Vũ khí hạt nhân và những nhà vật lý thế kỷ 20: Những nhà vật lý Nhật Bản thời chiến tranh

Họ đã tự học cơ học lượng tử để xây dựng nên lý thuyết lượng tử về điện từ và tiên đoán sự tồn tại của những hạt mới. Họ đã sống một thời gian dài trong sự bất ổn, đất nước bị tàn phá và dạ dày thì trống rỗng. Nhưng, trong trường hợp này, những lúc tồi tệ nhất của các nhà khoa học lại chính là những lúc tuyệt vời nhất của khoa học. Sau chiến tranh, các nhà vật lý Nhật Bản đã mang về quê hương họ ba giải Nobel.

Năm 1903, Hantaro Nagaoka, một trong những nhà vật lý đầu tiên của Nhật Bản đã đề xuất một mô hình nguyên tử với một hạt nhân nhỏ và một vành đai các electron xung quanh. Cái mô hình kiểu "Thổ tinh" này là mô hình nguyên tử đầu tiên có chứa một hạt nhân, được Rutherford tìm ra năm 1911 ở Phòng thí nghiệm Cambridge.

Với những chiến thắng trong các cuộc chiến tranh với Trung Quốc (1895), Nga (1905), và chiến tranh thế giới I, sự phát triển kỹ thuật công nghệ của Nhật đã được coi là một thành công. Những công ty lớn của nó đã thiết lập những phòng thí nghiệm nghiên cứu. Và năm 1917, một viện nghiên cứu vật lý và hoá học mang tên Riken đã được xây dựng ở Tokyo. Ngoài việc cung cấp những công nghệ phục vụ công nghiệp, Riken cũng thực hiện những nghiên cứu khoa học cơ bản.

Năm 1919, một nhà khoa học trẻ ở Riken là Yoshio Nishina được gửi sang Anh và Đức và đã làm việc 6 năm tại viện của Bohr ở Copenhagen. Cùng với Oskar Klein, Nishina đã tính toán xác suất quá trình tương tác của một photon với một electron. Đây là một tương tác cơ bản của lý thuyết lượng tử mới về điện từ, gọi là điện động lực học lượng tử.

Năm 1928, Nishina trở về Nhật và mang theo "tinh thần Copenhagen" - một phong cách dân chủ trong nghiên cứu mà trong đó bất cứ ai cũng có thể nói lên quan điểm của riêng mình, điều này tương phản với tính chất giáo điều trong các trường đại học ở Nhật. Vào thời gian đó, Werner Heisenberg và Paul. A. M. Dirac cũng đã từng sang Nhật để giảng bài.

Ngồi ở tít phía sau hội trường nhưng Shinichiro Tomonaga lại là một trong số rất ít người hiểu được những bài giảng của Heisenberg. Ông đã dành một năm rưỡi để tự học cơ học lượng tử qua bài báo khoa học. Sau những giờ giảng cuối cùng, Tomonaga đã bức xúc mà phàn nàn rằng, Heisenberg và Dirac đã phát minh ra một lý thuyết mới khi họ mới ngoài 20 tuổi, vậy mà những sinh viên Nhật vẫn là những kẻ đờ đẫn, chỉ biết chép lại nguyên si bài giảng.

Những con trai của Samurai

Tomonaga có một người bạn thân là Hideki Yukawa. Cả hai người đều có bố là những học giả học ở nước ngoài. Tomonaga bố là một giáo sư triết học phương Tây còn Yukawa bố là một giáo sư địa chất. Cả hai đều thuộc dòng dõi samurai. Thậm chí trước khi đến trường, Yukawa con đã được học về Khổng giáo từ ông nội của mình. Yukawa đã chọn con đường khoa học khi ông phải đối mặt với những vấn đề của Đạo giáo với quá nhiều điều cần được giải thích. Tomonaga thì bắt đầu say mê nghiên cứu vật lý sau khi được nghe những bài giảng của Albert Einstein ở Kyoto năm 1922.

Năm 1929 hai người nhận bằng cử nhân ở Đại học Kyoto. Thất nghiệp, họ ở lại trường và làm những thư ký không lương. Họ cùng học với nhau về vật lý hiện đại và bắt đầu mày mò với những đề án nghiên cứu độc lập. "Chính sự chán nản đã khiến chúng tôi trở thành những nhà khoa học", Yukawa sau này đã nói đùa như vậy.

Các nhà vật lý ở Riken, ảnh chụp năm 1936 trên núi Phú Sỹ. Tomonaga ngồi ở hàng trước (người thứ ba từ trái sang phải), Nishina cũng ở hàng trước (người thứ ba từ phải sang trái)

Năm 1932, Tomonaga tham gia nhóm của Nishina ở Riken, còn Yukawa dời đến Đại học Osaka. Vào thời gian này, Yukawa đã tập trung suy nghĩ về bản chất của lực tương tác giữa neutron và proton trong hạt nhân. Heisenberg đã từng đề xuất rằng, lực này được truyền bởi sự trao đổi một electron. Ý tưởng này không thành công vì electron có spin (momen xung lượng nội tại) bằng 1/2, vi phạm định luật bảo toàn momen xung lượng. Hơn nữa mô hình của Heisenberg lại dẫn đến tầm tác dụng của lực hạt nhân lớn hơn 200 lần so với thực tế.

Yukawa đã tìm ra rằng, tầm tác dụng của lực tỷ lệ nghịch với khối lượng của hạt truyền lực. Vì vậy, lực hạt nhân, có tầm tác dụng bên trong hạt nhân, sẽ phải được truyền bởi một hạt có khối lượng bằng khoảng 200 khối lượng electron.

Thêm vào đó, hạt này phải có spin bằng không để bảo toàn momen xung lượng.
Công trình đầu tiên này của Yukawa được công bố năm 1935 trên tạp chí của Hội Toán Lý Nhật Bản. Mặc dù được viết bằng tiếng Anh nhưng nó đã bị phớt lờ trong hai năm. Năm 1937, Carl D. Anderson và Seth H. Neddermeyer ở Viện Công nghệ California đã phát hiện trong tia vũ trụ một loại hạt tích điện có khối lượng khoảng 200 lần khối lượng electron nhưng rất tiếc là chúng lại sống lâu hơn 100 lần so với hạt mà Yukawa tiên đoán. Trong khi đó, Tomonaga đang cùng với Nishina nghiên cứu về điện động lực học lượng tử. Năm 1937, ông đến Đại học Leipzig và làm việc hai năm với Heisenberg về lý thuyết lực hạt nhân.

Heisenberg và Tomonaga

Một cuộc chiến không giống bất cứ cuộc chiến nào khác
Năm 1941, Nhật Bản tham gia chiến tranh và Yukawa khi ấy đã là giáo sư ở Kyoto. Năm 1942, Shoichi Sakata và Takeshi Inoue đã đề xuất rằng, hạt mà Anderson và Neddermeyer phát hiện (về sau được gọi là muon) chính là sản phẩm phân rã của hạt mà Yukawa đã tiên đoán (về sau được gọi là pion). Họ đã công bố lý thuyết này trên một tạp chí của Nhật.

Yukawa phải làm việc phục vụ chiến tranh một ngày mỗi tuần, tuy nhiên ông chưa bao giờ nói rằng công việc này là bắt buộc. Tomonaga khi ấy cũng là giáo sư ở Đại học Tokyo Bunrika và cũng tham gia phục vụ chiến tranh. Cùng với Masao Kotani ở Đại học Tokyo, ông đã phát triển một lý thuyết về các magnetron - đó là các thiết bị phát sóng điện từ dùng trong hệ thống rađa của hải quân. Dựa trên một lý thuyết về sóng mà Heisenberg đã gửi cho mình, Tomonaga đã thiết kế được những hệ thống dẫn đường bằng rađa.

Cũng vào thời gian đó, Tomonaga bắt đầu nghiên cứu về vấn đề năng lượng tự tương tác. Cuối cùng, ông đã phát triển một phương pháp mô tả đặc tính của một vài hạt lượng tử tương tác, chẳng hạn như các electron chuyển động với vận tốc gần bằng ánh sáng. Bằng việc tổng quát hoá một ý tưởng của Dirac, ông đã gắn cho mỗi hạt không chỉ các tọa độ không gian mà còn cả các tọa độ thời gian của chúng. Công trình này được xuất bản trên tạp chí khoa học của Riken và đã trở thành một nền tảng quan trọng của điện động lực học lượng tử.

Thời ấy, hầu hết các sinh viên đều bị vận động phục vụ chiến tranh, nhưng những nhà vật lý trẻ ở Tokyo vẫn tiếp tục những nghiên cứu của họ bất cứ khi nào có thể. Các giáo sư, trong đó có cả Tomonaga đã tổ chức những khoá học đặc biệt cho họ vào các ngày chủ nhật. Năm 1944, một số sinh viên được giải phóng khỏi quân đội để trở về trường đại học. Nhưng ngay cả khi trở về trường đại học thì mọi thứ vẫn còn rất khó khăn. Nhà cửa của một số sinh viên bị thiêu huỷ, một số khác thì lại bị bắt đi quân dịch. Tomonaga khi đó rất yếu, ông vẫn thường phải nằm trên giường bệnh để hướng dẫn các học trò của mình.

Nishina đã nhận được chỉ thị của quân đội về nghiên cứu khả năng chế tạo bom nguyên tử. Năm 1943, ông kết luận rằng, bom nguyên tử là khả thi nếu có đủ thời gian và tiền. Ông đã nhận một nhà vật lý tia vũ trụ trẻ tuổi tên là Masa Takeuchi để xây dựng một thiết bị phân tách các đồng vị urani phục vụ chế tạo bom. Rõ ràng là Nishina đã nghĩ rằng kế hoạch này sẽ nuôi sống nghiên cứu vật lý cho đến khi chiến tranh kết thúc.

Ở bên kia Thái Bình Dương, Chương trình Manhattan đang sử dụng tới hơn 150.000 con người và 2 tỷ đô la. Trái lại, khi các sinh viên Nhật nhận ra rằng họ cần đường để điều chế urani hexaflouride (mà từ đó họ có thể tách ra được urani) thì có nghĩa là họ phải trực tiếp đem khẩu phần ăn ốm đói của mình ra phục vụ nghiên cứu. Khi chiến tranh kết thúc, kết quả chương trình chế tạo bom nguyên tử của người Nhật chỉ là một mẩu kim loại urani chưa làm giàu và không lớn hơn cái tem thư.

Tháng 8 năm 1945, hai quả bom nguyên tử được Mỹ thả xuống Nhật Bản. Luis W. Alvarez thuộc Đại học California đã sử dung các thiết bị để đo cường độ của vụ nổ ở Nagasaki. Sau đó ông cùng hai đồng nghiệp Philip Morrison và Robert Serber đã viết một bức thư (gồm hai bản sao) gửi cho Riokichi Sagane, con trai của Nagaoka và là nhà vật lý thuộc nhóm của Tomonaga. Là một nhà thực nghiệm, Sagane đã dành hai năm ở Berkely để nghiên cứu về các máy gia tốc cyclotron. Vì có mối quan hệ nên ba nhà khoa học Mỹ đã gửi cho ông những thông tin về quả bom. Mặc dù bức thư đã bị quân đội Mỹ thu giữ nhưng sau chiến tranh Sagane cũng đã được đọc nó. Sau 1945, người Mỹ tiếp tục chiếm đóng Nhật Bản trong bảy năm. Tướng Mỹ khi ấy là Douglas MacArthur đã cho xây dựng lại, tự do hoá và mở rộng hệ thống trường đại học. Tuy nhiên, những nghiên cứu thực nghiệm về hạt nhân và các lĩnh vực liên quan về cơ bản là bị cấm. Tất cả các máy cyclotron ở Nhật đều bị ném xuống biển, người Mỹ đã sợ rằng chúng có thể được người Nhật sử dụng để nghiên cứu bom nguyên tử.

Nền kinh tế khi ấy rõ ràng là không cho phép những nghiên cứu thực nghiệm tốn kém. Tomonaga sống cùng gia đình trong một phòng thí nghiệm mà một nửa của nó đã bị bom đạn tàn phá. Yoichiro Nambu khi ấy là một nhân viên nghiên cứu của Đại học Tokyo và đã phải sống ba năm trong phòng thí nghiệm, ngủ trên một cái đệm rơm trải lên bàn làm việc. Nambu thậm chí đã phải mặc quân phục cả ngày vì không có bộ quần áo nào khác.

Albert Einstein, Hidekei Yukawa và John A. Wheeler ở Princeton năm 1954

Một nền hòa bình nghèo đói

Kiếm cái ăn là mối quan tâm đầu tiên của tất cả mọi người. Nambu thỉnh thoảng cũng tìm được những con cá mòi ở chợ cá Tokyo, cái thứ cá ấy bị ôi thiu rất nhanh vì ông không có tủ lạnh. Vào những ngày cuối tuần, ông vẫn phải lặn lội ra vùng nông thôn để tìm kiếm bất cứ thứ gì có thể ăn được từ những người nông dân.

Nhưng các nhà vật lý Nhật vẫn tiếp tục nghiên cứu. Họ dạy cho nhau bất cứ thứ gì họ biết về vật lý và vẫn thường xuyên đến thư viện để ngấu nghiến bất cứ bài báo khoa học nào mới có. Đã có những nhà vật lý trẻ trưởng thành trong hoàn cảnh như vậy. Một trong số đó là Ryogo Kubo, người sau này đã nổi tiếng với những công thức của mình trong cơ học thống kê.

Trong một hội nghị năm 1946 ở Đại học Nagoya, Sakata đã trình bày một phương pháp khắc phục những vô hạn trong năng lượng tự tương tác của electron bằng việc cân bằng lực điện từ với một lực chưa biết. Khi tính toán xong, lực chưa biết đó có thể cho triệt tiêu (cùng thời gian đó, Abram Pais ở Princeton cũng đã đưa ra một lời giải tương tự). Mặc dù phương pháp này có nhiều sai sót nhưng cuối cùng thì nhóm của Tomonaga cũng đã khử được những vô hạn, bằng một phương pháp mà bây giờ được gọi là sự tái chuẩn hoá.

Năm 1947, ngay sau khi Hans Bethe đưa ra tính toán phi tương đối tính để giải thích "dịch chuyển Lamb, Tomonaga và các sinh viên của ông đã sớm tổng quát hoá được bài toán này cho trường hợp tương đối tính. Nghiên cứu của họ đã cực kỳ khớp với kết quả mà Julian S. Schwinger ở Đại học Havard thu được cũng trong thời gian đó. Sự nghiệp của Tomonaga và Schwinger có nhiều điểm chung. Cả hai đều đã từng làm việc về rađa, sự truyền sóng và các magnetron phục vụ chiến tranh, đều sử dụng lý thuyết của Heisenberg để giải quyết cùng một vấn đề. Hai người cùng chia giải Nobel năm 1965 với Richard Feynman vì công lao phát triển điện động lực học lượng tử. Cả hai cái tên: Tomonaga và Schwinger đều có nghĩa là: "máy dao động."

Cũng vào thời gian đó, một nhóm khoa học Anh đã phát hiện sự phân rã của pion thành muon trong những tấm kính ảnh hứng tia vũ trụ. Inoue, Sakata và Yukawa đã đúng. Yukawa đã phát hiện ra một quy luật cơ bản của các lực. Chúng được truyền bởi các hạt có spin nguyên và có khối lượng xác định tầm tác dụng của chúng. Thêm vào đó, tiên đoán về một loại hạt mới là pion của Yukawa đã có được thành công vang dội.

Sau đó không lâu, độc lập với Murray Gell-Mann ở Viện Công nghệ California, Kazuhiko Nishijima và các nhà khoa học Nhật Bản khác đã tìm ra một quy tắc chi phối tính chất của những "hạt lạ". Đó là một loại hạt cơ bản có những biểu hiện "khác thường", chúng được mô tả bởi một đặc trưng lượng tử được gọi là số lạ.
Người Mỹ đã làm một số điều để hàn gắn mối quan hệ với người Nhật sau sự kiện khủng khiếp về bom nguyên tử. Tuy nhiên, có lẽ yếu tố quyết định để các nhà khoa học Nhật và Mỹ có thể gắn bó với nhau chính là vì họ đều đam mê khoa học.

Sự hoà giải
"Sống trong sự tàn phá và bất ổn của chiến tranh nhưng Tomonaga đã duy trì ở Nhật Bản một trường phái nghiên cứu vật lý lý thuyết có lẽ là mạnh vào hàng đầu thế giới khi ấy," nhà vật lý Mỹ lừng danh Freeman Dyson viết. "Trước Schwinger 5 năm, ông đã tự mình xây dựng nên những nền tảng của điện động lực học lượng tử mà không cần bất cứ sự giúp đỡ nào từ những thí nghiệm ở Columbia."

Robert Oppenheimer, Hideki Yukawa, và Shinichiro Tomonaga, ở Viện Nghiên cứu Cấp cao Princeton.

Robert Oppenheimer đã mời Yukawa đến thăm Viện Nghiên cứu Cấp cao của mình. Yukawa đã ở đó một năm và ở Columbia một năm. Ông nhận giải Nobel năm 1949.

Tomonaga cũng đã từng đến Viện và rất thích thú môi trường ở đó. Tuy nhiên, vì nhớ nhà nên sau đó một năm ông đã trở về Nhật, tiếp tục nghiên cứu về lý thuyết các hạt chuyển động trong một chiều. Hiện nay, nó được chứng minh là khá có ích cho các nhà lý thuyết dây.

Đầu những năm 1950, các nhà vật lý trẻ cũng bắt đầu sang Mỹ, trong đó có Nambu. Năm 1953, Yukawa trở thành giám đốc một viện nghiên cứu mới Kyoto, bây giờ được gọi là Viện Vật lý Lý thuyết Yukawa. Cùng năm đó, Tomonaga tổ chức một hội nghị quốc tế về vật lý lý thuyết ở Tokyo và Kyoto, 55 nhà khoa học nước ngoài đã tham dự, Oppenheimer cũng tham dự. Oppenheimer đã muốn đi thăm quan vùng biển trong đất liền nhưng Yukawa không đồng ý vì sợ ông sẽ nhìn thấy cảnh tượng buồn thảm của Hiroshima gần đó.

Cả Yukawa và Tomonaga đều tích cực tham gia vận động chống vũ khí hạt nhân, họ đã từng ký vào nhiều kiến nghị đòi giải trừ hạt nhân. Năm 1959, Leo Esaki, một nghiên cứu sinh ở Đại học Tokyo đã viết một luận án về đặc trưng lượng tử của các chất bán dẫn. Nghiên cứu đó cuối cùng đã dẫn đến sự phát triển của các transitor. Esaki đã đem về cho Nhật Bản giải Nobel vật lý thứ ba, ông được trao cùng Ivar Giaever và Brian D. Josephson năm 1973.

Leo Esaki

Những thập kỷ tồi tệ nhất của Nhật Bản lại là những thập kỷ sáng tạo nhất của các nhà vật lý lý thuyết. Nhiều người giải thích rằng, vùi đầu vào khoa học chính là một cách để thoát khỏi nỗi ám ảnh khủng khiếp của chiến tranh. Có lẽ chiến tranh đã làm tăng sự cô lập và thúc đẩy sự sáng tạo cá nhân. Chắc chắn đã có một thời gian những giáo điều phong kiến và ràng buộc cổ hủ bị đánh đổ. Và có lẽ là các nhà vật lý lại được tự do theo đuổi những ý tưởng của riêng mình.

Hoặc có lẽ thời kỳ đó ở Nhật Bản là quá bất thường để có thể giải thích.