Chien-Shiung Wu – nhà khoa học đã từ bỏ chuyến thăm quê hương để tiến hành thí nghiệm chứng minh rằng Thiên Nhiên là thuận bên trái

Chien-Shiung Wu (31.5.1912-16.2.1997). (Ảnh Internet)

Bảo toàn hay là vi phạm bảo toàn tính chẵn-lẻ?

Trong thời gian dài, các nhà vật lý đã nghĩ rằng Thiên Nhiên không có sự khác biệt phía bên phải hay bên trái khi xét đến các định luật vật lý. Điều đó có nghĩa là thế giới vật lý giống hệt hình ảnh phản chiếu của nó, là đối xứng. Về mặt toán học, tính đối xứng này được gọi là tính chẵn-lẻ (parity). Tất cả các thực nghiệm tiến hành đã minh chứng tính chẵn-lẻ này được bảo toàn trong tương tác điện từ và tương tác hạt nhân mạnh. Vậy nên nó đương nhiên được coi là cũng sẽ được bảo toàn trong tương tác hạt nhân yếu, tức là trong tất cả các quá trình hạ nguyên tử (subatomic).

 Đến năm 1957, các nhà khoa học đã tìm được bằng chứng thực nghiệm về vi phạm bảo toàn tính chẵn-lẻ. Một số nhà vật lý có tên tuổi ban đầu không tin. Wolfgang Pauli (đạt giải Nobel vật lý năm 1945) khi nghe tin này đã thốt lên, "Điều đó hoàn toàn là vô nghĩa!" Tuy nhiên, các thí nghiệm đã chứng minh sự vi phạm bảo toàn chẵn-lẻ là một tính chất cơ bản của tương tác yếu, một trong bốn tương tác cơ bản của vũ trụ.

Dự đoán lý thuyết của Chen Ning Yang và Tsung-Dao Lee

 Năm 1956, Tsung-Dao Lee (làm việc ở trường đại học Colombia, New York) và Chen-Ning Yang (làm việc tại trường đại học Princeton, New Jersey), đã cùng xuất bản một bài báo trong tạp chí Vật lý. Họđặt dấu hỏi liệu tính chẵn-lẻ có thực sự được bảo toàn trong các tương tác hạt nhân yếu hay không. Họ nghi ngờ các hạt bên trong hạt nhân có thể thiên theo một hướng này hoặc hướng kia. Nói ngắn gọn là các hạt thỉnh thoảng tỏ ra là thuận hướng trái hoặc hướng phải. Trong bài báo, họ cũng đề xuất các quy trình thực nghiệm khác nhau (như phân rã beta, phân rã hạt pion mang điện tích, phân rã hạt hyperon) để kiểm tra sự không bảo tồn tính chẵn-lẻ này.

Wu khi đó đã nổi tiếng là một chuyên gia hàng đầu về nghiên cứu phân rã beta (là sự phát xạ của các điện tử từ hạt nhân phóng xạ) tại đại học Columbia, nên Lee đã đến bàn bạc với Wu. (Wu đã đề cử Lee cho học bổng chính phủ Trung Quốc cho nghiên cứu sau đại học tại Mỹ năm 1946. Lee đã hoàn thành luận án tiến sĩ năm 1950 dưới sự hướng của Erico Fermi (đạt giải Nobel Vật Lý năm 1938) và rồi chuyển đến trường Colombia từ 1953).

Minh chứng thực nghiệm của Wu

 Wu nghĩ ngay ra một kế hoạch làm thí nghiệm dùng muối coban-60 phóng xạ. Ý tưởng là tiến hành thí nghiệm tại nhiệt độ siêu thấp (mười phần nghìn độ trên độ không tuyệt đối (0.010 K) để giảm thiểu chuyển động nhiệt, làm các hạt nhân hầu như là đứng yên không chuyển động. Dưới tác dụng của từ trường cực mạnh (vài vạn lần mạnh hơn từ trường trái đất), mô men từ các hạt nhân coban ‘đông lạnh’ này sẽ được định hướng theo cùng một hướng, như các kim nam châm nhỏ song song với từ trường. Vì nhiệt độ và từ trường không ảnh hướng đến tính phóng xạ, các hạt nhân coban sắp xếp cùng hướng này, giống như ‘các chú lính chì bất động và đứng thẳng hàng tăm tắp’ sẽ phân rã và phát xạ điện tử. Sau đó cần đếm xem có bao nhiêu điện tử được phát ra ở hai phía khác nhau, phía trên và phía dưới. Nếu tính chẵn-lẻ được bảo toàn thì số lượng các điện tử ở hai hướng khác nhau phải bằng nhau. Nếu tưởng tượng là ‘các chú lính chì’ được đặt nằm trên mặt bàn, thì có nghĩa là số lượng các điện tử phát xạ về hướng phải hay trái phải bằng nhau.

Mùa xuân năm 1956, bà và chồng đã đặt chỗ trên chuyến tàu thủy Nữ hoàng Elizabeth sang trọng đến châu Âu để rồi tiếp tục đi Trung Quốc, kỷ niệm 20 năm ngày rời xa quê hương. Nhưng rồi bà quyết định ở lại để bắt tay ngay vào việc tiến hành thực nghiệm, còn chồng bà đồng ý một mình về cố hương. Wu nhận ra ngay tầm quan trọng của thí nghiệm này nên muốn là người tiên phong.

Wu liên hệ với các nhà vật lý tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia (National Bureau of Standards (NBS)), vì ở NBS có điều kiện từ trường mạnh và nhiệt độ siêu thấp. Ernest Ambler và một số đồng nghiệp khác đồng ý hợp tác với Wu (nhóm Wu-NBS). Ý tưởng thí nghiệm thì rõ ràng, nhưng về mặt kỹ thuật thì rất phức tạp, nên cần rất nhiều tháng trời để chuẩn bị. Chẳng hạn việc nuôi tinh thể CMN (cerium magnesium nitrate crystals) với đường kính cỡ 2.5cm (để giữ hạt nhân coban tại nhiệt độ siêu thấp 0.010 K) cũng phải mất hàng tháng trời.

Vào thời gian giữa Giáng sinh và năm mới 1956, nhóm Wu-NBS đã quan sát được hiệu ứng rất rõ rệt và lập lại: số lượng điện tử phát xạ ra theo hai hướng là không bằng nhau. Họ kiểm tra kỹ lưỡng kết quả đạt được. Cho tới 2 giờ sáng ngày 9 tháng 1 năm 1957, họ thực sự hài lòng nên mở chai rượu vang Pháp uống mừng thành công. Sáng hôm sau, khi mọi người đến viện làm việc, nhìn thấy vỏ chai rượu vang rỗng là đã biết ngay là thực nghiệm đã thành công. Phát hiện này đã khiến các nhà khoa học choáng váng, vì nó cho thấy Thiên Nhiên không phải lúc nào cũng đối xứng. Dường như là Thiên Nhiên thể hiện một sự ưu tiên nhỏ cho phía bên trái. Pauli trước đó đã đề nghị đặt cược một khoản tiền khá lớn là thí nghiệm của Wu sẽ thất bại. Khi nghe tin kết quả thành công, ông đùa là “May quá là không ai nhận đặt cược với chúng tôi. Vì tôi có thể sẵn sàng mất chút thanh danh, chứ cũng không vui gì khi bị mất khoản vốn liếng lớn”.

Minh họa thí nghiệm của nhóm Wu-NBS. Với sự sắp xếp thiết bị nguyên gốc (ảnh trái), thì điện tử có thiên hướng phát xạ theo hướng lên phía trên. Khi đảo chiều định hướng từ trường, điện tử có thiên hướng phát xạ theo hướng xuống dưới. (Ảnh Internet).

Thí nghiệm của Wu thu hút ngay sự quan tâm rất rộng rãi của báo chí. Lee, Yang, Wu xuất hiện trên trang nhất của nhiều thời báo tại New York. Wu được tiếp đón, nhận được giải danh dự, được nhắc đến trên toàn thế giới. Bà đùa rằng “lần đầu tiên có người đạt được giải thưởng không phải là vì đã thiết lập được định luật, mà là vì đã phá bỏ đi một định luật”. Chỉ 10 tháng sau, Lee và Yang đạt giải Nobel vật lý năm 1957. Rất nhiều người đã tin rằng Wu cũng được nhận giải Nobel cùng với Lee và Yang. Nhưng kết quả lại không như vậy.

Tại sao Ủy ban Nobel quyết định trao giải chỉ cho dự đoán lý thuyết mà bỏ qua minh chứng thực nghiệm?

Trước tiên hãy điểm lại hai qui luật quan trọng của giải Nobel:

1/ Chỉ có tối đa 3 người có thể cùng chia một giải Nobel,

2/ Kết quả nghiên cứu mà được trao giải phải được công bố vào năm trước năm trao giải thưởng. Vì dụ, giải thưởng Nobel năm 1957 sẽ chỉ được trao cho những kết quả đã công bố từ trước ngày 1 tháng 1 năm 1957.

Bài báo của Lee và Yang đã được công bố trong năm 1956. Bài báo của Wu chỉ công bố vào tháng 2 năm 1957. Điều nữa là, sẽ rất khó khăn cho Ủy ban Nobel trong việc lựa chọn ai xứng đáng giữa những người làm thực nghiệm. Ngay từ khi bài báo của Lee và Yang được công bố, dù là nhiều nhà vật lý đã rất nghi ngờ về các giả thiết của họ, có ít nhất ba nhóm quyết định thực hiện các thí nghiệm theo đề xuất của Lee-Yang, nhằm mục đích kiểm tra tính hợp lệ của sự bảo toàn tính chẵn-lẻ. Nhóm Wu-NBS thực hiện các thí nghiệm về phân rã bêta. Họ mất ròng rã 9 tháng trời làm việc vất vả mới khẳng định được. Khi tin tức về kết quả của họ bị lọt ra ngoài, để không bị ‘mất bản quyền’, chỉ trong một buổi chiều họ đã hoàn thành bài báo của họ để gửi đăng. Nhóm các nhà vật lý trẻ thời đó ở Columbia (nhóm Colombia), gồmLeon Lederman (đạt giải Nobel vật lý năm 1988), Richard Garwin và Marcel Weinrich, cũng đã tiến hành thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Cyclotron Columbia Nevis và đã phát hiện sự bất đối xứng trong phân bố các điện tử từ phân rã của hạt muon, đúng như dự đoán của Lee và Yang. Lederman và Garwin cũng thừa nhận (trong bài báo của họ) rằng thí nghiệm của họ đã được lên kế hoạch sau khi nghe kết quả sơ bộ của nhóm Wu-NBS. Họ thu được kết quả khá nhanh. Nhóm Wu-NBS và nhóm Columbia đã nộp bài báo cho tạp chí vật lý (Physical Review) trong cùng một ngày trong tháng 1 năm 1957. Từ tháng 10 năm 1956, Jerome Friedman (đạt giải Nobel vật lý năm 1990)và Valentine Telegdi tại đại học Chicago (nhóm Chicago) cũng tiến hành thí nghiệm tương tự và cũng xác nhận sự vi phạm bảo toàn chẵn-lẻ trong phân rã hạt muon. Nhóm Chicago phân tích kết quả thu được dựa trên dấu vết quĩ đạo của hạt phân rã ghi lại trên nhũ tương hạt nhân, do vậy quá trình phân tích kết quả cần nhiều thời gian hơn (vì phải khảo sát các dấu vết từ rất nhiều bức ảnh bằng kính hiển vi) so với việc phát hiện trực tiếp điện tử phát xạ từ phân rã hạt muon của nhóm Columbia. Do vậy nhóm Chicago gửi bài chậm hơn hai tháng (vào tháng 3 năm 1957).

Hai bài của nhóm Wu-NBS và Colombia được xuất bản trong cùng số, và tiếp nối nhau (bài của nhóm Washington đăng trang 1413, bài của nhóm Columbia trang 1415, số 105, ra ngày 15 tháng 2 năm 1957), trong khi bài của nhóm Chicago xuất bản ở số sau (số 106, ra ngày 15 tháng 6 năm 1957). Chắc chắn là tất cả những người tham gia thực nghiệm công bố trong ba bài báo đều xứng đáng được công nhận, vì họ đã bắt tay thực hiện một dự án mà hầu hết các nhà vật lý đều cho rằng là lãng phí thời gian, và họ đã thành công. Lee và Yang là các ứng cử viên mạnh cho giải Nobel năm 1957. Còn cả ba nghiên cứu thực nghiệm chỉ được công bố vào năm 1957, cho nên không ai trong họ có thể được xem xét cho giải thưởng năm đó. Vậy nên cũng dễ dàng khi chỉ chọn Lee và Yang cho giải Nobel năm 1957. Tất nhiên, Ủy ban Nobel có thể đợi một năm nữa để trao giải thưởng, tức là vào năm 1958. Nhưng rồi cũng thật khó để chọn thêm chỉ một người trong 3 nhóm làm thực nghiệm. Ngay trong nhóm Wu-NBS, Wu là người đề xuất thí nghiệm, nhưng thí nghiệm được thực hiện bởi các nhà khoa học của NBS và trên thiết bị của NBS. Mà nếu đã trao giải năm 1957 cho “Vi phạm bảo toàn”, thì cũng không thể lại một lần nữa trao giải năm 1958 cho cùng một khám phá, mà chỉ khác nhau ở “ý tưởng” và “bằng chứng”. Cho nên dường như là Ủy ban Nobel chọn giải pháp đơn giản nhất là bỏ qua hoàn toàn tất cả những người làm thực nghiệm.

Wu lần đầu tiên được đề cử giải Nobel cho năm 1958. Dù là đã nhận rất nhiều giải thưởng danh giá, trong đó nhiều lần là “người đầu tiên nhận giải”, trong bộ sưu tập giải thường của bà vẫn thiếu giải thưởng Nobel.

Tài liệu tham khảo:

1)  Mc Grayne Sharon Bertsch, Nobel prize women in science - their lives,  struggles and momentous discoveries, second edition, Joseph Henry press (Washington D.C. 2006). ISBN:0-309-07270-0

2)  Benczer-koller Noemie, Chien-shiung Wu, 1912-1997,

     http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/

3)  T. D. Lee and C. N. Yang, Question of Parity Conservation in Weak Interactions, Physical Review 104 (submitted June 1956, published 1 October 1956) 254.

4)  C. S. Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes, and R. P. Hudson, Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay, Physical Review 105 (submitted 15 January, published 15 February 1957) 1413-1415.

5)  R.L. Garwin, L.M. Lederman and M. Weinrich, Observations of the Failure of Conservation of Parity and Charge Conjugation in Meson Decays: the Magnetic Moment of the Free Muon, Physical Review 105 (submitted 15 January, published 15 February 1957) 1415-1417.

6)  J.I. Friedman and V.L. Telegdi, Nuclear Emulsion Evidence for Parity Nonconservation in the Decay Chain Pion+ → muon+ → e+, Physical Review 106 (submitted 6 March, published 15 June 1957) 1290.

Cục Tiêu chuẩn Quốc gia (National Bureau of Standards (NBS)) ở Washington D.C. hiện nay là Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (National Institute of Standards and Technology (NIST)).

Hạt Pion bao gồm môt hạt quark và một phản quark (antiquark). Hypeon chứa một hoặc nhiều hạt quark lạ (strange quarks).

Hạt Pion mang điện tích dương/âm phân rã thành hạt muon điện tích dương/âm và hạt neutrino, sau đó hạt muon dương/âm tiếp tục phân rã thành positron/điện tử và 2 neutrino. Phương thức này sẽ cho 3 hạt sau phân rã. Phương thức thứ hai (chiếm khoảng 1,23 phần nghìn khả năng) là hạt Pion bị phân rã thành điện tử và (điện tử) neutrino (2 hạt sau phân rã).

Hạt muon âm/dương là hạt cơ bản tương tự như điện tử (với điện tích −1/+1e và spin 1/2), nhưng với khối lượng khoảng 207 lần lớn hơn khối lượng điện tử).