Werner Heisenberg: Nhà khoa học gây tranh cãi (kỳ 1)

Nhắc đến Werner Heisenberg, người ta nghĩ ngay đến một nhà vật lý tài ba của thế kỷ XX. Đóng góp quan trọng của ông cho lý thuyết cơ học lượng tử, công bố vào năm 1925 khi ông mới 24 tuổi, đã được trao giải Nobel vật lý năm 1932 khi ông 31 tuổi. Nhưng cuộc đời của ông cũng tồn tại nhiều tranh cãi trái chiều.

Hơn 100 năm sau khi cha đẻ của nguyên lý bất định (Uncertainty Principle) ra đời, các sử gia về khoa học vẫn tiếp tục tranh luận về vai trò của Werner Heisenberg trong Thế chiến Thứ hai.

Đọc bất kỳ tài liệu nào về sự phát triển của vật lý vào đầu thế kỷ XX, bạn gần như chắc chắn sẽ thấy rằng việc ở lại Đức là điều bắt buộc đối với tất cả các nhà vật lý trẻ tuổi đầy tiềm năng. Lúc đó Arnold Sommerfeld là một nhà vật lý người Đức nổi tiếng với tư cách là thầy của một thế hệ học trò xuất sắc. Mùa hè năm 1922, ngay sau khi nhận chàng trai trẻ Werner Heisenberg làm học trò, Sommerfeld đã viết cho Paul Epstein, một cựu sinh viên của ông giờ đã trở thành giáo sư vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California: “Tôi đang mong chờ những thành tựu to lớn của Heisenberg, người mà tôi nghĩ là có năng khiếu nhất trong số tất cả các học trò của tôi, kể cả Debye và Pauli”.

Trên thực tế, chỉ 10 năm sau dó, Heisenberg đã được trao giải Nobel Vật lý cho “sự sáng lập ra cơ học lượng tử, ứng dụng của nó, ngoài những điều khác, đã dẫn đến việc phát hiện ra các dạng khác nhau của nguyên tử hydro” (“for the creation of quantum mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery of the allotropic forms of hydrogen”). Hội đồng giải thưởng Nobel đã tóm tắt công lao của Heisenberg một cách ngắn gọn: “Trong lý thuyết nguyên tử của Niels Bohr, các điện tử hấp thụ và phát ra bức xạ có bước sóng cố định khi chuyển dời giữa các quỹ đạo cố định xung quanh một hạt nhân. Lý thuyết hiện thời đã mô tả tốt về quang phổ của nguyên tử hydro, nhưng cần được phát triển thêm để phù hợp với các nguyên tử và phân tử phức tạp hơn. Trong công bố của mình vào năm 1925, Werner Heisenberg đã xây dựng một kiểu cơ học lượng tử dựa trên các ma trận. Năm 1927, ông đề xuất “mối quan hệ bất định” (“uncertainty relation”), đặt ra giới hạn về độ chính xác mà vị trí và vận tốc của một hạt có thể đo được đồng thời”.

Nhưng tại sao Heisenberg vẫn gây tranh cãi cho đến tận ngày nay? Trong một chuyên khảo gần đây của mình: “Heisenberg và Dự án bom nguyên tử của Đức quốc x㔲, nhà sử học người Mỹ Paul Rose đã đặt ra những nghi ngờ nghiêm túc về đạo đức cá nhân của Heisenberg. Heisenberg đã được mô tả là một người cực kỳ đa cảm và đầy tham vọng, người “không thể thoát ra khỏi tâm lý bài Do Thái của người Đức”. Về mặt khoa học, Heisenberg cũng bị đổ lỗi cho là hay có những quan niệm sai lầm. Theo Rose, vật lý yếu và đạo đức xoàng đã dẫn đến sự đóng góp thiếu sót của Heisenberg cho dự án bom nguyên tử của Đức quốc xã. Thất bại của dự án này sau đó được ngụy biện như một nỗ lực có chủ ý nhằm phá hoại dự án. Hơn nữa, Rose tin rằng tâm lý người Đức của Heisenberg và những người bạn của ông, được nuôi dưỡng bởi sức mạnh đáng kinh ngạc của sự tự ảo tưởng và hợp lý hóa, đã tạo nên một mạng lưới tự lừa dối dẫn đến phiên bản các sự kiện của Heisenberg. Và ông cho rằng sự kết hợp giữa ngụy tạo và phủ nhận sự thất bại trong công việc của Heisenberg về bom nguyên tử vẫn còn chưa được hóa giải cho đến tận ngày nay.

Cuộc đời của Heisenberg đã là đề tài với nhiều lựa chọn phong phú cho các sử gia vật lý. David Cassidy đã viết một cuốn tiểu sử với nhan đề “Sự bất định: Cuộc đời và Khoa học của Werner Heisenberg”³. Cuốn tiểu sử này cung cấp một cái nhìn mạch lạc và thuyết phục về những chủ đề gây tranh cãi nhất trong cuộc đời của Heisenberg cho đến khi Thế chiến thứ hai kết thúc.

Nhưng những tranh cãi xung quanh Heisenberg vẫn chưa dừng lại, có lẽ bởi cuộc đời của ông tự nó không có những câu trả lời đơn giản. Giống như sự bất định, sự phức tạp cũng là một khái niệm vật lý khác có thể dùng làm phép ẩn dụ cho cuộc đời của Heisenberg. Rốt cuộc, chúng ta biết rằng vật lý của một hệ thống phức tạp không thể hiểu một cách đơn giản từ hành vi tập thể của các bộ phận riêng lẻ của nó. Thay vì xem xét những ý kiến mặc định về Heisenberg, chúng ta nên hướng tới việc có một góc nhìn tổng thể về cuộc đời của ông nếu muốn hiểu ông rõ hơn.

Cha và các con trai

Werner Karl Heisenberg sinh ngày 5/12/1901 tại Würzburg, phía bắc Bavaria và chuyển đến Munich năm 9 tuổi khi cha ông trở thành giáo sư đại học chuyên nghiên cứu về Hy Lạp. Trong cuốn tiểu sử của mình, Cassidy mô tả chi tiết bối cảnh xã hội của thời thơ ấu của Heisenberg. Điều lúc đầu dường như chỉ là một tình tiết bên lề trong những năm tháng trưởng thành của ông – việc tham gia vào một nhóm thanh niên có tên là nhóm “Người tìm đường” (Pathfinder group) – hóa ra lại là manh mối để hiểu hành vi của Heisenberg sau Thế chiến Thứ nhất.

Những năm tham gia nhóm Người tìm đường sau năm 1919 là những năm mà Heisenberg nhận thức được một cách sâu sắc về môi trường xã hội của mình, môi trường tạo ra những yếu tố làm nên giá trị nhân cách của ông. Đó là sự nổi dậy chống lại những giá trị phi lý tưởng, như chủ nghĩa tư bản, chủ nghĩa duy vật, thói đạo đức giả và sự suy đồi đạo đức. Ông gắn bó với một nhóm bạn bè cùng chí hướng, thân thiết, đoàn kết và thống nhất trong một “sự hòa hợp của tâm hồn” (“harmony of souls”). Trong ông còn có một tình yêu thiên nhiên và một cảm nhận sâu sắc với nền văn hóa Đức. Một số trong những lý tưởng này không mấy khác xa với hệ tư tưởng Quốc xã mới nổi. Chủ nghĩa dân tộc, mặc dù không phải là đặc tính cụ thể của những người theo nhóm Người tìm đường (gọi tắt là những Người tìm đường), chắc chắn đã được hầu hết các thành viên đánh giá cao như một nghĩa vụ rõ ràng đối với đất nước của họ. Các nghi lễ Teutonic là các nghi lễ đặc trưng của những Người tìm đường, một số nghi lễ diễn ra dưới dạng mọi người ngồi quanh một đống lửa trại để mơ về một “Đế chế thứ ba” thần bí (mystical “third Reich”) và một hiệp sĩ áo trắng thần kỳ tượng trưng cho đức tính của người Đức. Chủ nghĩa bài Do Thái cũng là một chủ đề được lặp đi lặp lại, mặc dù đó là một chủ đề gây tranh cãi: những Người tìm đường ở Munich chia thành các phe ủng hộ Do Thái và chống Do Thái. Hơn nữa, sự tin tưởng vào một Quốc trưởng với tư cách là người lãnh đạo đáng kính đã lan rộng trong các nhóm của những Người tìm đường.

Tuy nhiên, bất chấp những điểm tương đồng như vậy, sẽ khá sai lầm khi đồng nhất lý tưởng của những Người tìm đường với chủ nghĩa Quốc xã.

Mối quan hệ của Heisenberg với phong trào thanh niên không phải là sự ve vãn nhất thời giữa tuổi thiếu niên và tuổi trưởng thành. Heisenberg đã trở thành thủ lĩnh của một nhóm nam sinh ở tuổi 17. Nhóm Heisenberg (Gruppe Heisenberg), như tên gọi của nó, được hợp nhất thành một đội quân lớn hơn, trong đó lãnh đạo và thành viên là các giáo viên và học sinh trung học. Vào mùa xuân năm 1919, đội quân này đã tích cực tham gia các hoạt động bán quân sự chống lại chế độ Cộng hòa Xô viết ở Munich – một nỗ lực ngắn ngủi nhằm thiết lập một chế độ cộng sản sau biến cố cách mạng vào cuối Thế chiến Thứ nhất.

Những hoạt động này, cùng với những kinh nghiệm từ Chiến tranh Thế giới Thứ nhất mà các giáo viên truyền lại cho học sinh của họ, đã tạo nên cơ sở để từ đó đoàn quân bắt đầu đổi mới xã hội. Nhiều thành viên chia sẻ lập trường cơ bản về chống chính trị. Là một nhóm thanh niên có học thức cao, thuộc tầng lớp trung lưu và thượng lưu, họ cảm thấy mình là những người ưu tú và đứng trên nền chính trị đảng phái đơn thuần. Trường hợp của Heisenberg là điển hình, cả về nguồn gốc xã hội và quan điểm chính trị của ông. “Tôi chưa bao giờ nghĩ rằng mình có thể quan tâm đến chính trị,” ông đã viết cho một người bạn trong nhóm “Người tìm đường” vào năm 1923, “bởi vì đối với tôi, đó dường như là một công việc kinh doanh thuần túy vì tiền”.

Mặc dù cơ cấu tổ chức của nhóm “Người tìm đường” đã thay đổi qua nhiều năm, nhưng Heisenberg vẫn kiên quyết gắn bó với các thành viên trong nhóm của mình ngay cả sau khi ông xuất bản bài báo nổi tiếng của mình về cơ học lượng tử vào năm 1925. Họ tiếp tục gặp nhau mỗi tuần một lần tại nhà của Heisenberg. Và vào các dịp cuối tuần, họ thực hiện các chuyến đi dã ngoại đến dãy núi Alps hoặc đến một hồ nước gần Munich, nơi họ chèo thuyền, chơi bóng, ném giáo và tham gia các môn thể thao cạnh tranh khác. Đúng là, theo Cassidy, cường độ làm việc đáng kinh ngạc của Heisenberg trong đầu những năm 1920 chỉ có được bởi vì ông đã có thể thư giãn hoàn toàn trong những chuyến đi chơi này. Heisenberg có rất ít bạn bè hoặc thậm chí là người quen bên ngoài phong trào thanh niên của mình.

Tham gia vào nhóm “Người tìm đường” còn có ý nghĩa ở một khía cạnh khác. Heisenberg đã viết nhiều năm sau đó như sau: “Ngoài những giá trị khác, chúng tôi còn phát hiện ra khoa học một lần nữa.” Heisenberg thích hướng đến các lĩnh vực khoa học khá xa với ứng dụng, có lẽ vì các bạn của ông đã gọi khoa học và đặc biệt là vật lý là “chủ nghĩa duy vật cơ học” (“mechanic materialism”). Heisenberg đã nói: “Ngay cả trong khoa học, mối quan tâm của chúng tôi tập trung vào những lĩnh vực mà ở đó vấn đề không đơn giản chỉ là phát triển thêm những gì đã biết.” Kết quả là mối quan tâm suốt đời của Heisenberg là khám phá những cách tiếp cận mới có tính cơ bản trong vật lý – thành công thường không chắc chắn – hơn là theo đuổi nghiên cứu theo những con đường đã được vạch sẵn.

Thử thách thời đại học

Tháng 10/1920 khi Heisenberg vào đại học, vật lý không phải là lựa chọn đầu tiên của ông. Với thành tích sáng chói ở cấp trung học, ông dự định học toán và tham gia ngay vào công tác nghiên cứu. Để hỗ trợ cho điều đó, cha ông đã sắp xếp một cuộc hẹn với Ferdinand von Lindemann – nhà toán học nổi tiếng đã chứng minh được rằng π là số siêu việt – với hy vọng rằng cậu con trai đầy tham vọng của mình sẽ được nhận vào lớp của Lindemann và sẽ có thể bắt đầu sự nghiệp nghiên cứu ngay lập tức. Nhưng cuộc phỏng vấn đã không suôn sẻ đối với Heisenberg. Lindemann, lúc đó đã 68 tuổi và bị điếc một phần, hầu như đã không hiểu hết những gì Heisenberg nói. Và từ những gì hiểu được, Lindemann kết luận rằng cách tiếp cận không chính thống tới toán học của chàng trai trẻ không hợp gu của ông.

Nỗ lực thứ hai của Heisenberg để có thể tiến hành nghiên cứu ngay mà không cần qua các bước sơ bộ thông thường đã đưa ông đến với Arnold Sommerfeld, một giáo sư vật lý lý thuyết tại Munich. Có kinh nghiệm với những học sinh năng khiếu, Sommerfeld, lúc đó 52 tuổi, đã phản hồi khác hẳn với Lindemann: “Có thể là cậu biết điều gì đó, cũng có thể là cậu chẳng biết gì cả. Chúng ta sẽ thấy sau.” Được làm học trò của Sommerfeld là “trúng số” đối với Heisenberg.  Chàng thanh niên này đã không thể tìm được một nơi nào khác thích hợp hơn cho những tham vọng của mình. Tại đây, Heisenberg đã gặp những sinh viên cùng chí hướng như Wolfgang Pauli, khi đó 20 tuổi và đang học học kỳ thứ năm. Tên của các học trò của Sommerfeld đọc lên giống như tên của các nhà vật lý lý thuyết hiện đại trong từ điển “Ai là Ai” (“Who’s Who”): Alfred Landé, Peter Paul Ewald, Karl Herzfeld, Gregor Wentzel, Otto Laporte, Adolf Kratzer và Wilhelm Lenz là tên của những người mà Heisenberg đã làm quen trong thời gian học tập ban đầu của mình.

Vào thời điểm đó, Sommerfeld đang chìm đắm trong lý thuyết nguyên tử. Năm 1915, ông đã mở rộng mô hình nguyên tử của Bohr bằng cách chú ý đến thuyết tương đối hẹp và bằng cách lượng tử hóa cả chuyển động phương vị (azimuthal motion) và chuyển động hướng tâm (radial motion) của các điện tử quay quanh hạt nhân. Một năm sau đó, Sommerfeld cũng lượng tử hóa luôn cả hướng của quỹ đạo điện tử. Ông đã có thể tính được các mức năng lượng của điện tử, điều đã dẫn đến các số hạng bổ sung trong quang phổ nguyên tử. Cấu trúc tinh tế này đã được xác minh bằng thực nghiệm bởi nhà quang phổ học Friedrich Paschen, người mà Sommerfeld đã trao đổi thư từ rất nhiều trong Thế chiến Thứ nhất. Chuyên luận kinh điển của Sommerfeld “Cấu trúc nguyên tử và các vạch quang phổ”⁴, xuất bản lần đầu năm 1919, đã được tái bản 4 lần trong thời gian Heisenberg ở Munich, cho thấy sự tiến bộ nhanh chóng của lý thuyết nguyên tử trong những năm đó.

Được hòa đồng với những sinh viên có cùng chí hướng và được hướng dẫn bởi một người thầy giỏi giang đáng kính, Heisenberg cảm thấy thoải mái trong nhóm của Sommerfeld, giống như ông đã cảm thấy thoải mái trong nhóm “Người tìm đường” của mình. Sommerfeld đã sớm đánh giá cao tài năng của cậu học trò mới của mình. Năm 1922, Sommerfeld đã cho cậu học trò 21 tuổi Heisenberg làm đồng tác giả trong hai bài báo về lý thuyết nguyên tử của quang phổ tia X và cái gọi là hiệu ứng Zeeman dị thường (anomalous Zeeman effect). Sự tách của các vạch quang phổ dưới tác động của từ trường đã được nhà vật lý người Hà Lan Pieter Zeeman quan sát thấy khoảng 25 năm trước đó và đã được giải thích bằng sự tương tác của momen động lượng (angular momentum) của các điện tử quay trên quỹ đạo quanh hạt nhân với trường bên ngoài. Tuy nhiên, việc quan sát thấy thêm sự tách bổ sung của các vạch quang phổ là một bí ẩn lớn trong những ngày đầu của cơ học lượng tử và sau đó hiệu ứng này đã được công nhận là hệ quả của sự tồn tại của momen động lượng nội tại, còn gọi là “spin”, của điện tử.

Năm 1921, Sommerfeld đồng ý cho Heisenberg đăng một bài báo về hiệu ứng Zeeman dị thường, mặc dù ông hoài nghi về nền tảng vật lý trong lý thuyết của Heisenberg. Sommerfeld đã viết trong một lá thư gửi cho Epstein: “Mô hình Zeeman của anh ấy nói chung vấp phải những sự phản đối, đặc biệt là của Bohr. Nhưng tôi thấy thành công của nó to lớn đến mức tôi đã kìm lại tất cả sự dè dặt của mình đối với việc công bố nó”. Mô hình của Heisenberg liên quan đến các số lượng tử bán nguyên (half-integer) mà ông đã gán cho lõi nguyên tử. Tuy nhiên, mô hình của Heisenberg đã phù hợp với các kết quả thực nghiệm của Landé về sự tách của các vạch quang phổ trong từ trường và đặc biệt là đã phá vỡ khái niệm giáo điều về các số lượng tử nguyên.

Vào mùa hè năm 1922, Heisenberg lần đầu tiên gặp Niels Bohr và đã chất vấn về những ý tưởng không chính thống của ông về nguyên tử. Cuộc gặp diễn ra tại Göttingen nơi Bohr đến đọc bài giảng trong vòng một tuần – sự kiện mà sau đó được biết đến như là “lễ hội Bohr” (“Bohr festival”). Thời gian một tuần ở “lễ hội Bohr” này đã biến Heisenberg thành một nhân vật nổi tiếng trong cộng đồng nhỏ các nhà vật lý lý thuyết về nguyên tử. Nhưng Heisenberg không làm chuyên sâu về lý thuyết nguyên tử. Công bố thứ hai của ông là về các xoáy luân phiên trong chất lỏng gọi là các xoáy Kármán. Thực tế là Sommerfeld và các học trò của ông đã nhiều lần đề cập đến các vấn đề trong động lực học chất lỏng, chẳng hạn như sự chuyển biến từ dòng chảy tầng trơn tru sang dòng chảy hỗn loạn (turbulence). Do đó, không có gì ngạc nhiên khi luận án tiến sĩ của Heisenberg là những nghiên cứu về dòng chất lỏng, chứ không phải về vật lý nguyên tử.□

Nguyễn Bá Ân tổng hợp
——–
Tài liệu tham khảo

[1] Werner Heisenberg: nhà khoa học gây tranh cãi; https://physicsworld.com/a/werner-heisenberg-controversial-scientist/

[2] Heisenberg and the Nazi Atomic Bomb Project, 1939-1945; https://www.amazon.com/Heisenberg-Nazi-Atomic-Project-1939-1945/dp/0520229266

[3] Uncertainty: the Life and Science of Werner Heisenberg; https://www.amazon.com/Uncertainty-Life-Science-Werner-Heisenberg/dp/0716725037

[4] Atomic Structure and Spectral Lines; https://www.amazon.com/Atomic-Structure-Spectral-ARNOLD-SOMMERFELD/dp/B0000EFPNI

[5] On a quantum theoretical re-interpretation of kinematical and mechanical relationships; W. Heisenberg, Z. Phys. 33, 879 (1925)
[6] Nazi Science; https://www.amazon.com/Nazi-Science-Truth-German-Atomic/dp/0738205850
[7] ALSOS; https://www.amazon.com/Alsos-History-Modern-Physics-Astronomy/dp/1563964155
[8] Brighter Than a Thousand Suns; https://www.amazon.com/Brighter-than-Thousand-Suns-Scientists/dp/0156141507