Albert Einstein và sự tiến triển của vật lý học hiện đại

-

VÀ sự TIẼN TRIÊN

:ỦA VẬT LÝ HỌC HIỆN ĐẠI

■ ■ ■ ■__ .

m

» c VÀ KỸ THUẬT

ĐẶNG MỘNG LÂN • I

ĐOÀN NHƯỢNG I

PHẠM VĂN THIỀU I

ĐẶNG MỘNG LÂN, • • /

ĐOÀN NHƯỢNG VÀ PHẠM VÃN THIỂU

Biên soạn và dịch

ALBERT EINSTEIN VÀ SựTIẾN TRIỂN

CỦA VẬT LÝ HỌC HIỆN DẠI

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2006

Chịu trách nhiệm xuất bản: PGS, TS Tô Đăng Hải

■ *

Biên tập: Đỗ Minh Ngọc

Vẽ bìa: Hương Lan

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội \ * • . .• i

In 1.000 cuốn khổ 14,5 X 20,5 cm tại Xưởng in Nhà xuất bản Thống kê

Sô' Giấy phép xuất bản: 136-2006/CXB/66-06/KHKT

In xong và nộp lưu chiểu: Quí m/2006

LỜI NÓI ĐẦU

Đã một thế kỷ kể từ Năm Kỳ diệu 1905, khi Albert

Einstein công bô' năm công trình đặt những cột mốc cho ba lĩnh

vực lốn của vật lý học: vật lý thống kê (chuyển động Brown), lý

thuyết lượng tử (của ánh sáng) và lý thuyết tương đối (hẹp).

Những công trình này đã làm thay đổi cái nhìn (vision) của

chúng ta về thế giói và, cùng vói những khám phá trong hai

chuc năm sau đó, đã làm xuất hiên môt nển văn minh mới trên • / m ế

hành tinh.

Có thể nói vể các khám phá của Einstein trên những

phương diện khác nhau. Trong cuốn sách này, chủ đề mà chúng

tôi muốn hướng tối là SựTIÊN TRIEN của vật lý học, chủ đề

mà Einstein cùng vối người cộng sự gần gũi của ông Leopold

Infeld đã trình bày trong tác phẩm phổ biến kiến thức nổi tiếng

THE EVOLUTION OF PHYSICS xuất bản năm 1938*>. Song chúng

tôi chỉ có thể làm được điều mong muôn này một cách rất hạn

chế với một tập hợp bài viết và dịch từ nhiều tác giả khác nhau,

tập trung vào một sô vấn đê có thể là đáng được quan tâm nhiều

hơn đôi với các bạn đọc trong nước.

*> Tên đầy đủ: The evolution of physics: The growth o f ideas from early concepts to

relativity and quanta (Sự tiến triển cùa vật lý học: Sự phát triển của các ý tường từ các

khái niệm ban đầu cho đến lý thuyết tương đối và lượng tử). Tái bản với một vài sửa

chữa nhó do Infeld thực hiện năm 1961. Bản dịch tiếng Việt Sự tiến triển của vật lý

học của Lê Minh Triết do NXB Khoa học và Kỹ thuật ấn hành nàm 1972, tái bản có

sửa chữa năm 2005. s

3

Trưóc hêt, để giới thiệu ngắn gọn về cuộc đời và các khám

phá của Einstein, chúng tôi sử dụng bản thống kê các sự kiện

đáng ghi nhớ về con ngưòi này trong cuốn sách "Subtle is the

Lord..." thưòng được các nhà nghiên cứu nhắc đến, cuốn sách

của Abraham Pais, nhà vật lý lý thuyết có tên tuổi, thành viên

Viện Hàn' lâm Khoa học Quổc gia Mỹ.

Bài viết sau đó sẽ cố gắng giới thiệu tổng quát về các

khám phá của Einstein, từ các công trình trong Năm Kỳ diệu

cho đến những cô" gắng cuối cùng của ông nhằm tìm kiếm một lý

thuyết trường thông nhất có thể thay thế cơ học lượng tử hiện

hữu mà theo ông, chưa phải là một lý thuyết đầy đủ về thực tại.

Những bài tiếp theo sẽ trình bày kỹ lưỡng hơn về một sô

vấn đề mà ở đó ta có thể thấy rõ cái nhìn riêng độc đáo và

những suy ngẫm day dứt của ông về thế giới vật chất và VÜ trụ.

Những vấn đề đó, theo sự lựa chọn và trong sự giới hạn của

chúng tôi, là các vấn đề sau đây:

- Việc kiểm tra thực nghiệm lý thuyết tương đối, đặc biệt

là lý thuyết tương đối rộng (hay tổng quát) - khám phá vĩ đại

nhất của Einstein, "một bước nhẩy khổng lồ của trí tưởng

tượng" theo sự diễn tả trong báo cáo năm 2001 của Hội đồng

nghiên cứu quốc gia Mỹ;

- Một ứng dụng lốn của lý thuyết tương đôi rộng: xây dựng

các mô hình vũ trụ (vũ trụ học);

- Cơ học lượng tử và vấn đề thực tại vật lý, hay nói cách

khác, vấn đề giải thích cơ học lượng tử, mà theo Roger Penrose

nhà toán - vật lý của Oxford, là "Câu đố lốn nhất" của vật lý học

hiện đại; 9 9 *

Phần còn lại của cuốn sách sẽ dành cho các vấn đề của vât

• ■

]ý học trọng tương lai: những câu hỏi lớn đang được đặt ra,

nhõng dự báo về khả năng trả lòi những câu hỏi ấy, và những

4

cô' gắng trả lời đang gây được sự chú ý của cộng đồng vật lý trên

thế giới: lý thuyết dây và lý thuyết hấp dẫn lượng tử vòng. Một

sô" bài viết của các tác giả nổi tiếng như s. Weinberg, B. Greene,

L. Smolin,... sẽ được sử dụng (dịch hay lược thuật) để giúp

chúng ta hiểu về các vấn đề này.

Cnôì cùng, Phụ lục A sẽ giới thiệu sơ lược quá trình phát

triển của lý thuyết lượng tử từ giả thiết của Planck năm 1900

cho đến Mô hình Chuẩn của vật lý hạt ngày nay và nói riêng về

sự hình thành cơ học ma trận và cơ học sóng - hai dạng tương

đương của cơ học lượng tử; và Phụ lục B bao gồm một sô" bài đọc

thêm có thể giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về một sô" vấn đê' riêng có

liên quan: vấn đề thời gian, Big Bang và Thượng đế, hạt

Higgs,...

Để ghi nhớ những đóng góp của Einstein trong lịch sử tư

tưởng và sự phát triển nền văn minh của nhân loại, Đại hội

đồng Liên Hợp Quốc đã có Nghị quyết gọi năm 2005 là Năm

Vật lý Quốc tê mà cộng đồng khoa học thê giới còn gọi là Năm

Einstein. Nhân dịp này, trên thế giới đã xuất bản nhiều sách và

bài viết vể Einstein, các khám phá và con người của ông, về sự

phát triển của vật lý học và khoa học hiện đại. Cuôn sách này

là một CỐ’ gắng nhỏ bé tham gia vào các hoạt động đó vói mong

muốn nó có thể phục vụ thích hợp cho các bạn đọc trong nưốc.

Chúng tôi sẽ rất biết ơn nếu cuốn sách được bạn đọc quan tâm

chỉ cho những chỗ còn thiếu sót.

Hà Nội, ngày 15 tháng 4 năm 2006

. ĐẢNG MÔNG LÂN

ALBERT EINSTEIN

(14/3/1879 - 18/4/1955)

Das ewig Unbegreifliche an der Welt ist ihre Begeiflich keit

(Điều mãi mãi không thể hiểu được, trong thế giối là nó

có thể hiểu được*).

%

Dịch theo bản tiếng Pháp của Bernard Diu: La chose éternellement

incompréhensible, dans le monde, est qu’il soit compréhensible (trong Traité de

physique à l'usage des profatmes, Editions Odile Jacob, 2000).

6

1

S'üi' ^ .

( f â L « ^ 4 ị , . ¿ É ï ^ à ÿ ^ y n r e ¿ * 4 *

, '<^C*. ■ * * ¿» ■»- ¿-- * mm~4Ậ£ị*c4i -¿y«* 1 .«^ ¿SX^A. •*£*-*■ +

■f'Utt, *¿JLjl <Ẩ£+$Ịxù-i+*. Ạ ì ^ y*-* ^ ’ÿ''*

í « ¿ ^ ú W <6¿Í¿Í% *m ^ ^ /4 ^ - / «¿(^3 °ÍAí>4- n

s»X&*Aah~ a¿¿^27 ~~*+4SEZtA ^i^ iií£Zé-¿/<j¿--f

“*''• ÿ*^+%X2+4+CïcA^ , cJeZi. -ï^ x , *¿*+4 *¿u¿-

- A >

' ÿ*<*$*-++4+€ïc4i^&r , <x¿*. t « x , «¿»*4 *¿i~L^ «« * Ậ ^JỈ?

i*%fLAjrl*LĂ-ỳ-*Ạ+eẶjir ỹf *+ý*ỂL £ĩữ*^.

PÙL^/I -I^V 4,vz. ¿^w£l~v£¿M .

-H^y j-ề^^L ứ cJ±ề4^l ^ wt^ -

Ảr»*^íL.< *í>— 4.<* x

fiCcPc ¿a«*

4Ế~~JZL. %-*+

~*Ă+Sị.

F a c s im ii .k o k P art o f a P ace fr o m A i .bk k t E in s t e in ’s Am oBiocR.M M iY

Một đoạn trong bản viết tay bài "Tiểu sử tự thuật" của

Albert Einstein (trong: "ALBERT EINSTEIN: Philosopher￾Scientist", xuất bản nhân kỷ niệm 70 năm ngày sinh Einstein,

P. A. Schilpp chủ biên, Tudor Publishing Company, 1949).

Dưới đây là bản in tiếng Đức, bản dịch tiếng Anh (của

Schilpp) và bản dịch tiếng Việt.

Dort hatte ich vortreffliche Lehrer (z.B. Hurwitz,

Minkowski), so dass ich eigentlich eine tiefe mathematische

Ausbildung hätte erlangen können. Ich aber arbeitete die meiste

Zeit im physikalischen Laboratorium, fasciniert durch die

direkte Berührung m it der Erfahrung. Die übrige Zeit benutzte

ich hauptsächlich, um die Werke von Kirchhoff, Helmholtz,

Hertz, etc. zuhause zu studieren. Dass ich die Mathematik bis zu

einem gewissen Grade vernachlässigte, hatte nicht nur den

Grund, dass das naturwissenschaftliche Interesse stärker war

als das mathematische, sondern das folgende eigentümliche

Erlebnis. Ich sah, dass die Mathematik in viele Spezialgebiete

gespalten war, deren jedes diese kurze uns vergönnte Lebenszeit

wegnehmen konnte. So sah ich mich in der Lage von Buridans

Esel, der sich nicht für ein besonderes Bündel Heu entschliessen

konnte. Dies lag offenbar daran, dass meine Intuition a u f

mathematischem Gebiete nicht stark genug war, um das

Fundamental-Wichtige, Grundlegende [sicher von dem Rest der

mehr oder weniger entbehrlichen Gelehrsamkeit zu

unterscheiden].

There i had excellent teachers (for example, Hurwitz

Minkowski), so that / really could have gotten a sound mathematical

education. However, / worked most o f the time in the physical

laboratory, fascinated by the direct contact with experience. The

balance o f the time / used in the main in order to study at home the

works o f Kirchhoff, Helmholtz, Hertz, etc. The fact that / neglected

8

mathematics to a certain extent had its cause not merely in my

stronger interest in the natural science than in mathematics but also in

the following strange experience. / saw that mathematics was split up

into numerous specialities, each o f which could easily absorb the short

life-time granted to us. Consequently / saw myself in the position o f

Buridan's ass which was unable to decide upon any specific bundle o f

hay. This was obviously due to the fact that my intuition was not

strong enough in the field o f mathematics in order to differentiate

dearly the fundamentally important, that which is really basic, Ịfrom

the rest o f the more or less dispensable erudition].

Ở đó tôi có nhioig người thầy tuyệt vời (thí dụ, Hurwiiz,

Minkowski) khiển tôi thưc sự đạt được một sự đào tạo toán học vững chắc.

Tuy nhiên, phần lớn thời gian tôi làm việc trong phòng thí nghiệm vật lý,

say mè vì được tiếp xúc trực tiếp với việc thí nghiêm. Biểu thời gian tôi sử

dụng chủ yếu ỉà để nghiên cihi tại nhà các công trình của Kirchhoff,

Helmholtz, Hertz, v.v... Việc tôi xem nhẹ toán học ỏ mức độ nào đó có Ịỷ

do không chỉ là vỉ tôi đã chủ V quá nhiều vào các khoa học tự nhiên hơỉĩ

là toán học mà còn là vì ở kinh nghiệm kỳ lạ sau đó. Tôi thấy toán học

được tách ra thành nhiều chuyên môn, mỗi chuyên môn có thể d ễ dàng

hút mất khoảng dời ngắn ngủi dành cho chúng ta. Kết quả ỉà tôi thấy tôi ỏ

cái vị trí của con ỉừa Buridan không thể quyết định được đối với một bó

cỏ cụ th ể nào đó. Điều này hiển nhiên là do việc trực giác của tôi không

dù mạnh trong lĩnh vực toán học đ ể phân biệt rõ rệt cái về cơ bàn là quan

trọng, cái mà thực sự là cơ sở, Ị với phần còn lại của sự uyên bác ít nhiều

cần thiết. Ị

9

NHÚNG NỐC THỜI GIAN CHÍNH TRONG

CUỘC ĐỜI ccta ALBERT EINSTEIN

Trong: ABRAHAM PAIS, "Subtle is Lord...". The Science

and the Life of Albert Einstein, Oxford University Press, 1982;

bản tiếng Nga: Nauchnaja dejatel'nost' i zhizn' A l’berta

Einshteina, V. I. và o. I. Matxarski dịch, NXB "Nauka", 1989.

Năm 1876 - 8 tháng Tám: Tại Hanstatt, ông Hermann

Einstein (sinh năm 1847) và bà Pauline Koch

(sinh năm 1858) kết hôn.

Năm 1879 - 14 tháng Ba vào 11 giờ 30 phút theo giò địa

phương (Ulm, Đức): Cậu bé đầu lòng của họ là

Albert ra đời.

Năm 1880 - 21 tháng Sáu: Gia đình Einstein đăng ký là cư

dân của thành phô" München.

Năm 1881 - 18 tháng 11: Sinh Maria (Maja), em gái Einstein.

~ Năm - Điểu lạ lùng thứ nhất: Einstein mê mẩn với

1 8 8 4 chiếc la bàn bỏ túi. Cậu bắt đầu học với gia sư.

'-N ăm - Einstein bắt đầu học chơi vĩ cầm (và còn tiếp tục cho

1885 đến năm 13 tuổi).

~ Năm - Vào học trường München. Để thỏa mãn các đòi

1886 hỏi về giáo dục tôn giáo, ông phải học các nguyên

lý của đạo Do Thái ở nhà.

° Dấu ~ có nghĩa là ớ đây chì biết chính xác nám xẩy ra sự việc được nêu.

10

Năm 1888 - Vào học trường trung học Luitpold. 2)

Năm 1889 -

~ Năm

1890

~ Năm

1891

Các năm

1891-1895

Lần đầu tiên gặp Max Talmud (về sau lấy tên là

Talmey), lúc đó là một sinh viên y khoa 21 tuổi,

người đã làm cho Einstein biết đến "Các cuốn

sách phổ cập vật lý" của Bernstein, cuốn "Lực và

vật chất'1 của Büchner, cuốn "Phê phán lý trí

thuần túy" của Kant và nhiểu cuồn khác. Talmud

thường lui tới ngôi nhà Einstein mãi đến năm

1894. Thòi gian này ông với Einstein thường bàn

luận các vấn đề khoa học và triết học. • m m

Thòi kỳ sùng đạo, kéo dài gần một năm.

Điểu lạ lùng thứ hai: Làm quen với "Cuốn sách

thiêng liêng về hình học".

■ Làm quen với các nguyên lý của toán học cao cấp,

kể cả phép tính vi phân và tích phân.

Năm 1894 - Gia đình chuyển đến Ý, mới đầu ở Milan, sau đó

là Pavia, rồi lại chuyển vể Milan. Albert vẫn ỏ lại

München để học nốt trường trung học.

Năm

18953)

Nàm 1895 -

Albert gửi cho ông chú là Cãsar Koch, sông ó

Berlin, tiểu luận "Bàn về trạng thái của ête trong

từ trường".

Trốn khỏi trường trung học Luitpold trước khi

kết thúc khóa học. Mùa xuân năm đó, Albert về

2) Trường trung học này nằm ở số nhà 33, Mullerslrass, đà bị phá hủy trong Chiến

tranh Thế giới Thứ hai. Sau này nó được xây dựng lại ớ một nơi khác và được đặt

tên là trường Trung học Albert Einstein.

3) Einstein đưa ra dữ kiện này năm 1950.

11

Năm 1896 -

Năm 1897 -

Năm 1899 -

Năm 1900 -

12

với gia đình ở Pavia.

Mùa thu ông không vào được trường Bách khoa

Zürich, mặc dầu đạt kết quả xuất sắc ở môn vật

lý và môn toán;

28 tháng Mưòi năm 1895 đến đầu mùa thu năm

1896: Học ở trường tỉnh Aarau. Albert sốhg ở nhà

"giáo hoàng" Jost Winteler, một trong những

thầy giáo của mình. Thời kỳ này ông viết tác

phẩm "Những dự định của tôi trong tương lai”

bằng tiếng Pháp.

28 tháng Một: Sau khi trả ba đồng mác, Einstein

nhận được giấy chứng nhận việc ông không còn là

công dân nước Đức (đúng ra là công dân của

Wyrttemberg). Suốt năm năm sau đó ông không

có quốc tịch;

Mùa thu: Ông nhận được bằng tốt nghiệp ở

A arau cho phép ông có chân ở trường Bách khoa;

ngày 29 tháng Mưdi: Ông dọn đến ở Zürich.

Trong sô' các bạn cùng lốp của ông có Marcel

Grossman và Mileva Marie (hay Mariti). Bằng

tốt nghiệp trường Bách khoa cho phép ông dậy

học ở trường trung học.

Gặp Michele Angelo Besso ở Zürich, một cuộc gặp

gỡ khơi nguồn cho tình bạn suốt đời giữa hai ông.

19 tháng Mười: Einstein đệ đơn chính thức xin

được nhập quốc tịch Thụy Sĩ.

27 tháng Bẩy: Hội đồng chấm thi đề nghị cấp

bằng tốt nghiệp cho một số ngưòi trong đó có

Grossman và Einstein; ngày 28 tháng Bẩy, đề

nghị được chấp thuận;

Năm 1901 -

Năm 1902 -

Mùa thu: Ông xin giữ chức trợ giảng ở trường

Bách khoa nhưng không thành;

13 tháng Mười Hai: Einstein gửi công trình đầu

tiên cho tạp chí "Annalen der Physik” ở Zürich.

21 tháng Hai: Nhận quốc tịch Thụy Sĩ; ngày 13

tháng Ba: Einstein được gọi nhập ngũ phục vụ

quân đội Thụy Sĩ nhưng không được châp thuận

vì có tật bàn chân dẹt và bệnh giản ven;

Tháng Ba - tháng Tư: Thử xin làm việc với

Ostwald ở Leipzig và vối Kamerlingh Onnes ỏ

Leiden nhưng không thành;

17 tháng Năm: Einstein báo tin về việc sắp rời

khỏi Zürich;

19 tháng Năm - 15 tháng Bẩy: Tạm thời làm việc

với danh nghĩa thầy giáo toán ở trưòng kỹ thuật

Winterthur, ông ở đây đến ngày 14 tháng Mười;

Tháng Chín - tháng Giêng năm 1902: Tạm thòi

làm việc vói danh nghĩa thầy giáo ở

Schaffhausen;

18 tháng Mười Hai: Gửi đơn xin làm việc tại Cục Sáng

chế ở bang Bern [Berne].

21 tháng Hai: Einstein chuyển về Bern. Mối đầu

ông sống chỉ bằng tiền của bô" mẹ gửi cho và thư

nhập từ các lớp dậy tư về toán và vật lý;

16 tháng Sáu: Hội đồng Liên bang Thụy Sĩ nhận

Einstein là cán sự hạng ba của Cục Sáng chê (có

thòi gian thử thách) vói mức lương 3500 írăng

một năm. Ồng bắt đầu làm việc vào ngày 23

tháng Sáu;

13

- Conrad Habicht, Maurice Solovine và Einstein

thành lập "Viện Hàn lâm Olympia";

- 5 tháng Mười Hai: Einstein trình bày tại một

phiên họp của Hội các nhà nghiên cứu tự nhiên

Bern báo cáo"Lý thuyết sóng điện từ".

Năm 1904 - 14 tháng Năm: Sinh con trai đầu lòng Hans

Albert (mất năm 1973 ở Berkeley, California);

- 16 tháng Chín: Kết thúc thòi gian thử việc,

Einstein nhận được hợp đồng cô" định.

Năm 1905 - 17 tháng Ba: Viết xong bài báo ỏ đó trình bày giả

thiết về các lượng tử ánh sáng;

- 30 tháng Tư: Hoàn thành luận văn với nhan đề

"Cách xác định mói các kích thưốc phân tử".

Luận văn được in ở Bern và được trình bày ở

trường Đại học Zürich, được thông qua vào tháng

Bẩy. Luận văn có ghi dòng chữ "Thân tặng người

bạn của tôi, tiến sĩ M. Grossman";

11 tháng Năm: Ban biên tập tạp chí "Annalen

der Physik" nhận được bài báo đầu tiên vể

chuyển động Brown;

- 30 tháng Sáu: Bài báo đầu tiên về lý thuyết

tương đối hẹp được gửi cho Ban biên tập tạp chí;

- 27 tháng Chín: Gửi cho Ban biên tập tạp chí bài

báo thứ hai về lý thuyết tương đô'i hẹp. Trong bài

này đã đưa ra hệ thức E = mc2;

- 19 tháng Mưòi Hai: Gửi cho Ban biên tập tạp chí

Năm 1903 - 6 tháng Giêng: Cưới bà Mileva Mariõ;

14