Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Phần 26

Các sao, thiên hà, và tên lửa

Hai khám phá thuộc lĩnh vực thiên văn học trong thập niên 1920 hóa ra đặc biệt quan trọng đối với xu hướng vật lí sau này trong thế kỉ 20. Khảo sát bầu trời một cách có hệ thống của nhà thiên văn học người Mĩ Edwin Hubble (1889–1953) đã đưa ông đến những kết luận có sức thuyết phục mạnh. Năm 1927, sau khi quan sát những thiên hà xa xôi theo mỗi hướng, ông nhận thấy Mặt trời phải là bộ phận của một thiên hà, và toàn bộ những ngôi sao trên bầu trời đêm cũng là bộ phận của thiên hà đó trông từ điểm nhìn trên Trái đất. Dải Ngân hà, nằm vắt qua bầu trời đêm và mang lại cho thiên hà cái tên của nó, là một dải những ngôi sao ở xa tại rìa thiên hà. Khi Hubble đo phổ của những thiên hà khác, ông phát hiện thấy, với ngoại lệ đáng chú ý là các thiên hà ở gần như tinh vân Tiên Nữ và các đám mây Magellan, ánh sáng của tất cả những thiên hà khác đều bị lệch về phía đỏ. Cỡ lệch về phía đỏ của thiên hà cho nhà thiên văn biết nó và Dải Ngân hà đang chuyển động ra xa nhau bao nhanh. Hubble phát hiện thấy những thiên hà càng ở xa thì bị lệch về phía đỏ càng nhiều so với những thiên hà ở gần hơn và do đó đang tiến ra xa nhanh hơn. Hơn nữa, tốc độ lùi ra xa tỉ lệ với khoảng cách: So sánh độ lệch đỏ của hai thiên hà, thiên hà nằm cách xa Dải Ngân hà một khoảng gấp đôi thiên hà kia, thì thiên hà ở xa hơn đang lùi ra xa nhanh gấp đôi thiên hà kia; thiên hà ở xa gấp ba thì lùi ra xa với tốc độ nhanh gấp ba.

Năm 1929, Hubble kết luận rằng sự tỉ lệ giữa độ lệch đỏ và khoảng cách là bằng chứng cho thấy vũ trụ đang giãn nở. Có lẽ hằng số vũ trụ học Einstein rốt cuộc là không cần thiết. Tại thời điểm này trong thế kỉ 20, vẫn còn quá sớm để phát biểu kết luận đó một cách chắc chắn. Tuy nhiên, rõ ràng là khám phá của Hubble đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới, ngày nay gọi là vũ trụ học, hay nghiên cứu bản thân vũ trụ.

Trong khi đó, tại trường đại học Harvard, Cecelia Payne (1900–79; sau này là Payne-Gaposchkin) đang làm luận án tiến sĩ của cô, dưới sự cố vấn của nhà thiên văn học danh tiếng Henry Norris Russell (1877–1957). Phân tích của cô về quang phổ mặt trời đưa cô đến kết luận rằng Mặt trời chủ yếu cấu thành từ hydrogen và helium. Kết luận đó mâu thuẫn với nghiên cứu trước đó của Russell và những nhà khoa học lỗi lạc khác, họ đã xác định Mặt trời gồm chủ yếu là sắt. Rồi vào năm 1925, khi đến lúc bảo vệ luận án của mình (một bài luận dài cỡ quyển sách trình bày dự án nghiên cứu của cô) trước hội đồng thẩm vấn gồm các vị giáo sư, cô phải đối mặt trước một cử tọa không được thiện chí. Họ không thể bác bỏ rằng kết luận của cô là phù hợp với dữ liệu của cô, nhưng họ buộc cô phải thêm một phát biểu vào luận án rằng có thể một số hiện tượng khác cũng là nguyên do. Nếu cô không chấp thuận họ và khăng khăng rằng Mặt trời không phải chủ yếu gồm toàn sắt, thì cô sẽ không được cấp bằng tiến sĩ.

Câu chuyện đó làm sáng tỏ thêm về vai trò thứ yếu của các nhà khoa học nữ tại thời điểm đó trong lĩnh vực nghiên cứu sao. Vì cô Cecelia Payne là nữ, nên người ta không yêu cầu cô phải rút lại những kết luận của mình. Cách đánh giá luận án của cô là một vết đen trong sự nghiệp nếu không thì đã rất xuất chúng của Russell. Nhưng với danh dự của mình, sau này ông đã công nhận sai lầm của mình và đã tiến hành khắc phục thiệt hại. Ngay khi ông thấy nghiên cứu khác ủng hộ cho các kết luận ban đầu của Payne, ông đã trở thành người ủng hộ mạnh mẽ công trình nghiên cứu của cô, cái cuối cùng đã dẫn đến sự hiểu biết sâu sắc chu kì sống của các ngôi sao và nguồn gốc của các nguyên tố.

Thập niên 1920 cũng đáng nhớ với sự ra đời của tên lửa học. Các nhà khoa học ở nhiều nước đang tích cực phát triển các tên lửa hóa học, nhưng Robert Goddard (1882–1945) của nước Mĩ được công nhận phóng thành công tên lửa đầu tiên vào năm 1926. Tên lửa học sẽ có những ứng dụng nổi trội sau này trong thế kỉ 20, cả trong lĩnh vực ứng dụng quân sự lẫn trong thám hiểm vũ trụ dân sự.