CÁC NGẪU NHIÊN MAY MẮN
Lorentz học hết tiểu học vừa đúng lúc ở Hà Lan ra đời hệ trường trung học kiểu hiện đại. Thầy dạy hoá học của cậu là người ủng hộ thuyết nguyên tử (còn chưa được công nhận rộng rãi ở những năm 60 thế kỷ XIX). Có thể vì vậy nên từ cùng một lớp học ấy đã trưởng thành 2 học sinh sau này thành giáo sư vật lý - một kết quả không tồi, nếu biết số học sinh tổng cộng... chỉ là 3 người''. Cậu Lorentz 17 tuổi vào học Đại học Leiden, một năm sau thành thạc sĩ, và 22 tuổi thì ông bảo vệ xuất sắc luận văn tiến sĩ khoa học được phê là ''magna cum laude'' (tiếng Latinh nghĩa là ''xuất sắc'').
Chàng trai Lorentz 20 tuổi tìm được đề tài luận văn tiến sĩ cho mình trong thư viện Phòng thí nghiệm vật lý Đại học Leiden, nơi được nhận đều đặn mọi công trình công bố của Maxwell. Vì trong đó phát triển những ý tưởng hoàn toàn mới và sử dụng công cụ toán học không dễ hiểu đối với các nhà vật lý nên ít ai đọc các công trình ấy, đến nỗi nhiều bao ấn phẩm còn chưa có ai bóc ra! Chàng trai Lorentz được phép mang chúng về nhà ở Arnhem, nơi anh học để thi các kỳ cuối. Lorentz ưa thích tự học cùng các cuốn sách, làm toán và suy tư liên miên, hơn là hình thức học tập thể trên lớp: nghe giảng, thảo luận, kiểm tra... Cái đó đã thành phong cách suốt đời của ông. Chàng thạc sĩ trẻ cùng lúc vừa đi dậy học lớp buổi tối vừa viết luận văn tiến sĩ về sự phản xạ, khúc xạ ánh sáng theo thuyết điện từ Maxwell.
Trong luận văn của mình, Lorentz hợp nhất các quan điểm Maxwell về bản chất điện từ của ánh sáng với khái niệm Fresnel về tính ngang của sóng ánh sáng. Ông dễ dàng chinh phục bài toán lâu đời của lý thuyết cơ học về ánh sáng và đã thu được các định luật phản xạ, khúc xạ ánh sáng trên mặt phân cách hai môi trường bằng công cụ lý thuyết Maxwell. Nhưng tính chất thời sự quan trọng là kết quả ấy dược tái phát kiến theo tinh thần của thời đại: tìm ra cơ sở cơ học cho điện từ học để củng cố lý thuyết Fresnel.
Công trình ấy của Lorentz không thuyết phục được các nhà vật lý tin vào tính ưu việt của lý thuyết Maxwell (chỉ sau này nó mới được chú ý, sau các công trình của Heinrich Hertz, người không chỉ tạo cho các phương trình Maxwell một hình thức toán học hiện đại, mà còn khẳng định bằng thực nghiệm bản chất điện từ của sóng ánh sáng). Tuy nhiên nhà bác học trẻ cũng đã được chú ý đến: Trường Đại học Utrecht nhận ông làm việc ở khoa toán, còn Đại học Leiden thì mời vào khoa vật lý lý thuyết. Lorentz quyết định dạy học ở Đại học Leiden ông chuyển đến thành phố bé nhỏ này và đã ở đó tới hết đời mình.
Lorentz luôn chọn cách sống lặng lẽ, từ tốn, yên ổn, để dành được nhiều thời gian cho công việc miệt mài. Ông là kiểu mẫu giáo sư điển hình trong văn học: thông minh, tốt bụng, tế nhị đồng thời quả cảm, kiên trì trong tìm tòi chân lý khoa học. Phần nhiều công trình của ông là cố gắng thiết lập trật tự (chính tắc) cần thiết trong các lĩnh vực vật lý mới mẻ.
Các kết quả ấy luôn luôn công bố cởi mở cho giới vật lý, và đều trở thành nền tảng vững chắc và tin cậy cho sự tìm tòi tiếp tục.
Giải thưởng Nobel ông được nhận chung với nhà thực nghiệm Hà Lan Pieter Zeeman (1865 - 1943) về tiên đoán lý thuyết và phát hiện sự tách mức năng lượng và các vạch phổ nguyên tử trong từ trường (về sau gọi là hiệu ứng Zeeman thường) đối với Lorentz là sự gắn kết tài năng khoa học uyên bác và sự hội tụ may mắn của hoàn cảnh.
Thứ nhất, dựa vào các quan điểm nguyên tử đã thành thuộc bắt đầu từ người thầy giáo thời phổ thông của mình, Lorentz hiểu sự cần thiết phải đưa khái niệm về các hạt vào lý thuyết trường Maxwell làm các nguồn của trường chúng cũng là đối tượng chịu tác động từ phía các trường và chính ông đưa ra khái niệm các điện tích gián đoạn, mà ông gọi là điện tử (electron) Lorentz ứng dụng lý thuyết vĩ mô của Maxwell vào hiện tượng vi mô. Phương án của ông về lý thuyết hiện tượng điện từ, hay lý thuyết electron, đã có tuổi thọ rất bền lâu. Nó lần đầu tiên công thức hóa tường minh rằng trường và vật chất là những thực thể khác biệt về nguyên tắc rằng trường có thể tồn tại trong không gian trống rỗng giữa các hạt vật chất... Tới khi loại bỏ hẳn được ý tưởng ête ''vì không cần thiết'' thực sự chỉ còn một bước, mà Einstein sẽ có vinh dự thực hiện khi xây dựng lý thuyết tương đối.
Chính điện động lực học Lorentz khi ứng dụng vào nguyên tử đã sinh ra một cuộc khủng hoảng trứ danh sự tiêu diệt vật chất'' - đã đặt ra một nhiệm vụ thời sự thúc đẩy hình thành cơ học lượng tử.
Điện tử (electron), trong nguyên tử, theo điện động lực học Maxwell, là không thể tồn tại. Vì phát ra liên tục các năng lượng bức xạ (do chuyển động quay trên quỹ đạo trong nguyên tử) nó phải nhanh chóng rơi vào hạt nhân. Các tiên đề của Bohr (về quỹ đạo bền vững hyđro) đã “cứu nguyên tử”
Khi phát triển lý thuyết Lorentz, Paul Dirac đã đi tới sự lượng tử hoá không chỉ các mức năng lượng nguyên tử mà cả bản thân trường điện từ, điều mà về thực chất, không làm thay đổi gì trên nguyên tắc cho bức tranh thế giới của Maxwell - Lorentz. Ngay cả bây giờ đây vật lý học cơ bản vẫn dựa trên các ý tưởng sâu sắc của Lorentz về cách mô tả mọi biểu hiện phong phú của các hiện tượng điện từ.
Điều thứ hai, khi mô tả toán học các biến cố phát xạ cá biệt mà về nguyên tắc phải lý giải bằng lý thuyết lượng tử, đôi khi hằng số Planck bị biến khỏi kết quả cuối cùng, khi đó kết quả hoàn toàn trùng với kết quả thu được bằng lý thuyết phi lượng tử của Lorentz. Nhưng phải rất lâu sau này người ta mới hiểu rõ được như vậy. Còn Lorentz thì ngày từ năm 1895 đã quan tâm tới sự biến thiên của các phổ của nguồn ánh sáng đặt trong từ trường đồng nhất. Khi thực hiện các tính toán, ông đã tiên đoán: mỗi vạch phổ bị tách theo tần số và tách thành nhóm 3 vạch hay tam tuyến (triphet). Tần số của vạch phổ ở giữa trùng với tần số của vạch khi vắng mặt từ trường. Hai vạch ở hai bên thì tương ứng với sự giảm và sự tăng tần số (so với tần số vạch ở giữa) một lượng như nhau và tỷ lệ với cường độ từ trường.
Thứ ba, người bạn và cộng sự Zeeman trong các thí nghiệm vào năm 1896 đã quan sát trúng ngay cái tam tuyến chuẩn do Lorentz tiên đoán. Nhưng sau này vỡ lẽ ra, đó thực ra là trường hợp rất hy hữu. Thông thường dưới tác dụng của từ trường người ta chỉ có thể quan sát được những sự tách rất phức tạp của các vạch phổ, gọi là hiệu ứng zeeman bất thường, ở đó vai trò quyết định là pin của điện tử - một khái niệm mà mãi 28 năm sau mới xuất hiện trong vật lý học! Vì thế mọi cố gắng giải thích hiệu ứng phức tạp này trên cơ sở lý thuyết cổ điển (kể cả những cố gắng của Lorentz) không thành công.
FITGERALD HAY LORENTZ?
Câu chuyện do người học trò của Einstein là Benes Hoffman kể sau đây cho thấy lương tâm khoa học tuyệt vời của Lorentz: ''Hai năm sau khi công bố giả thuyết về sự co (năm 1892) Lorentz nhận ra rằng nó đã từng được Fitgerald đưa ra. Mong muốn sự công bằng cho người đồng nghiệp, Lorentz hỏi ông này là đã công bố ý tưởng của mình hay chưa. Trong thư trả lời Fitgerald cho biết mình chưa làm được việc đó và xin nhường tác quyền cho Lorentz. Nhưng Lorentz lại mau chóng công khai xác nhận công lao của Fitgerald. Ông tuyên bố Fitgerald không chỉ đi tới kết quả (giả thuyết sự có vật thể khi chuyển động) một mình, một cách độc lập với ông, mà nói chung đáng được coi là người đầu tiên phát minh hiệu ứng ấy''.
Câu chuyện ấy có một kết cục thật bất ngờ. Vào năm 1967 nhà bác học Mĩ Steven Brash phát hiện ra rằng Fitgerald đã nhầm! Vào năm 1889 Fitgerald đã gửi bài bào tới tạp chí Mĩ ''Science'' (Khoa học) mà lúc đó đang gặp khó khăn tài chính và tạm phải đình bản. Fitgerald cho rằng bài báo vậy là không được xuất bản. Nhưng nửa năm sau tạp chí lại hoạt động và bài báo được đăng cũng vào năm 1889, 3 năm trước bài báo được công bố của Lorentz. Ngày nay giả thuyết ''sự co ngắn vật thể khi chuyển động” nó được gọi là giả thuyết Fitgerald - Lorentz.
“… CHÍNH ÔNG ĐÃ LÀM NÊN CẢ CUỘC CHUYỂN BIẾN....''
Việc hiểu sâu bản chất thuyết điện từ vào thời bấy giờ gặp những khó khăn đặc thù như sau: các ''cường độ trường'' điện và từ được coi như là các đại lượng sơ khởi ngang bằng với ''dịch chuyển'', còn không gian trống rỗng thì là một trường hợp riêng của chất điện môi. Vật chất, chứ không phải không gian, mới được coi là vật chuyển tải trường tác dụng. Và tất nhiên điều đó ngụ ý rằng điều phi lý sau đây phải được coi là đúng đắn: vật chuyển tải trường có thuộc tính là có tốc độ, mà điều này, phải đúng cả cho ''khoảng rỗng'' (ête) - khoảng rỗng, vì thế cũng được vật chất hoá…
Công lao to lớn của Lorentz là ông đã làm được một cuộc chuyển biến nhận thức về bản chất sự vật một cách có sức thuyết phục nhất. Theo Lorentz về nguyên tắc chỉ tồn tại ''trường trong khoảng rỗng''; Vật chất mà thuyết nguyên tứ nói đến là vật mang duy nhất các điện tích; giữa các hạt vật chất có không gian trống rỗng - cái chuyển tải trường điện từ, được tạo ra do vị trí và tốc độ của các điện tích điểm ngự trị ở các hạt... Các tính chất điện môi hay tính dẫn điện được tạo nên chỉ bởi đặc trưng liên kết cơ học giữa các hạt cấu thành vật thể ... Nếu so sánh điều ấy với hệ thống Newton, thì cuộc chuyển biến do Lorentz thực hiện tựu trung lại là như sau: Các lực tác dụng từ xa được thay bằng các trường, mô tả cả sự bức xạ… Nhà vật lý thời nay hiểu rằng quan điểm mà Lorentz bênh vực ấy là duy nhất đúng, song vào thời của ông thì đó là một bước tiến dũng cảm phi thường, thiếu nó thì không thể có được sự phát triển tiếp theo của vật lý học!
(Từ bài báo của Einstein: ''Tự sự về sáng tạo”)
CÁC ĐẠI HỘI SOLVAY
Khi nhà công nghiệp kiêm thương gia Bỉ, giàu có nhất, đồng thời cũng là nhà hoá học nổi tiếng Ernest Solvay (1838 - 1922) hình thành ý tưởng triệu tập các đại hội thường kỳ về vật lý và hoá học để thảo luận những vấn đề cấp bách nhất, thì ông tìm đến chính Lorentz với lời mời tham gia chuẩn bị và nhận làm chủ trì các đại hội vật lý. Khó thể có lựa chọn nào tốt hơn: Lorentz thành thạo vài thứ tiếng châu Âu, có tài ngoại giao không thể nghi ngờ gì nữa và lại có công lao khoa học to lớn. Lorentz đã chủ trì các đại hội vật lý Solvay suốt nhiều năm: 1911, 1913, 1921, 1924 và 1927. Chính các Đại hội ấy, nơi có những nhà vật lý uy tín nhất thời đó như Bohr, Einstein, Heisenberg, Planck, Pauli, de Broglie, Ehrenfest và nhiều người khác tham dự, đã đóng một vai trò quyết định trong việc hình thành những lĩnh vực vật lý mới mẻ nhất, từ năm này sang năm khác làm cho vật lý học ''ngày một tương đối tính hơn và lượng tử hơn''. Chính vị giáo chủ già của vật lý cổ điển - Hendrik Lorentz đã định hướng và dẫn dắt các cuộc thảo luận theo tiến trình cần phải có!
Khi khai mạc Đại hội Solvay về vật lý lần thứ nhất, tháng 10 năm 1911, dành cho lý thuyết các lượng tử, ông đã nói: ''Kết quả đại hội của chúng ta sẽ ra sao đây? Tôi không dám nói trước, khi không biết những cái bất ngờ nào đang chờ đón chúng ta. Song dù thận trọng không dám đoán cái gì bất ngờ, tôi vẫn nghĩ ta không thể đạt tới ngay những tiến bộ lớn lao. Thực vậy, tiến bộ khoa học là kết quả những nỗ lực cá nhân hơn là ý kiến trao đổi trên hội nghị. Và rất có thể trong lúc chúng ta đang thảo luận một vấn đề nào đó tại đây, thì ở một góc khác của thế giới, lại có một bác học nào đó đang kiếm tìm lời giải đáp cho vấn đề đó''. Quả là có một trong các bác học như thế thật - một chàng Niels Bohr 25 tuổi lúc bấy giờ đang tạo tác một lý thuyết ''giả'' cổ điển về nguyên tử, người mà sau này đã tiếp nhận ''cây gậy tiếp sức'' Lorentz trao cho và sẽ trở thành vị ''giáo chủ'' của vật lý lượng tử.
Những người tham gia đại hội Solvay lần thứ 5, Brussels, Bì 23 – 25 tháng 10 năm 1927: Từ trái sáng phải:
Hàng 1: Irving Langmuir, Max Planck, Marya Sklodowka – Curie, Hendrik Lorentz, Albert Eintein, Paul Langevin, Charles Guy, Charles Wilson, Owen Richardson.
Hàng 2: Peter Debye, Martin Knudsen, Lawrence Bragg, Hendrik Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr.
Hàng 3(đứng): Auguste Picard, E.Henrot, Paul Ehrenfest, Herzen, T.Donder, Erwin Schrodinger, J.Vershafelt, Volfgang Pauli, Werrner Heisenberg, Ralf Fowler, Leon Brillouin.
