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.
2* CUỘC CHẠY ĐUA TỚI ĐỈNH THÁP
Ngày nay bất cứ một thầy giáo dạy vật lý nào cũng biết khi một quả bom nguyên tử phát nổ, một phản ứng dây chuyền sẽ diễn ra trong lòng vật chất uranium – hàng tỷ hạt nhân uranium liên tiếp bị phá vỡ, giải phóng một năng lượng khổng lồ. Cơ chế chuyển hoá khối lượng thành năng lượng đã được mô tả chính xác trong phương trình bất hủ E = mc2. Tuy nhiên, khi Einstein công bố phương trình này vào năm 1905, hay thậm chí trước đó vài năm, khi Marie Curie nghiên cứu tính phóng xạ uranium để đi đến một tiên đoán cách mạng cho rằng nguyên tử không phải là thành phần nhỏ nhất của vật chất, thì cho tới lúc đó các nhà khoa học vẫn không biết nguyên tử cấu tạo ra sao và bởi cái gì.
- Mãi cho đến năm 1911 mới xuất hiện một mô hình nguyên tử đầu tiên – mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford do Ernest Rutherford, nhà vật lý xuất chúng người Anh, đề xuất. Trong mô hình này, mỗi nguyên tử có cấu trúc giống như Hệ mặt trời: một hạt nhân nguyên tử nằm ở lõi (giống như mặt trời nằm ở trung tâm Hệ mặt trời), các electron quay xung quanh (giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời), hạt nhân lại bao gồm proton và neutron, trong đó neutron là những thành phần không tích điện.
Mặc dù năm 1913, Niels Bohr, nhà bác học thiên tài người Đan-Mạch, đưa ra một mô hình mới, tiến bộ hơn, giải thích được nhiều hiện tượng lượng tử mà mô hình Rutherford không giải thích được, nhưng về cơ bản, mô hình của Bohr vẫn bao gồm hạt nhân ở lõi và lớp vỏ electron bao quanh.
Vì thế Rutherford vẫn là người đặt nền móng cho lý thuyết về cấu trúc nguyên tử. Cần biết rằng chính ông chứ không phải ai khác đã khám phá ra proton vào năm 1909, và rằng trực giác vô cùng sắc sảo của ông đã giúp ông “nhìn thấy” nhiều điều kỳ diệu của thế giới bên trong nguyên tử mà trước ông không ai thấy.
Kỳ diệu nhất là việc ông “nhìn thấy” kích thước của electron và hạt nhân quá nhỏ bé so với kích thước của nguyên tử. Nói cách khác, thay vì coi nguyên tử là một hạt vật chất đặc cứng như trước đây người ta quan niệm, ông lại mô tả nó như một quả cầu trống rỗng – không gian trống rỗng bên trong nguyên tử rộng “mênh mông” so với các thành phần của nó. Giả sử có một sinh vật nhỏ bé vô cùng – bé như các thành phần của nguyên tử – bỗng nhiên chui lọt vào cái không gian “mênh mông” ấy của nguyên tử. Khi đó nó sẽ nhìn ngắm các thành phần của nguyên tử giống như chúng ta ngước nhìn lên bầu trời sao và thấy các ngôi sao chỉ là những cái chấm nhỏ li ti không đáng kể so với cái không gian bao la vĩ đại giữa chúng. Nhận định này đóng một vai trò rất quan trọng trong những thí nghiệm bắn phá hạt nhân nguyên tử uranium sau này.
Tuy nhiên, Rutherford cũng có sai lầm, mặc dù sai lầm của ông lại kích thích những nhà khoa học khác khám phá ra những sự thật mới.
Sai lầm lớn nhất của ông là giả thuyết về neutron .
Để giải thích vì sao neutron trung hoà điện, ông cho rằng neutron thực ra là một cặp proton-electron dính vào nhau. Nhưng phải đợi mãi đến năm 1932 mới có một người bác bỏ được giả thuyết đó. Người ấy chính là James Chadwick, một học trò xuất sắc của Rutherford.
- Chadwick đã chứng minh rằng neutron bản thân nó là một hạt độc lập không tích điện ! Ngay lập tức, khám phá này chỉ ra rằng neutron chính là một công cụ lý tưởng để thăm dò hạt nhân nguyên tử !
Vì nếu neutron là một hạt không tích điện, nó có thể dễ dàng đi xuyên qua lớp vỏ điện tử mà không sợ bị electron “quấy rầy níu kéo”, để rồi dễ dàng xâm nhập, luồn lách vào bên trong hạt nhân mà không sợ bị proton “gây phiền nhiễu, cản trở”. Nếu các nhà vật lý vẫn hằng ao ước có trong tay những “điệp viên tài giỏi” có khả năng đột nhập vào vương quốc nằm sâu tít bên trong hạt nhân nguyên tử để do thám thì nay họ đã có. May mắn hơn nữa, những “điệp viên” này lại sẵn có trong tự nhiên: neutron tự do được giải phóng trong quá trình phóng xạ của nhiều chất phóng xạ tự nhiên!
Không chờ đợi gì nữa, các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới hồi đó đều lao vào sử dụng neutron như những viên đạn để bắn phá hạt nhân nguyên tử của một số nguyên tố khác nhau. Họ muốn biết rõ cấu trúc của hạt nhân nguyên tử và xem xem điều gì sẽ xẩy ra nếu hạt nhân nguyên tử tan vỡ. Nhưng than ôi, sau một thời gian dài tích cực bắn phá, bắn phá với công suất mạnh hết mức có thể, hạt nhân nguyên tử “vẫn trơ gan cùng tuế nguyệt” … Tuy nhiên, mọi nỗ lực rồi cũng sẽ đến lúc được đền đáp.
- Năm 1934, Enrico Fermi, người được coi là dẫn đầu vật lý Âu châu mãi cho đến những năm 1930, cuối cùng đã tìm ra chìa khoá để giải bài toán: Fermi đã vạch rõ sai lầm của các nhà nghiên cứu khác ở chỗ tưởng rằng cứ bắn phá càng mạnh thì sẽ càng dễ làm cho neutron xâm nhập vào hạt nhân nguyên tử. Theo ông, sự thật hoàn toàn ngược lại, neutron chuyển động càng nhanh càng khó gặp hạt nhân! Ông giải thích: Khi neutron chuyển động nhanh thì phần lớn neutron sẽ đi xuyên thẳng qua phần không gian trống rỗng của nguyên tử để rồi ra khỏi nguyên tử mà không đụng chạm gì vào hạt nhân của nguyên tử cả.
Xác suất để một neutron gặp gỡ hạt nhân rất nhỏ, vì kích thước hạt nhân quá nhỏ bé so với phần không gian bên trong nguyên tử, như Rutherford đã nói. Chỉ khi nào neutron được làm chậm lại sao cho chúng có thể đi “la cà lêu lổng”, “lang thang” trải rộng ra trên đường bay thì khi đó chúng mới có nhiều cơ hội gặp gỡ hạt nhân nguyên tử hơn. Thậm chí, theo Fermi, nếu phần chính của chùm neutron vẫn bay thẳng thì chỉ cần một tỷ lệ nhất định neutron trải rộng ra trong không gian bên trong nguyên tử cũng đã đủ để cho chúng dễ gặp gỡ hạt nhân hơn rất nhiều. Nhưng làm thế nào để có neutron chậm? Chính Fermi lại đưa ra câu trả lời.
Chuyện kể rằng ngay chiều hôm Fermi có ý tưởng làm chậm neutron thì một cộng sự của ông xách đến cho ông mấy xô nước múc từ một bể cá vàng trên mặt đất ngay trong viện nghiên cứu của ông. Fermi liền thử bắn chùm neutron lấy từ một nguồn phóng xạ vào nước. Kết quả thật tuyệt vời: chùm neutron từ nước đi ra có tốc độ chậm hơn so với trước khi đi vào nước! Fermi giải thích: Các phân tử nước có kích thước đủ để làm cho các hạt neutron bị bật đi bật lại nhiều lần sao cho khi ra khỏi nước chúng sẽ chuyển động chậm hơn. Theo Jeremy Bernstein, tác giả cuốn “Albert Einstein & những lĩnh vực vật lý” (1), thì công nghệ làm chậm neutron nói trên là một khám phá ngẫu nhiên nhưng cực kỳ quan trọng.
Năm 1935, Fermi cùng các cộng sự của ông thực hiện một cuộc bắn phá hạt nhân uranium bằng những chùm neutron chậm. Trong thí nghiệm, để tránh những luồng phóng xạ không mong muốn, ông đã dùng một tấm nhôm để che chắn. Nhưng tiếc thay, thí nghiệm đã không thành công. Cũng theo Bernstein (đã dẫn), nếu không dùng tấm nhôm che chắn thì chắc chắn Fermi đã tạo nên một bước ngoặt lịch sử – khám phá ra hiện tượng phân rã hạt nhân.
- Bước ngoặt khám phá ra hiện tượng phân rã hạt nhân xẩy ra vào năm 1938 do công của Otto Hahn, một nhà hoá học người Đức, và Lise Meitner, một nữ bác học vật lý xuất sắc người Áo gốc Do Thái, người mà Einstein thường gọi bằng một danh hiệu vừa thân mật vừa kính trọng là “Bà Curie của chúng ta”.
Lịch sử trên giấy trắng mực đen đã ghi nhận Otto Hahn là người có công khám phá ra hiện tượng phân rã hạt nhân (nhờ đó Hahn đoạt giải Nobel hoá học năm 1944) và Lise Meitner là người có công giải thích cơ chế vật lý của hiện tượng này. Nhưng lịch sử trên giấy không phải lúc nào cũng đúng. Những ai biết rõ câu chuyện về Hahn và Meitner sẽ thấy một sự thật khác: Người có công lớn nhất trong khám phá này chính là “Bà Curie của chúng ta”!
3* “BÀ CURIE CỦA CHÚNG TA”
Như đọc giả đã biết, Einstein thường gọi Lise Meitner một cách thân mật và trân trọng bằng danh hiệu “Bà Curie của chúng ta”. Nhưng đáng tiếc, nếu bà Curie may mắn trong tình yêu và vinh quang tột bậc trong khoa học thì cuộc đời của Meitner lại giống như một truyện phim buồn kết thúc bằng sự phản bội trong tình bạn và sự nhìn nhận bất công của lịch sử khoa học!
Năm 1907, cô gái người Áo gốc Do Thái 29 tuổi Lise Meitner một mình đến Đức lập nghiệp từ hai bàn tay trắng cả về địa vị lẫn tiền tài. Trong hồi ký bà viết: “ Tại đây, tôi chẳng có một địa vị gì để xưng hô. Bạn hãy cố tưởng tượng xem cuộc đời sẽ thế nào nếu bạn không có nhà cửa, phải ở nhờ trong một căn phòng ở nơi làm việc, không một ai giúp đỡ, không một chút quyền hành … ”.
Nhưng Meitner đã cố gắng sống cởi mở, chân thành với mọi người, và nhanh chóng kết bạn với một nhà khoa học trẻ tên là Otto Hahn, kém Meitner 1 tuổi, diện mạo rất dễ coi. Họ cùng làm việc với nhau trong một phòng thí nghiệm tại Viện Kaiser Wilhelm ở Berlin. Chẳng bao lâu sau họ bắt đầu nổi lên ở Đức như một nhóm nghiên cứu có tiếng tăm với những công trình về nguyên tử được đánh giá cao.
Về tình cảm, chúng ta không có đủ bằng chứng để khẳng định Meitner yêu Hahn, nhưng có đủ bằng chứng để thấy bà luôn luôn dành cho Hahn một cái gì đó còn hơn cả sự quý hoá nâng niu. Trong thư từ gửi cho Hahn, bà luôn mở đầu trang trọng: “Dear Herr Hahn” (Ông Hahn quý mến). Trong một công trình riêng của bà về việc điền một nguyên tố vào một ô trống ở cuối Bảng Tuần Hoàn gửi đến tạp chí Physikalische Zeitschrift , bà đã ghi tên tác giả bao gồm cả hai người, thậm chí còn đề nghị tạp chí đặt tên của Hahn lên trên, mặc dù Hahn không hề đóng góp gì trong công trình này. Kể từ khi Hahn lấy vợ năm 1912 về sau, Meitner không bao giờ có một cuộc hẹn chính thức nào với Hahn nữa, nhưng cũng không có một cuộc hẹn nào với bất kỳ ai khác. Trong thời gian xa cách nhau vì cuộc Đại Chiến I, Meitner vẫn thường xuyên viết cho Hahn, và đôi khi nài nỉ Hahn viết cho mình: “ Ông Hahn quý mến, … Nhớ giữ gìn sức khoẻ, và hãy viết cho tôi, ít nhất về chuyện nghiên cứu phóng xạ ra sao. Tôi nhớ đã lâu trước đây cứ thỉnh thoảng ông lại viết cho tôi một dòng, thậm chí chẳng liên quan gì đến chuyện phóng xạ cả ”.
Đến giữa những năm 1920, Meitner đã trở thành chủ nhiệm khoa vật lý lý thuyết thuộc Viện Hoá Học Kaiser Wilhelm. Thái độ tự tin trong học thuật của bà lộ rõ trong các buổi hội thảo chuyên đề. Tại đó bà thường ngồi ngay ở hàng ghế đầu bên cạnh những nhân vật “khổng lồ” như Einstein hay Max Planck, v.v.
Năm 1934, sau khi biết phương pháp làm chậm neutron của Fermi, Meitner lập tức triển khai một chương trình nghiên cứu bắn phá hạt nhân uranium của riêng bà. Hahn lại được mời cộng tác, ngoài ra có thêm Fritz Strassmann, một người vừa hoàn thành luận án tiến sĩ. Nhưng đến năm 1938, làn sóng bài Do Thái dấy mạnh lên ở Đức buộc bà phải rời khỏi đất nước này để lánh nạn tại Stockholm, Thuỵ Điển. Tại đây, với khả năng tư duy lý thuyết và trí tưởng tượng sắc sảo, bà vẫn tiếp tục lãnh đạo nhóm nghiên cứu của mình tại Berlin thông qua thư từ. Vì thư từ đi lại giữa Stockholm và Berlin rất nhanh nên thậm chí bà có thể hướng dẫn các cộng sự của mình từng bước một trong tiến trình nghiên cứu.
Srassmann cho biết: “ Ý kiến và sự phán xét của Meitner có trọng lượng rất lớn đối với chúng tôi tại Berlin … Meitner là người lãnh đạo trí tuệ của nhóm chúng tôi ”.
Thậm chí cả những máy móc và phương tiện thí nghiệm như nguồn neutron chất lượng cao, máy đếm, máy khuếch đại, … cũng đều do chính Meitner đã chuẩn bị lắp đặt sẵn sàng tại phòng thí nghiệm ở Berlin trước khi bà rời khỏi nơi đây. Các cộng sự của bà chỉ việc sử dụng và tiến hành thí nghiệm theo chương trình do bà vạch ra.
Một lần, trực giác mách bảo Meitner lưu ý Hahn phải chú ý đến những biến thể của radium có thể xuất hiện trong quá trình bắn phá hạt nhân uranium, vì bà biết rằng radium và uranium thường xuất hiện bên cạnh nhau trong các hầm mỏ, chúng có hạt nhân nguyên tử nặng gần như nhau, … Sau khi làm lại thí nghiệm, thấy quả thật đã xẩy ra những điều giống như Meitner đã tiên đoán, Hahn vội báo tin cho bà:
“ Lise thân mến! … Có một cái gì đó có vẻ như “những đồng vị của radium” rất đáng chú ý mà lúc này chúng tôi chỉ nói với bà thôi … Có lẽ bà nên có một sự giải thích đặc biệt … Nếu có bất cứ điều gì bà thấy có thể công bố, thì bà nên công bố trên tinh thần đó là công việc của cả 3 chúng ta! ”.
Lá thư nói trên cùng một lúc vừa cho thấy vai trò hướng dẫn của Meitner quan trọng như thế nào, vừa cho thấy Hahn là một người rất nhậy cảm đối với việc giành giật vinh quang cho bản thân ra sao.
Gần tới dịp Giáng Sinh năm 1938, Robert Frisch, một nhà vật lý tại Viện Niels Bohr, đồng thời là cháu ruột của Meitner, đã từ Copenhagen đến gặp Meitner tại Thuỵ Điển để cùng tham gia nghiên cứu. Chính Frisch đã chứng kiến những giây phút quyết định nhất vào đêm Giáng Sinh dẫn tới việc khám phá ra hiện tượng phân rã hạt nhân. Đó là thời điểm Meitner đưa ra những phân tích, tính toán, dự liệu những sự kiện có thể sẽ xẩy ra, như sau này Frisch kể lại trong cuốn “What Little I Remember”:
“ Rất may là cô tôi nhớ rõ cách làm thế nào để tính toán khối lượng của hạt nhân, và nhờ đó bà đã đi đến một kết quả cho thấy 2 hạt nhân mới hình thành do sự phân chia 1 hạt nhân uranium sẽ nhẹ hơn hạt nhân uranium ban đầu khoảng 1/5 khối lượng của 1 proton. Theo công thức E = mc2 của Einstein, khi khối lượng biến mất thì đó là lúc năng lượng được tạo ra …”
Thật vậy, theo Meitner, muốn phá vỡ hạt nhân uranium thì điều quan trọng nhất lúc này là phải có đủ số lượng neutron cần thiết . Tại sao vậy?
Meitner giải thích bằng cách đặt vấn đề: Tại sao hạt nhân nguyên tử có thể bền vững trong khi các hạt proton chứa trong đó luôn luôn đẩy lẫn nhau vì tích điện cùng dấu? Câu trả lời: Lực đẩy điện tích giữa các proton quá nhỏ so với lực hạt nhân mạnh (strong force) giữ chúng lại với nhau. Vậy muốn phá vỡ hạt nhân, phải “bẻ gẫy” lực hạt nhân mạnh , Meitner suy nghĩ, và bà bắt đầu hình dung ra những viên đạn neutron bắn trúng hạt nhân, làm cho hạt nhân rung lên, chao đảo, lung lay, …
Kể chuyện đến đây, tôi chợt tưởng tượng ra Mike Tyson và Holyfield đang tỉ thí trên võ đài. Holyfield bỗng tung ra một chưởng trúng mặt Tyson. Võ sĩ thép này choáng váng, loạng choạng, lảo đảo… Holyfield chộp ngay lấy cơ hội để đấm tiếp, bồi tiếp những cú đấm sấm sét, không để cho Tyson kịp trấn tĩnh, hồi phục, đấm cho đến khi nào Tyson mất sức chống đỡ, “thép cũng phải nhũn ra”, rồi “nốc ao” …
Tương tự như thế, để “hạ gục” hạt nhân nguyên tử, cần phải duy trì sự bắn phá sao cho đến một lúc nào đó lực hạt nhân mạnh bị “suy xụp”, “đứt tung ra”, và hạt nhân sẽ tan vỡ. Muốn thế, phải có đủ số lượng neutron cần thiết.
Meitner thông báo với các cộng sự tại Berlin những việc cần làm, và mọi điều diễn ra sau đó như thế nào thì mọi người đã rõ. Hahn và Strassmann đã trở thành những người đầu tiên khám phá ra hịên tượng hạt nhân uranium bị vỡ làm đôi do bị bắn phá bởi neutron và năng lượng được giải phóng!
Như Frisch đã nói, bằng cách so sánh tổng khối lượng các thành phần của hạt nhân uranium trước và sau khi hạt nhân tan vỡ, Meitner đã xác định được phần khối lượng biến mất . Theo nguyên lý bảo toàn vật chất mà công thức E = mc2 của Einstein đã chỉ rõ, khối lượng “mất tích” ấy ắt phải biến thành năng lượng . Đó là lý do vì sao năng lượng được giải phóng trong quá trình phân rã hạt nhân . Chính Meitner chứ không phải ai khác đã đưa ra những giải thích này. Tuy nhiên, người đứng ra công bố khám phá này tại Berlin lại là Otto Hahn, và nhờ đó, Hahn lập tức trở nên nổi tiếng và năm 1944 đã được trao tặng giải Nobel hoá học!
Meitner không hề được hội đồng trao giải Nobel nhắc tới, đơn giản vì công trình khám phá do Hahn công bố hầu như không nhắc gì đến đóng góp của bà! Thậm chí trong suốt gần một phần tư thế kỷ sau đó, Hahn đã cố chứng minh rằng tất cả mọi kết quả khám phá là của riêng ông. Trớ trêu thay, trong khi Hahn phớt lờ người có công lớn nhất là Meitner thì lại không thể phớt lờ Strassmann. Hahn định “bố thí” cho Strassmann 10% tiền giải thưởng, nhưng Strassmann khảng khái từ chối. Ông vô cùng thất vọng với con người của Hahn, coi việc Hahn làm là một trò hề. Ông đã viết thư cho Meitner để mời bà trở lại Đức, nhưng Meitner từ chối.
Làm sao Meitner có thể nhận lời trong khi bà cảm thấy bị tổn thương vì những gì mà một cộng sự lâu năm, một người bạn thân mà bà hằng quý mến trân trọng, đã cư xử với bà? Nhưng Meitner đã quyết định dẹp bỏ nỗi buồn, quên đi mọi kỷ niệm trong quá khứ ở Đức. Bà rời Stockholm để sang Anh sống những năm cuối đời như một bà già ẩn dật, cô đơn, suốt ngày chỉ lục lọi sách ở các hiệu sách. Bà mất tháng 11 năm 1968 trong sự lặng lẽ không mấy ai biết. Trong những năm 1970, các học giả nữ trên thế giới đã lên tiếng đòi lấy lại vinh quang cho bà. Năm 1982, lịch sử khoa học dường như hối hận và muốn sửa chữa lỗi lầm bằng cách lấy tên bà để đặt cho nguyên tố thứ 109 trong Bảng Tuần Hoàn Mendeleev – nguyên tố Meitnerium .
Câu chuyện Hahn-Meitner thật đáng buồn. Nhưng đáng buồn nhất là khám phá của họ lập tức được áp dụng cho dự án chế tạo bom nguyên tử của Đức quốc xã! Dự án này đặc biệt đáng lo ngại vì nó được trao vào tay một người mà tài năng được coi là “khổng lồ” trong khoa học, chỉ sau Einstein mà thôi: Werner Heisenberg!
Chú thích:
(1) Albert Einstein & the Frontiers of Physics, Jeremy Bernstein, Oxford University Press, New York, 19
(Xem tiếp: Bí ẩn chương trình chế tạo bom nguyên tử của Hitler (P3): Khi ‘người khổng lồ’ nhập cuộc)
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.