Năm một nghìn chín trăm lẻ năm, Albert Einstein, khi đó hai mươi sáu tuổi, đang làm chuyên viên thẩm định ở phòng cấp bằng sáng chế tại Bern, Thuỵ Sĩ, đã công bố bốn bài báo khoa học. Bài thứ nhất nói ánh sáng đến thành từng gói năng lượng. Bài thứ hai giải thích chuyển động hỗn loạn của hạt phấn hoa trong nước và cho cách chứng minh nguyên tử có thật. Bài thứ ba đặt nền cho thuyết tương đối hẹp. Bài thứ tư rút ra rằng khối lượng và năng lượng tương đương nhau. Giới vật lý gọi đó là năm kỳ diệu.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Tập cuối của loạt phát hiện lớn, mình kể về một năm mà một người ngoài giới học thuật đã viết lại nhiều chương của vật lý. Bạn sẽ nhận ra hầu như mọi chương đó, mình đã chạm tới ở các tập trước: pin mặt trời, tốc độ ánh sáng, Mặt Trời, nguyên tử.
Chàng chuyên viên phòng sáng chế
Einstein tốt nghiệp đại học ở Zurich nhưng không xin được vị trí giảng dạy. Nhờ người quen giới thiệu, ông vào làm ở phòng cấp bằng sáng chế liên bang ở Bern, công việc là đọc hồ sơ phát minh và đánh giá xem chúng có hoạt động được không.
Công việc này không tệ như người ta hay kể. Nó cho ông thu nhập ổn định, giờ làm việc rõ ràng, và rèn cho ông thói quen đi tới tận gốc rễ của một ý tưởng kỹ thuật.
Ngoài giờ, ông cùng vài người bạn lập một nhóm đọc sách nhỏ, tranh luận về vật lý và triết học. Ông không có phòng thí nghiệm, không có học trò, chỉ có giấy bút và những câu hỏi.
Cũng trong năm đó, ông hoàn thành luận án tiến sĩ về cách xác định kích thước phân tử. Nhưng thứ làm nên tên tuổi ông là bốn bài báo đăng trên một tạp chí vật lý lớn của Đức.
Bài thứ nhất: ánh sáng đến thành từng gói
Bài báo đầu tiên, gửi đi vào mùa xuân, đề xuất rằng ánh sáng không chỉ là sóng mà còn mang năng lượng thành từng gói rời rạc. Ý tưởng chia năng lượng thành gói đã được Max Planck dùng trước đó như một mẹo tính toán cho bức xạ nhiệt, nhưng Einstein coi nó là thật.
Với ý tưởng đó, ông giải thích hiệu ứng quang điện: vì sao ánh sáng chiếu vào kim loại làm bật electron ra, và vì sao ánh sáng đỏ dù mạnh tới đâu cũng không làm được điều mà ánh sáng tím yếu làm được. Mỗi gói ánh sáng tím mang đủ năng lượng, còn gói ánh sáng đỏ thì không, có nhiều gói cũng vô ích.
Đây chính là nguyên lý của pin mặt trời mà mình đã kể. Ông gọi bài báo này là rất cách mạng, và nó là viên gạch đầu tiên của cơ học lượng tử.
Giải Nobel Vật lý mà Einstein nhận về sau được trao chủ yếu vì đóng góp này, chứ không phải vì thuyết tương đối như nhiều người tưởng.
Bài thứ hai: hạt phấn hoa nhảy múa và nguyên tử có thật
Từ thế kỷ mười chín, nhà thực vật học Robert Brown đã thấy dưới kính hiển vi những hạt nhỏ từ hạt phấn hoa lơ lửng trong nước cứ nhảy lung tung không ngừng, không ai giải thích thoả đáng. Hiện tượng được gọi là chuyển động Brown.
Đầu thế kỷ hai mươi, dù nhiều nhà hoá học dùng nguyên tử như một mô hình hữu ích, vẫn có những nhà khoa học nghi ngờ nguyên tử có tồn tại thật hay không.
Einstein lập luận rằng những hạt nhỏ đó bị vô số phân tử nước va vào từ mọi phía. Ngẫu nhiên có lúc phía này va nhiều hơn phía kia, hạt bị xô lệch. Ông tính ra hạt sẽ trôi đi xa bao nhiêu theo thời gian, tuỳ kích thước phân tử, và đưa ra một dự đoán đo được.
Vài năm sau, nhà vật lý Pháp Jean Perrin đo cẩn thận và xác nhận dự đoán ấy. Nguyên tử từ một giả thuyết trở thành thực tại được chấp nhận rộng rãi.
Bài thứ ba và thứ tư: thời gian co giãn và năng lượng bằng khối lượng
Bài thứ ba, gửi đi vào mùa hè, xuất phát từ hai giả định: các định luật vật lý giống nhau với mọi người chuyển động đều, và tốc độ ánh sáng như nhau với mọi người quan sát. Từ đó ông rút ra những kết luận kỳ lạ: thời gian trôi chậm hơn với đồng hồ chuyển động, khoảng cách co lại, và hai sự kiện đồng thời với người này có thể không đồng thời với người khác.
Đó là thuyết tương đối hẹp, mà mình đã kể qua hạt muon từ vũ trụ và giới hạn tốc độ ánh sáng.
Bài thứ tư rất ngắn, chỉ vài trang, gửi đi vào mùa thu như một phụ lục. Trong đó Einstein rút ra từ thuyết tương đối rằng khi một vật phát ra năng lượng, khối lượng của nó giảm đi tương ứng. Năng lượng và khối lượng là hai mặt của một thứ, liên hệ bằng bình phương tốc độ ánh sáng.
Công thức ấy về sau giúp giải thích vì sao Mặt Trời sáng được hàng tỷ năm, vì sao phân hạch và tổng hợp hạt nhân toả năng lượng lớn như vậy, như mình đã kể ở mục nguyên tử.
Sau năm kỳ diệu
Các bài báo không làm Einstein nổi tiếng ngay. Phải vài năm sau ông mới có vị trí ở đại học. Năm một nghìn chín trăm mười lăm, ông hoàn thành thuyết tương đối rộng, mô tả hấp dẫn như độ cong của không gian và thời gian.
Năm một nghìn chín trăm mười chín, các đoàn thám hiểm quan sát nhật thực toàn phần đo được ánh sáng sao bị bẻ cong khi đi gần Mặt Trời, phù hợp với dự đoán của ông. Báo chí khắp thế giới đưa tin, và Einstein trở thành biểu tượng của thiên tài.
Nhưng câu chuyện năm một nghìn chín trăm lẻ năm có lẽ đáng nhớ hơn ở chỗ khác: những ý tưởng lớn có thể đến từ việc đặt lại những câu hỏi tưởng như đã có câu trả lời, và một người làm việc kiên trì ngoài các trung tâm danh tiếng vẫn có thể đóng góp.
Khép lại loạt tập về những phát hiện lớn, mình để lại một câu hỏi: trong những thứ bạn thấy hằng ngày, từ ly cà phê nguội tới chiếc xe phanh gấp, thứ nào bạn chưa từng hỏi vì sao? Có khi câu hỏi đó chính là điểm bắt đầu.
Câu hỏi thường gặp
Einstein nhận giải Nobel vì công trình nào?
Einstein nhận giải Nobel Vật lý năm một nghìn chín trăm hai mươi mốt, chủ yếu vì phát hiện quy luật của hiệu ứng quang điện, không phải vì thuyết tương đối. Giải được trao chính thức vào năm sau.
Thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng khác nhau thế nào?
Thuyết tương đối hẹp năm một nghìn chín trăm lẻ năm nói về không gian, thời gian khi chuyển động đều và không tính tới hấp dẫn. Thuyết tương đối rộng năm một nghìn chín trăm mười lăm mở rộng ra cho cả hấp dẫn, mô tả nó như độ cong của không thời gian.
Einstein có học kém toán không?
Đây là một giai thoại sai lan truyền rộng. Einstein học toán rất giỏi từ nhỏ. Chuyện ông trượt một kỳ thi vào đại học khi còn rất trẻ là có, nhưng ông đạt điểm cao ở phần toán và vật lý.
Chuyển động Brown là gì?
Chuyển động Brown là chuyển động hỗn loạn không ngừng của những hạt rất nhỏ lơ lửng trong chất lỏng hay chất khí, do bị các phân tử va chạm từ mọi phía. Lời giải thích của Einstein giúp chứng minh nguyên tử và phân tử có thật.
Năm kỳ diệu là gì?
Đó là tên gọi các nhà khoa học dành cho năm một nghìn chín trăm lẻ năm của Einstein, khi ông công bố liên tiếp những bài báo đặt nền cho cơ học lượng tử, vật lý thống kê và thuyết tương đối.
