Tại sao Albert Einstein chỉ đạt giải Nobel Vật lý cho „định luật hiệu ứng quang điện”?

Thuyết tương đối tổng quát(hay thuyết tương đối rộng) mà Einstein công bố vào năm 1916là công trình vĩ đại nhất của ông.Nó thay đổi khái niệm cơ bản về không gian, thời gian và vật chất, là một trong những lý thuyết khoa học mang tính cách mạng nhất trong lịch sử nhân loại. Năm 1917, Einstein đã sử dụng thuyết này để miêu tả cấu trúc của vũ trụ [2]. Một trong những hệ quả mà thuyết tương đối tổng quát đã tiên đoán là quỹ đạo của ánh sáng bị bẻ cong trong trường hấp dẫn; ánh sáng lan truyền gần vật thể khối lượng lớn bị kéo về phía vật đó. Chẳng hạn ánh sáng phát ra từ những ngôi sao ở xa sẽ bị lệch đi khi đi gần Mặt Trời.

Albert Einstein, ảnh năm 1921 (nguồn: Internet).

Một số giải thưởng Nobel thu hút tranh cãi, nhưng thường là sau khi giải thưởng đã được trao. Giải thưởng Nobel cho Albert Einstein không giống như vậy, vì nó là chủ đề tranh luận trong nhiều năm trước khi nó được trao cho ông.

Năm 1905, mà ngày nay các nhà khoa học gọi là Năm kỳ diệu của Einstein, khi đang là giám định viên ở cục cấp bằng sáng chế tại Bern, Thụy sĩ, ông đã công bố bốn bài báo đột phá [3], lật ngược lại nhiều lý thuyết vật lý thời bấy giờ, khiến ông được chú ý tới trong giới hàn lâm trên toàn thế giới. Bài báo thứ nhất về hiệu ứng quang điện có tính chất bước ngoặt khai sinh ra lý thuyết lượng tửkhi ánh sáng có thể nhận biết như hạt hoặc sóng. Bài thứ hai về chuyển động Brown chứng minh sự tồn tại của nguyên tử và phân tử. Bài thứ ba về thuyết tương đối hẹp (hay thuyết tương đối đặc biệt) cho biết không gian hay thời gian không phải là khái niệm tuyệt đối. Trong bài thứ tư ông tính đươc sự chuyển đổi tương đương giữa năng lượng và khối lượng, dẫn đến phương trình nổi tiếng được công chúng biết đến: E=mc^2 (phương trình này xuất hiện trong bài báo đăng năm 1907).

Từ năm 1910, Eistein đã nhiều lần được đề cử cho giải Nobel. Friedrich Wilhem Ostwald (nhà hóa học Đức đạt giải Nobel hoá học năm 1909) đã đề nghị là thuyết tương đối hẹp xứng đáng nhận giải Nobel. Nhưng Ủy Ban giải thưởng Nobel về Vật lý của Viện Hàn Lâm Khoa Học Hoàng gia Thụy điển (gọi tắt trong bài viết là „Ủy ban Nobel” và „Viện Hàn Lâm” (Viện trao giải thưởng Nobel)) lại băn khoăn vì thuyết tương đối của Einstein có vẻ không thỏa mãn điều khoản trong di chúc của Alfred Nobel, đó là giải thưởng phải là “phát minh hoặc khám phá quan trọng nhất”. Wilhelm Wien (nhà vật lý Đức nhận giải Nobel Vật lý năm 1911) đã đề cử Einstein và Hendrik Lorentz cùng chia giải Nobel về thuyết tương đối. (Thuyết tương đối của Lorentz dựa trên sự tồn tại của ête, trong khi thuyết tương đối của Einstein loại trừ ête và không gian tuyệt đối).  Một số nhà khoa học có tên tuổi tại Pháp, Đức, Áo liên tục đề cử ông. Tuy nhiên, Ủy ban Nobel năm nào cũng phủ nhận các đề cử cho Einstein, luôn với lý do là phải xem xét các kết quả của ông có thực sự mang lại ý nghĩa cho vật lý hay không, và đặc biệt luôn với lý do là thuyết tương đối không được chứng minh.

Tháng 5 năm 1919, nhà thiên văn học nổi tiếng người Anh - Arthur Stanley Eddington (chủ tịch hội thiên văn hoàng gia Anh thời đó) và nhà thiên văn học hoàng gia Frank Watson Dyson đã tổ chức cuộc thám hiểm tới đảo Principe ở bờ biển phía tây châu Phi, Cuộc thám hiểm thứ hai do Andrew Claude de la Cherois Crommelinvà Charles Rundle Davidson (làm việc tại đài thiên văn hoàng gia Anh) dẫn đầu đã tới Sobralở ven biển Brazil. Tận dụng 6 phút quý giá quan sát hiện tượng nhật thực toàn phần vào ngày 29 tháng 5 (1919), nhóm nghiên cứu đã đo độ lệch của ánh sáng bởi trường hấp dẫn của Mặt Trời để kiểm chứng lý thuyết tương đối của Einstein. Vào ngày 6 tháng 11 năm 1919, tại cuộc họp chung của hội hoàng gia London và hội thiên văn hoàng gia Anh, Joseph John Thomson-chủ tịch hội hoàng gia (người đạt giải Nobel Vật lý năm 1906) đã công bố kết quả quan sát được: ánh sáng từ những ngôi sao trong chòm Sao Kim Ngưu (Taurus) khi đi ngang qua gần Mặt Trời đã bị trọng lực của Mặt Trời uốn cong. Độ lệch đo được chuẩn xác như dự đoán của Einstein trong thuyết tương đối. Kết quả được ghi nhận trên ảnh, hiệu ứng là thật, chứ không phải là sai số của thí nghiệm ngẫu nhiên.

Chỉ sau một đêm, Einstein đã trở thành một ngôi sao nổi tiếng trên toàn thế giới. Trong gần 3 thế kỷ kế thừa cơ học cổ điển Newton dựa trên khái niệm tuyệt đối về thời gian, không gian, khối lượng đã tạo nền tảng cho niềm tin tuyệt đối vào giá trị đạo đức và tôn giáo. Theo lý thuyết của Einstein, những khái niệm này không còn hợp lệ. Không gian bị cong, không có hệ qui chiếu cố định nào, ở vận tốc cực cao, thời gian bị co lại và khối lượng bị tăng.

Khá nhiều nhà vật lý lý thuyết chấp nhận lý thuyết của Einstein. Nhưng nó cũng làm dấy lên sự hoài nghi, khó chịu, và cả sự tức giận từ những người không muốn rời bỏ cách thức suy nghĩ mà họ đã quen. Định kiến tư tưởng và cá nhân chống lại Einstein gia tăng. Phillipp Lenard và Johannes Stark (hai nhà vật lý Đức đạt giải Nobel Vật lý năm 1906 và 1919) đã viết sách, báo tố cáo thuyết tương đối là lừa bịp và Einstein là kẻ bịp bợm tìm kiếm sự nổi tiếng.

Khá nhiều người nổi tiếng như Emil Warburg (nhà khoa học người Berlin luôn được Ủy ban Nobel coi trọng các đề cử của ông), Hendrik AntoonLorentz, Pieter Zeeman (hai nhà vật lý Hà lan cùng đạt giải Nobel Vật lý năm 1902), Heike Kamerlingh Onnes (nhà vật lý Hà lan đạt giải Nobel Vật lý năm 1913) đã đề cử Einstein. Một số thành viên của Ủy ban đã nghĩ đến việc đưa Einstein vào danh sách những ứng cử viên cho giải Nobel năm 1920. Nhưng ngay cả sau khi có kết quả khẳng định sự chính xác của thuyết tương đối, Ủy ban Nobel vẫn bỏ qua Einstein. Svante August Arrhenius (nhà khoa học Thụy điển đạt giải Nobel Hóa học năm 1903) trong bản báo cáo đặc biệt đã tổng quan lại 3 dự đoán của Einstein trong thuyết tương đối. Dự đoán thứ nhất được chứng minh, đó là sự kỳ dị của quĩ đạo của sao Thủy quanh Mặt Trời, mà lý thuyết cổ điển của Newton đã không giải thích được. Arrhenius tuyên bố rằng kết quả thực nghiệm của nhóm thiên văn ở Anh (về nhật thực năm 2019) không thể được coi là bằng chứng, bởi vì còn nghi vấn về độ chuẩn xác. Arrhenius cho rằng sai số trong thực nghiệm lớn hơn hiệu ứng được đo. Cuối cùng ông chỉ ra là các nhà nghiên cứu đã không thể tìm ra sự dịch chuyển đỏ trong quang phổ của Mặt Trời, điều này làm tăng thêm sự hoài nghi. Ủy ban Nobel đồng ý với ý kiến của Arrhenius là thuyết tương đối không được xét đến.

Tình hình đạt đỉnh điểm khủng hoảng vào năm 1921. Einstein dược 14 trong 32 người từ rất nhiều nước đề cử. Nhưng Ủy ban Nobel coi rằng không có đề cử nào trong năm đáp ứng được các tiêu chí nêu trong di chúc của Alfred Nobel, cho nên đã quyết định không trao giải thưởng nào, chứ không muốn trao nó cho thuyết tương đối. Allvar Gullstrand (nhà khoa học Thụy điển đạt giải Nobel về Y học năm 1911), một trong những nhân vật quan trọng của Viện Hàn Lâm (sau này là chủ tịch Ủy Ban Nobel giai đoạn 1923-1925 [4]), đã viết báo cáo đặc biệt cho Ủy ban dài 50 trang về thuyết tương đối và thuyết hấp dẫn. Gullstrand dựa trên mặc định là Einstein không thể đúng, và đề nghị là Einstein không nên được trao giải. Ông còn tuyên bố ý kiến riêng là “Einstein không thể được trao giải Nobel dù rằng cả thế giới yêu cầu điều đó”. Gullstrand từ chối chấp nhận thực nghiệm về ánh sáng bị bẻ cong là bằng chứng quan trọng của thuyết tương đối, và còn cho rằng ngay cả khi hiệu ứng này được kiểm chứng thành công, nó cũng chẳng chứng minh được rằng lý thuyết của Einstein là đúng. Ngoài ra ông còn phủ định kết quả thực nghiệm của nhóm Anh. Gullstrand kết luận là không chỉ lý thuyết tương đối hẹp hay rộng, mà cả thuyết hấp dẫn của Einstein, riêng biệt, hay gộp cả lại cũng không đủ cho giải Nobel.

Không chỉ Gullstrand, các thành viên khác của Ủy ban Nobel cũng không ủng hộ thuyết tương đối hay công nhận kết quả thực nghiệm đo độ cong ánh sáng là bằng chứng thuyết phục. Bernard Hasselberg (Chủ tịch đầu tiên của Ủy Ban giải Nobel về vật lý (từ 1901) và là chủ tịch Viện hàn lâm năm 1908 [4]) và Gustaf Granqvist (Chủ tịch Ủy Ban Nobel Vật lý giai đoạn 1914-1918 [4]) là những nhà thực nghiệm nên không ủng hộ lý thuyết của Einstein bởi lẽ là Einstein không xây dựng nó dựa trên khảo sát thực nghiệm, cũng như Einstein không tự tiến hành các thực nghiệm, nên không phù hợp với tiêu chí được trao giải.Hasselberg viết khi nằm trên giường bệnh là “rất khó khả thi là Alfred Nobel coi những vấn đề đó là đối tượng của giải thưởng mà ông đặt ra”. Vilhelm Carlhiem-Gyllenskold (một nhà vật lý thực nghiệm Thụy điển), thành viên của Ủy ban Vật lý, không tỏ ra chống đối Eisntein hay lý thuyết tương đối, nhưng cũng muốn có thêm những kiểm chứng thực nghiệm.. Sau này Carlhiem-Gyllenskold cũng nói là ông đã không đồng tình với lập luận của Gullstrand trong cuộc họp. Cuối cùng, Ủy ban kết luận là không có ứng cử viên nào xứng đáng. Không phải ai cũng đồng ý với ý kiến của Ủy ban, trong cuộc họp chung của toàn Viện Hàn Lâm về giải Nobel trong khoa học, cũng có vài thành viên cố gắng ủng hộ Einstein. Tuy nhiên đến đêm ngày 12 tháng 11 năm 1921, Viện Hàn Lâm bỏ phiếu không trao giải Nobel vật lý cho năm 1921. Theo luật của Quỹ Nobel, giải thưởng Nobel trong trường hợp như vậy có thể được bảo lưu cho đến năm sau.

Năm 1922, danh tiếng của Einstein đã lớn đến mức Ủy ban Nobel bắt đầu lo rằng, uy tín của họ có thể bị tổn hại nếu vẫn cứ tiếp tục phớt lờ nhà khoa học vĩ đại nhất sau Newton. Carl Wilhelm Oseen (một nhà vật lý lý thuyết ở trường Đại học Uppsala), khi ông được chọn là khách mời trong buổi bỏ phiếu của Ủy ban vào năm 1921, đã cố gắng thuyết phục các thành viên trao giải Nobel năm 1921 cho Einstein về “phát hiện định luật hiệu ứng quang điện”. Oseen đã nhận ra rằng thuyết tương đối gây ra rất nhiều tranh cãi, cho nên tốt hơn hết là trao giải cho Einstein về thành quả khác. Năm 1922, Oseen thay thế Hasselberg (đã mất) trong Ủy ban. Oseen tiếp tục đề nghị là Einstein nên nhận được giải thưởng Nobel bảo lưu của năm 1921 cho định luật hiệu ứng quang điện. Trong biên bản cuộc họp ngày 30 tháng 5 năm 1922, Oseen được chỉ định là người chuẩn bị báo cáo về công trình hiệu ứng quang điện của Einstein và thuyết nguyên tử của Bohr. Bản thảo đầu tiên của báo cáo cuộc họp của Ủy ban ngày 6 tháng 9 năm 1922 đã nêu là Arrhenius và Granqvist chọn định luật hiệu ứng quang điện và định luật về nhiệt dung của vật chất rắn. Oseen còn cố gắng đưa thêm vào cụm từ  “…bắt nguồn từ lý thuyết lượng tử, qua đó nhận được một sự đổi mới mạnh mẽ”. Nhưng sau đó định luật về nhiệt dung và sự đề cập đến lý thuyết lượng tử bị bỏ. Gullstrand không thể phản đối hiểu biết của Oseen về vật lý lý thuyết. Arrhenius thay đổi thái độ và trở thành người ủng hộ, sau khi đã gặp Eisntein tại Berlin và chứng kiến sự tôn trọng và tình cảm lớn lao của giới khoa học ở Berlin dành cho Einstein. Cho nên không có trắc trở gì trong phần bỏ phiếu cho Einstein. Tháng 11 năm 1922, Viện Hàn Lâm đã bỏ phiếu thuận về trao giải Nobel bảo lưu của năm 1921 cho Einstein và giải Nobel năm 1922 cho Niels Bohr.

Einstein được vinh danh vì ”các đóng góp cho vật lý lý thuyết, và đặc biệt cho khám phá ra định luật về hiệu ứng quang điện”.

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng trong đó các điện tử được phát xạ từ bề mặt vật chất (thường là kim loại) khi ánh sáng chiếu vào nó. Khía cạnh phi thường nhất của hiệu ứng này là vận tốc của điện tử phát xạ không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng; cường độ ánh chỉ tỷ lệ thuận với số lượng điện tử phát xạ, trong khi vận tốc (hay động năng) của điện tử tăng theo tần số của ánh sáng. Hiệu ứng này được Heinrich Hertz phát hiện vào năm 1887. Năm 1899 Lenard đã chứng minh nguyên nhân là sự phát xạ của các điện tử. (Lenard đạt giải Nobel Vật lý năm 1905 cho những nghiên cứu về tia âm cực(dòng điện tử trong các ống chân không). Quan sát quan trọng nhất của Lenard là dòng điện tử không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, nhưng lớn hơn đối với các bước sóng ánh sáng ngắn. Nhưng Lenard không giải thích được hiện tượng này, mà chỉ nhấn mạnh rằng nó không phù hợp với các khái niệm đang thịnh hành (là ánh sáng là sóng; bởi vì như vậy thì một trong những hệ quả sẽ phải là động năng của các điện tử phụ thuộc vào cường độ ánh sáng). Einstein đã giải thích thành công hiệu ứng quang điện là hiệu ứng lượng tử, bằng cách đề xuất rằng ánh sáng bao gồm các hạt nhỏ (sau này được gọi là phôton) mang năng lượng gián đoạn. Chỉ khi hạt ánh sáng truyền tải đủ năng lượng cho điện tử thì điện tử mới có thể rời khỏi kim loại và phát xạ ra ngoài không khí. Do đó, chỉ có ánh sáng có tần số lớn hơn một giới hạn nhất định mới có khả năng tạo ra hiệu ứng quang điện, Công trình của Einstein là một trong những cơ sở quan trọng của lý thuyết lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng - một khái niệm trung tâm của cơ học lượng tử.

Điều khá trớ trêu là trong số các đề xuất gây tranh cãi của Einstein, mô hình hạt ánh sáng của ông lại không được chấp nhận bởi hầu hết các nhà vật lý lý thuyết hàng đầu thời bấy giờ. Lý thuyết sóng ánh sáng đã được minh chứng và thống trị suốt thế kỷ 19. Trong khi Einstein giải thích hiệu ứng quang điện dựa trên cơ sở ánh sáng là hạt. Robert Millikan (nhà vật lý Mỹ đạt giải Nobel vật lý năm 1923) cũng đã thực hiện một chương trình thử nghiệm kéo dài hàng thập kỷ để thu thập các bằng chứng để bác bỏ định luật của Einstein về hiệu ứng quang điện, vì ông tin rằng Einstein sai. Millikan bị sốc khi tìm ra rằng kết quả thực nghiệm đã xác nhận tính đúng đắn của định luật của Einstein. Nhưng Millikan vẫn không bị thuyết phục; cuối năm 1916, ông đã viết, „phương trình quang điện của Einstein ...không dựa trên bất kỳ nền tảng lý thuyết thỏa đáng nào, mặc dù nó giải thích chính xác hiệu ứng quang điện”.

Dù là Viện Hàn Lâm đã thống nhất về trao giải Nobel cho Einstein, rắc rối vẫn chưa hết. Lenard đã gửi điện tín đến Ủy ban phản đối giải Nobel cho Einstein, lấy lý do rằng công trình của Einstein chỉ là sao chép và không phản ánh đúng bản chất của ánh sáng. Hành động của Lenard đã làm báo chí tại Thụy điển và tại Đức nổi sóng với các dòng tít “Người đạt giải Nobel-Lenard đã phản đối giải Nobel của Einstein”, “Sự buộc tội nghiêm trọng chống lại Ủy ban giải Nobel”… Tuy nhiên có một số bài báo đã bảo vệ quyết định của Ủy ban và lên án hành động của Lenard.

Einstein nghe tin về giải Nobel từ một bức điện gửi đến cho ông, khi ông trên đường đến Nhật thực hiện các bài giảng. Do chuyến thăm Japan, cũng như để tránh nhưng thủ tục cứng nhắc và sự quan tâm của truyền thông, ông đã thảo luận về kế hoạch nhận giải vào mùa hè năm tiếp sau (chứ không vào tháng 12 như thường lệ) và tại Gotherburg chứ kg phải Stochkolm, trong dịp đại hội lần thứ 17 của các nhà khoa học tự nhiên các nước bắc Âu.

Trong bài phát biểu trong buổi lễ trao giải Nobel vào ngày 10 tháng 12 năm 1922 (Einstein vắng mặt), Arrhenius (khi đó là Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý), ngoài ca ngợi đóng góp của Einstein về định luật quang điện, cũng có nhắc tới lý thuyết tương đối, nhưng chỉ nhấn mạnh về khía cạnh triết học cũng như sự hoài nghi [5]: „Hầu hết các cuộc thảo luận tập trung vào lý thuyết tương đối của ông (Einstein). Điều này chủ yếu liên quan đến nhận thức luận và do đó đã là chủ đề của cuộc tranh luận sôi nổi trong giới triết học…Lý thuyết cũng có ý nghĩa trong vật lý thiên văn và đang được kiểm chứng nghiêm ngặt tại thời điểm hiện tại”. Nhưng ít nhất là Arrhenius nhắc đến Einstein như một huyền thoại sống. Và trong giải Nobel cũng đề cập đến „các đóng góp cho vật lý lý thuyết” của Einstein

Tài liệu trích dẫn:

• Robert Marc Friedman, The Politics of Excellence: Behind the Nobel Prize in Science, A.W.H. Freeman Book, Times books, Henry Holt and Company, New York (2001). ISBN 0-7167-3103-7
• A. Einstein, Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie (The Foundation of the General Theory of Relativity), 49 (1916) 769–822 (Bài báo hợp nhất cuối cùng của nhiều bài báo về lý thuyết tương đối tổng quát đã đăng từ năm 1907, đặc biệt là 4 bài đăng tháng 11 năm 1915). A. Einstein, Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie (Cosmological Considerations in the General Theory of Relativity), Königlich Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte, 1917 (part 1), 142–152. https://en.m.wikipedia.org/wiki/List_of_scientific_publications_by_Albert_Einstein
• Bốn bài báo của Einstein đăng ở tạp chí khoa học Annalen der Physik (AdP) năm 1905: 1)A. Einstein, Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light (Photoelectric effect), AdP 17 (gửi ngày 18.3, xuất bản ngày 9.6.1905) trang 132–148; 2) A. Einstein, Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen (On the Motion of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid, as Required by the Molecular Kinetic Theory of Heat (Brownian motion)), AdP 17 (gửi ngày 11.5, xuất bản ngày 18.7.1905) trang 549–560; 3) A. Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Körper (On the Electrodynamics of Moving Bodies (Special relativity), AdP 17 (gửi ngày 30.6, xuất bản ngày 26.9.1905) trang 891–921; 4) A. Einstein, Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? (Does the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy Content? (mass and energy equivalence), AdP 18 (gửi ngày 27.9, xuất bản ngày 21.11.1905) trang 639–641. Phương trình nổi tiếng E = mc^2 xuất hiện trong bài báo năm 1907: A. Einstein, Die vom Relativätsprinzip geforderte Trägheit der Energie (On the Inertia of Energy Required by the Relativity Principle), AdP23 (1907) trang 371–384.
• Trang giải Nobel Vật lý: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/
• Trang giải Nobel Vật lýnăm 1921:

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1921/ceremony-speech/