. Năng lượng tối đến từ đâu ? Đã có những chứng nghiệm thực tế về các hạt quang tử vượt quá vận tốc ánh sáng mấy lần nhờ tác dụng của ‘‘hiệu ứng đường hầm’’ thì nay, nếu tin vào Einstein : khi một vật đi nhanh hơn ánh sáng là nó trở ngược thời gian, ta sẽ đặt câu hỏi : Vậy bao giờ con người có thể bắn tín hiệu về quá khứ ? Và những người – người thường hay khoa học gia – quan tâm đến vũ trụ, vật chất vẫn thấy con sông ấy mãi rộng bao la, chẳng có bến bờ. 

Caen, tháng 7- 2008.

 * Cấu trúc của hydrogen : một electron (e-) quay chung quanh một proton (p.+). Phản nguyên tử hydrogen là một nguyên tử trung tính, kết hợp của một phản electron (e+) quay quanh một phản proton (p -).