Những năm đầu của cơ học lượng tử

2

NĂM ĐẦU
QUANTUM
CƠ KHÍ

Tên của Rudolf Peierl được nhiều người biết đến

và sẽ không hề cường điệu khi cuốn sách của ông ấy
“Quy luật tự nhiên” chứa nhiều trong số đó
trong vật lý.
Đối với những người có chuyên môn tên là Giáo sư Payerl,
thành viên của Hiệp hội Korpel Luân Đôn,
gắn liền với cổ điển lâu đời
kết quả trong lĩnh vực lý thuyết vững chắc
tel, vật lý toán học, cơ học lượng tử,

mà anh ấy giải quyết trong thời gian của mình
hoạt động khoa học lâu dài.
Sinh ra ở Berlin, hầu hết cuộc sống của anh ấy
Rudolf Peierls sống cả đời ở Anglili.

Last autumn, Rudolf Peierls visited Moscow as a guest of the USSR Academy of Sciences. Bài giảng của ông đề cập đến lịch sử hình thành cơ học lượng tử và những người tạo ra nó, đã thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học. The hall of the Institute of Physical Problems was filled with physicists of various students up to Peierl’s weights. During his long life (he is now 81 years old), Rudolf Peierls met and worked with almost all the outstanding physicists of the 20th century. He spoke about them - his accountants and callers - in this lecture. It was a story from an eyewitness, empty white, but full of living details, marks of benevolent characteristics and subtle numbers. Các nhà khoa học có tên từ lâu đã được đưa vào sách giáo khoa và bách khoa toàn thư đã được giới thiệu trước sự kiện này với tư cách là những người sống, mỗi người đều có những đặc điểm và thói quen riêng. Đây là cơ hội để cảm nhận bầu không khí của thời kỳ tuyệt vời đó khi nền tảng của vật lý hiện đại được hình thành chỉ trong vài năm.
P. Peierls đã giảng bài bằng tiếng Nga, và chúng tôi đã cố gắng lưu giữ những nét đặc trưng trong phong cách của ông trong bản ghi âm bài giảng của N. N. Artugonia.

P. PEIERLS

Việc tôi giảng dạy bằng cách kể một câu chuyện về chính mình có vẻ là thiếu khiêm tốn. Cộng đồng không làm điều đó mà nói về ấn tượng cá nhân của tôi và do đó trước tiên tôi phải giới thiệu bản thân. Tôi vào đại học năm 1925. Bây giờ tôi có thể nói rằng tôi chọn vật lý vì đây là một môn học thú vị và đang phát triển nhanh chóng. Tuy nhiên, điều này sẽ không công bằng. Thật ra tôi muốn trở thành một kỹ sư. Đó là thời điểm mà sự đổi mới và tự động hóa mới đang phát triển, và việc cậu bé muốn trở thành kỹ sư là điều đương nhiên. Nhưng tôi muốn trở thành một kỹ sư. Nhưng bản báo cáo nói với tôi rằng tôi không phù hợp với công việc này, rằng tôi sẽ không trở thành một kỹ sư giỏi. Vì vậy, đối với tôi, tôi đã chọn thứ gần gũi nhất với ước mơ của mình - vật lý.

Tôi học đại học ở Berlin, thành phố nơi tôi ở. Bố mẹ tôi nghĩ tôi còn quá trẻ để có thể đi xa. Ở đó tôi đã tham dự các bài giảng của Max Planck. Đây là những bài giảng tồi tệ nhất mà tôi từng giảng. Anh ấy đọc từ của mình

3

sách vật lý lý thuyết theo đúng nghĩa đen. Nếu bạn có một bản sao, bạn có thể theo dõi từng dòng văn bản. Planck rất nổi tiếng nhưng lúc đó chúng tôi vẫn chưa biết tại sao. Lần đầu tiên, những từ mới trong ý tưởng của Planck, nguyên tử của Bohr và tất cả những thứ tương tự đã được trình bày trong các bài giảng của Walter Bothe (sau này ông trở thành nhà vật lý hạt nhân). Ở đó tôi thấy rõ rằng có điều gì đó mới mẻ và rất thú vị đang diễn ra trong vật lý.

Sau một năm, tôi quyết định rằng mình đã đủ tuổi để rời Berlin. Tôi chuyển đến Munich, nơi người thầy giỏi nhất về vật lý lý thuyết, Arnold Sommerfeld, làm việc vào thời điểm đó. Đó là thời kỳ tuyệt vời cho vật lý lý thuyết. Cơ học lượng tử đã được tạo ra, và bây giờ thật khó để tưởng tượng mọi thứ diễn ra nhanh như thế nào - thực tế là chỉ trong hai năm.

Trong thời gian này tôi vào đại học và trong vòng một năm tôi có thể đọc được các tác phẩm về cơ học lượng tử. Nhưng tôi đã muộn trong việc hình thành nó. Nếu cuộc đời có thể lặp lại, tôi ước gì được sinh ra sớm hơn một hoặc hai năm. Felix Bloch sau đó giải thích với tôi rằng không phải ai cũng có khả năng tạo ra những lý thuyết mới và chúng tôi đã xuất hiện đúng lúc để áp dụng chúng. Tôi nghĩ anh ấy đã đúng. Đây là thời điểm tốt nhất để giải quyết mọi vấn đề, với lời giải vật lý kỳ lạ nào dẫn đến mâu thuẫn và áp dụng các phương pháp mới cho nó.

Vì vậy, tôi đã đến Sommerfeld. Sommerfeld có tầm vóc thấp bé nhưng có những dịch vụ to lớn. Đôi khi chúng tôi gọi nó là “nửa trên và sau đó là một số.” Sommerfeld nhìn khá quan trọng và mang ý nghĩa Geheimrat - Ủy viên Hội đồng Cơ mật. Điều này có thể được so sánh với ý nghĩa hiện đại của học giả, và ông thích được gọi như vậy. Một sinh viên Mỹ ban đầu không biết điều này và gọi Sommfeld đơn giản là “Giáo sư”. Một hoặc hai tuần sau, mọi thứ đã được giải thích cho anh ấy, và trong cuộc họp tiếp theo, anh ấy đã quay sang Sommerfeld

Sommerfeld (trái) và Pauli. Pauli trông rất tuyệt vời và khiêm tốn (thực tế thì không phải như vậy!). Anh ấy luôn như vậy với giáo sư cũ của mình. Bản thân Pauli gọi nó là “bộ dụng cụ học tập”.

4

Tallov và trong các tính toán trên bảng đã bỏ lỡ set 2. Chúng tôi nhận thấy điều này, đối với chúng tôi, nó dường như không quan trọng lắm. Cuối cùng, ông đã tìm ra định luật Wiedemann-Franz, hệ số của nó đầy hứa hẹn. Lúc đó anh mới thấy kết quả là sai. Chúng tôi quan tâm theo dõi điều gì sẽ xảy ra. Nhận thấy sai sót, Sommerfeld không ngừng nói rằng bây giờ cần phải tính đến cả các electron chuyển động từ trái sang phải và các electron chuyển động từ phải sang trái, đồng thời đặt hệ số 2 còn thiếu vào đúng chỗ.

…Sommerfeld có một túp lều nhỏ để nghỉ ngơi trên núi, nơi ông thỉnh thoảng mời các nghiên cứu sinh và giáo viên. Ở đó, ông đã cho tôi cơ hội phát biểu tại buổi hội thảo đầu tiên của tôi. Các công trình của Dirac và Yurdan về lý thuyết biến đổi vừa xuất hiện. Sommerfeld nói: “Chúng tôi chưa có thời gian để hiểu những tác phẩm này và có lẽ bạn có thể giải thích cho chúng tôi”. Đó vẫn là một nhiệm vụ khó khăn đối với một sinh viên mới chỉ học một năm ở trường đại học. Tuy nhiên, tôi đã chấp nhận nó với sự hài lòng. Tôi không biết những người tham gia hội thảo khác đã học được gì nhưng bản thân tôi đã học được rất nhiều. Tôi và anh ấy đã chuẩn bị rất kỹ lưỡng. Anh vẫn hơn tôi một tuổi. Bây giờ nó không phải là vấn đề lớn nhưng tôi vẫn có thể học được nhiều điều từ anh ấy.

Tôi đã dành một năm rưỡi ở Munich và rất vui khi được ở lại lâu hơn, nhưng Sommerfeld đã được mời đến Mỹ từ sáu tháng đến một năm. Theo lời khuyên của Sommerfeld, tôi tới Leipzig để làm việc cho Heisenberg.

Heisenberg hoàn toàn không mấy ấn tượng với Sommerfeld. Không có dấu vết của Geheimrat ở đó. Dù thế nào đi nữa, về ngoại hình, ông là một người rất khiêm tốn. Thông thường, mỗi tuần có một buổi hội thảo và luôn có trà trước buổi hội thảo. Đích thân giáo sư đã đến tiệm bánh ngọt và chọn những sản phẩm phù hợp. Ít nhất đó là cách tôi nhớ nó. Đúng vậy, sau này một trong những đồng nghiệp của chúng tôi, lúc đó là trợ lý của Heisenberg, đã đảm bảo với tôi rằng nhiệm vụ của anh ấy là đi theo những con nhím. Điều này có lý, vì anh ấy đến từ Vienna và chỉ biết về những điều như vậy. Có lẽ tôi còn nhớ khoảng thời gian anh ấy không ở Leipzite.

Heisenberg yêu thích môn bóng bàn và là một tay chơi rất giỏi. Trong thời gian rảnh rỗi, tất cả chúng tôi đều chơi. Có lần một nhà vật lý Trung Quốc đến và đánh bại được Heisenberg. Nó đã trở thành một cảm giác. Sau này tôi nghe nói rằng khi Heisenberg đi trên một chiếc tàu hơi nước từ Mỹ đến Nhật Bản, ông đã dành toàn bộ chuyến đi để luyện tập để những tin tức khủng khiếp như vậy sẽ không xảy ra nữa.

Heisenberg không thích toán học thuần túy và chỉ coi nó như một công cụ cần thiết. Phương pháp của ông như sau. Suy ngẫm về

5

vấn đề, đầu tiên anh ấy đoán lời giải sẽ là gì, sau đó chọn một phương pháp toán học sẽ cho kết quả chính xác là lời giải. Một phương pháp tốt nếu bạn có trực giác mạnh mẽ như Heisenberg. Đối với những người khác, cách tiếp cận này hơi nguy hiểm.

Ở Leipzig tôi đã viết được tác phẩm đầu tiên của mình. Nó liên quan đến cái gọi là hiệu ứng Hall bất thường.

Khi một dòng điện chạy qua một miếng kim loại và toàn bộ vật đó được đặt trong từ trường, một điện áp ngang sẽ xuất hiện. Rõ ràng là điều này xảy ra do sự lệch hướng của các electron trong từ trường. Nhưng ở một số kim loại thì hiệu ứng có dấu ngược lại. Bây giờ chúng tôi giải thích điều này bằng thực tế là trong những chất như vậy, dòng điện được mang không phải bởi các electron mà bởi các lỗ trống. Nhưng vào thời điểm đó vẫn chưa có sự rõ ràng về vấn đề này, và Heisenberg chỉ nói với tôi rằng Bloch đã phát triển lý thuyết điện tử về kim loại, và liệu tôi có thể áp dụng nó vào vấn đề này hay không. Tôi rất hài lòng khi hóa ra tất cả những điều này thực sự có thể thực hiện được và tôi đã giải được bài toán đã cho.

Tôi đã dành một năm ở Leipzig. Heisenberg được mời sang Mỹ và xin nghỉ phép. Theo lời khuyên của anh ấy, tôi chuyển đến Zurich để làm việc cho Pauli. Tôi đã viết luận án của tôi với anh ấy. Tôi phải nói rằng tôi rất biết ơn hệ thống kỳ nghỉ và lời mời sang Mỹ này, nhờ đó tôi có được sự kết hợp tuyệt vời giữa các giáo viên.

Như bạn đã biết, Pauli cũng nổi tiếng vì có những nhận xét rất không hay với mọi người. Một trong những đòn tấn công sắc bén nhất được Pauli thực hiện trong cuộc trò chuyện với Ernst Stiokelberr. Anh ấy nói: “Paulie, đừng nói nhanh quá, tôi không thể nghĩ nhanh bằng em được.” Pauli trả lời: “Bạn suy nghĩ chậm rãi cũng không sao. Tôi phản đối việc bạn đăng bài nhanh hơn bạn nghĩ”.

Có người chỉ cho anh ấy xem tác phẩm của một nhà lý luận trẻ, biết rằng công việc đó không tốt lắm nhưng vẫn muốn tìm hiểu Pauli với tôi; anh ấy đọc tác phẩm và buồn bã nói: “Điều này thậm chí không sai.”

Zurich, 1930. Landay (bên trái) làm những bộ mặt hài hước khi hòa đồng. Ở giữa là V. A. Ambartsumyan, bên phải là M. P. Bronstein (?).

6

Pauli có thói quen này: đi xem phim vào buổi tối, đi xem hòa nhạc hoặc những việc tương tự. Anh trở về vào khoảng 11 giờ và ngồi làm việc ngay. Pauli làm việc khá lâu nên hay dậy muộn. Một ngày nọ, anh được mời đến một cuộc họp lúc 9 giờ sáng nhưng anh từ chối và nói: “Không, không, tôi không thể nhịn ngủ lâu như vậy được”.
Một lần Pauli đến một thành phố xa lạ và hỏi nhà vật lý địa phương làm cách nào để tìm được một rạp chiếu phim. Anh ấy giải thích và ngày hôm sau hỏi Pauli liệu anh ấy có đến được đó không. Pauli trả lời: “Bạn thể hiện bản thân khá rõ ràng nếu bạn không nói về vật lý.”
Tôi đã ở bên Pauli ba năm và tôi đã phải nghe những điều tương tự nhiều lần. Nhưng điều đó đã không còn quá khó khăn nữa. Không ai đến ủng hộ Paulin trong một thời gian dài, họ tin điều đó bởi vì anh ấy cũng chỉ trích bản thân và ý tưởng của chính mình. Có lần anh ấy giải thích cho tôi tại sao anh ấy lại làm điều này. Theo ông, có những người thực sự nhạy cảm mà bạn chỉ có thể chung sống khi dẫm lên “quyền lực to lớn” của họ đủ số lần. Đúng, tôi không nghĩ đây là lý do thực sự.
…Chúng tôi có Landdu hai lần ở Zurich. Lần đầu tiên ông đến là vào tháng 1 năm 1930. Vào thời điểm đó giữa Thụy Sĩ và Liên Xô chưa có quan hệ ngoại giao. Anh ta được phép thêm hai tuần, nên họ kéo dài thời hạn thêm hai tuần nữa. Mọi người đều đã cố gắng rất nhiều để đạt được điều này. Nhưng cuối cùng anh buộc phải ra đi. Sau đó ông nói đùa: “Lenin đã ở Thụy Sĩ được vài năm, nhưng cuộc cách mạng không bắt đầu ở đây. Rõ ràng là họ giàu nên tôi mới có thể làm được việc này”. Một năm sau, anh đến với học bổng Rockefeller, và sau đó không còn vấn đề gì nữa: anh có thể ở lại bao lâu tùy thích. Chúng tôi đã làm việc cùng nhau. Landdu vẫn còn rất trẻ nhưng đã là một nhà vật lý rất kỹ lưỡng. Khi xuất hiện một số tác phẩm khiến anh quan tâm, anh không đọc mà ngay lập tức bắt tay vào tính toán. Và nếu anh ta đồng ý với những gì được viết ở đó, thì anh ta coi tác phẩm là tốt. Anh ấy thích sắp xếp mọi thứ. Ví dụ, ông chia các nhà vật lý thành các lớp khác nhau: lớp đầu tiên của ông bao gồm Bohr và Sommerfeld; Einstein học một mình trong một lớp học đặc biệt. Landdu khiêm tốn xếp mình vào hạng hai. Ông xử lý các vấn đề khác của cuộc sống theo cách “có hệ thống” tương tự.
Landdu thực sự không thích để râu, cho rằng đó là di tích của thời Victoria, đặc biệt là đối với giới trẻ. Trong số chúng tôi có một nhà vật lý không để râu nhưng có tóc mai rất dài. Landdu cũng coi ông là trưởng giả này và gọi điện cho vợ và hỏi: “Khi nào thì em mới thuyết phục được chồng mình cạo bỏ phần tóc mai buồn cười đó?” Ông lập luận rằng ở phương Tây, ở Zurich, có nhiều râu hơn ở Nga, ở Leningrad. Chúng tôi đánh cược và đếm trên đường xem chúng tôi gặp được bao nhiêu bộ râu. Sau đó, khi tôi đến Leningrad, chúng tôi cũng tiến hành đếm tương tự và phát hiện ra rằng ở Leningrad có nhiều râu hơn.

7

Tôi đã thắng cược, và Landu cố gắng giải thích điều này bằng cách nói rằng quá trình tập thể hóa đang diễn ra và nhiều nông dân đã chuyển đến thành phố.

Landu tin chắc rằng chỉ những nhà lý thuyết trẻ mới có thể làm được những điều hữu ích. Đúng vậy, sau đó anh đã thay đổi ý tưởng này. Một ngày nọ, chúng tôi đang nói chuyện thì tên của một nhà lý thuyết xuất hiện mà anh ấy chưa từng nghe đến. Khi biết mình 27 tuổi, Landu nói: “Còn quá trẻ và đã quá xa lạ!”

Ngoài Landu, còn có những người khác ở Zurich, trong đó có George Gamow. Lúc đó Gamow đã được thay thế; anh ấy cũng là một diễn viên hài tuyệt vời và yêu thích mọi thể loại truyện cười. Một hôm chúng tôi đi lên núi và lên đến đỉnh của một đỉnh núi có cái tên khá thú vị. Ở đó, Gamow rút từ trong túi ra một mảnh giấy - đó là một bức thư gửi tạp chí Nature về một loại phản ứng hạt nhân nào đó, mà anh vẫn chưa hoàn thành xong. Gamow ngồi lên trên và hoàn thành nhiệm vụ của mình.

Viết xong những dòng cuối cùng, anh ghi tên đỉnh núi nơi chúng được viết và cảm ơn những người bạn đồng hành đã có cơ hội làm việc ở đó.

… Vào thời đó, cũng như bây giờ, các nhà vật lý thích đi du lịch, tham dự các hội nghị tại SSSSI. Tuy nhiên, chuyến đi hồi đó không được trả tiền nên bạn thường phải ngồi cả đêm trong góc toa tàu hạng ba. Nhưng khi tôi nhận được lời mời tham dự đại hội của Hiệp hội Vật lý ở Odessa, ít nhất là trong nước, tôi đã rất thoải mái với tư cách là một vị khách. Tôi được Ykov Ilyich Frenkel gọi đến đó, người đã đọc tác phẩm của tôi.

Một trong những địa điểm du lịch yêu thích của ông là Konenhagen, nơi Niels Bohr làm việc. Anh ấy là một người tuyệt vời. Bohr ghét phải ép người khác, nhưng đồng thời ông cũng không thể

8

cho phép điều gì đó được nói trái với sự thật. Và hai phẩm chất này đã tạo nên một sự kết hợp kỳ lạ. Vì vậy, Bohr đã từng nói: “Tôi nói điều này không phải để chỉ trích, nhưng nó hoàn toàn là erwunda”. Ông cũng từng nói rằng sự rõ ràng và sự thật là những khái niệm bổ sung, và trong các tác phẩm của mình, ông đã tiếp cận nhiều hơn đến ranh giới của sự thật.

Quá trình viết của Bohr khá phức tạp. Nó bắt đầu bằng việc Bohr đọc chính tả, và một trong những vị khách phải viết ra mọi thứ. Sau đó, khi bắt đầu chỉnh sửa, các biểu thức đã được thay đổi để mọi thứ được viết đều chính xác vô điều kiện. Có nhiều thay đổi, các trang được viết lại, sau đó gõ lại bằng máy, rồi sửa lại, v.v. Cuối cùng, mọi thứ đều được gửi đến tạp chí của Viện Hàn lâm Đan Mạch, nơi công trình của Bohr tất nhiên được đánh giá rất cao. Sau đó công việc bắt đầu bằng chứng, số lượng có khi lên tới 16.

Rõ ràng, Bohr xử lý theo cách này không chỉ bằng lời nói. Một ngày nọ, anh đến xem tòa nhà mới đang được xây dựng cho viện. Người thầy hiểu rõ về ông nói: “Giáo sư Bohr, ông có thấy thảo nguyên này không? Nếu ông muốn di chuyển nó lần nữa thì hãy quyết định nhanh chóng, vì trong ba giờ nữa bê tông sẽ dừng lại.”

Với tư cách là một giáo sư, Bohr khá đãng trí. Tôi nhớ rằng trong cuộc trò chuyện, anh ấy luôn hút xì gà. Anh ta hút thuốc và đột nhiên hỏi có que diêm nào không. Họ cho anh ta diêm. Anh ta đang cố gắng châm một điếu xì gà mà không làm gián đoạn cuộc trò chuyện, và điều này khá khó khăn. Sau đó, anh ta bỏ diêm vào túi, năm phút sau anh ta lại hỏi câu hỏi tương tự, và mọi thứ sẽ bắt đầu lại từ đầu. Tôi đã giữ mảnh phấn đã hoàn thành trong một thời gian dài: bằng cách nào đó anh ấy đã cầm điếu xì gà và viên phấn trên một tay.

… Vào thời điểm này, rắc rối bắt đầu ở Đức, và ở Copenhagen đã có những cuộc trò chuyện không chỉ về vật lý,

9

mà còn về cách tìm việc làm cho các nhà khoa học đến từ Đức và Áo. Đây không phải là thời điểm dễ dàng đối với các nhà khoa học nói chung. Có một cuộc khủng hoảng kinh tế, các trường đại học không được mở rộng và không gian trống khi có người nghỉ hưu hoặc qua đời. Luận án tiến sĩ hoàn toàn không đảm bảo một vị trí cho nghiên cứu khoa học. Tôi đã nhận được học bổng Rockefeller trong một năm và từ Tsorixa tôi có thể dành một nửa thời gian ở Rome và một nửa ở Cambridge. Hans Bethe, người đã trải qua mùa đông ở Cambridge và mùa hè ở Rome, đã làm điều này trước tôi. Tôi đã làm ngược lại và vẫn nghĩ rằng mình đã tìm thấy lời giải tốt nhất.

Ở Rome tôi có cơ hội gặp Enrico Fermi, ông cũng là một nhà vật lý xuất sắc. Khi được hỏi về một vấn đề, anh ấy hầu như luôn lấy từ trên kệ một cuốn sách mà vấn đề này đã được anh ấy giải quyết. Hầu hết chúng đều đơn giản - Fermi không thích những vấn đề phức tạp. Nhưng ở đây câu hỏi được đặt ra: những vấn đề nào được gọi là vấn đề đơn giản? Chẳng phải chúng đã trở nên đơn giản hơn sau khi Fermi giải quyết chúng sao?

Ấn tượng lớn nhất của tôi về Fermi đến sau này, khi đã ở Los Alams, trong cuộc thử nghiệm bom nguyên tử. Tất nhiên, mọi người đều muốn biết sức mạnh của quả bom. Có rất nhiều công cụ để xác định nó, nhưng phải mất một thời gian. Và Fermi đã chuẩn bị những mảnh giấy nhỏ, và khi làn sóng nổ đến với chúng tôi (chúng tôi cách nơi vụ nổ khoảng 15 km), anh ấy đã thả những mảnh giấy này ra. Dựa vào khoảng cách họ bay, anh có thể nhanh chóng xác định sức mạnh của vụ nổ. Tôi không biết điều gì khiến tôi ấn tượng nhất khi đó: ý tưởng về phương pháp hay việc anh ấy đã xác định chính xác thời điểm cần phải buông những mảnh giấy ra. Tôi chắc chắn rằng ở vị trí của anh ấy, tôi sẽ tung ra các quân cờ quá sớm hoặc quên tung chúng ra.

Sau Rome, như tôi đã nói, vợ tôi và tôi đến Cambridge, nơi điều thú vị nhất là cuộc tiếp xúc với Paul Dirac. Dirac đã rất