Cuộc gặp gỡ với Enrico Fermi
Freeman John Dyson FRS là một nhà vật lý và toán học lý thuyết người Mỹ gốc Anh. Ông được biết đến với công trình của mình trong điện động lực học lượng tử, vật lý chất rắn, thiên văn học và kỹ thuật hạt nhân. Ông đã đưa ra một số khái niệm mang tên ông, chẳng hạn như biến đổi Dyson, cây Dyson, loạt Dyson, và quả cầu Dyson.
Cuộc gặp gỡ với Enrico Fermi được Dyson coi là một mốc quan trọng đối với ông. Đến gặp Fermi đầy háo hức, mang theo kết quả nghiên cứu của một công trình triển vọng nhưng hứa hẹn để rồi bị chỉ ra rằng Dyson và cộng sự đang đâm đầu vào một ngõ cụt. Đó là thời điểm các nhà khoa học háo hức với việc phát hiện ra các lực tương tác hạt nhân mạnh, và Fermi tin rằng mình đã khám phá ra bí ẩn đằng sau đó. Hiện giờ chúng ta đều biết đó chính là kết quả của tương tác mạnh, một trong bốn tương tác cơ bản của tự nhiên, và ảnh hưởng bởi các hạt quark, phản quark và các gluon. Nhưng ở thời điểm đó, Dyson đã dựa vào một lý thuyết sai lầm. Đã hơn 70 năm trôi qua kể từ thời điểm đó, nhưng những gì Fermi, chỉ bằng trực giác, chỉ ra sai lầm của Dyson vẫn còn rất nhiều ý nghĩa với các nhà vật lý học sau này, để tránh việc mày mò trong khi thiếu những yếu tố cần thiết để bảo vệ kết quả của mình. Bản thân GS. Đàm Thanh Sơn cũng viết trên blog cá nhân: “Đọc câu chuyện này tôi cũng nhận ra chính mình: Bản thân tôi đã làm nhiều tính toán không có bức tranh vật lý rõ ràng, không có hình thức luận chặt chẽ, và thậm chí cũng không có cả thực nghiệm để so sánh!”
Enrico Fermi.
Một trong những dấu mốc quan trọng trong cuộc đời của tôi chính là việc gặp Enrico Fermi vào mùa xuân năm 1953. Chỉ trong vài phút, Fermi đã làm sụp đổ, một cách lịch sự nhưng tàn nhẫn, một chương trình nghiên cứu mà cả tôi và các sinh viên đã theo đuổi vài năm nay. Ông có lẽ đã giúp chúng tôi tránh khỏi nhiều năm nữa tiếp tục lang thang trên một con đường chẳng dẫn đến đâu. Tôi mãi mãi biết ơn ông vì đã đập tan cái ảo tưởng và nói cho chúng tôi biết sự thực cay đắng. Fermi là một trong những nhà vật lý vĩ đại đương thời, cả trên cương vị một nhà vật lý lý thuyết lẫn thực nghiệm. Ông đã dẫn đầu nhóm xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên ở Chicago năm 1942. Năm 1953, ông là người đứng đầu đội thiết kế và chế tạo máy gia tốc hạt Cyclotron ở Chicago, và đang sử dụng nó để khám phá những lực tương tác mạnh giúp giữ các hạt nhân lại với nhau. Ông cũng là người đầu tiên đã đưa ra các số đo chính xác của tán xạ meson-proton, và do đó chứng tỏ sự tồn tại của các lực đó.
Lúc tôi còn là một giáo sư trẻ về vật lý lý thuyết tại Đại học Cornell, chịu trách nhiệm chỉ đạo một lực lượng nhỏ gồm các nghiên cứu sinh và nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ. Nhiệm vụ đặt ra là tính toán tán xạ meson-proton, và do đó có thể so sánh với số liệu Fermi đưa ra. Vào năm 1948 và 1949, chúng tôi đã thực hiện những tính toán tương tự của các quá trình nguyên tử, sử dụng lý thuyết về động lực học lượng tử, và tìm thấy sự tương ứng một cách ngoạn mục giữa lý thuyết và thực nghiệm. Động lực học lượng tử là một lý thuyết về các hạt electron và photon tương tác với nhau thông qua lực điện từ. Khi đó, vì lực điện từ yếu, chúng tôi có thể tính toán các quá trình xảy ra trong nguyên tử một cách chính xác. Đến năm 1951, chúng tôi đã thành công và tìm kiếm những hướng đi mới để chinh phục. Chúng tôi quyết định sử dụng các kỹ thuật tính toán tương tự để khám phá các lực hạt nhân mạnh, bắt đầu bằng việc tính tán xạ meson-proton, sử dụng lý thuyết meson giả vô hướng (một lý thuyết tương tác mạnh, mô tả tương tác giữa proton, neutron và hạt pion gọi là “pseudoscalar meson theory”). Vào mùa xuân năm 1953, sau những nỗ lực vô cùng to lớn, chúng tôi đã phác thảo đồ thị lý thuyết của meson-proton và vui mừng khi thấy các con số của mình rất gần với tính toán của Fermi. Tôi hẹn gặp Fermi và cho ông thấy kết quả đã đạt được. Tôi bắt xe buýt Greyhound từ Ithaca đến Chicago, đầy tự hào khi sắp sửa được gặp và trình bày thành quả đã làm được với Fermi.
Khi tôi đến văn phòng, tôi lập tức đưa ngay đồ thị cho Fermi nhưng ông thậm chí không thèm liếc nhìn. Ông mời tôi ngồi, thân thiện hỏi thăm tôi về vợ cũng như đứa con mới sinh, giờ đây khi tôi viết bài này đã ở vào độ tuổi 50. Thế rồi, chậm rãi và từ tốn, ông kết luận: “có hai cách tính toán trong vật lý lý thuyết… Cách thứ nhất, và cũng là cách tôi thích hơn, chính là có một bức tranh vật lý rõ ràng về quá trình tính toán. Cách kia là có một hình thức luận toán học chặt chẽ và nhất quán. Anh chẳng có cái nào trong hai cách trên.” Choáng váng, tôi vẫn đánh bạo hỏi ông là vì sao ông không coi lý thuyết meson giả vô hướng (pseudoscalar meson theory) là một hình thức luận toán học nhất quán. Ông trả lời, “Điện động lực học lượng tử là một lý thuyết tốt vì các lực yếu và khi hình thức luận còn mơ hồ, chúng ta được dẫn dắt bởi một bức tranh vật lý rõ ràng. Với lý thuyết meson giả vô hướng thì không có bức tranh vật lý nào cả, còn các lực thì quá mạnh đến nỗi chẳng có gì hội tụ được. Do đó để đạt được các kết quả tính toán, anh phải cắt bớt tùy tiện mà không dựa trên cơ sở vật lý hay toán học chắc chắn nào cả”. Trong tuyệt vọng, tôi hỏi liệu Fermi có ấn tượng với sự phù hợp giữa những tính toán của chúng tôi và những con số ông đã đưa ra. Đáp lại, Fermi hỏi về số lượng những tham số tự do được sử dụng trong các tính toán của chúng tôi. Nghĩ đến “quy trình cắt bớt”, tôi trả lời “Bốn.” Fermi nói, “Tôi nhớ ông bạn Johnny von Neumann của tôi từng nói, với bốn tham số tôi có thể vẽ được đồ thị hình con voi, còn với năm tham số tôi có thể làm nó ngọ nguậy cái vòi.”
Freeman Dyson trong bộ phim tài liệu Freeman Dyson: Space Dreamer (2016) (Freeman Dyson: Người mơ về không gian).
Cuộc trò chuyện kết thúc ở đó, tôi cảm ơn Fermi về thời gian mà ông đã dành cho tôi cũng như sự rắc rối này, và quay trở lại thông báo tin xấu đến các sinh viên trong buồn bã. Chúng tôi không từ bỏ các tính toán ngay lập tức vì các sinh viên cần phải có bài báo công bố khoa học dưới tên của mình. Chúng tôi kết thúc, viết một bài báo dài và được xuất bản một cách hợp lý trong tờ Physical Review với toàn bộ tên của cả nhóm. Sau đó, chúng tôi giải tán và mỗi người đi theo một lĩnh vực khác.Tôi chuyển đến Berkeley, California và theo đuổi một sự nghiệp nghiên cứu Vật lý chất rắn.
Tại thời điểm này khi nhìn lại, chúng tôi nhận ra rằng Fermi đã đúng. Điều quan trọng là tìm được lý thuyết đúng đắn của tương tác mạnh, mà phải đến hai mươi năm sau mới xuất hiện: Sắc động học lượng tử, mô tả tương tác giữa các quark. Meson và proton là các túi quark nhỏ, và trước Murray GellMann (người phát hiện ra các quark), không có lý thuyết tương tác mạnh nào đủ để giải thích. Fermi dĩ nhiên không biết gì về quark, ông qua đời trước khi chúng được phát hiện. Nhưng bằng trực giác thiên tài, ông biết điều gì đang còn thiếu trong các lý thuyết meson vào những năm 1950. Chính trực giác đó cho ông biết thuyết giả vô hướng là không thích hợp, và cứu chúng tôi khỏi vài năm nữa lần mò trong con hẻm tù.
Minh Châu dịch
Nguồn: https://www.up.ac.za/media/shared/537/ZP_Files/fit_an_elephant.zp53864.pdf
