Vũ khí hạt nhân và những nhà vật lý thế kỷ 20: Oppenheimer trước chiến tranh – một người thầy của nề

Nguyên tử và phân tử

Bằng việc phân tích các phổ, các nhà vật lý có thể xác định được cấu trúc và tính chất của các phân tử. Nhưng một sự mô tả cơ học lượng tử chính xác về phân tử lại phức tạp, thậm chí là với một phân tử đơn giản vì trên thực tế là tất cả electron và hạt nhân trong phân tử đều tương tác với nhau.
Oppenheimer đã nhận ra rằng, chính vì sự chênh lệch lớn giữa khối lượng của electron và hạt nhân nên các tương tác này có thể được bỏ qua phần lớn. Ông đã gửi cho Born một nghiên cứu ngắn về chủ đề này. Born đã viết lại nó thành một công trình dài 30 trang, chỉ ra một cách chi tiết rằng, sự quay và dao động của các hạt nhân có thể được xem xét một cách tách biệt đối với chuyển động của các electron. Ngày nay, phép gần đúng Born-Oppenheimer đã trở thành xuất phát điểm cho các nhà vật lý và hoá học trong nghiên cứu về phân tử. Sau này Oppenheimer đã xác định được xác suất để một nguyên tử bắt electron của một nguyên tử khác. Và với phép gần đúng Born-Oppenheimer, ông cũng đã chỉ ra rằng, xác suất này là độc lập với thế giữa các hạt nhân của hai nguyên tử.
Năm 1928, Openheimer đã phát hiện ra một đặc tính thú vị của cơ học lượng tử, được gọi là sự chui hầm (hiệu ứng đường ngầm). Hiệu ứng này xảy ra dưới nhiều điều kiện lý thuyết. Một ví dụ kinh điển về hiệu ứng này sự phóng xạ hạt alpha của hạt nhân. Trường thế của lực hạt nhân và lực điện từ sẽ giam cầm hạt alpha trong hạt nhân. Theo vật lý cổ điển, hạt alpha sẽ không có đường thoát ra ngoài. Tuy nhiên, theo cơ học lượng tử, hạt alpha có thể thực hiện sự chui hầm qua rào thế và thoát ra ngoài.
Mùa hè năm 1928, George Gamow, độc lập với Edward U. Condon và Ronald W. Gurney đã lần đầu tiên giải thích sự phân rã phóng xạ bằng hiện tượng chui hầm. Những người viết sách giáo khoa ngày nay vẫn có ý rằng, chính các nhà khoa học nói trên đã khám phá ra hiệu ứng đường ngầm. Nhưng thực ra điều này không đúng. Vì vài tháng trước đó, vào tháng 3, Openheimer đã công bố một công trình ở Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, nghiên cứu về ảnh hưởng của trường điện từ lên một nguyên tử. Theo cổ điển, chỉ điện trường mạnh mới có thể phân li được nguyên tử. Tuy nhiên, theo quan điểm lượng tử, một trường yếu cũng có thể tách được electron ra khỏi nguyên tử, vì nó có thể chui hầm qua rào thế liên kết. Oppenheimer đã chỉ ra rằng, một điện trường yếu cũng có thể làm bật các electron từ bề mặt của một kim loại. Sau đó 54 năm, Gerd Binnig và Heinrich Rohrer ở phòng thí nghiệm Zurich IBM đã phát triển loại kính hiển vi quét đường ngầm sử dụng nguyên lý này.

Hạt và trường
Từ tháng 1 đến tháng 6 năm 1929, Oppenheimer làm việc với Wolgang Pauli tại Viện Công Nghệ Thụy Sỹ. Sau đó, ông chuyển mối quan tâm của mình sang việc ứng dụng cơ học lượng tử cho những vấn đề cơ bản hơn của vật lý. Ông nhận được thư mời làm việc ở cả Viện Công nghệ California (Caltech) và Đại học California, Berkeley. Oppenheimer đã tham gia cả hai nơi, mùa thu thì ở Berkeley còn mùa xuân ở Caltech. Ở cả hai trường, ông đều thu hút được nhiều học trò giỏi, những người đã xây dựng nên một nền vật lý Mỹ danh tiếng.

Paul Dirac

Một trong những vấn đề nóng nhất đầu những năm 1930 là “Lý thuyết Lượng tử cho Electron” của Dirac. Công trình này có lẽ là thành công lớn nhất của Dirac. Hàm sóng tương đối tính mô tả electron của ông đã làm chấn động giới vật lý ở chỗ: nó sinh ra spin của hạt và hiệu chỉnh momem từ. Heisenberg đã viết cho Pauli vào tháng 7/1928 rằng: “Chương buồn nhất của vật lý hiện đại chính là những điều còn tồn tại trong lý thuyết Dirac.” Phương trình Dirac đã cho các nghiệm tương ứng với các trạng thái năng lượng dương và một số vô hạn các trạng thái năng lượng âm. Trong một tình trạng như vậy, cơ học lượng tử tiên đoán rằng các electron có thể nhảy vô hạn xuống các mức năng lượng âm và như vậy sẽ không thể tồn tại các electron thông thường. Để giải quyết khó khăn này, Dirac đã giả thuyết rằng các mức năng lượng âm đã bị chiếm bởi một số vô hạn các electron. Nếu có một mức nào không bị chiếm nữa thì chúng sẽ trở thành các “lỗ” mang điện dương. Tháng 3/1930, Dirac công bố một công trình cho rằng, những lỗ mang điện dương này là electron. Nhưng, Oppenheimer, người đã đọc công trình của Dirac trước khi nó được xuất bản đã tranh luận trong một bức thư gửi cho Physical Review. Ông đã chỉ ra rằng, nếu các lỗ điện dương trong lý thuyết Dirac mà là các proton thì các electron và proton sẽ huỷ lẫn nhau, nghĩa là vật chất thông thường sẽ có thời gian sống khoảng 10-10 giây. Ông cũng đã chú ý thêm rằng, những hạt mang điện dương trong lý thuyết Dirac cần phải có cùng khối lượng như electron. Tất nhiên, về sau người ta đã biết được rằng những hạt mang điện dương này là các positron – phản hạt của các electron. Như vậy, trong cuộc tranh luận với Dirac, Oppenheimer có thể được coi là một người đã có đóng góp cho sự  tiên đoán về loại hạt mới này.            
Ngay cả sau khi nhà vật lý ở Caltech là Carl Anderson tìm ra positron bằng thực nghiệm vào năm 1932, lý thuyết về hạt này vẫn còn gặp phải một số vấn đề. Oppenheimer và các nhà vật lý khác khi nghiên cứu về điện động lực học lượng tử (QED) đã có nhiều ngờ vực về lý thuyết cơ bản này. Chẳng hạn, năm 1930, Oppenheimer đã chỉ ra rằng, khi lý thuyết QED do Heisenberg và Pauli xuất bản cùng năm đó được áp dụng cho tương tác giữa các electron, proton và trường điện từ, sự dịch chuyển của các vạch phổ sẽ là vô hạn.  
Sự phác thảo của Oppenheimer về QED đã tồn tại trong suốt những năm 1930 với những vấn đề lạ lùng trong nghiên cứu của ông về tia vũ trụ. Đó là những biểu hiện của hạt muon và một hạt năng lượng cao khác vẫn chưa được biết vào thời đó. Chỉ sau chiến tranh, dựa trên kết quả thực nghiệm về nguyên tử hydro do học trò Willis E. Lamb của Oppenheimer thực hiện thì người ta mới hiểu được rằng chính Oppenheimer đã từng có xu hướng giải quyết được vấn đề về các vô hạn (phân kỳ).
Năm 1931, Oppenheimer đã cố gắng đi tìm một phương trình cho photon tương đồng với phương trình cho electron của Dirac. Ông đã thất bại, nhưng quá trình nghiên cứu này đã minh họa sự khác nhau cơ bản giữa các hạt có spin nguyên và bán nguyên, sau này đã tạo cơ sở cho chứng minh hình thức luận của Pauli về mối liên hệ giữa spin và thống kê. Theo cơ học lượng tử, sự huỷ và sinh vật chất – tuân theo các định luật bảo toàn năng xung lượng – là có thể xảy ra. Oppenheimer tuy không phải là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về sự sinh cặp nhưng ông và người học trò Milton S. Plesset đã đưa ra được sự mô tả chính xác đầu tiên về hiện tượng này vào năm 1933. Một năm sau đó, Oppenheimer lại cùng với học trò Wendell H.Furry phát triển lý thuyết electron-positron theo hình thức hiện đại. Họ đã chỉ ra rằng, điện tích được quan sát đối với electron không phải điện tích thực mà được liên kết với một hiện tượng gọi là sự tái chuẩn hoá điện tích. Điều này đã giúp các nhà lý thuyết giải thích được những khó khăn trước đây xung quanh những phân kỳ trong QED.

Sự sinh và hủy vật chất
Trong những năm 1930, những nghiệm vật lý năng lượng cao thường nhắm vào các hiện tượng xảy ra trong khí quyển trái đất. Những tia vũ trụ năng lượng cao có thể bắn phá những nguyên tử trong khí quyển và sinh ra “những trận mưa” tia vũ trụ. Oppenheimer và học trò Franklin Carlson đã chỉ ra rằng những trận mưa tia vũ trụ này thường chứa các photon, electron và positron được tạo ra bởi những hiện tượng sinh cặp. Nếu tia vũ trụ chủ yếu là photon hoặc electron, Oppenheimer và Carlson đã cho thấy rằng, một tấm chì dày 20cm là có thể hấp thụ tất cả các bức xạ sinh ra trong khoảng năng lượng được quan sát bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, theo những kết quả bổ sung, có những sự đâm xuyên vượt quá những bề dày tương ứng với các photon và electron. Họ đã kết luận rằng: “còn có một thành phần khác của tia vũ trụ.” Vài tháng sau, các nhóm ở Caltech và Havard đã đồng thời khám phá ra một hạt mới. Oppenheimer và Robert Serber ở Berkeley đã ngay lập tức đồng nhất hạt vừa tìm được này với hạt mà nhà vật lý Nhật Hideki Yukawa đã tiên đoán để giải thích các lực hạt nhân. Nhưng thực ra hạt đó là muon. Hạt đáp ứng đúng tiêu chuẩn của Yukawa là pion, được tìm ra sau đó một thời gian.
Mùa xuân năm 1933, những thí nghiệm dùng deuteron bắn phá hạt nhân của Ernest Lawrence ở Berkeley đã cho một kết quả khó hiểu. Khi các deutron năng lượng cao bắn phá hạt nhân, bia hạt nhân sẽ sinh ra các proton nằm trong một khoảng năng lượng hẹp. Oppenheimer và học trò Melba Phillips đã cho thấy rằng, khi một deutron va chạm với một hạt nhân nặng, hạt nhân đó có thể giữ lại neutron trong deutron và giải phóng proton. Hiện tượng này bây giờ được sử dụng để mô tả  những giai đoạn tiến hoá cuối cùng của các ngôi sao. Oppenheimer cùng với hai học trò của ông là George M.Volkoff và Hartland S. Snyder cũng đã thuộc vào những người đi tiên phong trong việc phát triển các lý thuyết về dạng tiến hóa của các ngôi sao, mô tả các sao neutron và lỗ đen. Họ đã cùng nghiên cứu về số phận các ngôi sao nặng sau khi tiêu hết nguồn năng lượng nhiệt hạt nhân. Oppenheimer và Volkoff đã thiết lập sự khác nhau giữa các tính toán về hấp dẫn của quá trình, dựa trên lý thuyết của Newton và gắn kết với lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein.

Einstein và Oppenheimer

Các sao neutron và lỗ đen
Phương trình Oppenheimer-Volkoff đã cho thấy áp suất tăng nhanh khi đi vào trong lòng ngôi sao hơn là những tính toán chỉ dựa trên lý thuyết Newton. Dựa trên lý thuyết tương đối tổng quát, lý thuyết của họ đã tiên đoán những lực hấp dẫn mạnh hơn và chính xác hơn lý thuyết Newton. Oppenheimer và Volkoff cũng đã thực hiện những tính toán đầu tiên thiết lập nên cấu trúc của sao neutron và từ đó đặt nền móng cho lý thuyết tương đối tính về cấu trúc sao. Trong một bức thư gửi cho George E. Uhlenbeck năm 1939, Oppenheimer viết: “Chúng tôi đang nghiên cứu về các nghiệm dừng và không dừng của những vật thể có khối lượng lớn… những ngôi sao kỳ quặc có lẽ sẽ co lại thành các nhân toàn neutron. Những kết quả này rất kỳ quặc…” Trên thực tế, những kết quả này còn lạ hơn cả những gì ông đã nghĩ. Cũng trong năm đó, Oppenheimer và Snyder đã cho đăng một công trình kinh điển mang tựa đề: “Sự Co lại Liên tục do Hấp dẫn.” Họ đã chú ý rằng, khi một ngôi sao nặng tiêu thụ hết năng lượng hạt nhân thì số phận cuối cùng của nó sẽ được định đoạt ở vấn đề là nó có thể giải phóng được bao nhiêu khối lượng, hoặc là bằng việc phóng ra các xung bức xạ, hoặc là bằng việc quay nhanh và ném vật chất ra ngoài. Sau khi vật chất không thể thoát ra được nữa, cái nhân còn lại sẽ bị bó chặt bởi lực hấp dẫn. Nếu không còn năng lượng hạt nhân để đóng vai trò như một lực giữ cân bằng, cái nhân sẽ tiếp tục co lại. Ánh sáng phát ra từ nhân sẽ càng ngày càng bị dịch về phía đó. Thêm vào đó, những con đường để ánh sáng có thể thoát ra ngày càng bị thu hẹp cho đến khi nó hoàn toàn bị đóng lại. Khi xây dựng sự mô tả này, Oppenheimer và Snyder đã đưa ra những tính toán đầu tiên cho thấy làm thế nào mà một lỗ đen có thể được tạo thành.
Những vấn đề mà Oppenheimer đã nghiên cứu vẫn còn trải rộng qua cả thế kỷ. Phép gần đúng Born-Oppenheimer, sự xuyên qua rào thế của các electron, lý thuyết về những trận mưa tia vũ trụ, những sao neutron và lỗ đen, tất cả đã trở thành một phần trọng yếu của vật lý học hiện đại.
Các pulsar, hiện nay đã được nhận diện là các sao neutron quay, lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1967, cái năm mà Oppenheimer đã qua đời vì bệnh ung thư. Nếu sống lâu hơn, con người đã thường bị coi là cha đẻ của bom nguyên tử này có lẽ sẽ cảm thấy nhẹ nhõm hơn khi nhìn thấy khám phá của mình thành hiện thực. Đó là những khám phá làm tăng sự hiểu biết cho con người, những gì vẫn từng bị chính hình ảnh thời chiến tranh của ông vùi lấp.          

 
“Tôi nhắc lại một lần nữa: TÔI KHÔNG PHẢI LÀ CHA ĐẺ CỦA BOM NGUYÊN TỬ. Tôi  cũng chỉ là một kẻ tòng phạm nữa trong việc phát triển một thứ khoa học giết người…
MỤC ĐÍCH KHÔNG THỂ BIỆN MINH CHO NHỮNG THỦ ĐOẠN HAY BẤT CỨ PHƯƠNG TIỆN NÀO.
… Chúng ta phải nhận thức được rằng, bất cứ loại bom nào (A, H, X hay bất cứ cái tên nào người ta đặt cho nó) hay sự phát triển dưới bất cứ hình thức nào loại vũ khí này đều có nghĩa là sự khủng khiếp, chết chóc và tận thế của loài người”.
Robert Oppenheimer