Về các công trình nghiên cứu của Oppenheimer

Sự kiện bộ phim Oppenheimer của đạo diễn Christopher Nolan bắt đầu chiếu ở Việt Nam từ ngày 11/8/2023 là một dịp để cho chúng ta nhìn lại về thân thế và cuộc đời của nhà vật lý lý thuyết người Mỹ J. Robert Oppenheimer, nhân vật chính của bộ phim.

Tuy vậy để viết về ông một cách chi tiết và chính xác, người viết cần bỏ ra rất nhiều thời gian. Con người Oppenheimer quá phức tạp, quá đa diện, nơi mà những khái niệm như “tốt/xấu”, “đúng/sai”, thậm chí cả “giỏi/dốt” có đường ranh giới dường như rất lờ mờ. Do đó, thay vì một bài về con người Oppenheimer, trong bài này tôi chỉ xin nói tóm tắt về bốn công trình khoa học của ông, hi vọng phần nào nói về khía cạnh “nhà vật lý” trong con người Oppenheimer.

Như một nhà vật lý, Oppenheimer không được nổi tiếng như Einstein hay những nhà tiên phong của cơ học lượng tử như Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Dirac, hay Max Born – thầy hướng dẫn tiến sĩ của ông. Điều này không phải là bất công đối với ông: khi ông bắt đầu nghiên cứu vật lý, cái khung của cơ học lượng tử coi như đã hình thành, xây dựng bởi những người chúng ta vừa nói ở trên. Nói cách khác, nếu ông sinh ra sớm vài năm thì có thể công chúng đã biết ông như một nhà vật lý thay vì như là người làm ra bom nguyên tử. Tuy vậy, Oppenheimer cũng có những công trình quan trọng và có ảnh hưởng sự phát triển của vật lý sau này.

Công trình đầu tiên tôi muốn nói đến là công trình về xấp xỉ Born-Oppenheimer, viết cùng với thầy hướng dẫn tiến sĩ. Hầu như mọi tính toán về cấu trúc vật chất đều dựa vào phép xấp xỉ này. Phép xấp xỉ Born-Oppenheimer cho phép chúng ta tách bài toán về chuyển động của electron ra khỏi bài toán về chuyển động của hạt nhân, đơn giản hóa các tính toán rất nhiều. Nếu nói về ảnh hưởng của Oppenheimer với đời sống thường ngày của chúng ta (ví dụ qua các tính toán hóa học lượng tử để tìm ra những thuốc mới) thì công trình này của Oppenheimer là quan trọng nhất.

Công trình thứ hai liên quan đến lý thuyết điện tử của Dirac. Có thể nói với công trình này Oppenheimer là một trong những người đầu tiên tiên đoán sự tồn tại của phản vật chất. Phản vật chất được cấu trúc từ những hạt giống như vật chất của chúng ta, ví dụ, nguyên tử của phản hydro bao gồm một hạt phản proton và một hạt positron (là phản hạt của electron). Khi phản vật chất va chạm với vật chất, toàn bộ khối lượng sẽ được chuyển thành năng lượng theo công thức E = m.c² của Einstein.

Trong sách vở thường Dirac được coi là người đầu tiên đưa ra khái niệm phản hạt. Thường ta được đọc là Dirac tổng quát hóa phương trình Schrödinger thành phương trình mang tên mình, phương trình Dirac. Phương trình này của ông qua đó cho thấy sự tồn tại của hạt positron, phản hạt của electron. Điều này về mặt vật lý thì đúng, nhưng về mặt lịch sử thì không hoàn toàn đúng. Dirac có nhìn thấy phương trình của mình có miêu tả một hạt có điện tích dương, nhưng lúc đầu ông cho đó là hạt proton, hạt nhân của nguyên tử hydro. Oppenheimer là một trong những người chỉ ra cho Dirac rằng hạt đó không thể là hạt proton mà phải là một hạt khác có khả năng tiêu hủy bản thân nó cộng thêm một hạt electron khi nó va chạm vào electron.

Công trình thứ ba và thứ tư liên quan đến thiên văn học và lỗ đen. Trong bài báo viết cùng với Volkoff, Oppenheimer tìm ra phương trình mô tả trạng thái cân bằng của một ngôi sao neutron, và tìm ra rằng nếu ngôi sao nặng hơn một ngưỡng nhất định thì nó không thể ở trạng thái cân bằng mà sẽ co lại mãi mãi. Phương trình mà Oppenheimer tìm ra trong bài báo này (nay gọi là phương trình Tolman-Oppenheimer-Volkoff) vẫn được các nhà vật lý thiên văn dùng để tìm cấu trúc các ngôi sao neutron.

Bài báo với Snyder mô tả quá trình co lại của hình cầu bụi thành một vật thể mà nay ta gọi là lỗ đen. Bài báo này được đăng vào ngày 1/9/1939, ngày bắt đầu của cuộc chiến tranh thế giới lần thứ hai. Trong phim có nhắc đến bài báo này nhưng có một chi tiết không hoàn toàn chính xác về lịch sử (tôi đoán đây không phải là lỗi mà là một lựa chọn cố ý và bất đắc dĩ từ phía đạo diễn): các nhà vật lý dùng từ “lỗ đen”, trong khi phải hơn hai mươi năm sau từ này mới bắt đầu được dùng. Oppenheimer không bao giờ quay lại đề tài này, và chỉ đến những năm 1960 sự chú ý của các nhà vật lý mới quay lại đề tài lỗ đen mà Oppenheimer và Snyder bắt đầu năm 1939.

Có thể nói nhiều bài báo của Oppenheimer mang tính gợi mở cao, nhưng đôi khi đọc chúng, ta cảm thấy có một cái gì đó không trọn vẹn. Murray Gell-Mann có một nhận xét như sau: “Oppenheimer thiếu một cái gọi là “Sitzfleisch” (tiếng Đức: Sitz nghĩa là “ngồi” và “Fleisch” nghĩa là “thịt”), tức là ông không ngồi lâu được một lúc trên ghế. Theo tôi biết, ông chưa bao giờ viết một bài báo dài hay làm một tính toán dài. Ông không có đủ kiên nhẫn cho thứ như vậy. Các công trình của ông là những chấm phá nhỏ nhưng xuất sắc. Ông đã truyền cảm hứng cho những người khác, và ảnh hưởng của ông lên nhũng người khác thì rất tuyệt vời.”

Theo blog của Đàm Thanh Sơn (Giáo sư Vật lý, Đại học Chicago)