Werner Heisenberg và Albert Einstein: Một tình bạn trắc trở
Albert Einstein là hình mẫu và nguồn cảm hứng ban đầu cho Heisenberg, nhưng những xung đột khoa học và căng thẳng chính trị đã làm tan vỡ mối quan hệ của họ.
Vở kịch Copenhagen của Michael Frayn1 tập trung vào những lý do mơ hồ cho chuyến thăm của Heisenberg đến người thầy ban đầu của mình, Niels Bohr, tại Copenhagen, nơi Đức chiếm đóng vào năm 1941. Vở kịch suy đoán về những gì có thể đã xảy ra trong chuyến đi dạo buổi tối của họ mà Bohr đột ngột kết thúc do bị xáo trộn bởi điều mà Heisenberg đã nói.
Vở kịch kết hợp ba thế giới hoàn toàn khác biệt: khoa học, lịch sử và sân khấu, và có nguy cơ khiến một số người có thể nhầm lẫn vở kịch – một tác phẩm hư cấu – với một bộ phim tài liệu. Người ta không bao giờ được quên, như Samuel Taylor Coleridge đã nói trong cuốn Biographia Literaria năm 1817, nhiệm vụ của nhà thơ và nhà viết kịch là tạo ra “sự hoài nghi tự nguyện”; và như John Keats bình luận, một trong những “khả năng tiêu cực” của các tác giả vĩ đại là “vẫn hài lòng với một nửa kiến thức”.
Các nhà khoa học và sử gia cũng thường phải bằng lòng với chỉ một nửa kiến thức, ít nhất là trong một thời gian. Cuộc trò chuyện riêng tư giữa Heisenberg và Bohr vào năm 1941 sau được Heisenberg kể trong một lá thư gửi nhà báo Robert Jungk, người đã xuất bản nó trong cuốn sách Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists (Chói sáng hơn một ngàn Mặt trời: Một lịch sử cá nhân của các nhà khoa học nguyên tử). Trọng tâm trong lời kể của Heisenberg là các nhà nghiên cứu trong Câu lạc bộ “Uranverein” của ông vào năm 1941 “biết rằng người ta có thể sản xuất bom nguyên tử nhưng đã ước tính quá cao chi phí kỹ thuật cần thiết”. Cuộc thảo luận trong buổi đi dạo buổi tối “có lẽ bắt đầu bằng câu hỏi của tôi về việc liệu các nhà vật lý có nên cống hiến hết mình cho vấn đề uranium trong thời chiến hay không”. Heisenberg nói rằng Bohr đã bị sốc bởi dòng suy nghĩ này, cho rằng “tôi đã định truyền đạt cho ông ấy rằng Đức đã đạt được tiến bộ lớn trong việc chế tạo vũ khí nguyên tử”. Heisenberg đã không thể “sửa chữa ấn tượng sai lầm này”.
Mặc dù Heisenberg đã bắt đầu bức thư bằng lời thú nhận, “Tôi có thể sai sau một thời gian dài như vậy”, và mặc dù sau này Jungk gọi sự ăn năn về mặt đạo đức của các nhà khoa học Đức thời chiến đang nghiên cứu để khai thác năng lượng hạt nhân là “chuyện hoang đường”, nhiều người đã coi những điều trên là mô tả chính xác về cuộc gặp gỡ Bohr-Heisenberg.
Tuy nhiên, vào năm 1985, khi tôi ở Copenhagen để phát biểu tại một cuộc họp tưởng niệm Niels Bohr, con trai của Bohr, Erik Bohr đã đến gặp tôi. Anh ấy cho tôi xem một bức thư do cha anh ấy viết và được tìm thấy sau khi ông qua đời, được gấp lại trong bản sao cuốn sách của Jungk. Bức thư đó, gửi cho Heisenberg, phản đối Heisenberg bằng một ngôn ngữ khá cứng rắn – đến nỗi Niels Bohr dường như đã quyết định không gửi nó đi.
Hiện nay, bức thư là một phần trong hồ sơ thư từ chính trị của Bohr, mà gia đình đã quyết định không công bố cho công chúng cho đến năm 2012, năm mươi năm sau khi Niels Bohr qua đời.
Bị Einstein cuốn hút
Chủ đề lớn hơn về mối quan hệ lâu dài giữa Heisenberg và Bohr, bắt đầu từ cuộc gặp gỡ đầu tiên của họ vào năm 1922, đã được đề cập kỹ lưỡng trong các cuốn tiểu sử của David Cassidy và Abraham Pais.3 Nhưng để hiểu rõ hơn về tài năng to lớn của Heisenberg và hành xử của ông trước những thách thức của lịch sử, cần xem xét một góc nhìn bổ sung và xem xét một mối quan hệ sâu sắc khác với một nhà khoa học lớn là Albert Einstein. Sự quan tâm của tôi về tương tác giữa họ được khơi dậy tại một hội nghị UNESCO vào tháng 12/1965 về công trình của Einstein, nơi tôi có cuộc gặp gỡ đầu tiên, tình cờ với chính Heisenberg. Tôi được mời thuyết trình về nhận thức luận của Einstein, tập trung vào cuộc hành hương của ông từ chủ nghĩa thực chứng ban đầu, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của Ernst Mach, đến chủ nghĩa hiện thực duy lý gần với chủ nghĩa của Max Planck.4 Sau khi kết thúc bài giảng, tôi rời khỏi bục giảng, diễn giả tiếp theo bước lên phía trước, và chúng tôi gặp nhau giữa chừng. Đó là Heisenberg. Ông ấy có vẻ hài lòng, và khi đi ngang qua đã thì thầm với tôi, “Chúng ta phải nói chuyện sau”.
Trong lịch sử vật lý hiện đại, không ai ngoài Werner trẻ tuổi được số phận định sẵn để rồi được thuyết tương đối của Einstein cuốn hút.
Trong số những nguồn chính cho những điều sau đây là các cuốn sách và tự truyện của Heisenberg, bản ghi chép chưa xuất bản của mười hai cuộc phỏng vấn ông dành cho Dự án Lịch sử Cơ học Lượng tử, những lá thư chưa xuất bản gửi Einstein, và một số tiểu sử được nghiên cứu kỹ lưỡng. Từ những điều này, trước hết, chúng ta thấy rằng, trong lịch sử vật lý hiện đại, không ai ngoài Werner trẻ tuổi được số phận định sẵn để rồi được thuyết tương đối của Einstein cuốn hút. Trong những ngày học ở trường trung học, ông đã đọc và yêu thích cuốn sách của Einstein về thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng. Ông chưa đầy mười tám tuổi khi nghe tin về kết quả chuyến thám hiểm nhật thực gây chấn động tháng 11/1919. Tại Đại học Munich, ông đã được Arnold Sommerfeld giảng về thuyết tương đối. Heisenberg cũng bị cuốn hút bởi cuốn sách Raum-Zeit-Materie của Herman Weyl. Hơn nữa, một trong những người bạn thân nhất của ông ở Munich là Wolfgang Pauli, khi đó lại đang viết chuyên khảo Handbuch về thuyết tương đối. Khi chuyển đến Đại học Göttingen, Heisenberg được tiếp cận nhiều hơn với thuyết tương đối từ Max Born. Tóm lại, thuyết tương đối đến với ông từ mọi phía. Mặc dù Pauli đã khôn ngoan cảnh báo ông nên dành nghiên cứu tương lai cho vật lý lượng tử thay vì thuyết tương đối, nhưng Heisenberg vẫn không thể thoát khỏi sự say mê với công trình của Einstein.
Những năm đầu ở Munich, Heisenberg đã cùng một vài người bạn đạp xe dạo quanh hồ Walchensee. Câu chuyện chuyển sang khóa học của Sommerfeld về thuyết tương đối, và Heisenberg đặc biệt ấn tượng với nhận xét của người bạn Otto Laporte, sau này ông nhớ lại như sau:5
Chúng ta chỉ nên sử dụng những từ ngữ và khái niệm có liên quan trực tiếp đến nhận thức giác quan… Những khái niệm như vậy có thể được hiểu mà không cần giải thích dài dòng. Chính sự trở về với những gì có thể quan sát được này là công lao to lớn của Einstein. Trong thuyết tương đối của mình, ông đã bắt đầu một cách rất đúng đắn với câu nói thông thường rằng thời gian là những gì bạn đọc được trên đồng hồ. Nếu bạn giữ nguyên ý nghĩa thông thường của những từ ngữ đó, bạn sẽ không gặp khó khăn gì với thuyết tương đối. Ngay khi một lý thuyết cho phép chúng ta dự đoán chính xác kết quả quan sát, nó sẽ mang lại cho chúng ta tất cả những hiểu biết cần thiết.
Vào mùa hè năm 1922, Sommerfeld đã sắp xếp cho Heisenberg đến Leipzig, nơi Einstein sẽ thuyết trình. Đó là lần đầu tiên Heisenberg đến gặp Einstein. Khi Heisenberg bước vào giảng đường đông đúc, một tờ rơi được ép đưa cho ông, có chữ ký của nhà vật lý đoạt giải Nobel Philipp Lenard và 18 nhà khoa học Đức khác, chứa đựng lời công kích dữ dội nhắm vào lý thuyết của Einstein, như Heisenberg nhớ lại, “bị cho là chỉ là những suy đoán hoang đường, xa lạ với tinh thần Đức, và được báo chí Do Thái thổi phồng”.5
Heisenberg bị chấn động bởi cuộc tấn công chính trị này vào chân lý khoa học – đến nỗi ông thậm chí không nhận ra người phát biểu trên bục xa kia không phải là Einstein mà là người bạn và đồng nghiệp can đảm của Einstein, Max von Laue. Einstein đã quyết định không đến, vì biết rằng mình sẽ gặp nguy hiểm với những kẻ côn đồ Đức quốc xã, những kẻ vừa mới ám sát người bạn thân của ông, Bộ trưởng Ngoại giao Walther Rathenau, và đã công bố danh sách các nạn nhân Do Thái trong tương lai, bao gồm cả chính Einstein. Mối đe dọa này là lý do chính khiến Einstein rời Đức để thực hiện chuyến đi vòng quanh thế giới vào năm 1922–1923.
Chỉ có lý thuyết mới quyết định những gì người ta có thể quan sát
Cuộc gặp gỡ thực sự đầu tiên giữa hai nhân vật chính của chúng ta diễn ra vào năm 1924, khi Einstein – ở tuổi bốn mươi lăm, khoảng gấp đôi Heisenberg – đến Göttingen trong một thời gian ngắn. Công trình mới của Bohr, Kramers và Slater – lý thuyết BKS – là một tin nóng hổi. Nhưng vì nó nới lỏng các yêu cầu của thuyết nhân quả chặt chẽ và bảo toàn năng lượng, động lượng, Einstein đã viết thư cho Max Born rằng, nếu loại khoa học này tồn tại, “Tôi thà làm thợ đóng giày hoặc nhân viên trong sòng bạc còn hơn làm nhà vật lý”.
Vào năm 1927, ngay trước khi bắt đầu bước đột phá tiếp theo của mình – sau này được gọi là bài báo về nguyên lý bất định – Heisenberg đột nhiên nhớ lại câu nói đầy khiêu khích của Einstein: “Chỉ có lý thuyết mới quyết định những gì người ta có thể quan sát”. Đó là chìa khóa cho bước tiến của Heisenberg, như sau này ông nói, “Tôi chỉ cố gắng xoay chuyển vấn đề theo ví dụ của Einstein”.
Trong bối cảnh đó, Einstein và Heisenberg đã có một cuộc nói chuyện riêng vào năm 1924, trong một lần đi dạo quanh khu phố. Heisenberg, một người ủng hộ quan điểm của Bohr, đã ngay lập tức viết thư kể lại, “Einstein có một trăm phản đối” đối với lý thuyết BKS. Việc từ chối cách làm vật lý mới này của chính nhà khoa học mà Heisenberg ngưỡng mộ từ thuở trẻ chắc hẳn là điều rất khó khăn. Nhưng ông tự an ủi mình là thế hệ của ông “lớn lên trong một mớ hỗn độn hoàn toàn” của vật lý lượng tử, và ở vị trí may mắn để có thể từ bỏ những khuôn mẫu cũ, nếu cần thiết.
Vào ngày 25/9/1925, Heisenberg đã công bố trên Zeitschrift für Physik bước đột phá tuyệt vời về cơ học lượng tử, “Về việc diễn giải lại theo lý thuyết lượng tử về các mối quan hệ của động học và cơ học”. Ngay từ đầu, bản tóm tắt của bài báo đã nêu rõ nguyên lý cơ bản của Heisenberg: “Công trình này là một nỗ lực tìm kiếm nền tảng cho cơ học lượng tử dựa hoàn toàn vào mối quan hệ giữa các đại lượng về nguyên tắc có thể đo lường được.” Bài báo chỉ giới hạn ở các tính chất quan sát được của quang phổ, tránh xa các mô hình được xây dựng dựa trên các yếu tố không quan sát được như vị trí và chu kỳ của các electron trong nguyên tử.
Heisenberg sau này nhận xét rằng sự sáng suốt này là tiếng vọng từ những ngày ông vật lộn với thuyết tương đối tại Đại học Munich. Trong công trình nghiên cứu dẫn đến bài báo năm 1925, ông nhớ lại “triết lý được người bạn Otto của chúng tôi trình bày dưới góc nhìn của Einstein trong chuyến đi xe đạp, rằng chỉ coi các đại lượng quan sát được là dấu hiệu của hiện tượng nguyên tử”.5
Nhưng nếu ảo tưởng bài báo của mình sẽ được Einstein chấp thuận, thì Heisenberg đã nhầm. Một trong năm lá thư còn sót lại của Heisenberg trong kho lưu trữ của Einstein, đề ngày 30 tháng 11 năm 1925, rõ ràng là thư trả lời cho một ghi chú phản đối của Einstein (hiện đã thất lạc). Trong thư trả lời, Heisenberg cố gắng nuôi hy vọng về một sự kết nối hòa bình giữa lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein và cái mà ông gọi là “cơ học lượng tử của chúng ta”. Ông đặc biệt nhấn mạnh việc chỉ sử dụng “các đại lượng quan sát được” trong lý thuyết của mình. Nhưng tất cả đều vô ích.
Năm 1926 là một năm đầy kịch tính trong mối quan hệ đầy trắc trở này. Vào tháng tư, Heisenberg đã có bài giảng kéo dài hai tiếng về cơ học ma trận tại hội thảo vật lý nổi tiếng của von Laue tại Đại học Berlin. Trong số khán giả, cùng với cả một nhóm các nhà lãnh đạo, có Einstein. Đó là lần gặp thứ hai của họ. Einstein đã mời Heisenberg cùng đi bộ về nhà và từ đó đã diễn ra một cuộc thảo luận đáng chú ý, được Heisenberg lần đầu tiên tường thuật trên báo in vào năm 1969.
Trong cuộc thảo luận với Einstein, Heisenberg một lần nữa cố gắng nhấn mạnh rằng ông không chỉ nghiên cứu các quỹ đạo electron không thể quan sát được bên trong nguyên tử, mà còn nghiên cứu bức xạ có thể quan sát được. Ông nói với Einstein: “Vì việc đưa vào lý thuyết chỉ những đại lượng có thể quan sát được trực tiếp là điều chấp nhận được, nên tôi nghĩ sẽ tự nhiên hơn nếu giới hạn bản thân vào những đại lượng này, tức là đưa chúng vào như những đại diện cho quỹ đạo electron.” Einstein đáp: “Nhưng ông không thực sự tin rằng chỉ những đại lượng có thể quan sát được mới phải là đại diện cho một lý thuyết vật lý sao?” Heisenberg tiếp tục: “Tôi ngạc nhiên nói: ‘Tôi cứ tưởng chính ông là người đã đặt nền tảng cho thuyết tương đối của ông…’ Einstein đáp: ‘Có lẽ tôi đã sử dụng loại triết lý này; nhưng dù sao thì nó cũng thật vô nghĩa.’” Và rồi câu nói nổi tiếng của Einstein vang lên: “Chỉ có lý thuyết mới quyết định những gì người ta có thể quan sát.”5
Với Heisenberg, tất cả những điều này hẳn đã trở thành đòn tấn công gay gắt vào cái mà ông coi là định hướng nền tảng của mình, bắt nguồn từ việc đọc các tác phẩm đầu tay của Einstein và được chúng dẫn dắt ngay từ đầu. Einstein, người mà Heisenberg không hề để ý là đã có sự phát triển từ chủ nghĩa công cụ thực chứng sang chủ nghĩa hiện thực duy lý, tiếp tục giải thích dài dòng về sự phức tạp của bất kỳ quan sát nào nói chung, bao gồm những giả định về các hiện tượng mà đến lượt nó lại dựa trên các lý thuyết. Ví dụ, người ta gần như vô thức sử dụng lý thuyết của Maxwell khi diễn giải các phép đo thực nghiệm liên quan đến một chùm ánh sáng.
Có lẽ cuộc thảo luận này thúc đẩy Heisenberg bắt đầu cuộc hành hương nhận thức luận của riêng mình, mà cuối cùng kết thúc bằng việc mô tả tự nhiên thông qua việc chiêm nghiệm tính đối xứng. Vào năm 1927, ngay trước khi bắt đầu bước đột phá tiếp theo của mình – sau này được gọi là bài báo về nguyên lý bất định – Heisenberg đột nhiên nhớ lại câu nói đầy khiêu khích của Einstein: “Chỉ có lý thuyết mới quyết định những gì người ta có thể quan sát”. Đó là chìa khóa cho bước tiến của Heisenberg, như sau này ông nói, “Tôi chỉ cố gắng xoay chuyển vấn đề theo ví dụ của Einstein”.
Trong cuộc gặp gỡ của tôi với Heisenberg năm 1965, Heisenberg đã kể cho tôi chi tiết về cuộc gặp gỡ năm 1926 với Einstein và ý nghĩa của nó đối với ông. Heisenberg sau đó còn tiếp tục gửi cho tôi một lá thư vào tháng 1/1966, trong đó kể lại câu chuyện và thêm vào một kết luận khá ấn tượng: Trong khi lý thuyết xác định những gì có thể quan sát được, thì nguyên lý bất định đã cho ông thấy rằng một lý thuyết cũng xác định những gì không thể quan sát được. Trớ trêu thay, Einstein, thông qua cuộc trò chuyện năm 1926 của mình, đã cung cấp cho Heisenberg một số hạt giống ý tưởng để tạo ra bài báo về nguyên lý bất định năm 1927. □ (Còn tiếp)
Hoàng Anh Tuấn dịch
Nguồn: Physics Today
——-
Chú thích
1. Michael Frayn, Copenhagen, Methuen, London (1998). A new printing, with a few changes and a much expanded Post-script, is being released in 2000.
2. Also useful is the documentation in Part II of Paul L. Rose, Heisenberg and the Nazi Bomb Project, U. of California P., Berkeley (1998).
3. David C. Cassidy, Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg, W. H. Freeman and Co., New York (1992); Abraham Pais, “Subtle is the Lord . . .”: The Science and Life of Albert Einstein, Oxford U. P., New York (1982).
4. G. Holton, Thematic Origins of Scientific Thought: Kepler to Einstein, Harvard U. P., Cambridge, MA (1998), pp. 237–277.
5. W. Heisenberg, Der Teil und das Ganze, R. Piper & Co., Munich (1969). Translation by G. Holton.
