Alfred B. Bortz
Các ứng dụng của vật lí và liên hệ với các khoa học khác trong thập niên 1970
Vật lí nổi đình nổi đám trong những năm 1970 không những vì những khám phá liên tục trong địa hạt hạ nguyên tử, mà còn vì nhiều ứng dụng của vật lí trong các khoa học khác, trong kĩ thuật và công nghệ. Trong ngành điện tử học, các kĩ thuật vi chế tạo mới, nhiều trong số đó dựa trên sự phát triển của các vật liệu mới và các dụng cụ tân tiến như laser, đưa đến các mạch tích hợp có tính phức tạp ngày một tăng dần. Toàn bộ các đơn vị xử lí trung tâm của các máy vi tính có thể đặt nằm trên một con chip. Công suất tính toán đã có lần cần đến những căn phòng điều hòa không khí to lớn với dịch vụ điện riêng của chúng giờ có thể đặt trong những dụng cụ đủ nhỏ để mang theo người. Năm 1971, Texas Instruments bắt đầu bán ra những chiếc máy tính điện tử bỏ túi đầu tiên. Các kĩ sư, đã từng được nhận dạng qua các bàn trượt chính xác đeo bên thắt lưng của họ, giờ đã có các dụng cụ điện tử cầm tay có thể tính toán nhanh hơn và chính xác hơn. Vào giữa thập niên 1970, kỉ nguyên của điện toán cá nhân đã bắt đầu khởi động, với Apple II dẫn đầu cuộc đua vào năm 1977.
Hiệu quả của sức mạnh điện toán mới còn đưa đến một ứng dụng y khoa mới của một kĩ thuật mà các nhà vật lí và nhà hóa học đã sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bên trong của chất rắn, đó là sjw cộng hưởng từ hạt nhân, hay NMR. Kĩ thuật này hoạt động trên thực tế là các proton và neutron, giống như electron, có spin. Các tính chất từ quen thuộc của một số chất, ví dụ như sắt, thu được từ spin của các electron. Trong khuôn khổ lượng tử của vạn vật, các electron spin lên có xu hướng ghép cặp với các electron spin xuống, nhưng đặc biệt nếu có một số lẻ electron, thì không phải electron nào của một nguyên tử cũng có đối tác. Khi cấu trúc tinh thể là thích hợp, thì các spin electron chưa ghép cặp có xu hướng sắp thẳng hàng, tạo ra từ tính mạng. Đồng thời, trong hạt nhân, các proton và neutron với spin ngược nhau cũng ghép thành cặp. Một lần nữa, đặc biệt khi có một số lẻ proton hoặc neutron, thì hạt nhân còn lại một hoặc nhiều spin chưa ghép cặp và do đó có thể tác dụng như một nam châm nhỏ xíu.
Các nam châm hạt nhân sắp thẳng hàng với từ trường nội của vật liệu, và chúng còn phản ứng với từ trường ngoài. Nếu như từ trường ngoài quay, thì hạt nhân có thể hành xử giống như một con quay bị nghiêng. Trục từ của nó sẽ vạch ra một quỹ đạo tròn ở một tần số tự nhiên nhất định. Khi tần số của từ trường quay khớp với tần số tự nhiên đó, thì hạt nhân hấp thụ năng lượng. Đó là hiện tượng cộng hưởng – trong trường hợp này là cộng hưởng từ hạt nhân – giống như đã trình bày ở những phần trước của quyển sách này. Các tần số tự nhiên và hướng của NMR cho phép các nhà khoa học xác định từ trường nội của vật liệu và từ đó hiểu rõ hơn về cấu trúc tinh thể của nó. Việc khám phá ra NMR và lợi ích của nó trong việc tìm hiểu các tính chất của chất rắn đã mang giải thưởng Nobel vật lí 1952 về cho Felix Bloch (1905–83) và Edward Purcell (1912–97).
Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), minh họa ở đây, là chìa khóa dẫn đến kĩ thuật y khoa hết sức có giá trị: chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI).
Nhưng ngoài cộng đồng nghiên cứu khoa học, NMR không nhận được sự thu hút lớn trong những năm 1970 cho đến khi Paul Lauterbur (1929–2007) thuộc trường đại học Bang New York ở Stony Brook đề xuất một kĩ thuật sử dụng các phép đo NMR để tạo ảnh của một lát mỏng vật chất. Peter Mansfield (1933– ) thuộc trường đại học Nottingham, Vương quốc Anh, đã mở rộng các kĩ thuật của Lauterbur cho các cộng hưởng của hạt nhân hydrogen trong vật chất sống và phát triển các kĩ thuật chụp ảnh nhanh. Raymond Damadian (1936 - ) đã thành lập Tập đoàn FONAR vào năm 1978 để sản xuất các máy quét NMR đầu tiên. Do xu hướng chung của công chúng hay liên hệ từ hạt nhân với các rủi ro về sức khỏe và vũ khí, cho nên các dụng cụ y khoa đó nhanh chóng được đặt tên là dụng cụ chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI). Lauterbur và Mansfield cùng nhận giải Nobel sinh lí học hay y khoa năm 2003. Damadian, tin rằng những đóng góp công nghệ của ông cho MRI xứng đáng được vinh danh ngang như các thành quả của Lauterbur và Mansfield, đã chạy cả một trang in trên tờ New York Times, khẳng định rằng ủy ban xét giải đã không công bằng với ông, vì đã cho ông ra rìa.
Một phát triển khoa học chủ chốt nữa liên quan nhiều đến vật lí học là kết quả công bố của nhà vật lí đạt giải Nobel Luis Alvarez thuộc trường đại học California, Berkeley, rằng ông; con trai của ông, nhà địa chất Beekeley Walter Alvarez (1940– ); các nhà hóa học Berkeley Frank Asaro (1927– ) và Helen Michel (1933?– ) đã làm sáng tỏ nguyên nhân của sự tuyệt chủng hàng loạt vào cuối kỉ Creta, cách nay 65 triệu năm. Kết luận của họ là một tiểu hành tinh lớn cỡ đỉnh Everest đã lao vào Trái đất và gây ra một loạt thảm họa toàn cầu đã quét sạch nhiều loài, trong đó có loài khủng long.
Nghiên cứu trên bắt đầu triển khai khi Walter Alvarez từ Italy trở về mới một mẫu đá chứa một lớp mỏng trầm tích tách biệt rạch ròi các hóa thạch khác nhau thuộc kỉ Creta (Phấn trắng) và kỉ Tertiary (kỉ thứ ba) trong lịch sử Trái đất, cái gọi là ranh giới K-T. Ông đã hỏi cha mình xem có cách nào đo xem lớp trầm tích đó lắng đọng mất bao lâu hay không. Luis Alvarez là một chuyên gia về tia vũ trụ, và ông nhận thấy ông có thể sử dụng cơn mưa hạt đều đặn từ vũ trụ đến để trả lời câu hỏi của con trai ông. Đặc biệt, nguyên tố hiếm iridium, một thành viên thuộc họ hàng bạch kim, có thể phát hiện ra bằng một kĩ thuật gọi là phân tích hoạt hóa neutron (xem chương 4). Khi một neutron năng lượng cao va chạm với một hạt nhân iridium, thì iridium sinh ra một tia gamma đặc trưng. Việc đo lượng iridium trong lớp đó, ông kết luận, sẽ cho phép họ tính xem lớp đó hình thành mất bao lâu.
Từ một bằng chứng địa chất khác nữa, Walter Alvarez biết rằng lớp trầm tích đó mất vài nghìn năm để tích lũy. Sử dụng ước tính của Luis Alvarez về lượng iridium tiêu biểu, các chuyên gia hoạt hóa neutron Asaro và Michel không chắc chắn nó có đủ để đo hay không. Tuy nhiên, họ vừa mới có một hệ hoạt hóa neutron tiên tiến trong phòng thí nghiệm của mình và hăm hở bắt tay vào việc. Phép đo của họ thật sửng sốt. Iridium có trong lớp mỏng đó nhiều bằng lượng tích góp bình thường trong nửa triệu năm. Họ đã kiểm tra và xác nhận các phép đo của mình. Sau đó, họ bắt đầu nêu giả thuyết cho cái có thể gây ra “dị thường iridium” đó. Ý tưởng duy nhất được nghiên cứu cẩn thận là giả thuyết tiểu hành tinh. Có vẻ thật kì cục, nhưng có thể kiểm tra nó bằng cách đo các loại đá ranh giới K-T khác lấy từ những địa điểm khác. Vì thế, năm 1980 họ đã công bố các kết quả của mình và chờ đợi các phép đo khác ủng hộ hoặc thách thức giả thuyết của họ.
Luis Alvarez (phải) cùng đội khoa học của con trai ông, Walter Alvarez, Frank Asaro, và Helen Michel (từ phải sang trái), đã sử dụng phép phân tích hoạt tính neutron để phát hiện ra cái gọi là dị thường iridium đưa đến một lí thuyết được chấp nhận rộng rãi rằng một vụ va chạm với tiểu hành tinh đã gây ra sự tuyệt chủng hàng loạt đã kết thúc kỉ Creta và thời đại của khủng long. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives)
Các lớp K-T khác lấy từ khắp nơi trên thế giới thể hiện những kết quả tương tự. Cuối cùng, các nhà khoa học không những chấp nhận các kết luận của nhóm Berkeley, mà còn tìm ra cái họ tin là miệng hố va chạm tiểu hành tinh ấy, đã bị xói mòn nhưng vẫn có thể nhận ra qua các sai lệch tinh vi của từ trường và trường hấp dẫn, tại Chicxulub, trên Bán đảo Yucatán thuộc Mexico.
Một lĩnh vực khác trong đó các nhà vật lí giữ một vai trò nổi bật trong thập niên 1970 là thám hiểm vũ trụ, đặc biệt là hệ mặt trời. Các sứ mệnh mặt trăng Apollo tiếp tục cho đến năm 1972, một vài phi thuyền đã thám hiểm Kim tinh và Hỏa tinh, và hai sứ mệnh Voyager đã khảo sát các hành tinh nhóm ngoài, Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên vương tinh và Hải vương tinh cùng các vệ tinh của chúng. Thông tin thêm về những sứ mệnh này, độc giả có thể tìm thấy ở các tài liệu tham khảo liệt kê ở cuối sách.
Trần Nghiêm dịch
Còn tiếp...
