Tại sao sự ra đời của nguyên lý bất định lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?


Werner Heisenberg là nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới, ông đã sáng lập ra nguyên lý bất định. Đó là không thể xác định cùng một lúc cả vị trí lẫn động lượng (vận động) của các hạt cơ bản. Bởi vì nếu như tập trung đo bất kỳ một đại lượng nào cũng sẽ vô hình chung làm thay đổi đến đại lượng kia.


Nguyên lý bất định là bước ngoặt quan trọng trong lịch sử khoa học của nhân loại, nguyên lý chứng minh rằng con người không thể nhận thức và đo tính một cách chuẩn xác về thế giới được. Heisenberg chỉ ra rằng các nhà khoa học nhất thiết phải thoát ra khỏi sự ràng buộc của nguyên lý ấy ở một mức độ nhất định nào đó và tin tưởng vào sự phản ánh thế giới khách quan của các công thức toán học.


Trong suốt hơn 2.500 năm, quan hệ nhân quả luôn giữ vị trí nền tảng bất di bất dịch trong các nghiên cứu khoa học. Nguyên lý bất định của Heisenberg đã làm lung lay địa vị thống trị lâu dài của mối quan hệ nhân quả này trong các nghiên cứu. Ở góc độ các hạt cơ bản mỗi nguyên nhân chỉ có thể sinh ra một kết quả biết trước với xác suất là cố định.


Nguyên lý bất định đã được sáng lập ra như thế nào?


Vào một ngày mùa thu năm 1926, khi Werner Heisenberg mở hộp thư của nhà mình tại Helgoland ở nước Đức, ông phát hiện một bức thư của nhà vật lý học danh tiếng Max Planck. Trong thư, Planck chúc mừng luận văn về cơ học ma trận do Heisenberg sáng lập ra, và đây là lần thứ năm trong một tuần Heisenberg nhận được những lá thư chúc mừng từ các nhà vật lý học danh tiếng.


Mỗi bức thư đều bày tỏ sự công nhận về tiềm năng to lớn trong lý luận cơ học ma trận của Heisenberg, họ gọi lý luận này là một môn học mới đầy ý nghĩa và mang lại sự phấn chấn cho mọi người.


Thế nhưng, những lá thư đó lại chẳng làm nguôi đi phần nào nỗi lo lắng của Heisenberg. Trong quá trình tập trung công sức vào việc nghiên cứu cơ học ma trận, Heisenberg đã phát hiện ra giới hạn trong sự phát triển của khoa học và tất nhiên đó chỉ là nhận định của cá nhân ông. Nhưng nếu nhận định đó đúng thì đây là lần đầu tiên chúng ta khẳng định khoa học không thể nào có thể trở nên chính xác hơn được. Và cảm giác kinh hãi đã làm lung lay cơ sở khoa học mà Heisenberg luôn tôn sùng nhưng sự thật lại bày ra trước mắt ông một cách rõ ràng không thể chối cãi.


Ngày đó, các hình ảnh của nguyên tử là tiêu điểm đàm luận của các nhà vật lý. Vậy nguyên tử như Niels Bohr nhận định là một khối proton được bao quanh bởi lớp vỏ là các hạt electron, hay theo như các ý kiến khác thì electron là sóng năng lượng bồng bềnh xung quanh nhân nguyên tử? Heisenberg không đoái hoài gì đến những quan điểm này của các nhà vật lý, ông bắt tay vào nghiên cứu trên cơ sở những nội dung đã biết. Khi các electron (trong mọi trường hợp) bị kích thích, chúng sẽ phát ra lượng tử năng lượng với những tần số riêng biệt. Heisenberg quyết định sáng lập ra một số phương trình để dự đoán và miêu tả kết quả sau cùng, miêu tả được vạch quang phổ của năng lượng phát xạ.


Heisenberg đã dựa vào phương pháp phân tích ma trận để suy ra các phương trình với các thuật ngữ như tần số, vị trí, động lượng và dùng những phương pháp toán học xử lý chính xác chúng. Mặc dù các phương trình suy ra đã thu được những câu trả lời chính xác song chúng lại không phổ biến và thiếu tính thực dụng. Do Heisenberg không thể xác định được giá trị của những phương trình này nên suýt chút nữa ông đã đốt hết tất cả những luận văn cuối cùng. Ông đã gửi bản sao cho Wolfgang Pauli - người đã từng cùng nghiên cứu và được Hiesenberg rất tin tưởng. Pauli rất tán đồng với những kết luận của Heisenberg và ông đã công bố kết luận đó cho các nhà vật lý học khác.


Phát hiện ra cơ học ma trận đã mang lại sự nổi tiếng nhanh chóng cho Heisenberg. Thế nhưng, sau khi hoàn thành những tính toán ma trận xong, Heisenberg lại rơi vào trạng thái phải đau đầu suy ngẫm. Đó là ông nhận ra do tính chất ma trận của tính toán đã dẫn đến sự ảnh hưởng qua lại giữa giá trị của vị trí và giá trị động lượng (sự vận động) của các hạt.


Đối với Heisenberg, việc xử lý tính “không chính xác” đã không còn gì mới mẻ mà cái mới là ông nhận ra: Nếu như càng tìm hiểu sâu về một đại lượng thì sự hiểu biết về đại lượng kia lại càng giảm đi; hiểu càng sâu về vị trí thì lại càng biết ít hơn về động lượng; càng xác định động lượng một cách chính xác thì lại càng biết ít hơn về vị trí.


Heisenberg đã phát hiện ra nguyên lý bất định một cách ngẫu nhiên. Phát hiện này của ông có phạm vi ảnh hưởng rộng lớn. Nó đã làm lay chuyển một cách triệt để quan điểm cho rằng thế giới là hoàn toàn xác định; nó giúp ta hiểu rằng sự quan sát và đo tính của khoa học là có giới hạn.


Lần đầu tiên các nhà khoa học nhận thấy trên thế giới còn tồn tại những sự việc, những lĩnh vực không tài nào quan sát hay nghiên cứu được. Quan hệ nhân quả qua đó đã trở thành quan hệ của nguyên nhân và kết quả khả năng xảy ra. Các phương pháp vật lý theo đó cũng đã có những biến đổi ở mức độ cơ bản nhất, nguyên lý này cũng đã làm cho các nghiên cứu vật lý cảm thấy các vấn đề trở nên phức tạp hơn. Tuy nhiên, nguyên lý đó cũng mở ra một con đường mới trong việc lý giải vật lý và thúc đẩy các nhà nghiên cứu. Từ đó về sau, nguyên lý bất định của Heisenberg đã trở thành nguyên tắc chỉ đạo của lĩnh vực nghiên cứu các hạt cơ bản.

schoolnet@