Chương
5: Các hạt cơ bản và các lực trong tự nhiên
Aristotle
tin rằng toàn bộ vật chất trong vũ trụ được tạo thành
từ bốn yếu tố cơ bản: đất, không khí, nước và lửa.
Các yếu tố này được tác động bởi hai lực: lực hấp
dẫn có xu hướng làm chìm xuống đối với đất và nước
và lực nâng có xu hướng làm nâng lên đối với không khí
và lửa. Sự phân chia nội dung của vũ trụ thành vật chất
và các lực như thế vẫn còn được dùng cho đến ngày nay.
Aristotle
cũng tin rằng vật chất là liên tục, tức là người ta có
thể phân chia một mẩu vật chất ngày càng nhỏ mà không
có một giới hạn nào: người ta không bao giờ đi tới một
hạt vật chất mà không thể phân chia được nữa. Tuy nhiên
một số ít người Hy Lạp, chẳng hạn như Democritus, lại
cho rằng vật chất vốn có dạng hạt và vạn vật được
tạo thành từ một số lớn các loại nguyên tử (atom) khác
nhau (atom theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là “không thể phân chia
được nữa”). Cuộc tranh cãi kéo dài hàng thế kỷ mà không
bên nào có một bằng chứng thực tế nào. Mãi tới năm 1830,
John Dalton - nhà vật lý và hóa học người Anh - đã chỉ ra
rằng việc các hợp chất hóa học luôn luôn được hóa hợp
theo những tỷ lệ nhất định có thể được giải thích
là do các nguyên tử đã cụm lại với nhau tạo nên những
đơn nguyên gọi là phân tử. Tuy nhiên, cho tới tận những
năm đầu thế kỷ này, cuộc tranh luận giữa hai trường phái
tư tưởng mới ngã ngũ với phần thắng thuộc về những
người theo nguyên tử luận. Einstein là người đã đưa ra
được một bằng chứng vật lý quan trọng. Trong một bài
báo viết năm 1905, chỉ ít tuần trước bài báo nổi tiếng
về thuyết tương đối hẹp, Einstein đã chỉ ra rằng cái
được gọi là chuyển động Brown - tức là chuyển động
không đều đặn, ngẫu nhiên của các hạt bụi lơ lửng trong
một chất lỏng - có thể được giải thích như là kết quả
của sự va chạm của các nguyên tử chất lỏng với các hạt
bụi.
Vào
thời gian đó cũng đã có những nghi ngờ đối với giả thuyết
cho rằng các nguyên tử là không thể phân chia được. Vài
năm trước đó, một nghiên cứu sinh của trường Trinity College,
Cambridge, là J.J. Thomson đã chứng minh được sự tồn tại
của một hạt vật chất mà ông gọi là electron. Đó là một
hạt có khối lượng nhỏ hơn khối lượng của nguyên tử
nhẹ nhất khoảng một ngàn lần. Ông đã dùng một dụng cụ
khá giống với chiếc đèn hình của một máy thu hình hiện
đại: một sợi kim loại nóng đỏ phát ra các hạt electron
và bởi vì các hạt này mang điện âm nên có thể dùng một
điện trường để gia tốc của chúng hướng tới một màn
phủ photpho. Khi các hạt này đập vào màn, chúng sẽ gây ra
những chớp sáng. Chẳng bao lâu sau, người ta thấy rằng các
hạt electron đó bắn ra từ chính bên trong các nguyên tử và
vào năm 1911, nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford cuối cùng
đã chứng tỏ được rằng các nguyên tử vật chất có cấu
trúc bên trong: chúng tạo bởi một hạt nhân cực kỳ nhỏ
mang điện dương và các electron quay quanh hạt nhân đó. Ông
rút ra điều này từ việc phân tích sự lệch hướng của
các hạt alpha - hạt mang điện dương do các nguyên tử phóng
xạ phát ra - khi va chạm với các nguyên tử
Thoạt
đầu người ta nghĩ rằng hạt nhân nguyên tử được tạo
bởi electron và một số hạt mang điện dương gọi là proton
(theo tiếng Hy Lạp proton có nghĩa là “đầu tiên”, vì người
ta nghĩ rằng nó là đơn nguyên cơ bản tạo nên vật chất).
Tuy nhiên, vào năm 1932 một đồng nghiệp của Rutherford ở
Cambridge là James Chadwick đã phát hiện ra rằng hạt nhân còn
chứa một hạt khác gọi là neutron. Đó là hạt có khối lượng
gần như proton nhưng không mang điện. Chadwick đã được trao
giải thưởng Nobel vì phát minh này và được bầu làm hiệu
trưởng của trường Gonville và Caius College, Cambridge (trường
mà hiện tôi là thành viên của ban giám hiệu). Sau này ông
đã phải từ chức hiệu trưởng vì bất đồng với các thành
viên trong ban giám hiệu. Sự bất đồng trong trường còn gay
gắt hơn khi nhóm các thành viên lãnh đạo trẻ trở về sau
chiến tranh đã bỏ phiếu loại các thành viên già ra khỏi
các chức vụ của nhà trường mà họ đã giữ quá lâu. Chuyện
này xảy ra trước thời của tôi.
Cùng
Tác Giả, Khác Dịch Giả:
Lược
Sử Thời Gian, Dịch Gỉa: Thích Viên Lý, USA
