Ngày 09/05/2005, toàn thế giới đổ về Moskva để kỷ niệm tròn 60 năm chiến thắng chủ nghĩa phát xít. Trong khi theo dõi lễ kỷ niệm long trọng này qua màn ảnh nhỏ, tâm trí tôi bỗng trở về với một sự thật lịch sử ít được biết – Chương trình nghiên cứu chế tạo bom nguyên tử của Hitler!
1. THỰC RA E = mc2 CÓ Ý NGHĨA GÌ?
Cần biết rằng không phải ai khác, mà chính Đức quốc xã là kẻ đi tiên phong trong chương trình nghiên cứu chế tạo loại vũ khí có sức huỷ diệt khổng lồ này, và càng phải biết rõ hơn rằng chúng đã thành công trong thí nghiệm phân hạch uranium – thí nghiệm căn bản dẫn tới việc chế tạo bom nguyên tử! Không thể tưởng tượng hết thảm hoạ đối với nhân loại sẽ khủng khiếp đến nhường nào nếu Hitler có trong tay bom nguyên tử. Nhưng lạy Chúa, cuối cùng thì chương trình nghiên cứu của chúng đã thất bại! Tại sao một cường quốc số 1 về khoa học trong nửa đầu thế kỷ 20 như nước Đức của Hitler lại phải chịu thất bại trong một chương trình nghiên cứu quan trọng đối với sự sống còn của chúng như thế?
Câu trả lời sẽ là cả một truyện dài về lịch sử gồm nhiều chương mục, từ chuyện chạy đua trên đỉnh tháp khoa học đến chuyện sử dụng tình báo triệt hạ đối phương, từ chuyện khoa học vô vị lợi đến chuyện khoa học bất chấp lương tri, v.v… Nhưng vì câu chuyện của chúng ta xoay quanh việc chế tạo bom nguyên tử nên mọi điều sẽ không thể hiểu rõ nếu không đề cập đến một vài khái niệm cơ sở của khoa học nguyên tử – công thức E = mc2 do Albert Einstein nêu lên năm 1905.
Gần đây, một tạp chí điện ảnh Mỹ đã phỏng vấn Cameron Diaz, một ngôi sao điện ảnh Hollywood rất nổi tiếng từng thủ vai cô gái xinh đẹp và duyên dáng trong phim The Mask . Cuối buổi phỏng vấn, phóng viên hỏi:
-Chị còn điều gì muốn nói với đọc giả không?
-Tôi muốn biết thực ra thì E = mc2 có ý nghĩa gì, Diaz trả lời.
Cả hai cùng phá lên cười, cuộc phỏng vấn kết thúc trong khi Diaz lầm bầm rằng thực ra thì chị cũng biết công thức đó nói gì rồi. Không rõ Diaz có biết thật không, nhưng nghe cô nói, một lần nữa tôi thấy E = mc2 là một phương trình quá nổi tiếng, và có lẽ “nổi tiếng nhất thế giới”(1).
Cái gì làm cho nó nổi tiếng đến như thế? Có hai lý do: Một, ý nghĩa triết học sâu xa của nó; Hai, ứng dụng quá to lớn của nó.
Thật vậy, nếu E là năng lượng (Energy), m là khối lượng (mass), c là vận tốc ánh sáng (celeritas), thì đẳng thức E = mc2 nói với chúng ta rằng:
- Năng lượng và khối lượng thực chất là một. Chúng chỉ là hai dạng biểu hiện (hai dạng tồn tại) khác nhau của cùng một bản thể được gọi chung là vật chất, giống như “hai mặt của một đồng xu”.
- Khối lượng có thể biến thành năng lượng và ngược lại. Nói một cách hình tượng, khối lượng chẳng qua là năng lượng được “cô đặc” lại, hoặc “nén chặt” lại; ngược lại, năng lượng chẳng qua là khối lượng tồn tại dưới dạng “vô hình”.
- Trong sự chuyển hoá đó vật chất luôn luôn được bảo toàn – tổng lượng vật chất trước và sau chuyển hoá phải bằng nhau (vật chất không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi, vật chất chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác).
Nói cách khác, E = mc2 chính là định luật bảo toàn vật chất dưới dạng tổng quát nhất – nó tổng quát hoá đồng thời định luật bảo toàn khối lượng của Antoine Lavoisier trong thế kỷ 18 và nguyên lý bảo toàn năng lượng trong các chuyển hoá điện-từ mà Michael Faraday đã tổng kết trong thế kỷ 19.
Lavoisier được ca ngợi là một người vĩ đại bởi lẽ ông là người đầu tiên gợi ý cho thấy vạn vật trong thế giới tuy bề ngoài tồn tại độc lập, riêng rẽ, nhưng thực ra tất cả đều liên quan với nhau, đều nằm trong một cái chung tổng thể không thay đổi. Vật này có thể biến thành vật khác, nhưng tổng vật chất trong vũ trụ không đổi.
Faraday cũng là một người vĩ đại, bởi lẽ ông đã tái khám phá ra định luật của Lavoisier đối với năng lượng – một dạng vật chất vô hình tồn tại rộng khắp trong vũ trụ chẳng khác gì vật chất hữu hình (khối lượng).
Chú ý rằng nếu không coi năng lượng là vật chất thì định luật bảo toàn khối lượng của Lavoisier sẽ bị vi phạm trong các phản ứng nguyên tử (chẳng hạn khi một quả bom nguyên tử bùng nổ), bởi vì trong đó, một phần vật chất có khối lượng bị biến mất để chuyển hoá thành năng lượng. Ngược lại, nếu coi năng lượng là vật chất, thì khi đó định luật bảo toàn vật chất của Einstein, tức công thức E = mc2, sẽ có mặt đúng lúc để giải thích hiện tượng khối lượng mất tích này.
Đến đây có thể thấy Einstein đã làm công việc của một “người khổng lồ đứng trên vai những người khổng lồ” – Ông đã kế thừa, phát triển và tổng kết các tư tưởng vĩ đại của các bậc tiền bối dưới dạng một công thức toán học đơn giản và chính xác đến kỳ lạ.
Dẫu biết vậy, rằng E = mc2 không phải là một sáng tạo “từ trên trời rơi xuống”, nhưng có lẽ vẫn khó tưởng tượng được làm sao chỉ với giấy và bút, không cần cân đong đo đếm, không cần thực nghiệm (Lavoisier và Faraday là những nhà thực nghiệm), Einstein có thể đi đến một công thức quá ư gọn đẹp như thế nhưng lại có sức thâu tóm vật chất ở tầm bao quát đến như thế. Tầm bao quát ấy làm cho E = mc2 có dáng dấp của một trong những nguyên lý phổ quát nhất của triết học tự nhiên. Có lẽ vì thế lúc sinh thời, Einstein không thích người đời gọi ông là một nhà vật lý. Bản thân ông tự coi mình là một nhà tư tưởng nhiều hơn.
Tư tưởng vĩ đại xuyên suốt cuộc đời ông là tư tưởng thống nhất vật lý – tất cả là một, một là tất cả .
E = mc2 là sự thống nhất khối lượng với năng lượng.
Thuyết Tương Đối Tổng Quát của ông ra đời năm 1916 là sự thống nhất Thuyết Tương Đối Hẹp của chính ông với Thuyết Hấp Dẫn của Newton.
Năm 1955, Einstein ra đi, để lại “bản giao hưởng bỏ dở”(2) – “Lý thuyết trường thống nhất” (Theory of Unified Field) mà khát vọng của nó là thống nhất trường hấp dẫn với trường điện từ. Lý thuyết này hiện đang được hậu thế tiếp tục dưới tên gọi “Lý thuyết về mọi thứ” (Theory of Everything).
Tuy nhiên, lý do chính để E = mc2 nổi tiếng là ở ứng dụng vô cùng to lớn của nó trong thực tế: E = mc2 là cơ sở để dự đoán, giải thích và tính toán một cách chính xác năng lượng được giải phóng trong các phản ứng nguyên tử – phản ứng phân rã hạt nhân hoặc phản ứng phân hạch uranium , trong đó hạt nhân nguyên tử uranium bị tan vỡ và năng lượng được giải phóng.
Phản ứng phân rã hạt nhân là hiện tượng cơ bản diễn ra trong bom nguyên tử (công cụ chiến tranh vô cùng nguy hiểm) và lò phản ứng nguyên tử (công cụ hoà bình vô cùng ích lợi). Vì thế bất cứ một nhà hoạch định chính sách nào, một nhà chiến lược quân sự nào, một nhà kinh tế nào, thậm chí bất cứ một người dân bình thường nào quan tâm đến chiến tranh và hoà bình, đến số phận và hạnh phúc của con người, cũng đều ít nhiều phải quan tâm đến ý nghĩa thực sự của phương trình Einstein. Đó là điều chúng ta có thể đồng cảm và chia sẻ sâu sắc với Diaz.
Ngày nay, một nước nghèo như Pakistan hay Bắc Triều Tiên cũng đã làm chủ được kỹ thuật phân hạch uranium. Nhưng vào năm 1938, đó là một đỉnh tháp của khoa học – kết quả của một cuộc chạy đua ráo riết giữa những tài năng bậc nhất của nhân loại nhằm chinh phục thế giới vô cùng bé – thế giới bên trong nguyên tử.
Chú thích:
(1) Ý kiến trong “A Biography of the World’s Most Famous Equation ” của David Bodanis, MacMillan, London, 2000.
(2) Symphonie Inachevée, tên một bản giao hưởng bất hủ chưa kịp hoàn thành của Franz Schbert, nhạc sĩ thiên tài người Áo. Cách gọi trong bài này lấy của Madeleine Nash, biên tập viên khoa học của TIMES.
(Xem tiếp: Bí ẩn chương trình chế tạo bom nguyên tử của Hitler (P2): Thế giới bên trong nguyên tử)
Tác giả: Phạm Việt Hưng
Thông tin về tác giả: Giáo sư Phạm Việt Hưng từng giảng dạy các môn Toán Kinh tế; Cơ học Lý thuyết; Sức bền Vật liệu; Toán luyện thi đại học. Hiện ông đang thỉnh giảng Toán cao cấp tại một đại học ở Việt Nam. Ông đang có nhiều hoạt động báo chí với nhiều bài viết được đăng trên nhiều báo in và báo mạng, ví như Khoa học & Đời sống của Hội Liên hiệp Khoa học & Kỹ thuật Việt Nam, Tạp chí Vật lý Ngày nay của Hội Vật lý Việt Nam, Tạp chí Tia Sáng của Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường, Trang mạng Vietsciences.