Albert Einstein Kì 2: Bốn công trình làm rung chuyển vật lý thế giới ở tuổi 26

Trong năm 1905, một nhân viên trẻ tại Cục Sở hữu trí tuệ Thụy Sĩ công bố 4 công trình có ảnh hưởng sâu sắc đến vật lý hiện đại. Mỗi công trình gần như đủ để trở thành thành tựu lớn trong sự nghiệp của một nhà khoa học. Albert Einstein lại hoàn thành chúng khi mới 26 tuổi và vẫn chưa phải là giáo sư vật lý nổi tiếng.

Điều đáng kinh ngạc hơn là 4 công trình này không chỉ giải quyết 4 bài toán nhỏ trong cùng một lĩnh vực, mà tác động đến những câu hỏi căn bản về ánh sáng, vật chất, không gian, thời gian, chuyển động, khối lượng và năng lượng.

Albert Einstein công bố 4 bài viết quan trọng khi còn là nhà khoa học vô danh

Sau khi tốt nghiệp Trường Bách khoa Liên bang Zurich (nay là ETH Zurich) năm 1900, Albert Einstein gặp khó khăn trong việc tìm việc làm học thuật. Đến năm 1902, ông mới được nhận vào làm chuyên viên kỹ thuật hạng III tại Cục Sở hữu trí tuệ Liên bang Thụy Sĩ ở thành phố Bern.

Công việc của Einstein là xem xét các đơn đăng kí sáng chế và đánh giá xem chúng có đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật hay không. Ông không có phòng thí nghiệm riêng và cũng không sở hữu một nhóm nghiên cứu đông đảo.

Thế nhưng, công việc tại Cục Sở hữu trí tuệ Liên bang Thụy Sĩ lại giúp Einstein có thu nhập ổn định và thời gian để suy nghĩ về vật lý.

Năm 1905, ông liên tiếp gửi các công trình nghiên cứu đến tạp chí Vật lý học Annalen der Physik. Thư viện Quốc hội Mỹ gọi 1905 là “Năm kỳ diệu” của Einstein, khi ông công bố 4 bài viết quan trọng về hiệu ứng quang điện, chuyển động Brown, thuyết tương đối hẹp, mối liên hệ giữa khối lượng với năng lượng.

Bài báo về ánh sáng mở đường cho vật lý lượng tử

Công trình đầu tiên của Einstein liên quan đến hiệu ứng quang điện.

Trước đó, ánh sáng chủ yếu được mô tả bằng lý thuyết sóng. Thế nhưng, các thí nghiệm cho thấy ánh sáng có thể khiến electron bật ra khỏi một số vật liệu theo cách khó giải thích hoàn toàn bằng mô hình sóng cổ điển.

Einstein đề xuất rằng ánh sáng có thể trao đổi năng lượng với vật chất dưới dạng những lượng tử năng lượng rời rạc. Về sau, các lượng tử ánh sáng này được gọi là photon.

Theo Einstein, năng lượng của photon phụ thuộc vào tần số ánh sáng. Khi photon truyền năng lượng cho electron trong kim loại, electron sẽ bật ra nếu nhận đủ năng lượng. Tần số ánh sáng quyết định năng lượng và động năng của electron bật ra. Cường độ ánh sáng chủ yếu quyết định số electron bật ra.

Điểm quan trọng là Einstein cho rằng tính lượng tử không chỉ là công cụ toán học mà phản ánh bản chất của quá trình ánh sáng trao đổi năng lượng với vật chất. Ý tưởng này trở thành một trong những nền tảng quan trọng của vật lý lượng tử.

Năm 1921, Einstein được trao giải Nobel Vật lý chủ yếu nhờ công trình giải thích hiệu ứng quang điện, chứ không phải nhờ thuyết tương đối. Việc này đôi khi gây nhầm lẫn vì ngày nay thuyết tương đối, đặc biệt là phương trình E=mc², được công chúng biết đến rộng rãi hơn.

Công trình củng cố bằng chứng về nguyên tử

Công trình thứ hai của Einstein trong năm 1905 là nghiên cứu chuyển động Brown.

Nếu nhìn một hạt bụi rất nhỏ trong chất lỏng dưới kính hiển vi, chúng ta có thể thấy nó chuyển động hỗn loạn liên tục. Hiện tượng này đã được nhà thực vật học Robert Brown quan sát từ thế kỉ 19, nhưng ý nghĩa vật lý sâu xa của nó vẫn chưa được giải thích thỏa đáng.

Einstein xây dựng một mô hình toán học cho thấy chuyển động hỗn loạn của các hạt nhỏ có thể được giải thích bằng sự va chạm liên tục với các phân tử vô hình trong chất lỏng. Nói cách khác, ông đưa ra một cách kiểm tra định lượng cho ý tưởng rằng vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phân tử.

Đây là điểm rất quan trọng trong lịch sử khoa học. Vào thời điểm đó, dù nhiều nhà khoa học tin rằng nguyên tử tồn tại, vẫn có người xem nó chỉ là một khái niệm lý thuyết, chưa có đủ bằng chứng trực tiếp.

Einstein không phải người đầu tiên đưa ra ý tưởng về nguyên tử. Tuy nhiên, công trình của ông đã đưa ra những dự đoán cụ thể có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm. Những nghiên cứu tiếp theo, đặc biệt là các phép đo của nhà vật lý Jean Perrin, đã góp phần xác nhận các dự đoán này và củng cố mạnh mẽ quan điểm rằng nguyên tử, phân tử là những thực thể có thật.

Thuyết tương đối hẹp thay đổi khái niệm không gian và thời gian

Công trình thứ ba của Einstein mới thực sự làm rung chuyển nền vật lý cổ điển. Trong bài viết về “điện động lực học của các vật thể chuyển động”, Einstein xây dựng thuyết tương đối hẹp.

Điểm xuất phát là hai nguyên lý tưởng như đơn giản nhưng có hệ quả sâu sắc. Các định luật vật lý có cùng dạng trong mọi hệ quy chiếu quán tính, còn tốc độ ánh sáng trong chân không có cùng giá trị với các quan sát viên quán tính.

Điều này dẫn đến một kết luận khiến trực giác thông thường bị đảo lộn: Thời gian và không gian không còn là những đại lượng tuyệt đối độc lập với người quan sát.

Hai người chuyển động tương đối với nhau có thể đo khoảng thời gian và khoảng cách khác nhau. Đó là lý do những khái niệm như giãn thời gian và co độ dài xuất hiện.

Einstein không chỉ đưa ra một công thức mới, mà còn thay đổi cách con người hiểu về không gian, thời gian và thực tại vật lý.

Trong cơ học Newton, thời gian được xem là trôi đều và giống nhau với mọi người. Thuyết tương đối hẹp cho thấy không gian và thời gian không phải những đại lượng tuyệt đối, độc lập với trạng thái chuyển động của người quan sát.

E=mc² không phải là toàn bộ thuyết tương đối

Vài tháng sau khi công bố thuyết tương đối hẹp, Einstein viết một công trình ngắn về mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng. Công trình này có ảnh hưởng rất lớn đến vật lý.

Từ đó, phương trình nổi tiếng E=mc² ra đời. Phương trình này cho thấy khối lượng của một vật tương ứng với một lượng năng lượng nghỉ nhất định. Do tốc độ ánh sáng rất lớn và được bình phương trong công thức E=mc², một lượng khối lượng rất nhỏ cũng tương ứng với lượng năng lượng khổng lồ.

Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa Einstein đã phát minh ra bom nguyên tử. E=mc² chỉ nêu lên mối quan hệ cơ bản giữa khối lượng và năng lượng. Để biến năng lượng hạt nhân thành nguồn năng lượng hoặc vũ khí, các nhà khoa học và kỹ sư phải thực hiện nhiều nghiên cứu trong thời gian dài.

Dù vậy, E=mc² vẫn trở thành một trong những phương trình nổi tiếng nhất trong lịch sử khoa học.

Bước ngoặt của Albert Einstein

Các công trình này nhanh chóng giúp Einstein được giới vật lý chú ý. Ông dần được công nhận là nhà vật lý lý thuyết quan trọng.

Theo Einstein Papers Project, các công trình Einstein công bố trong thập niên đầu sự nghiệp nằm trong số những thành tựu quan trọng của vật lý thế kỷ 20.

Tuy nhiên, Einstein chưa trở thành nhân vật nổi tiếng toàn cầu ngay sau năm 1905. Bước ngoặt trong sự nghiệp học thuật đến vào năm 1909, khi ông rời Cục Sở hữu trí tuệ Liên bang Thụy Sĩ và nhận vị trí phó giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Zurich. Đây là chức vụ học thuật chính thức đầu tiên của ông.

Sau đó, Einstein tiếp tục phát triển những ý tưởng đã bắt đầu hình thành từ trước năm 1905. Đến năm 1915, Einstein hoàn thiện và công bố các phương trình trường của thuyết tương đối rộng, mở rộng cuộc cách mạng về không gian và thời gian sang lĩnh vực hấp dẫn. Lý thuyết này đưa ra cách nhìn hoàn toàn mới: Hấp dẫn không đơn thuần là một lực theo cách hiểu của vật lý Newton mà liên quan đến sự cong của không - thời gian.

Nếu thuyết tương đối hẹp năm 1905 làm thay đổi cách con người hiểu về không gian và thời gian khi vật thể chuyển động, thuyết tương đối rộng năm 1915 tiếp tục thay đổi cách chúng ta hiểu về hấp dẫn.

Song phải đến năm 1919, tên tuổi Einstein mới thực sự trở thành hiện tượng toàn cầu.

Ngày 29/5/1919, các nhà thiên văn tiến hành quan sát một lần nhật thực toàn phần tại đảo Príncipe ngoài khơi châu Phi và thành phố Sobral ở Brazil. Họ kiểm tra một dự đoán quan trọng của thuyết tương đối rộng: Ánh sáng từ các ngôi sao ở phía sau Mặt trời sẽ bị lệch khi đi qua vùng không gian chịu ảnh hưởng hấp dẫn mạnh của Mặt trời.

Kết quả quan sát được công bố vào tháng 11/1919 và được báo chí quốc tế đưa tin rộng rãi. Trung tâm nghiên cứu Historical Society of Princeton xác định đây là thời điểm Einstein lần đầu vang danh trên toàn thế giới.

Như vậy, có một khoảng cách đáng kể giữa Einstein của năm 1905 và 1919. Năm 1905, ông vẫn là một nhà khoa học trẻ làm việc tại cơ quan sáng chế. Đến năm 1919, Einstein đã trở thành một trong những nhà khoa học nổi tiếng nhất thế giới.

Điều làm cho “Năm kỳ diệu” trở nên đặc biệt không đơn giản là Einstein công bố nhiều bài báo trong một năm. Điểm đáng kinh ngạc nằm ở chỗ những công trình đó tác động đến nhiều vấn đề nền tảng khác nhau của vật lý.

Nghiên cứu về hiệu ứng quang điện góp phần đặt nền móng cho vật lý lượng tử. Nghiên cứu về chuyển động Brown cung cấp cơ sở lý thuyết quan trọng cho việc kiểm chứng sự tồn tại và chuyển động của các nguyên tử, phân tử. Thuyết tương đối hẹp làm thay đổi cách vật lý nhìn nhận không gian và thời gian. Mối quan hệ giữa khối lượng và năng lượng trở thành một trong những nguyên lý nổi tiếng nhất của vật lý hiện đại.

Điều đặc biệt là Einstein không phải giáo sư đang đứng đầu một phòng thí nghiệm lớn khi tạo ra những công trình này. Thời điểm ấy, ông chỉ là nhà khoa học trẻ làm việc tại Cục Sở hữu trí tuệ và vẫn đang tìm kiếm vị trí thích hợp trong giới học thuật.

Đó là lý do 1905 thường được xem là một trong những năm đặc biệt nhất lịch sử khoa học. Chỉ vài tháng, một nhà khoa học trẻ chưa có vị trí học thuật chính thức đã đưa ra nhiều ý tưởng sau này trở thành nền tảng của các lĩnh vực quan trọng trong vật lý hiện đại.

(còn nữa)