ĐỘT PHÁ VÀO PHẢN VẬT CHẤT
Năm 1927 Dirac bắt tay vào bài toán tổng quát hoá tương đối tính cơ học lượng tử. Đó được xem là vấn đề cực kì thời sự vì vận tốc chuyển động của điện tử trong nguyên tử là cùng cấp với vận tốc ánh sáng. Việc hợp nhất lý thuyết tương đối với cơ học lượng tử sẽ trở nên thành tựu lớn lao nhất của Dirac và là bài toán quan trọng nhất của vật lý học thế kỷ XX, mà tới tận hôm nay còn chưa giải quyết được hoàn toàn.
Một lần trước khi bắt đầu bài giảng ở Đại hội Solvay năm 1927, Bohr bước đến hỏi Dirac: ''Dạo này anh đang nghiên cứu gì?''. "Tôi cố xây dựng lý thuyết tương đối của điện tử” - Dirac trả lời. ''Nhưng chẳng phải bài toán ấy đã được Klein giải quyết rồi đó sao''. Câu nói ấy của Bohr làm Dirac phật ý và ông bắt đầu giải thích vì sao lời giải Klein (Nhà toán học Thụy Điển, 1894 - 1977) có gì đó làm ông không ưa. Vừa hay lúc đó bài giảng bắt đầu và việc bàn luận về vấn đề đó phải gác lại.
Phương trình tương đối tính lượng tử mang tên Klein-Gordon-Fok được các tác giả khác nhau lần lượt đưa ra. Đầu tiên phải kể là Schrodinger, nhưng rồi ông này lại từ bỏ nó để theo đuổi phương trình phi tương đối tính của mình. Tuy nhiên phương trình Klein - Gordon -Fok không phù họp với thực nghiệm và chứa đựng những nhầm lẫn lôgic bên trong. Lời giải phương trình ấy cho ra các xác suất âm của trạng thái điện tử. Tóm lại không thể chấp nhận là nó đã hợp nhất được các khái niệm tương đối tính và lượng tử. Đó chính là điều mà lẽ ra Dirac đã có thể thông báo với Bohr, nếu như không có bài giảng…
Tình thế ấy làm cho Dirac băn khoăn mãi, cho đến khi trong đầu chợt loé lên một ý tưởng: có thể thu được phương trình bằng cách lấy căn bậc hai của biểu thức năng lượng tương đối tính của hạt:
E2 - p2c2 = m2c4
Vậy là ông suy ra phương trình nổi tiếng của mình. Nó không chỉ thoả mãn lý thuyết tương đối và cách lý giải xác suất của cơ học lượng tử, mà còn chứa đựng một cái thật bất ngờ: thông tin về spin bán nguyên của điện tử và mômen từ của nó.
Nhưng điện tử trong lý thuyết Dirac lại có thêm một bậc tự do mới - nó có thể chuyển vào trạng thái có năng lượng âm. Điều ấy xem ra phi lý đến nỗi rằng nếu một ai khác ở vào địa vị Dirac ắt đã phải từ bỏ nó. Song Dirac lại chọn con đường khác. Tin tưởng vào tính hiện thực của các trạng thái có năng lượng âm và sử dụng “nguyên lý cấm Pauli” nói rằng hai điện tử không thể có cùng một trạng thái ông lấp đầy mọi trạng thái có năng lượng âm bằng các điện tử và gọi các trạng thái đó là chân không.
Về sau ông còn nghĩ ra thêm các tên gọi khác cho các trạng thái kiểu đó: ''biển'' hay ''đại dưong'', ''đầy ắp điện tử không có giới hạn nào về độ lớn năng lượng âm, và vì thế không có gì là đáy của đại dương điện tử ấy cả''. Quan sát các điện tử năng lượng âm là không thể vì chúng làm thành một cái nền liên tục không nhìn thấy cho mọi sự kiện diễn ra của thế giới.
Khi có một lượng tử năng lượng ánh sáng rơi vào ''biển'' Dirac thì nó có thể bị hấp thụ và làm bứt ra một điện tử của ''biển'', để lại một ''lỗ trống''. “Lỗ trống” có hành vi của một thứ hạt với điện tích dương (phản điện tử - antielectron). Hai hạt đồng thời sinh ra ấy có thể quan sát được trên thực nghiệm. “Antielectron'' có tên gọi là “positron” đã được phát hiện trên thực nghiệm năm 1932 bởi nhà vật lý Mỹ Carl David Anderson (1905 - 1991) mà không hề biết gì về giả thuyết của Dirac. Về sau người ta còn phát hiện ra phản proton và nhiều phản hạt khác. Đề tài về “phản vật chất”, “phản thế giới” bắt đầu xuất hiện trong số những người giàu tưởng tượng.
Vào năm 1969 Dirac đã cao tuổi phải rời bỏ bộ môn của mình ở Cambridge. Ông nhận lời mời của Đại học tổng hợp bang Florida và đến Hoa Kỳ. Từng trải gần trọn cuộc đời một ''dân di cư'' ở Anh quốc, nay nhà khoa học chọn lựa ''đất nước của những người di cư'' làm trạm dừng chân cuối đời mình. Dirac hào hứng hưởng ứng các lời mời, đã đi khắp, nửa vòng quả đất với các bài giảng và bài phát biểu. Cho đến những ngày cuối cùng của mình ông vẫn tiếp tục khơi mở cho thính giả những vẻ đẹp của bức tranh vật lý thế kỷ XX về Vũ Trụ, mà ông từng trực tiếp tham gia tạo dựng. Các buổi đi dạo chủ nhật ưa thích của ông mỗi ngày một rút ngắn lại vì súc lực cạn kiệt. Ông mất ngày 20 tháng 10 năm 1984.
Các ý tưởng của Dirac có hiệu năng kì lạ. Chương cuối cùng cuốn ''Các nguyên lý cơ học lượng tử” của ông dành riêng cho môn khoa học mà ông tạo dựng suốt mấy năm trước khi viết nó thành sách - đó là điện động lực học lượng tử, hoặc lý thuyết lượng tử về tương tác của trương điện từ với vật chất. Bằng nỗ lực của các nhà lý thuyết thập kỉ 40 của thế kỷ XXI công cụ tính toán của lý thuyết đã hoàn thiện đến mức là nhiều kết quả thực nghiệm, đã được tiên đoán chính xác tới hàng chục con số sau dấu phẩy. Feynman đã ví von độ chính xác đó với việc đo khoảng cách từ Los Angeles tới New York với sai số bằng bề dày của sợi tóc. Khi các tương tác mạnh và tương tác yếu được khám phá, lý thuyết lượng tử của các trường đó được xây dựng khá giống với điện động lực học lượng tử của Dirac.
Một phương hướng khoa học đáng kể khác cũng gắn liền với tên tuổi Dirac - đó là vấn đề về từ tích (đơn cực từ) đơn độc. Phân tích khả năng của điện động lực học Maxwell, Dirac chỉ ra, từ năm 1931, rằng nếu một góc xa xôi nào đó của thế giới có thể tồn tại dù chỉ là một đơn cực từ riêng lẻ, thì ta có thể hiểu ra vì sao điện tích của mọi hạt đã biết đều có chứa một số nguyên lần điện tích của điện tử. Ý tưởng đó của Dirac được tiếp tục trong lý thuyết đại thống nhất. Nhà vật lý Xô viết trẻ tuổi Aleksandr Markovich Polyakov (sinh năm 1945) và nhà vật lý Hà Lan giải Nobel năm 1999 Gerard Hooft đã tìm được lời giải cho từ tích đơn độc trong một phép khái quát điện động lực học phi tuyến. Ở đó đơn cực xuất hiện dưới dạng mẫu hạt kéo dài: soliton. Soliton là một trong những đối tượng đầu tiên của động lực học phi tuyến. Tính phi tuyến là một số đo vật lý mới và là một phương hướng phát triển khả dĩ sẽ biến vật lý học thành ngôn ngữ vạn năng của tự nhiên học, của sinh học và thậm chí cả kinh tế học và xã hội học.
ĐỜI TƯ CỦA DIRAC
Cuộc đời sáng tạo của Paul Dirac hoàn toàn bộc lộ qua bao nhiêu phát minh của ông. Trong đời tư, ông luôn khiêm nhường, và có thể vì thế ít được biết tới: Năm 1937 Dirac cưới cô em gái của nhà vật lý lý thuyết Mĩ nổi tiếng Eugene Paul Wigner là Margaret, và họ có hai con gái.
Dirac là một người bạn tin cậy và đáng quý. Ông là bạn thân của Pyotr Leonidovich Kapitsa (1894-1984) từ những năm 1920 ở Cambridge và tình bạn ấy kéo dài 60 năm. Theo lời Anna Alekseyevna - vợ của P. L. Kapitsa: ''Là người kín đáo, ít nói, rụt rè, hoàn toàn đối ngược với Kapitsa về cá tính, nhưng Dirac đối với Kapitsa thật gần gũi về tâm hồn và dành mối quan tâm rất cảm động. Khi chính quyền Xô viết không cho phép. Kapitsa trở lại Cambridge sau kì nghỉ hè thường kì, Dirac đã nhiều lần đến nước gặp Kapitsa để bạn mình khỏi đơn độc. Dirac cũng gắn bó tình bạn với nhà vật lý Nga khác nữa là Igor Evgenlyevich Tamm (1895-1971). Ngoài khoa học họ còn gắn bó nhau vì niềm đam mê leo núi.
PHONG CÁCH CỦA DIRAC
Dirac thích diễn đạt chuẩn xác và cũng đòi hỏi người khác như vậy. Một lần trên xêmina, sau lời kết luận dài dòng, báo cáo viên phát hiện ra cái dấu ở biểu thức cuối cùng của ông ta không đúng. ''Hình như tôi bị nhầm dấu ở một chỗ nào đó'' - ông ta thốt lên và ngó tìm vào những gì đã viết. ''Anh muốn nói về số lẻ chỗ thì phải'' - Dirac chữa.
Một lần khác chính Dirac là báo cáo viên. Khi kết thúc ông hỏi cử toạ: ''Các vị có hỏi gì không?'' - ''Tôi không hiểu ông đã nhận được biểu thức kia bằng cách nào'' - Một ai đó lên tiếng. ''Đó là một câu khẳng định, chứ đâu phải câu hỏi. - Dirac đáp - Còn ai hỏi gì không?”
Vẻ đẹp toán học của các quy luật vật lý đã là thước đo trực giác ở Dirac về tính đúng đắn của các lý thuyết vật lý. Năm 1955 khi phát biểu trước sinh viên khoa Vật lý Trường Đại học tổng hợp Quốc gia Moskva ông viết trên bảng dòng chữ ''Physical laws should have mathematical beauty'' (các quy luật vật lý phải có vẻ đẹp toán học). Dòng chữ ấy được người ta giữ nguyên làm kỷ niệm. Phần bảng với dòng chữ của Dirac được lồng kính treo trên tường của hội trường cho tới tận ngày nay.
MƯỜI TÊN TUỔI LỚN NHẤT
Theo kết quả trưng cầu ý kiến các nhà khoa học của tạp chí ''Physics World'' (''Thế giới vật lý), năm 1999 số 12 do Hội vật lý Anh xuất bản, 10 nhà vật lý lớn nhất trong lịnh sử là: 1.Albert Einstein, 2. Isaac Newton, 3. James Clark Maxwell, 4.Niels Bohr, 5.Werner Heisenberg, 6. Galileo Galilei, 7. Richard Feynman, 8. Paul Dirac, 9. Erwin Schrodinger, 10.Ernerst Rutherford.
Các phát minh vật lý được xếp theo mức độ quan trọng như sau: lý thuyết tương đối của Einstein, cơ học Newton và cơ học lượng tử. Phần đông người tham dự trưng cầu ý kiến không tin rằng sự xây dựng thành công lý thuyết trường thống nhất sẽ đưa đến sự cáo chung của vật lý học như một khoa học.
Mười bài toán lớn nhất chưa được giải quyết của vật lý học được kể là: lực hấp dẫn lượng tử, các lực hạt nhân, tổng hợp nhiệt hạch, biến đổi thời tiết, hiện tượng chảy rối, các vật liệu tựa thuỷ tinh, siêu dẫn nhiệt độ cao, từ học mặt trời, các hệ phức tạp, vật lý học của ý thức.
70% nhà vật lý được trưng cầu tuyên bố nếu được làm lại sự lựa chọn, họ lại sẽ nghiên cứu vật lý học!
