Phát minh vĩ đại của “Người kì lạ nhất”

Một phương trình tuyệt đẹp. Có thể nói ba mươi năm đầu của thế kỷ 20 là thời kỳ hoàng kim của lịch sử khoa học với sự xuất hiện của Thuyết tương đối hẹp (1905) và Thuyết tương đối rộng (1915) của Einstein và Thuyết lượng tử, sản phẩm của nhiều trí tuệ lớn (Bohr, Schrodinger, Heisenberg, Dirac…). Cho đến năm 1927, cơ học lượng tử do Schrodinger và Heisenberg phát biểu mới ở dạng phi tương đối, nghĩa là chưa tính đến Thuyết tương đối 1905 của Einstein. Kết hợp cơ học lượng tử này với Thuyết tương đối là nhu cầu tất yếu và là khát vọng của tất cả các tên tuổi lớn thời đó. Tháng Mười 1927, trong hội nghị Solvay (Brussels) nổi tiếng với cuộc tranh biện huyền thoại Bohr-Einstein, khi được biết Dirac cũng đang theo đuổi bài toán trên, Bohr nhắc nhở: “Klein đã giải rồi, còn gì nữa!”. Vào thời điểm đó, Dirac tuy đã đủ nổi tiếng để ngồi “bàn đầu”, nhưng cũng mới chỉ 25 tuổi và là đại biểu trẻ nhất hội nghị, còn Bohr thì đã là một “Ông hoàng”, cùng chiếu với Einstein. Mặc dù vậy, Dirac không hề bận tâm với nhắc nhở của Bohr vì ông biết chắc, không chỉ công trình của Klein mà tất cá các công trình “lượng tử tương đối” hiện có đều sai. Bản thân Dirac cũng đã xoay đủ cách và phải đến cuối tháng Mười-một 1927 mới đột nhiên viết ra một phương trình đẹp và lạ đến sửng sốt. Về hình thức, nó đẹp như phương trình Tương đối rộng của Einstein, nhưng lại chẳng giống phương trình nào đã từng biết vì có tới bốn phần liên quan và cả bốn đều quan trọng. Về nội dung, phương trình này “tiên đoán” chính xác tất cả các đặc trưng cơ bản của electron, từ khối lượng, spin, đến đặc trưng từ, tất cả đều hiện ra một cách tự nhiên như Trời sinh ra thế. Phương trình đẹp và lạ đến nỗi chính Dirac cũng không dám tin. Ông im lặng cho đến tận đầu năm 1928 mới gửi kết quả đến Royal Society dưới dạng một bài báo “The Quantum Theory of the Electron” (Lí thuyết lượng tử của electron). Ngay khi xuất hiện (2/1928), bài này đã gây chấn động lớn trong giới vật lý quốc tế. John van Vleck ví việc giải thích spin của Dirac như trò ảo thuật tóm thỏ từ chiếc mũ dạ. Max Born nói “Phương trình là một kỳ tác tuyệt vời”. Heisenberg thốt lên “Ông ấy (Dirac) quá thông minh, không ai sánh được”. John Slater viết “Khó tưởng tượng một ai khác lại có thể viết ra được phương trình này. Nó là bằng chứng về sức mạnh kỳ lạ của thiên tài trực giác mà ông vượt trội hơn tất cả các nhà khoa học cùng thời”. Còn Jordan lúc ấy đang cùng Wigner cũng tìm kiếm một phương trình lượng tử tương đối thì bị sốc đến mức sinh trầm cảm.
 
...nhưng khó tin. Mặc dù rất đẹp, theo Heisenberg, phương trình Dirac là sai vì nó tiên đoán bức tranh không thể hiểu được về năng lượng electron: electron tự do lại có năng lượng cả dương lẫn âm. Tháng Sáu 1928 Heisenberg viết cho Pauli “Lí thuyết (Dirac) vẫn là chương buồn thảm nhất của vật lý hiện đại”. Chính Dirac cũng rất khó chịu với phương trình của mình mặc dù ông tin vào tính chính xác toán học của nó. Tháng Mười 1928 Dirac đưa ra giả thuyết về lỗ trống (hole). Theo ông trong biển electron năng lượng âm có những chỗ trống năng lượng dương, gọi là hole (lỗ trống). Khi electron và hole gặp nhau thì cả hai biến mất và phát ra bức xạ. Electron mang điện âm còn hole mang điện dương. Vào thời ấy, người ta chỉ biết duy nhất proton là hạt mang điện dương, nên thoạt đầu Dirac cho rằng hole là proton. Nhưng theo chính phương trình Dirac thì hole phải có cùng khối lượng như electron, thế mà proton lại nặng hơn electron đến khoảng hai ngàn lần. Một lần nữa rơi vào bế tắc! Đầu 1931, khi xây dưng lí thuyết về đơn cực từ (magnetic monopole) Dirac đi đến kết luận là, trong tự nhiên không chỉ có hai hạt electron và proton, mà còn phải có các hạt cơ bản khác. Ông viết “hole nếu tồn tại phải là một loại hạt mới, mà thực nghiệm chưa biết. Hạt này có cùng khối lượng và khác dấu về điện tích với electron. Ta có thể gọi hạt đó là phản-electron (anti-electron)”.  Ý tưởng của Dirac là quá mới mẻ, quá sớm so với thời đại, nên chẳng mấy ai tin. Ngày đó người ta chưa quen với việc lí thuyết đi trước, tiên đoán sự tồn tại của một hạt mà thực nghiệm chưa biết. Rutherford cho rằng ý tưởng của Dirac là vô nghĩa. Còn Pauli thì viết “cho dù anti-electron có được phát hiện thì tôi vẫn không tin vào ý tưởng “hole” của ông ấy”.
 
Không nên từ chối Nobel. Không có nghịch lí thì khoa học mất lí thú. Nhưng nghịch lí như phương trình Dirac thì chỉ có một. Chỉ còn có thể chờ đợi câu trả lời từ thực nghiệm. Và, lần này là một thực nghiệm rất bất ngờ. Tháng Tám 1932, khi nghiên cứu các tia vũ trụ Carl Anderson đã ghi nhận dấu vết của một hạt có các đặc trưng chính xác như “hole” hay anti-electron của Dirac, mà sau này ông đề nghị gọi là positron [posi ngụ ý “dương” – hạt giống electron nhưng mang điện dương. Để tương đồng, Anderson còn đề nghị đổi tên electron thành “negatron”. Herbert Dingle lại gợi ý, vì trong thần thoại Hy Lạp “Electra” có người anh em tên là “Orestes”, nên có thể gọi hạt mà Anderson phát hiện là “Oreston”]. Muộn hơn một chút Blackett và Occhialine ở Cambridge cũng có những quan sát tương tự. Họ tuyên bố “thí nghiệm phù hợp tuyệt vời với lí thuyết Dirac”. Và như thế, thực nghiệm đã khẳng định sự tồn tại của positron (tức anti-electron) đúng như Dirac tiên đoán. Dù vậy, lí thuyết Dirac vẫn quá lạ lùng để có thể thừa nhận, nên phải đến gần cuối 1933 đa số các nhà lí thuyết mới đồng thuận về sự đúng đắn của nó. Ngày 9/11/1933, Stockholm thông báo cho Dirac rằng ông được nhận giải Nobel vật lý cùng với Schrodinger. Là người không ưa giới truyền thông, Dirac định từ chối, nhưng Rutherford đã kip khuyên “việc từ chối chỉ làm cho ông càng nổi tiếng hơn”. Và thế là, Dirac trở thành người trẻ nhất nhận Nobel vật lý, khi mới 31 tuổi. Sau này chúng ta biết là không chỉ electron, mà nhiều hạt khác cũng có phản hạt của mình, proton và anti-proton, quark và anti-quark, hay nói rộng ra, vật chất (matter) và phản vật chất (anti-matter). Dirac đã tiên đoán tồn tại phản vật chất khi ông mới 25 tuổi ! Đó là một trong những phát minh vĩ đại nhất trong lịch sử khoa học.Trải qua hơn 80 năm kể từ phát minh này, vật lý đã chiêm ngưỡng nhiều tiên đoán kì diệu khác, nhưng như Gottfried viết nhân dịp 100 năm ngày sinh của Dirac: “Tiên đoán về phản vật chất của ông vẫn đứng tách riêng ra như một tượng đài của niềm tin mãnh liệt vào tư duy lí thuyết thuần túy, không có bất kì gợi ý thực nghiệm nào và vào các quy luật tổng quát sâu sắc của tự nhiên”.