Thứ Bảy, 23 tháng 6, 2018

CÁC BẬC NHÂN TÀI KHOA HỌC 27

(ĐC sưu tầm trên NET)
-79: Wolfgang Pauli

1900-1958
Áo
Vật Lý

Wolfgang Pauli - Gương mặt khoa học lớn của thế kỷ XX

Wolfgang Pauli là một trong những gương mặt khoa học lớn của thế kỷ XX. Các đóng góp của ông về cấu trúc nguyên tử có vai trò quyết định trong việc thiết lập lý thuyết lượng tử.

Nhà khoa học Wolfgang Pauli
(Ảnh: pas-berlin)

Vào thời điểm Wolfgang Pauli ra đời ở Viên, năm 1900, thủ đô của đế chế Áo-Hung vẫn còn là trái tim của giới tri thức Châu Âu: nhà vật lý Lugwig Bolzmann học đàn tại nhà của Bruckner trong khi Schonberg tạo ra loại nhạc mười hai âm, Freud giới thiệu phân tâm học và Wittgenstein đưa ngôn ngữ cao siêu của triết học trở thành bình dân.

Là sinh viên ngành khoa học tự nhiên, chàng trai trẻ Pauli nhanh chóng trở thành một thần đồng về vật lý và toán học. Cha đỡ đầu Ernst Mach cũng như cha đẻ của Pauli, đều là giáo sư đại học Viên giúp đỡ cậu rất nhiều trong công việc học tập. Mach lúc này đã là người có tên tuổi trong ngành khí động lực học siêu thanh người những phê bình về nền tảng của vật lý đã khiến ông được nhiều người chú ý. Nhất là những khái niệm về không gian tuyệt đối có ảnh hưởng quyết định tới các lý thuyết tương đối hẹp (1905) và lý thuyết tương đối tổng quát (1915) của Einstein.

Sau loạt bài phê bình về thuyết tương đối với 3 bài báo xuất bản trong năm 1919 và một bài báo bách khoa dài tới 250 trang vào năm 1921, chàng thanh niên trẻ tuổi người Áo đã được chính Einstein đón chào. Thậm chí sau đó ông còn coi Pauli như là “Người nối ngôi” (wahl Sohn). Con đường trước mắt Pauli rộng mở và năm 1918, anh đã vào học lớp của nhà vật lý Arnold Sommerfeld.

Lúc này Sommerfeld đang nghiên cứu về “mô hình toàn cầu” về nguyên tử được phát hiện vào năm 1910 với các công trình của Ernest Rutherford: hầu như tất cả khối lượng tập trung trong nhân, đường kính khoảng 1 phần triệu của 1 phần tỉ mét, xung quanh đó tập trung các điện tích rất nhẹ, kiểu như các hành tinh quay xung quanh mặt trời. năm 1913, Bohr đã chứng tỏ rằng người ta có thể giải thích các tính chất phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng của một nguyên tử bằng cách giả thiết các hạt điện mượn, trong số hằng hà sa số các quỹ đạo có thể nhận biết được nhờ các máy móc cổ thời đó, một số quỹ đạo tĩnh do toàn bộ những quỹ đạo tên quy định. Người ta nói rằng các quỹ đạo điện tích có thể “định lượng” được và cần phải có 3 con số (trong không gian 3 chiều) để có thể miêu tả được chúng. Trong khi đi từ quỹ đạo tĩnh này tới một quỹ đạo tĩnh khác, điện tích đánh mất hoặc hấp thụ năng lượng dưới dạng ánh sáng.

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng ánh sáng hấp thụ hoặc phát ra được điều chỉnh khi có môi trường từ trường. để giải thích kết quả này, Pauli tính toán những dao động ảnh hưởng bởi các từ trường với mỗi quỹ đạo được lượng tử hóa. Trong các mùa đông 1921-1922, anh đã làm việc tại Gottingen, rồi vào thá

Hai nhà khoa học: Wolfgang Pauli (đứng) và Einstein (ngồi) (Ảnh: scienceandsociety)

ng 12.1924 tại Copenhagen. Đó là một chặng đường rất dài đi qua sa mạc trong đó chàng trai thần đồng không được chuẩn bị trước. Tuy vậy, anh đã quan sát được hiệu quả từ trong khi sử dụng hai quy tắc. Theo quy tắc thứ nhất, tình trạng tĩnh của một hạt điện không phải định nghĩa được bởi 3 mà là 4 con số, với các giá trị -1/2 hoặc +1/2. Quy tắc thứ hai, được biết tới cái tên “nguyên tắc loại trừ”, xác định rõ rằng một tình trạng chỉ có thể bị chiếm bởi đồng thời một hạt điện. Khám phá nguyên lý này đã được trao giải thưởng Nobel vật lý vào năm 1945.

Pauli nói rằng, đối với quy tắc thứ nhất, hạt điện đã có sẵn “tính hai mặt (Zweideutigkeit) không thể miêu tả được”. Vậy thì chiều của con số thứ 4 là gì? Khởi nguồn từ hình ảnh toàn cầu, Lars Kronig, trợ lý của Pauli trong năm 1924 đã gợi ý rằng hạt điện quay quanh nó như là một con quay và quay xung quanh cả hạt nhân trung tâm. Nhờ giả thiết có thể định lượng này, người ta đã đưa ra được con số thứ 4. Nhưng Pauli đã can ngăn ngăn Kronig công bố điều này.

Sử dụng phép loại suy cho thấy trên thực tế con quay chỉ quay một nửa. Khi quay 360^o, trạng thái hạt điện thay đổi dấu. Khi cần tới 720^o để nó quay trở lại vị trí ban đầu.

Hình ảnh này hấp dẫn tới mức vào năm 1925, hai nhà khoa học người Hà Lan Geoge Uhlenberg và Samuel Goudsmit đã đặt tên cho tính chất quay góc của hạt điện này là spin. Theo họ, spin phù hợp với con số lượng tử thứ 4. Cái tên này được giữ lại nhưng vào năm 1926, Kronig bình luận trong tờ Nature: “Giả thiết mới đã đẩy con ma xuống dưới tầng hầm căn nhà của gia đình thay vì tống cổ nó vĩnh viễn ra khỏi nhà”.

Ý tưởng của con quay bị Pauli kết án ngay từ trong trứng vì nguyên nhân chính là ông không còn tin và biểu hiện của các tiến trình nguyên tử. Ngay từ lúc hình thành ra nguyên tắc, loại trừ, ông đã viết thư tới Niels Bohr và cho rằng các con số lượng tử đối với ông dường như “hiện thực hơn nhiều đối với các quỹ đạo”. Quan sát này sau đã được Heisenberg và nhóm nghiên cứu của Gottingen tiếp tục sử dụng để hình thành lên cơ học lượng tử.

Trong các năm tiếp theo đó, tại Zurich – nơi ông chuyển đến sinh sống từ năm 1928, Pauli đã tham gia vào việc phát triển ngành cơ học mới trong đó cách thức sử dụng cũng như biểu hiện của nó làm rất nhiều nhà vật lý bối rối. Một mặt, quan hệ nhân quả chặt chẽ của một tiến trình vật lý (thuyết quyến định) thay thế cho quan hệ nhân quả tĩnh, nơi một tiến trình đơn

Hai nhà khoa học: Wolfgang Pauli (phải) và Arnold Sommerfeld (trái)
(Ảnh: scienceandsociety)

độc chỉ được miêu tả bằng những từ ngữ có tính xác suất. Mặt khác, việc miêu tả chỉ có thể tiến hành được bằng cách cụ thể những tình huống trong đó tiến trình được quan sát. Cách thức đánh giá thực tế vật lý đã có được một thành công về mặt thực nghiệm nhưng cũng bị một số nhỏ các nhà vật lý bác bỏ, trong đó có cả Einstein.

Sau khi trở thành công dân Đức, Pauli vẫn phải rời Zurich để tới Mỹ vào những năm 1940-1945 vì lý do “các cụ tổ của ông có tới 75% dòng máu Do Thái”. Tại đó, trong khi làm việc về các lý thuyết các phân tử spin độc lập, ông suy nghĩ về việc biến chuyển cái nền tảng, theo cách gọi của Heisenberg, “làm suy đồi đạo đức nghề nghiệp của chủ nghĩa vật chất” xuất phát từ chủ nghĩa nguyên tử của Desmocrite và cơ học chuyển động của các điểm vật chất theo quan điểm của Newton. Vật chất có thể được coi như một tập hợp của các hạt va chạm lẫn nhau kiểu như khi đã đánh billard vậy. Pauli đã đi ngược lại thời kỳ hình thành của bản thể học, nghĩa là vào đầu của thế kỷ XVII, khi mà Johannes Kepler đã tìm ra được các quy luật của cơ học không gian.

Pauli khám phá ra rằng việc lý giải tự nhiên của Kepler thường hay được gắn với các “nguyên mẫu” để dễ dàng được chấp nhận. đặc biệt từ ý tưởng rằng các số tự nhiên là một nguyên mẫu của thế giới, Kepler đã suy ra rằng lý giải tự nhiên phải được định lượng và điều này đã ám ảnh ông ngay từ những bước đầu tiên. Kết quả là một cuộc luận chiến đã xảy ra giữa ông với nhà giả kim Fludd, người kiên quyết với quan điểm tự nhiên phải được giải thích bằng định tính. Đây chính là “va chạm lớn giữa cách nghĩ huyền bí của thuật giả kim và tư duy của các nhà khoa học tự nhiên (mới xuất hiện vào đầu thế kỷ XVII). Những nghiên cứu gần đây cũng đã khẳng định lại quá trình chuyển tiếp đầy mâu thuẫn giữa hai lối tư duy đó.

Thành công trong các bước đi của Kepler và những người kế thừa ông đã hướng vật lý tới một quan niệm cơ học có tính tự nhiên hơn. Quan niệm này sau được gắn thêm khái niệm quan sát với các tiến trình vật lý: một hiện tượng về nguyên tắc có thể được miêu tả mà không cần tham khảo tới sự quan sát của con người. Nhưng vật lý nguyên tử đã chỉ ra rằng việc miêu tả một quá trình không thể được tham dẫn từ bất kỳ quan sát nào. Kết luận của Pauli: “Trong thể kỷ XVII, người ta đã tiến được những bước khá xa” trong quan niệm về cơ học.

Cập nhật: 20/06/2006 Theo Vật lý sư phạm

Nguyên lý loại trừ Pauli

Nguyên lý loại trừ Pauli là một nguyên lí cơ học lượng tử cho rằng không thể tồn tại 2 hoặc nhiều hơn các hạt fermion (các hạt có spin bán nguyên) giống nhau ở tất cả bốn trạng thái lượng tử
Nguyên lý loại trừ (hay còn gọi là nguyên lý loại trừ Pauli, theo tên nhà vật lý Wolfgang Pauli) nói rằng

Không tồn tại 2 fermion có cùng các trạng thái lượng tử.

Các loại hạt có spin nguyên (các boson) không phải là đối tượng của nguyên lý này do có thể ở cùng một trạng thái lượng tử và tuân theo Thống kê Bose–Einstein

Ví dụ

Một ví dụ quan trọng của nguyên lý này giải thích sắp xếp cấu trúc electron trong nguyên tử, trong hóa học. Electron là một loại fermion và trạng thái lượng tử của electron trong nguyên tử được thể hiện bằng số lượng tử do vậy: "không tồn tại 2 electron trong một nguyên tử có cùng các trạng thái lượng tử".

Lịch sử

Nguyên lý này do nhà vật lý Wolfgang Ernst Pauli phát biểu đầu tiên vào năm 1925 đối với electron và hoàn thiện năm 1940 với tất cả các fermion nói chung.Pauli đã được nhận giải thưởng Nobel vật lý vào năm 1945 nhờ khám phá này.

-80: Ernest Orlando Lawrence

1901-1958
Mỹ
Vật Lý
Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Các máy gia tốc hạt (P21)

Người đăng: Trần Nghiêm
20/01/2010

Các máy gia tốc hạt Vào đầu những năm 1930, các nhà vật lí không còn thỏa mãn với các hạt năng lượng cao phát ra từ phân rã phóng xạ và tia vũ trụ mà tự nhiên mang lại nữa. Họ muốn tạo ra các hạt năng lượng cao hơn và những chùm hạt cường độ mạnh hơn, có thể điều khiển được cho những thí nghiệm của họ. Tại Phòng thí nghiệm Cavendish năm 1932, John Cockcroft (1897–1967) và Ernest Walton (1903–95) đã xây dựng một cỗ máy tạo ra một chùm proton năng lượng cao có thể va chạm với những nguyên tử khác và phá vỡ hạt nhân của chúng. Mặc dù Cockcroft và Walton trở thành những người đầu tiên phân tách được nguyên tử, nhưng một cỗ máy do giáo sư vật lí Berkeley, Ernest Orlando Lawrence (1901–58) nghĩ ra và chế tạo một năm trước đã sớm làm lu mờ thành tựu đó. Lawrence gọi dụng cụ của ông là cyclotron, và nhiều máy gia tốc hạt to lớn sử dụng ngày nay là dựa trên những ý tưởng ban đầu của Lawrence. Vào cuối thập niên, một số phòng thí nghiệm cyclotron đã được xây dựng trên khắp thế giới, và cuộc đua bắt đầu là xây dựng những cỗ máy to hơn và năng lượng cao hơn. Lawrence, người vào năm 1939 giành giải thưởng Nobel vật lí cho phát minh của ông (12 năm trước Cockcroft và Walton cùng chia sẻ giải thưởng ấy), được đảm bảo tài trợ xây dựng một cỗ máy mà ông hi vọng có thể tạo ra một chùm hạt alpha giàu năng lượng đến mức chúng sẽ giải phóng các meson của Yukawa khỏi hạt nhân. Đó có lẽ là vận may, vì Lawrence sắp vướng phải một trở ngại công nghệ không thể vượt qua nếu không có những tiến bộ thực hiện trong Thế chiến thứ hai. Lịch sử vật lí thế kỉ 20, tập sách đăng nhiều kì do HiepKhachQuay thực hiện Nguyên lí hoạt động của cyclotron khá đơn giản. Nó gồm một buồng chân không hình bánh kếp tách thành hai vùng hình chữ D. Các hạt được đưa vào buồng ở gần tâm của nó tại một bên của khe trống. Cơ cấu được bao quanh bởi một nam châm điện mạnh tạo ra một từ trưởng thẳng đứng bên trong buồng. Một nguồn điện xoay chiều tạo ra một điện trường trong khe trống. Như vậy, khe trống hành xử giống như pin đảo cực của nó ở những thời điểm cách nhau đều đặn. Ernest Orlando Lawrence tại bàn điều khiển của một cyclotron sơ khai. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives) Bên trong cyclotron, từ trường làm cho các hạt tích điện đi theo quỹ đạo tròn. Khi chúng gia tốc đến những tốc độ cao hơn, chúng chuyển động trong những vòng tròn lớn hơn, nhưng mỗi vòng tròn mất thời gian chuyển động như nhau. Khai thác thực tế đó, Lawrence đã thiết kế cỗ máy của ông sao cho tần số của dòng điện xoay chiều đúng bằng tần số chuyển động tròn của các hạt tích điện. Một hạt alpha đi tới bờ dương của khe trống ngay lúc điện trường đạt cực đại sẽ tăng tốc qua khe và sau đó đi vào nửa vòng tròn lớn hơn ở tốc độ cao hơn, theo “hình chữ D” khác. Nó sẽ đi tới khe trở lại đúng lúc điện trường đạt cực đại theo chiều ngược lại và tăng tốc qua phía bên kia. Nếu có 1000 volt giữa hai bên khe, và 1000 lần đi qua, nó sẽ giống như là một hạt được gia tốc bởi 1 triệu (1000 x 1000) volt. Năng lượng của hạt sẽ tăng theo mỗi vòng quay cho đến khi bán kính quỹ đạo của nó bằng với bán kính của buồng. Lúc ấy, nó sẽ rời khỏi cyclotron và lao vào mục tiêu của nó. Cyclotron tạo ra những chùm hạt tích điện năng lượng cao điều khiển được bằng cách sử dụng từ trường lớn buộc chúng đi theo quỹ đạo tròn và điện trường mạnh để tăng tốc chúng hai lần trong mỗi vòng quay. Để mang lại cho một hạt năng lượng cao hơn, hoặc cyclotron phải to hơn hoặc từ trường phải mạnh hơn. (Một từ trường mạnh hơn mang lại một quỹ đạo cong chật hơn ở cùng tốc độ). Một yếu tố nữa hạn chế năng lượng mà cỗ máy có thể phân phối là do tính tương đối. Khối lượng của một hạt năng lượng tính bắt đầu tăng đáng kể khi tốc độ của nó trở thành một phần đáng kể của tốc độ ánh sáng. Lúc ấy, phần nhiều năng lượng mà hạt thu được lúc đi qua khe sẽ chuyển thành tăng khối lượng thay vì tăng vận tốc, và hạt mất nhiều thời gian hơn để hoàn thành vòng tròn lớn hơn. Tần số chuyển động tròn của nó không còn khớp với điện trường xoay chiều. Mỗi lần đi qua khe mang lại sự tăng năng lượng ít hơn so với lần trước đó, và không bao lâu thì không còn tăng được nữa. Cho đến khi các nhà khoa học có thể nghĩ ra một cách đồng bộ hóa tần số của điện xoay chiều với chuyển động của hạt, thì năng lượng mà cyclotron có thể phân phối bị hạn chế bởi tính tương đối. Để cho Lawrence xây dựng cyclotron mạnh mà ông hình dung ra vào năm 1939, ông sẽ cần một thế hệ mới của công nghệ mới gia tốc, cái được gọi là synchrocyclotron khi cuối cùng chúng được chế tạo sau chiến tranh. (Còn tiếp nhiều kì...)

Máy gia tốc và những nhà vật lí được giải Nobel

Tại sao lại là các máy gia tốc ?

Máy gia tốc hạt là những dụng cụ tạo ra các chùm ion và electron năng lượng tính dùng cho nhiều mục đích khác nhau, nó là một chiếc kính hiển vi cực kì chính xác. Như chúng ta đều biết, những vật thể có kích thước đến kích cỡ của tế bào sống đã được nghiên cứu bởi các kính hiển vi quang học và những đối tượng có kích thước đến kích cỡ nguyên tử thì nghiên cứu bởi kính hiển vi điện tử. Các chi tiết vật có thể nhìn thấy (phân giải) được cho bởi bước sóng của bức xạ chiếu vào. Để thâm nhập vào bên trong nguyên tử và phân tử, cần phải dùng những bức xạ có bước sóng nhỏ hơn kích thước nguyên tử nhiều lần. Các nucleon (proton và neutron) trong hạt nhân nguyên tử có kích cỡ vào khoảng 10^-15 m và cách nhau những khoảng cùng bậc độ lớn như trên. Các electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử và các quark bên trong các nucleon có kích thước nhỏ hơn 10^-18 m, nên chúng xuất hiện như chất điểm.

Việc phát hiện các hạt như electron và proton do các máy gia tốc hạt cung cấp là cần thiết cho việc nghiên cứu các thành phần nguyên tử. Bước sóng de Broglie tương quan của hạt thăm dò là bước sóng "vĩ mô" xác định kích thước của vật thể nhỏ nhất có thể phân giải được. Bước sóng de Broglie tỉ lệ nghịch với xung lượng hạt. Ví dụ, nếu một electron cần có bước sóng de Broglie có thể so sánh được với kích thước nucleon, thì nó phải có động năng gấp vài ngàn lần năng lượng của electron dùng trong kính hiển vi điện tử. Đơn vị MeV, triệu electron Volt, biểu thị động năng mà một hạt tích một đơn vị điện tích có được sau khi đi qua một độ giảm điện thế một triệu volt.

Không những cần thiết cho kính hiển vi hạ nguyên tử cực kì chính xác, các hạt phát ra từ máy gia tốc va chạm với các hạt bia còn có thể dẫn đến sự hình thành những hạt mới, những hạt này thu khối lượng của chúng từ năng lượng va chạm theo công thức E=mc². Như vậy, bằng cách hoán chuyển khối lượng của động năng thừa trong một va chạm mà các hạt, phản hạt và hạt nhân lạ có thể được tạo ra.

Máy gia tốc hạt không đơn thuần chỉ là công cụ khám phá thế giới hạ nguyên tử mà nó còn được dùng trong nhiều ứng dụng khác như sự phân tích và cải tạo vật liệu và đo phổ, đặc biệt là trong khoa học môi trường. Khoảng một nửa số 15.000 máy gia tốc hạt trên thế giới được dùng làm máy cấy ion cho việc hoán cải bề mặt và cho sự khử trùng và trùng hợp polymer. Sự ion hóa phát sinh khi hạt tích điện bị dừng lại trong vật chất thường được sử dụng chẳng hạn như trong phẫu thuật bằng bức xạ hay liệu pháp điều trị ung thư. Ở các bệnh viện có khoảng 5000 máy gia tốc hạt electron dùng cho mục đích này. Máy gia tốc cũng tạo ra những nguyên tố phóng xạ dùng làm chất phóng xạ đánh dấu trong y học, sinh học và khoa học vật liệu. Tầm quan trọng không ngừng gia tăng trong lĩnh vực khoa học vật liệu là các máy gia tốc ion và electron tạo ra số lượng phong phú neutron và photon trên một vùng năng lượng rộng. Các chùm photon xác định rõ ràng chẳng hạn được dùng cho kĩ thuật khắc để chế tạo những cấu trúc rất nhỏ cần trong điện tử.

	Tế bào sống thường được nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học, chúng nhận các photon tán xạ của ánh sáng khả kiển. Minh họa: Fredrik Stendahl

	Những đối tượng dưới micron chẳng hạn như các thành phần của tế bào sống thường được khảo sát trong kính hiển vi điện tử, trong đó các electron, được gia tốc điển hình đến vài trăm eV, được dùng để va chạm vào đối tượng và tán xạ từ chúng. Minh họa: Fredrik Stendahl
	Quark và lepton có thể cảm nhận thấy xuống đến khoảng cách 10^-18 m bằng các hạt phát ra từ các máy gia tốc khổng lồ. Minh họa: Fredrik Stendahl

Thống kê toàn thế giới của các máy gia tốc, tổng cộng 15.000. Số liệu do W. Scarf và W. Wiesczycka thu thập.
Phân loại	Số lượng
Máy cấy ion và hoán cải bề mặt	7,000
Máy gia tốc công nghiệp	1,500
Máy gia tốc trong nghiên cứu phi hạt nhân	1,000
Phẫu thuật bằng bức xạ	5,000
Sán xuất các đồng vị y học	200
Liệu pháp hadron	20
Nguồn bức xâ Synchrotron	70
Nghiên cứu vật lí hạt nhân và vật lí hạt	110

Thông tin chi tiết về máy gia tốc có thể tìm thấy trong cuốn Giới thiệu máy gia tốc hạt của Edmund Wilson, Đại học Oxford xuất bản năm 2001. Nội dung của cuốn sách có thể tìm trên website: http://www.oup.co.uk/isbn/0-19-850829-8 và một chương về ứng dụng của máy gia tốc có thể truy cập trực tiếp ở địa chỉ: http://www.oup.co.uk/pdf/0-19-850829-8.pdf.

Lịch sử

Trong các máy gia tốc đầu tiên, các hạt được gia tốc bằng cách đặt vào một hiệu điện thế cao trên khe hở giữa cathode và anode (các điện cực). Dụng cụ này được gọi là ống tia cathode và ra đời vào cuối thế kỉ 19. Với ống tia cathode, tia X được phát minh năm 1895 bởi Wilhelm Conrad Röntgen, người nhận giải Nobel đầu tiên về vật lí (năm 1901) cho phát minh này. Năm 1896, Joseph John Thomson nghiên cứu bản chất của tia cathode, thấy nó tích điện và có tỉ số điện tích trên khối lượng chính xác. Việc phát hiện hạt sơ cấp đầu tiên này, electron, đánh dấu sự khởi đầu một thời kì mới, kỉ nguyên điện tử do đó đã bắt đầu từ năm 1896. Thomson được trao Giải Nobel vật lí 1906 cho công trình liên quan tới phát minh này. Máy gia tốc phổ biến nhất hiện nay là ống tia cathode dùng trong các bộ TV và hiện thị máy tính. Trong ống này, chùm electron, sau khi được gia tốc lên đến năng lượng cực đại 30.000 eV, quét ngang qua màn hình, màn hình phát ra ánh sáng khi bị electron va chạm vào. Trong phần sau đây, những thiết bị một khe này cũng như kính hiển vi điện tử không được đề cập tới.

Các máy gia tốc khác nhau hiện có được phát minh ra trong khoảng thời gian dài gần bốn thập kỉ. Khoảng 1920, máy gia tốc điện thế cao đầu tiên gồm hai điện cực đặt bên trong một bình chân không có hiệu thế vào bậc trăm kV và được hình thành bởi và đặt tên John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton. Sau đó, vào những năm 1920, người ta đề nghị dùng điện thế thay đổi theo thời gian ngang qua một loạt khe hở. (Xem phần bên dưới nói về máy gia tốc thẳng). Những đề xuất gia tốc hạt theo kiểu lặp đi lặp lại này gây cảm hứng cho Ernest Orlando Lawrence đi đến một khái niệm mới cho máy gia tốc hạt. Trong cyclotron do ông phát minh, các hạt quay tròn trong từ trường và đi qua lại cùng một khe gia tốc nhiều lần. Thay cho điện thế một chiều, một điện thế xoay chiều tần số cao được đặt trên khe để cho các hạt gia tốc theo quỹ đạo hình xoắn ốc theo kiểu lặp đi lặp lại. Sau khi phát minh nguyên lí cân bằng pha vào giữa những năm 1940, hai loại máy gia tốc mới được thai nghén: máy gia tốc thẳng và synchrotron. Trong máy gia tốc thẳng, các khe đặt dọc theo một đường thẳng. Trong synchrotron, từ trường tăng lên trong quá trình gia tốc để cho các hạt chuyển động trong một vòng quỹ đạo về cơ bản không thay đổi. Trong những máy gia tốc này, các hạt được gia tốc theo kiểu lặp đi lặp lại và năng lượng bị giới hạn bởi kích thước của máy gia tốc và bởi thế hiệu cực đại mà ta có thể đạt được.

	Nhà phát minh ra cyclotron, Ernest Orlando Lawrence (trái), và sinh viên của ông, Edwin Mattison McMillan, một trong hai nhà phát minh ra nguyên lí cân bằng pha cho biết điểm gia tốc ở ngõ vào cấu trúc điện cực bán nguyệt chắn. Cyclotron đầu tiên được xây dựng từ 1929 đến 1931.
Ảnh: Lawrence Berkeley Lab

Máy gia tốc thế-hiệu

Ống chân không electron, phát minh vào cuối thế kỉ 19, được sử dụng cho việc phát minh ra electron và tia X. Electron được gia tốc trong chân không giữa hai điện cực, cathode và anode. Không khí có áp suất khí quyển sẽ làm chậm các hạt, do sự va chạm của electron với các phân tử không khí. Ống chân không là tiền thân của máy gia tốc điện thế cao sau này. Như đã nói ở trên, máy gia tốc hạt điện thế cao đầu tiên có thế hiệu điện thế vào bậc trăm kilo volt và được xây dựng bởi, và đặt tên là Máy gia tốc Cockcroft - Walton theo tên John Douglas Cockcorft và Ernest Thomas Sinton Walton. Năm 1951, họ nhận giải Nobel vật lí cho công trình tiên phong của họ về sự chuyển hóa hạt nhân nguyên tử bởi các hạt nguyên tử gia tốc nhân tạo.

Máy gia tốc thế-hiệu phổ biến nhất dùng hiện nay được đặt tên nhà phát minh ra nó, nhà khoa học Mĩ Robert Jemison Van de Graff. Đầu thế cao nối với cực thế thấp (đất) bằng một dây cuaroa cách điện chuyển động. Điện tích áp vào dây cuaroa ở đầu thế thấp và chuyển đến đầu kia bằng cách dẫn các màn trượt trên dây cuaroa. Điện thế ở đầu kia sẽ tăng cho đến khi dòng điện rỉ từ cực thế đó ra xung quanh bằng với dòng điện mà dây cuaroa cung cấp. Thông thường, cực thế và ống được đặt bên trong một thùng chứa khí SF₆ ở áp suất cao để làm tăng độ cách điện giữa cực thế cao và trái đất. Điện thế được chia thành từng phần và áp vào các điện cực đặt liên tiếp bên trong ống chân không, nơi electron và ion được gia tốc. Electron thu được từ các dây bị nung nóng và ion thì từ chất khí phóng điện đặt ở cathode.

Một vài microampere electron hoặc ion có thể được gia tốc trong các máy gia tốc Van de Graff. Trong một kiểu hiện đại dành cho ion, các điện cực đầu vào và ra khỏi ống chân không ở điện thế đất, và đầu thế cao được đặt ở giữa ống. Bên trong một thể tích nhỏ ở đầu vào của ống, chất khí bị ion hóa, thường là bởi sự phóng điện, và từ thể tích này các ion tích điện âm đơn lẻ được trích ra. Những ion này được gia tốc bên trong ống về phía đầu thế cao, nơi đó hai hay nhiều hơn electron thoát khỏi mỗi ion khi nó truyền qua một lá kim loại rất mỏng hoặc một vùng chứa đầy chất khí. Điện tích của ion vì vậy thay đổi từ âm sang dương, và ion bị đẩy ra xa cực thế đó và gia tốc về phía đầu ra của ống, nối với đất. So với các máy gia tốc Van de Graff kiểu thường, có một "khe" gia tốc, thì máy gia tốc loại này có thể thu được những hạt có năng lượng cao hơn vì hiệu thế được dùng ở hai khe. Một máy gia tốc loại này do đó có tên là "máy gia tốc tandem".

Ngày nay, đa số máy gia tốc Van de Graff là những thiết bị thương mại và có sẵn các cực thế thay đổi giữa 1 và 25 triệu volt (MV). Điển hình thì chúng có hiệu điện thế dưới 10 MV. Để so sánh, ta biết các xung ngắn dùng trong nghiên cứu về sét đạt tới 10 MV, và hiệu điện thế ở các đám mây ngay trước khi chúng phóng điện bởi tia sét là khoảng 200 MV. Máy gia tốc Van de Graff thường được dùng trong phân tích và hoán cải vật liệu, và máy gia tốc phổ khối lượng đặc biệt dùng cho khoa học môi trường.

Hình vẽ trình bày nguyên lí của máy gia tốc tandem Van de Graff. Các ion tích điện âm từ nguồn ion ở điện thế đất được gia tốc về phía cực thế dương cao ở chính giữa, nơi đó chất khí hoặc một lá kim loại mỏng bóc ra hai hay nhiều hơn electron khỏi ion, ion này sau đó trở thành tích điện dương và bị đẩy về phía cực thế đất (V=0). Điện tích được chuyển tải trên dây cuaroa cách điện với đất bởi chất khí áp suất cao, thường là SF₆.
Minh họa: Fredrik Stendahl.

Một trong những máy gia tốc tandem lớn nhất được dùng trong nhiều năm ở Daresbury ở Anh. Ống gia tốc của nó, được đặt thẳng đứng, dài 42m và cực trung tâm có thể giữ thế hiệu lên đến 20 triệu volt.
Ảnh: CCLRC

Cyclotron

Nguyên tắc gia tốc theo kiểu lặp đi lặp lại ra đời hồi những năm 1920 là một nền tảng quan trọng trong cuộc truy tìm những năng lượng càng ngày càng cao hơn. Theo nguyên tắc này, sự gia tốc thu được bằng một điện thế thay đổi theo thời gian thay cho điện thế tĩnh điện chẳng hạn dùng trong các máy gia tốc Van de Graff.

Máy gia tốc có tầm quan trọng thực hành đầu tiên dựa trên nguyên tắc gia tốc lặp đi lặp lại là cyclotron, do Ernest Orlando Lawrence phát minh. Trong cyclotron, các hạt tích điện quay tròn trong một từ trường mạnh và được gia tốc bởi điện trường ở một hay nhiều khe. Sau khi đi qua một khe, các hạt chuyển động bên trong một điện cực và được che chắn khỏi điện trường. Khi hạt đó ra khỏi vùng được che chắn và đi vào khe tiếp theo thì pha của điện thế xoay chiều biến thiên 180 độ để hạt được gia tốc một lần nữa. Quá trình lặp đi lặp lại nhiều lần. Sau nhiều vòng quay gia tốc, theo một quỹ đạo hình xoắn ốc mở rộng dần ra, hạt sẽ quay tròn ở gần biên ngoài của từ trường mạnh. Ở đó trường có dạng sao cho chùm hạt quay tròn có thể ló ra và hình thành một chùm bên ngoài. Lawrence được trao giải Nobel 1939 về vật lí cho việc phát minh và phát triển cyclotron và cho những kết quả thu được từ nó, đặc biệt ghi nhận nghiên cứu của ông về những nguyên tố phóng xạ nhân tạo.

Ở châu Âu, những người được giải Nobel, Frédéric Jiliot, Niels Henrik David Bohr và Karl Manne Georg Siegbehn đã đóng góp lớn cho những cyclotron đầu tiên. Năm 1938, cyclotron châu Âu đầu tiên ở Collège de France, Paris, gia tốc một chùm deuteron lên 4 MeV và bằng cách cho va chạm với bia, một nguồn neutron mạnh đã được tạo ra. Khoảng cùng thời gian đó, cyclotron Copenhagen ở Viện Niels Bohr sẵn sàng hoạt động và ở Stockholm, khởi động công trình nghiên cứu việc xây dựng máy gia tốc đầu tiên của Thụy Điển, máy này đi vào hoạt động khoảng năm 1940.

Một vấn đề nghiêm trọng với các cyclotron buổi đầu là giới hạn năng lượng khoảng 10 MeV đối với sự gia tốc proton. Giới hạn này phụ thuộc vào sự chậm dần của proton quay trong một từ trường không đổi do sự tăng khối lượng tương đối tính của chúng hay năng lượng toàn phần tương đương. Khối lượng nghỉ của proton tương ứng với năng lượng 938 MeV và sau khi gia tốc thêm động năng 10 MeV thì tần số quay của proton, tỉ lệ nghịch với năng lượng toàn phần của nó (938+10), bị giảm 1%. Khi tần số quay của proton và tần số điện bằng nhau lúc bắt đầu chu kì gia tốc, không có sự trượt pha nào và proton được gia tốc với cùng hiệu điện thế ở mỗi khe. Tuy nhiên, khi proton thu thêm năng lượng và chậm dần tần số quay của chúng, chúng sẽ càng lúc càng đến mỗi khe trễ hơn so với cực đại của điện thế gia tốc của tần số cố định. Sau khi pha bị lệch quá nhiều, sẽ không còn sự tăng thêm năng lượng nào nữa ở mỗi lượt đi qua khe.

Cyclotron thường không có ích cho sự gia tốc electron vì tần số quay của nó trong từ trường giảm khá nhanh ngay cả ở năng lượng thấp chỉ vài MeV do khối lượng nghỉ của electron nhỏ. Khối lượng nghỉ của một electron tương ứng với năng lượng nghỉ 0,511 MeV, theo công thức Einstein E = mc².

Một biến thể khác của cyclotron là microtron, trong dụng cụ đó electron được gia tốc tại một khe ở rìa quỹ đạo. Tần số của điện thế gia tốc là bội của tần số quay electron. Các quỹ đạo tròn mở rộng dần tiếp tuyến và tiếp xúc nhau ở điểm mà khe gia tốc bố trí ở đó. Năng lượng tăng thêm trên mỗi vòng quay được thiết kế sao cho thời gian tăng thêm đối với một vòng quay hoàn chỉnh của electron do sự chậm dần tần số quay của nó tương ứng với một hay nhiều chu kì của tần số điện ở khe gia tốc đó.

Nguyên tắc của cyclotron. Sự ion hóa chất khí giới hạn trong vùng giữa dẫn đến việc các ion được gia tốc bởi điện thế có tần số cố định bằng với tần số quay của ion trong từ trường. Các đường sức từ hướng trực tiếp về cực nam châm ở dưới cho biết các ion tích điện dương quay tròn theo chiều kim đồng hồ. Ion được gia tốc khi chúng chuyển động qua khe giữa các điện cực, bên trong điện cực chúng được che chắn khỏi điện trường. Khi chùm ion tiến đến biên từ trường, nó ló ra khỏi cyclotron và tạo thành một chùm bên ngoài.
Minh họa: Fredrik Stendahl

Ở Uppsala, Thụy Điển, một cyclotron gia tốc proton đến 185 MeV và các ion khác lên năng lương có thể so sánh được với trên. Chùm hạt được gia tốc bên trong bình chân không nhìn thấy phía dưới và phía trên các cuộn dây (màu nâu) cho nam châm nặng 600 tấn (màu vàng). Chùm hạt được chuyển tải đến khu vực thí nghiệm bên trong ống đặt ở phía dưới bên trái hình.
Ảnh: Teddy Thörnlund

Synchrocyclotron

Để vượt qua sự giới hạn năng lượng của cyclotron, nguyên tắc cân bằng pha đã được phát minh và chứng minh vào năm 1944/45. Những người phát minh là Vladimir Iosifovich Veksler ở Liên viện nghiên cứu hạt nhân Dubna, một trung tâm nghiên cứu quốc tế nằm cách Moscow 100 km về phía bắc, và Edwin Mattison McMilan, một cựu sinh viên của Lawrence, ở Đại học California ở Berkeley. Họ chỉ ra, một cách độc lập với nhau, rằng bằng cách điều chỉnh tần số của điện thế đặt vào với sự giảm tần số của proton quay, ta có thể gia tốc proton lên vài trăm MeV. Cyclotron sử dụng sự gia tốc đồng bộ bằng cách điều biến tần số (FM) thường được gọi tên là synchrocyclotron hay cyclotron FM. Edwin mattison McMilan nhận giải Nobel hóa học năm 1951 cùng với Glenn Theodore Seaborg cho việc phát hiện nguyên tố neptunium.

Một người được giải Nobel hóa học khác, Theodor Svedberg, đã đề xuất vào giữa thập niên 1940 xây dựng một máy gia tốc ở Uppsala. Được gây cảm hứng từ công trình Berkeley, người ta quyết định xây dựng một synchrocyclotron. Năm 1950, proton có năng lượng 185 MeV được tạo ra và Uppsala một lúc đã có các hạt năng lượng cao nhất ở Tây Âu. Năm 1957, việc chữa trị bệnh nhân ung thư đầu tiên được khởi động. Sau này máy gia tốc được xây dựng lại và đi vào hoạt động, từ năm 1986, như từ ghép cyclotron-synchrocyclotron sector tập trung.

Việc phát minh nguyên lí cân bằng pha ám chỉ rằng, về nguyên tắc, không có sự giới hạn năng lượng nào cho sự gia tốc các hạt. Nguyên lí này đã lót đường cho hai loại máy gia tốc mới ra đời, máy gia tốc thẳng và synchrotron.

Synchrocyclotron lớn nhất vẫn còn được sử dụng, đặt ở Gatchina, ngoại vi St Peterburg và nó gia tốc proton lên đến động năng 1000 MeV. Các cực sắt đường kính 6m và toàn bộ máy gia tốc nặng 10.000 tấn, trọng lượng tương đương với tháp Eiffel. Năng lượng thu được tương ứng với năng lượng mà proton được gia tốc trong một hiệu điện thế một tỉ volt. Nó được dùng cho các thí nghiệm vật lí hạt nhân và các ứng dụng y học.
Ảnh: Viện Vật lí hạt nhân Gatchina

Cyclotron sector hội tụ

Vào đầu thập niên 1960 xuất hiện một loại cyclotron mới, cyclotron sector hội tụ. Các sector (hình quạt) được giới thiệu trong khe cực để đạt được sự thay đổi góc phương vị của từ trường. Sự thay đổi góc phương vị này cho một sự hội tụ thẳng đứng lên chùm ion đang quay tròn và rồi không cần thiết trường trung bình về mặt phương vị phải giảm với sự tăng bán kính như trong cyclotron thường để duy trì sự hội tụ thẳng đứng. Như vậy, từ trường trung bình là một hàm của bán kính, có thể tăng lên để cho tần số quay của ion giữ nguyên không đổi bất chấp sự tăng khối lượng của ion đang gia tốc. Sự phân kì đứng phát sinh từ sự gia tăng từ trường trung bình theo bán kính được bù lại bằng sự hội tụ đứng do sự thay đổi góc phương vị của trường. Tần số của điện thế gia tốc do đó có thể giữ không đổi trong khi vẫn duy trì một sự gia tốc đều đặn ở mỗi lần đi qua khe; năng lượng chỉ bị giới hạn bởi kích thước của nam châm. Cyclotron sector hội tụ đôi khi còn được gọi là cyclotron sóng liên tục (CW) hay cyclotron đẳng thời, để phân biệt nó với cyclotron biến điệu tần số (FM) hay synchrocyclotron. Nhiều cyclotron sector hội tụ hiện đang hoạt động và chúng thay thế các synchrocyclotron phần lớn đã ngừng hoạt động. Không chỉ có proton, mà bất cứ loại ion nào, về nguyên tắc, cũng có thể được gia tốc. Các nguồn ion, cái sinh ra ion của bất kì nguyên tố thực tiễn nào của bảng tuần hoàn hóa học, hiện nay luôn có sẵn.

Đặc biệt hấp dẫn cho sự gia tốc proton trong ngưỡng 200 đến 600 MeV là cyclotron sector độc lập, gồm một số sector sắt thay cho một cực sắt thường có các sector gắn vào. Cyclotron sector độc lập có bốn nam châm hình quạt, được đặt ở Máy Cyclotron Đại học Indiana, ở Bloomington, Indiana, Mĩ, và ở Trung tâm máy gia tốc quốc gia ở Faure, Nam Phi. Máy gia tốc có 6 sector hoạt động ở Trung tâm nghiên cứu Vật lí hạt nhân ở Osaka và ở Viện Paul Scherer, Villigen Thụy Sĩ. Cũng nên nhắc đến trong bài viết này là Máy Meson đại học Ba bang ở Vancouver, có 8 sector và cung cấp các ion H^- 600 MeV.

Cyclotron là công cụ nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực vật lí hạt nhân và thường được dùng cho việc sản xuất các hạt nhân phóng xạ trong y học và công nghiệp. Cyclotron cũng cung cấp các chùm tia cho liệu pháp đei6ù trị và phẫu thuật bằng bức xạ và chẳng hạn như cyclotron Nam Phi, nó được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng y học. Các thiết bị cyclotron lớn dành cho việc điều trị ung thư đang nổi bật ở nhiều nơi, đặc biệt là ở Nhật Bản. Các cyclotron nhỏ cần dùng cho việc sản xuất các hạt nhân phóng xạ cho nhiều mục đích khác nhau, như tạo nguyên tử đánh dấu cho phép chụp ảnh phát xạ positron (PET), kĩ thuật chụp ảnh lập bản đồ chức năng của cơ thể người.

Cyclotron sector độc lập ở Vancouver, cung cấp chùm hydrogen âm 600 MeV và nó là cyclotron lớn nhất. Ảnh cho thấy khe mà ion được gia tốc.
Ảnh: TRIUMF

Synchrotron

Hai loại máy gia tốc khác dựa trên nguyên tắc gia tốc lặp đi lặp lại, synchrotron và máy gia tốc thẳng, quan trọng trong nghiên cứu vật lí hạt cơ bản, nơi cần các năng lượng hạt cao nhất khả dĩ. Trong synchrotron, các hạt được gia tốc theo quỹ đạo hình vòng tròn và từ trường, bẻ cong các hạt, tăng theo thời gian để duy trì quỹ đạo không đổi trong suốt quá trình gia tốc. Hai synchrotron proton lớn nhất, ở CERN, phòng thí nghiệm Vật lí năng lượng cao châu Âu gần Geneva, và ở Fermilab gần Chicago, đi vào hoạt động từ giữa thập niên 1970. Chúng gia tốc proton đến 450 và 1000 GeV (tương ứng từng máy), và được đặt trong những tầng hầm tròn dài 6,9 và 6,3 km. Các proton năng lượng cao như vậy không thể tạo ra được trong cyclotron hay synchrotron. Một cực nam châm sắt có chu vi 6,9 km là lớn ngoài sức tưởng tượng. Lợi ích của từ trường biến thiên là rõ ràng.

Khái niệm synchrotron dường như được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1943 bởi nhà vật lí người Australia Mark Oliphant. Muộn hơn một chút, Edwin M. McMilan ở Berkeley đề xuất, khi ông công bố nguyên tắc cân bằng pha, một máy gia tốc có từ trường biến thiên. Sự kiểm chứng thực nghiệm đầu tiên tiến hành vào năm 1946 ở Phòng nghiên cứu Malvern, Mĩ.

Synchrotron đầu tiên là thuộc loại gọi là hội tụ yếu. Sự hội tụ theo phương đứng các hạt đang quay tròn đạt được bằng cách làm nghiêng từ trường, từ bán kính trong ra bán kính ngoài. Ở một thời điểm nào đó, từ trường trung bình theo phương đứng cảm ứng suốt một vòng quay hạt thì lớn hơn đối với bán kính cong nhỏ hơn và nhỏ hơn đối với bán kính cong lớn hơn. Synchrotron đầu tiên thụôc loại này là Cosmotron ở Phóng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, Long Island, Mĩ. Nó bắt đầu hoạt động năm 1952 và cung cấp proton có năg lượng lên tới 3 GeV. Năm 1960, synchrotron thuộc loại hội tụ yếu đang hoạt động là synchrotron 1 GeV ở Đại học Birmingham, Betatron 6 GeV ở phòng thí nghiệm bức xạ Lawrence ở Berkeley, California, Mĩ, và Synchrophasotron 10 GeV ở Dubna, Nga và Saturne 3 GeV ở Saclay, Gif sur Yvette, Pháp. Từ trường tiêu biểu thay đổi từ 0,02 tesla ở năng lượng vào, một vài MeV, lên tới khoảng 1,5 tesla ở năng lượng sau cùng. Cc1 synchrorton này gia tốc điển hình 10¹¹ proton trong một xung thường ngắn hơn một giây đồng hồ. Các xung này cách nhau vài giây. Vào đầu những năm 1960, synchrotron hội tụ yếu có năng lượng cao nhất thế giới, Zero Gradient Synchrotron (ZGS) 12,5 GeV, bắt đầu hoạt động ở Phòng thí nghiệm quốc gia gần Chicago, Mĩ. Các synchrotron buổi đầu là những thiết bị hùng vĩ. Synchrotron Dubna, synchrotron lớn nhất trong số chúng có bán kính 28m và có trọng lượng của nam châm sắt là 36.000 tấn là synchrotron duy nhất còn lại trong số các máy gia tốc buổi đầu này. Nó hiếm khi được sử dụng và được xem như một đài kỉ niệm của bản anh hùng ca này.

Năm 1952, Ernest D. Courant, Milton Stanley Livingston và Hartland S. Snyder đề xuất một sơ đồ hội tụ mạnh một chùm hạt đang quay tròn sao cho kích thước của nó có thể chế tạo nhỏ hơn kích thước trong synchrorton hội tụ yếu. Trong sơ đồ này, nam châm lái tia có được chế tạo gradient từ trường thay đổi; sau một nam châm có thành phần trường dọc trục giảm khi bán kính tăng là một nam châm có thành phần trường dọc trục tăng khí bán kính tăng, và vân vân. Theo cách này, sau một nam châm phân kì chùm tia thẳng đứng là một nam chậm hội tụ chùm tia thẳng đứng. Như vậy, giống như trong quang học, nơi các thấu kính phân kì và hội tụ kết hợp để cho sự hội tụ, một mạng mạnh hộ tụ thu được trong một synchrortron gradient biến đổi. Nhờ sự hội tụ mạnh, các kẽ hở nam châm có thể chế tạo nhỏ hơn và do đó cần ít sắt hơn so với synchrotron hội tụ yếu cho năng lượng tương đương.

Synchrotron gradient biến đổi đầu tiên gia tốc electron đến 1,5 GeV. Nó được xây dựng tại Đại học Cornell, Ithaca, New York, và hoàn thành vào năm 1954. Sự gia tốc trước được thực hiện trong một máy gia tốc Van de Graff 2 MeV và sau sự tiêm nhiễm ở năng lượng này, trường của vòng nam châm là 0,002 tesla. Việc gia tốc đến 1,5 GeV được thực hiện trong 0,01 giây và trong thời gian này từ trường tăng lên 1,35 tesla. Năm 1958, synchrotron electron hội tụ mạnh đầu tiên của châu Âu (500 MeV) được khởi động ở Bonn. Nó được phát triển và xây dựng dưới sự lãnh đạo của Wolfgang Pauli, người được giải Nobel 1945 cho phát minh của ông về kĩ thuật bẫy ion. Một synchotron khác thuộc loại gradient thay đổi vào đầu những năm 1960 đặt tại Hamburg (6 GeV), Harvard-MIT, Cambridge (6 GeV) và Đại học Tokyo (1,3 GeV).

Không bao lâu sau khi phát minh ra nguyên tắc hội tụ gradient thay đổi, việc xây dựng hai synchrootron rất lớn gần như giống hệt nhau, nay vẫn còn hoạt động, bắt đầu tại phóng thí nghiệm châu Âu CERN ở Geneva và Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven trên đảo Long Island, New York. Ở CERN, proton được gia tốc tới 28 GeV và ở Brookhaven đến 33 GeV. Synchrotron proton (PS) CERN bắt đầu hoạt động năm 1959 và Brookhaven năm 1960.

Vào những năm 1960, Brookhaven PS là máy gia tốc mạnh nhất và một số hình ảnh biểu diễn có lẽ thật hấp dẫn. Nó có một máy gia tốc thẳng làm vòi phun và năng lượng phun vào là 50 MeV. Proton được gia tốc trong 12 trạm gia tốc đặt dọc theo chu vi của synchrotron. Trong suốt thời gian gia tốc khoảng một giây, trường của nam châm bẻ cong tăng từ 0,012 lên 1,3 tesla. Điều này miêu tả một sự thay đổi rất lớn của năng lượng dự trữ vì 800m chiều dài vòng tròn chứa đầy các nam châm có tổng trọng lượng là 4000 tấn. Cường độ điển hình là 10¹¹ proton mỗi xung, được lặp lại mỗi ba giây. Ngày nay, cường độ lớn hơn hai bậc độ lớn. Danh sách các synchrotron sử dụng hiện nay có thể tìm, chẳng hạn, qua trang chủ của CERN (http://www.cwern.ch/).

Các hạt sinh ra trong sự va chạm giữa một chùm ion hay electron với bia có thể tạo ra những chùm thứ cấp có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học và kĩ thuật. Chúng ta có thể phân biệt các chùm hạt có thời gian sống ngắn như meson hay muon và các chùm hạt có thời gian sống dài, như photon, neutrino, positron, neutron và phản proton. Một số hạt sống ngắn ngủi có thể truyền qua những khoảng cách xa vì, theo thuyết tương đối, thời gian trôi chậm lại khi một vật chuyển động gần vận tốc ánh sáng. Chẳng hạn, trong hệ quy chiếu nghỉ gắn liền với chúng, meson p có thời gian sống 2.6x10^-8 giây và trong thời gian đó chúng đi được tối đa là 8m nếu chúng chuyển động với vận tốc ánh sáng. Meson p, vốn có sẵn tại các synchrotron proton lớn nhất hiện nay, có năng lượng vượt quá năng lượng nghỉ của chúng, 140 MeV, 1000 lấn. Do đó thời gian sống của chúng cũng tăng thêm ngần ấy lần và chúng có thể đi được, về trung bình, 8 km trong thời gian sống của chúng. Thực tế này là một minh chứng tuyệt vời cho thuyết tương đối và khiến ta có thể tạo ra các chùm meson pi, meson K và muon năng lượng cao và đưa chúng đến các khu vực thí nghiệm. Cùng với những chùm hạt bền thứ cấp như neutrino, photon, phản proton và neutron, các chùm thứ cấp đã tạo nên cơ sở cho các chương trình nghiên cứu vật lí bao quát đặc biệt tại synchrotron lớn ở CERN, Brookhaven, Serpukhov (Nga) và Fermilab vào những năm 1960 và 1970.

Những hạt sơ cấp phổ biến nhất sinh ra trong máy gia tốc. Các hạt thứ cấp sinh ra trong tương tác của hạt sơ cấp với vật chất. Đơn vị là MeV cho năng lượng nghỉ và giây cho thời gian sống.
Hạt	Kí hiệu	Điện tích	Năng lượng nghỉ [MeV]	Thời gian sống [s]
Sơ cấp:
neutron	n	0	939.6	889
proton	p	+1	938.3	>3x10³⁸
deuteron	d	+1	1875	>3x10³⁸
triton	t	+1	2809	>3x10³⁸
alpha	a	+2	3727	>3x10³⁸
ion nặng	A	£+92	931A	>3x10³⁸
electron	e	-1	0.511	>6x10²⁹
Thứ cấp:
photon tia X	X	0	0	bền
photon tia gamma	g	0	0	bền
meson pi	p	±1	139.6	2.6x10^-8
meson K	K	±1	494	1.2x10^-8
muon	m	±1	106	2.2x10^-6
neutrino	n	0	<0 .00002="" td="">	stable
positron		+1	0.511	>5x10³
phản proton		-1	938.3	>4x10⁵

Nam châm được thiết kế đặc biệt dùng để hội tụ các chùm hạt. Một nguyên tố hội tụ đơn giản là nam châm tứ cực. Nó có bốn cực sắt và từ trường được kích thích bằng dòng điện chạy trong các cuộc bao quanh. Có hai cực bắc đối diện nhau và mỗi cực bắc có một cực nam láng giềng. Từ trường bằng không ở trục giữa và nó tăng tuyến tính theo sự tăng khoảng cách tính từ trục giữa. Nam châm tứ cực cho sự hội tụ ở một mặt phẳng, chẳng hạn mặt phẳng x,z, và sự phân kì ở một mặt phẳng khác, mặt phẳng y,z. Trục z được giả định là hướng theo hướng chùm hạt. Như trong quang học, sự phối hợp một thấu kính hội tụ và một thấu kính phân kì có thể đưa đến một mạng hội tụ, một cặp nam châm tứ cực cũng có thể được thiết kế sao cho nó cho một mạng hội tụ ở cả mặt phẳng x,z và mặt phẳng y,z.
Ảnh: Teddy Thörnlund

Nguyên tắc của synchrorton. Các hạt được gia tốc theo một đường đi hình vòng tròn. Các nam châm cần cho việc uốn cong và hội tụ, được đặt xung quanh quỹ đạo hạt. Từ trường được điều chỉnh trong quá trính gia tốc từ giá trị thấp đến giá trị cao, tương ứng với sự tăng năng lượng của hạt, để cho quỹ đạo về cơ bản giữ nguyên không đổi. Các hạt được gia tốc bởi hiệu điện thế cao qua một hoặc một vài khe dọc theo vòng tròn.
Minh họa: Fredrik Stendahl

Bên trong đường hầm dài 6,9 km của synchrotron siêu proton 450 GeV của CERN. Các nam châm màu xanh hội tụ, và các nam châm màu đỏ bẻ cong các hạt.
Ảnh: CERN.

Ảnh từ trên cao phòng thí nghiệm CERN đặt ở giữa sân bay Geneva và núi Jura. Các vòng tròn cho biết vị trí của các máy gia tốc SPS và LEP đặt trong đường hầm dưới mặt đất. Sau khi máy gia tốc LEP ngừng hoạt động vào năm 2000, nó đã được tháo dở bỏ và Máy va chạm hadron (LHC) hiện đang được thiết đặt trong tầng hầm dài 27 km.
Ảnh: CERN

Máy gia tốc thẳng

Năm 1924, nhà vật lí Thụy Điển G. Ising cho rằng năng lượng cực đại có thể tăng thêm bằng cách thay khe hở đơn lẻ giữ diện thế một chiều bằng cách đặt dọc theo một đường thẳng một số điện cực hình trụ rỗng giữ điện thế xung. Nhà khoa học Na Uy Rolf Wideröe nah65n thấy rằng, nếu pha của điện thế biến thiên thay đổi 180 độ trong hành trình của hạt giữa các khe thì hạt có thể thu thêm năng lượng ở mỗi khe. Dựa trên ý tưởng này, ông đã xây dựng một máy gia tốc ba tầng cho ion Na. Ý tưởng về máy gia tốc thẳng ra đời. Hạt được gia tốc trong những khe nhỏ và giữa các khe chúng chuyển động bên trong những điện cực hình trụ kín. Một phiên bản cải tiến của máy ga tốc thẳng hình thành vài năm sau đó bởi Luis Walter Alvarez, người khai sinh ra điện thế xoay chiều, giữ các sóng tần số vô tuyến bên trong những hộp hình trụ.Những cái gọi là cấu trúc Alvarez này vẫn còn được sử dụng cho gia tốc ion. Alvarez được trao giải Nobel 1968 về vật lí cho những đóng góp có tính quyết định của ông với nền vật lí hạt cơ bản.

Những đề xuất ban đầu không có tính thực tế cho sự gia tốc hạt, và nó vẫn không được đưa vào thực tế mãi cho đến sau chiến tranh thế giới thứ hai, khi mà sự phát triển các máy gia tốc electron thật sự khởi động. Từ sự phát triển của những hệ radar, các sóng dẫn nổi lên là có thể hữu dụng cho máy gia tốc thẳng truyền-sóng. Trong máy gia tốc này, sóng điện từ truyền về phía trước trong máy gia tốc với vận tốc ánh sáng và electron, cũng chuyển động rất gần vận tốc ánh sáng, được gia tốc đều đặn từng bước với sóng đó tương tự như sóng vỗ trên bề mặt đại dương.

Nhằm phục vụ các mục đích khoa học, chẳng mấy chốc đã có khoảng 130 máy gia tốc thẳng cho electron và positron và khoảng 50 máy cho ion, bao gồm cả proton. Chúng bao quát một ngưỡng năng lượng rộng từ vài MeV đến 52 GeV cho máy gia tốc thẳng electron lớn nhất đặt ở Trung tâm Máy gia tốc thẳng Standford (SLAC). Ở Los Alamos, máy gia tốc thẳng proton gia tốc proton lên 800 MeV trên khoảng cách 800m. Máy gia tốc này là trái tim của Phóng thí nghiệm vật lí meson Los Alamos (LAMPF) và nó là máy gia tốc thẳng lớn nhất thế giới. Nhiều máy gia tốc thẳng được dùng làm vòi phun cho synchrotron (tức làm công việc tiền gia tốc cho synchrotron).

Ngoài các máy gia tốc khoa học, còn có hàng ngàn máy gia tốc thẳng nhỏ dùng trong các bệnh viện cho việc điều trị ung thư.

Nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc thẳng. Rất nhiều điện cực cách nhau bởi những khe nhỏ và đặt dọc theo một đường thẳng. Không có từ trường làm thay đổi hướng của hạt được gia tốc. Khi hạt chuyển động bên trong vùng tự do của một điện cực nào đó, chiều của điện trường gia tốc đảo ngược lại để cho hạt luôn luôn được gia tốc trong các khe giữa các điện cực.
Minh họa: Fredrik Stendahl

Máy gia tốc thẳng dài 3km ở Standford.
Ảnh: Trung tâm Máy gia tốc thẳng Standford.

Electron

Electron được gia tốc trong những khe đơn trong hơn 100 năm qua. Ống tia X và kính hiển vi điện tử là những máy gia tốc loại một khe phổ biến dùng cho nhiều ứng dụng đa dạng. Một máy gia tốc gần gũi với hết thảy chúng ta đặt bên trong các bộ TV, nơi electron được gia tốc lên điện thế 30 kV.

Máy gia tốc thẳng electron nhỏ có năng lượng trên dưới 10 MeV rất phổ biến trong các bệnh viện cho việc tạo ra những dòng tia X mạnh dùng đều trị ung thư.

Electron năng lượng cao được gia tốc trong máy gia tốc thẳng và trong synchrotron. Công trình tiên phong thực hiện vào đầu những năm 1960 ở Standford về sự phát triển của máy gia tốc electron, dưới sự lãnh đạo của Burton Richter. Lúc đó, kích thước của hạt nhân nguyên tử đã được đo ở Standford bằng sự tán xạ lectron có năng lượng lên tới 1 GeV từ một máy gia tốc thẳng dài 100m. Với Richter là nhà khoa học chỉ đạo, việc xây dựng một máy gia tốc thằng dài 3km bắt đầu, và năm 1967 nó đã gia tốc được, lần đầu tiên, electron lên 20 GeV. Khái niệm máy va chạm (xem phần nói về máy va chạm) cũng được phát triển vào lúc đó. Sự phát triển này đưa đến việc xây dựng các máy va chạm electron-positron và Richter, dùng một máy va chạm như vậy, đã cùng chia sẻ giải Nobel vật lí 1976 với Samuel Chao Chung Ting cho công trình tiên phong của họ về việc phát hiện một loại hạt sơ cấp nặng mới. Standford hiện nay là một trung tâm quan trọng về máy gia tốc electron và ngoài máy gia tốc thẳng dài 3km lớn nhất, thì hai máy va chạm electron-positron là những công cụ mạnh mẽ cho nghiên cứu vật lí hạt cơ bản.

Từ rất sớm, trong sự phát triển của synchrotron electron, sự hứng thú tập trung vào bức xạ synchrotron. Năm 1977, Phòng thí nghiệm bức xạ synchrotron Standford (SSRL) khánh thành. Ngày nay, nhiều synchrotron electron được xây dựng cho việc sản xuất các chùm bức xạ synchrotron thứ cấp. Máy lớn nhất thuộc loại này là SPring8 8 GeV ở Harina, quận Hyogo, phía tây Nhật Bản.

Có khoảng 10 máy gia tốc electron trong ngưỡng từ vài trăm MeV đến vài ngàn MeV được sử dụng chủ yếu cho nghiên cứu vật lí ứng dụng, vật lí hạt nhân và biên giới giữa vật lí hạt nhân và vật lí hạt. Máy gia tốc mạnh nhất thuộc loại này là synchrotron đường đua ở Máy gia tốc quốc gia Thomas Jefferson ở Newport News, Virginia. Nó cho chùm electron 6 GeV mạnh và liên tục 100 microampere.

Thiết bị chùm electron liên tục (CEBAF) ở Phòng thí nghiệm Jefferson, Virginia, Mĩ, gia tốc electron lên 6 GeV trong một microtron đường đua có chu vi 1,4km. Sự gia tốc xảy ra trong 338 vỏ rỗng (hộp) đặt trong những đoạn thẳng bên trong cryomodule và chùm tia bị bẻ cong 180 độ trong năm hình cung khác. Trong vòng quay thứ nhất, electron chuyển động trong những hình cung ở trên, chúng lần lượt đi xuống và sau 5 vòng quay gia tốc chúng chạm đến các hình cung dưới đáy. Thí nghiệm đặt trong ba căn phòng khác nhau, A, B và C. Trong tương lai, phòng D mới sẽ được thêm vào và năng lượng sẽ tăng lên 12 GeV.
Minh họa: Phòng thí nghiệm DOE/Jefferson.

Ion nặng

Cyclotron sector hội tụ rất có ích cho việc cung cấp các ion nặng năng lượng thấp. Những ion đó phải tích điện cao để đạt năng lượng lớn nhất khả dĩ đối với một máy gia tốc cho trước. Năng lượng thu được bởi hạt tích điện đi qua khe có hiệu điện thế V là ZeV, trong đó Z là điện tích của ion tính theo đơn vị điện tích electron e. Các loại nguồn ion đa dạng đã được phát triển, ECR (Cyclotron cộng hưởng electron) và EBIS (Nguồn ion tia electron), và chúng cho những chùm ion tích điện cao năng lương thấp cường độ mạnh. Những nguồn này lớn và đặt bên ngoài máy gia tốc.

Bằng cách cho ion đi qua một môi trường mỏng, chẳng hạn một lá kim loại, electron được trao đổi giữa ion và môi trường. Vận tốc càng cao thì cơ hội để ion mất electron nguyên tử càng lớn. Đối với electron có năng lượng rất cao, mọi electron có thể bị bóc ra và ion hoàn toàn trơ trụi. Một ion uranium hoàn oàn trơ trụi có điện tích gấp 92 lần điện tích proton và trong khi đi qua hiệu điện thế gia tốc, năng lượng của nó tăng lên 92 lần năng lượng mà proton tăng thêm. Vì không thể tạo ra ion tích điện cao từ các nguồn ion hơn khoảng 10 đơn vị điện tích cơ bản, hai máy gia tốc "tầng" có thể dùng làm tăng điện tích của ion bằng cách "bóc trụi" nó. Sau khi gia tốc lên vận tốc cao trong máy gia tốc thứ nhất, ion được cho ra ngoài và truyền qua một lá kim loại mỏng, ở đó các electron bị bóc ra. Ion tích điện cao sau đó được cho vào máy gia tốc thứ hai, nơi đây chúng được gia tốc đến năng lượng sau cùng. Một ví dụ cho thiết bị tầng kiểu này là khu liên hợp máy gia tốc GANIL ở Caen, ở đó hai cyclotron sector hội tụ được dùng cho vật lí ion nặng. Các thiết bị khác là GSI ở Darmstadt, ở đó một máy gia tốc thẳng, Máy gia tốc thẳng Universal (UNILAC), đóng vai trò làm vòi phun cho Synchrotron ion nặng (SIS) và khu phức hợp CERN PS cung cấp ion cho SPS.

Vì năng lượng cực đại trong một cyclotron bị giới hạn bởi cường độ từ trường và bán kính ngoài của nó, nên các cuộn dây siêu dẫn được dùng thay cho các cuộn dây đồng truyền thống bao quanh các cực sắt để cung cấp từ trường mạnh hơn. Do đó có thể thu được năng lượng cao hơn và cyclotron có thể được xây dựng rắn chắc hơn. Cyclotron được phát triển đầu tiên bởi Henry Blosser và các đồng sự của ông ở East Lansing, Mĩ, nơi hai cyclotron "rắn chắc" hiện đang được ghép đôi với nhau. Từ trường là 5 tesla và đường kính cực từ là 1,5 đến 2m, tương ứng với hai máy. Trong các cyclotron này, ion nặng có thể được gia tốc đến năng lượng 160 MeV/nucleon. Ví dụ, ion argon có thể được gia tốc lên đến động năng toàn phần 6400 MeV. Một thiết bị ion nặng mới hiện đang có kế hoạch xây dựng cho Viện nghiên cứu Vật lí và Hóa học Riken, ở Wako, Saitama, Tokyo.

Máy gia tốc thẳng và synchrotron cho electron và ion cũng là những công cụ quan trọng cho nền vật lí ion nặng khi mà năng lượng cao được cần đến. Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (LBL), mạng tên nhà phát minh ra cyclotron, thiết đặt một máy gia tốc thẳng hiện có và synchrorton vào đầu thập niên 1970 cho việc gia tốc ion nặng lên khoảng 2000 MeV/nucleon. Synchrotron Berkeley nay đã ngừng hoạt động nhưng synchrotron SIS cho ion nặng ở Darmstadt cung cấp từ 1990 các ion có năng lượng lên tới 1000 MeV/nucleon, và được dùng cho nghiên cứu vật lí thuần túy và vật lí ứng dụng.

Sử dụng các ion nặng được gia tốc, một số nguyên tố mới đã được phát hiện trước tiên ở Berkeley và Dubna và sau là ở Darmstadt. Nguyên tố nặng nhất phát hiện được trước đây, nguyên tố 110, được tìm thấy trước tiên ở Darmstadt và phát hiện đã được xác nhận bởi các nhóm nghiên cứu ở Dubna và Berkeley. Việc nghiên cứu vẫn diễn ra mạnh mẽ và nguyên tố 112 được xác nhận ở Darmstadt, nguyên tố 114 ở Dubna và nguyên tố 116 và 118 ở Berkeley. Các kết quả này cần phải được xác nhận trước khi phát hiện có thể được minh chứng rõ ràng. Thông tin về máy gia tốc Darmstadt và nghiên cứu của nó có thể tìm trên web site http://www.gsi.de/.

Tại CERN, các ion oxygen và sulphur được gia tốc ban đầu trong thời gian 1986/87 trong Siêu Synchrotron proton (SPS) đến năng lượng 158 GeV/nucleon. Rồi đến những ion có năng lượng 160 GeV/nucleon, tức là 33 TeV năng lượng toàn phần được dùng để bắn phá hạt nhân của nguyên tố nặng dùng làm bia. Đối tượng nghiên cứu hấp dẫn nhất là các hạt có tên là gluon, những hạt mang lực mạnh giữ các quark lại với nhau bên trong proton và neutron. Một câu hỏi quan trọng là có thể hình thành hay không một kết tập lớn của quark và gluon, gọi là plasma quark-gluon, khi ion năng lượng cao đó tác động trở lại với hạt nhân nặng làm bia. Tính chất của plasma quark-gluon sẽ cho cái nhìn thấu đáo hơn về động lực học tương tác của quark và về sự phát triển ban đầu của Vũ trụ cho việc hiểu biết kỉ nguyên quark của Big Bang.

Từ 1996, ion từ thiết bị Darmsatdt được dùng cho phép điều trị chiếu xạ cho các bệnh nhân. Một phương pháp chẩn đoán hấp dẫn đã phát triển bằng cách dùng ion carbon cho sự chiếu xạ. Để tiêu diệt khối u và đồng thời giữ liều lượng cho mô bình thường ở giá trị cực tiểu, cần thiết phải giữ sự điều khiển chính xác về sự phân bố liều lượng chiếu xạ. Bằng cách sử dụng một lượng nhỏ carbon 11 phóng xạ sinh ra trong sự chiếu xạ, ta có thể thu được bản đồ phân bố liều lượng. Giống như trong Phép chụp ảnh phát xạ positron thông thường (PET), positron tiêu hủy với electron của mô và tạo ra hai photon, ghi nhận trong detector, cho thông tin về nguồn gốc của hạt nhân carbon 11.

Những hiệu ứng lí thú của ion nặng là những hiệu ứng lạ kì mà các nhà du hành vũ trụ đã từng trải với đôi mắt của họ. Những ánh sáng này lóe lên giống như các đường hay các vết giống sao. Hiệu ứng tương tự có thể tái tạo được vào đầu thập niên 1970 khi ion từ máy gia tốc Berkeley hướng về mắt, ở phía trên đầu hay bên hông. Cornelius Tobias, một người tiên phong về liệu pháp bức xạ, là một trong những người đầu tiên trải nghiệm cá nhân hiệu ứng "sáng" sau khi nhìn xuyên qua những ion nặng phát ra từ máy gia tốc Berkeley. Hiện tượng ánh sáng lóe lên được nghiên cứu rộng rãi trên trạm không gian Mir của Nga, giữa năm 1995 và 1999. Bức xạ hạt vũ trụ xung quanh được phát hiện và nhận dạng bằng một dải detector Si nhạy cảm positron và tín hiệu phát hiện được cách nhau bảy phút và cảm giác nhạy cảm liên quan rõ rệt đến ion truyền đến mắt.Vấn đề vẫn còn bỏ ngỏ đó là liệu ánh sáng có được sinh ra trong đường đi của hạt ion hóa không, hay là các tế bào hình que và tế bào hình nón của mắt bị kích thích trực tiếp bởi hạt thâm nhập vào.

Máy va chạm

Trong cuộc chạy đua liên tục tím đến những năng lượng cao hơn, cần thiết cho việc tìm kiếm những hạt nặng chưa được phát hiện và cho việc khám phá những khoảng cách nhỏ hơn, các máy va chạm là tốt hơn so với các loại máy gia tốc khác. Một máy va chạm gồm một hoặc hai vòng trữ trong đó các chùm hạt được gia tốc theo các hướng ngược nhau, cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ. Khi hạt thu được năng lượng cần thiết, chúng được giữ lại và cho va chạm ở những điểm đặc biệt dọc theo chu vi của vòng, nơi đặt các detector để ghi nhận các hạt tán xạ và sinh ra trong sự va chạm. Ngay vào những năm 1960, công trình tiên phong về cách cho va chạm hai chùm electron đang quay tròn trong hai cyclotron đã đu7ọc thực hiện ở Novosibirsk, tại Viện Budker, đặt theo tên nhà phát minh ra phương pháp làm lạnh electron của các chùm hạt (Xem phần dưới nói về các vòng trữ lạnh).

Máy va chạm đầu tiên được dùng cho thí nghiệm là các vòng trữ giao nhau (ISR), dùng tại CERN từ 1971 đến 1983. Proton được đưa từ synchrotron proton vào hai vòng cắt ngang nhau ở tám vị trí giao nhau, nơi đó proton được làm cho va chạm. Năng lượng va chạm lên tới 62 GeV và có thể thu được dòng proton 30 A ở mỗi vòng. Do vận tốc proton gần bằng vận tốc ánh sáng, nên số proton trữ được có thể tính một cách dễ dàng. Biết chu vi của ISR là khoảng 1km, dòng 30A thu được ứng với 600.000 tỉ proton trữ trong mỗi vòng.

Phản proton, hạt tích điện âm, có thể cho quay tròn trong cùng vòng như proton nhưng theo hướng ngược lại. Tại CERN, năm 1980, lần đầu tiên phản proton có thể được điều khiển và tạo thành chùm quay tròn. Phản proton sinh ra trong va chạm proton-hạt nhân và lần lượt được gom góp và hình thành một chùm hẹp bằng một phương pháp làm lạnh gọi là làm lạnh stochastic do nhà khoa học Hà Lan Simon van der Meer phát minh. Trước năm 1980, phản proton chỉ quan sát được trong vài phần của giây. Phản proton có thể giữ trong nhiều giờ, quay trong một ống có độ chân không cao khác thường (10^-12 torr) để ngăn chúng khỏi bị hủy quá nhanh trong va chạm với vật chất thường, trong trường hợp này tức là với các phân tử khí còn lại. Người ta chờ đợi phản proton được tách khỏi vật chất có cùng thời gian sống như proton, tức là chúng là hạt bền. Giải Nobel vật lí 1984 chia cho Carlo Rubbia và van der Meer cho những đóng góp có tính quyết định cho việc phát hiện hạt trường W và Z, hạt truyền tương tác của tương tác yếu, sinh ra trong va chạm giữa proton và phản proton đang quay tròn theo hai hướng ngược nhau và trong cùng một vòng synchrotron, SPS.

Tại Fermilab gần Chicago, synchrotron đầu tiên của thế giới dựa trên kĩ thuật nam châm siêu dẫn được xây dựng và đi vào hoạt động từ năm 1987. Trong các nam châm có những cuộn dây siêu dẫn, proton và phản proton được gia tốc đến năng lượng 1000 GeV, giữ lại và mang cho va chạm. Năng lượng cũng có thể lên tới một tera electron volt (1 TeV), từ đó mà cái tên Tevatron được đặt cho máy va chạm Fermilab. Khi máy va chạm Tevatron hoạt động vào năm 1987, phản proton sinh ra bởi hoạt động Vòng Chính ở 120 GeV. Phản proton được thu thập trong một vòng Debuncher trước khi chúng được đưa đến Accumulator, ở đó xảy ra làm lạnh stochastic. Sau khi làm lạnh, phản proton được tiêm vào Vòng Chính và Tevatron cho việc gia tốc đến 1 TeV. Cùng với sự mở rộng gần đây của khu phức hệ Fermilab, Vòng Chính đã được thay bằng một vòng synchrotron nhanh mới 120 GeV, Insjector Chính. Trong cùng tầng hầm, một vòng trữ 8 GeV, Recycler, được xây dựng sử dụng các nam châm vĩnh cữu. Rycycler đóng vai trò kho chứa cho phản proton đã làm lạnh, từ đó cho phép tốc độ làm lạnh nhanh trong Accumulator, nơi hoạt động tốt nhất với các dòng điện thấp, để duy trì. Rycycler cũng nhận các phản proton còn lại và bị chậm lại sau khi hoàn thành việc trữ trong Tevatron. Làm lạnh stochastic, ban đầu được thiết đặt trong Recycler, sẽ được cải tiến bằng cách thêm làm lạnh electron trong tương lai gần.

Fermilab là phòng thí nghiệm đầu tiên giới thiệu kĩ thuật siêu dẫn ở quy mô lớn. Vòng trên mặt đất chứa các nam châm có các cuộn dây siêu dẫn và đặt dưới synchrotron proton hiện có, đã tháo dỡ vào năm 1997. Các cuộn dây siêu dẫn cung cấp từ trường lên tới 5 tesla. Trong vòng thấp hơn này, proton và phản proton, tương ứng quay cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ, được gia tốc đến 1 TeV, tương đương một tỉ MeV (1 TeV = 1 Tera electron Volt). Máy gia tốc Tevatron này là máy đầu tiên thuộc thế hệ synchrotron mới sử dụng kĩ thuật siêu dẫn, cuối cùng sẽ cho phép gia tốc các hạt lên năng lượng nhiều TeV.
Ảnh: Fermilab

Insjector chính mới (cận cảnh) chu vi 3,2 km của Fermilab, bơm hạt vào Tevatron lớn hơn, synchrotron siêu dẫn và máy va chạm proton-phản proton. Nó gia tốc proton lên 150 GeV và bơm chúng vào synchrotron proton Tevatron dài 6,3 km và máy va chạm phản proton-proton.
Ảnh: Fermilab

Một va chạm trực diện giữa proton và phản proton trong Tevatron thường sinh ra hàng trăm hạt mới. Theo công thức Einstein E=mc² thì khối lượng cực đại có thể chuyển thành động năng tương đương với khối lượng của khoảng 2000 proton, nếu như toàn bộ động năng của proton và phản proton trong một va chạm được chuyển hết thành khối lượng. Nếu thay bằng một phản proton có cùng năng lượng va chạm với một proton đứng yên làm bia thì có thể tạo ra khối lượng cực đại tương đương khối lượng của khoảng 40 proton. Sự mất mát năng lượng quá nhiều sẵn cho sự sản sinh khối lượng trong trường hợp sau là bởi vì, trong va chạm với bia đứng yên, xung lượng của phản proton đang chuyển động phải bảo toàn. Vì một lí do tương tự, sự va chạm trực diện giữa hai chiếc ô tô đang chuyển động phải dữ dội hơn nhiều so với trường hợp có một chiếc đang đậu.

Một máy va chạm dùng cho ion nặng có khối lượng lên tới khối lượng vàng đã được khánh thành vào năm 2000 ở Brookhaven. Máy va chạm ion nặng tương đối tính (RHIC) này dùng các nam châm siêu dẫn để lái ion. Nó có khả năng cho va chạm bất cứ nguyên tố nào trong hệ thống tuần hoàn lên tới năng lượng 100 GeV/nucleon. Tháng 6 năm 2000, va chạm đầu tiên với ion vàng 56 GeV/nucleon đã được ghi nhận.

Ảnh nhìn từ trên cao của RHIC, Máy va chạm ion nặng tương đối tính, tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (BNL). Cũng được chỉ rõ trong hình là các máy gia tốc khác, đặc biệt là AGS, Synchrotron gradient biến đổi.
Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven.

Tại CERN, trong một tầng hầm dài 27km, hai vòng nam châm siêu dẫn đang được xây dựng cho việc gia tốc proton và ion. Máy va chạm này, Máy va chạm hadron lớn (LHC), sẽ cho phép nghiên cứu va chạm proton-proton và va chạm ion-ion tại những mức năng lượng cao nhất chưa từng có trong phòng thí nghiệm. Proton trong mỗi vòng sẽ được gia tốc đến năng lượng 7 TeV. Các cuộn dây siêu dẫn cung cấp từ trường 8,3 tesla hoạt động ở nhiệt độ 1,9 K, chất lỏng làm nguội là helium siêu lỏng. Việc làm lạnh 31.000 tấn vật liệu ở quy mô 27km là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của kĩ thuật siêu dẫn. LHC được chờ đợi đi vào hoạt động vào khoảng năm 2006.

Giống như proton và phản proton, electron và positron cũng có thể cho quay tròn theo hai hướng ngược nhau và va chạm nhau trong cùng vòng synchrotron. Máy va chạm electron-positron có năng lượng từ 1 đến 10 GeV là công cụ chính sản xuất ra meson, sự phân hủy của hạt này có thể nghiên cứu dưới những điều kiện rõ ràng. Máy va chạm thuộc loại này hiện có ở Rome, Ithaca, Novosibirsk, Bắc Kinh, Standford và Tsukuba. Máy va chạm Bắc Kinh đi vào hoạt động năm 1989 chủ yếu dùng cho nghiên cứu quark duyên (charm) và lepton tau. Năng lượng va chạm thay đổi từ 2 đến 5,6 GeV. Máy va chạm ở Standford và Tsukuba, tên gọi là phân xưởng B, đi vào hoạt động hai năm trước đây. Chúng tạo ra một số lớn meson B và phản B, mà sự phân hủy của chúng sẽ được nghiên cứu để cho sự hiểu biết tốt hơn về cái gọi là vi phạm CP, tức là tính đối xứng trong sự phân hủy của hạt vật chất và hạt phản vật chất. Nhà máy B Standford gồm hai vòng độc lập đặt trong một tầng hầm dài 2,2 km. Electron được gia tốc lên 9 và positron lên 3,1 GeV trước khi chúng được mang cho va chạm.

Ảnh cho thấy máy va chạm KEKB tại Tsukuba, Nhật Bản. Electron được gia tốc đến 8,5 và positron đến 3,5 GeV và sau đó chúng được mang cho va chạm để sinh ra các meson B và phản B.
Ảnh: KEK.

Máy va chạm electron-positron lớn nhất từng được xây dựng, LEP, Máy va chạm lớn electron positron, có chu vi 27km và được ủy thác vào năm 1989 tại CERN. Trong thời kì đầu, va chạm giữa positron và electron ở năng lượng va chạm 91,2 GeV, tương đương khối lượng nghỉ của boson Z, đã đượcnghiên cứu. Sau khi lắp đặt các hộp gia tốc tần số vô tuyến siêu dẫn rất mạnh, năng lượng va chạm không ngừng tăng thêm và cuối cùng đạt đến cực đại 209 GeV. LEP ngừng hoạt động vào cuối năm 2000, năm LHC được lắp đặt trong tầng hầm LEP.

Một biến thể của máy va chạm là Máy va chạm tuyến tính Standford (SLC). Chùm positron và electron được gia tốc đồng thời lên khoảng 45GeV trong một máy gia tốc thẳng dài 3km. Ở cuối máy gia tốc thẳng, chúng được lái khỏi hướng thẳng, tương ứng sang trái và sang phải, và được lái trở lại và cho va chạm theo một đường thẳng. Chùm hạt chỉ gặp nhau một lần, trong khi ở máy va chạm thường, chúng gặp nhau nhiều lần ở điểm va chạm. Để thu được tốc độ va chạm thích hợp, hai chùm tia, va chạm trong một lần đi qua nhau, phải có tiết diện ngang cực nhỏ. Tiết diện ngang của hai chùm tia chỉ có đường kính 1 micromét. SLC nay đã ngừng hoạt động, nhưng sự phát triển ở Standford là một điều hấp dẫn cho những va chạm electron-positron năng lượng cao trong tương lai, mà để tránh bức xạ synchrotron thừa, chúng phải được xây dựng làm hai máy gia tốc thẳng đối diện trực tiếp cùng gia tốc electron và positron hướng về một điểm va chạm.

Máy va chạm tuyến tính Standford (SLC). Electron được gia tốc trong một máy gia tốc dài 3km cùng với positron. Sau khi đạt đến năng lượng sau cùng của chúng, positron và electron được tách ra bằng từ và truyền dọc theo hai vòng cung lớn, ở cuối đó chúng sẽ gặp nhau trực diện ở một điểm va chạm. Positron được sinh ra bởi một phần của các electron được gia tốc khi chúng bị dừng lại trong bia làm phát ra vô số positron, electron và photon. Positron được góp nhặt và quay lại ngược dòng đến phía cuối của máy gia tốc thẳng, ở đó chúng tạo thành một chùm dày đặc bởi các vòng làm tắt dần. Thông thường thì chúng được gia tốc cùng với chùm electron.
Minh họa: Trung tâm Máy gia tốc thẳng Standford.

Những phép đo tinh tế kích thước electron bằng máy va chạm electron-positron cho thấy điện tích của electron bị giới hạn ở cỡ ít nhất là 1000 lần nhỏ hơn kích thước của proton. Người ta thấy rằng với việc thăm dò cấu trúc nội tại của proton, thì electron được ưa chuộng hơn so với proton vì bản thân nó có một cấu trúc rồi. Việc nghiên cứu cấu trúc của proton là mục tiêu chính của các nghiên cứu ở máy va chạm electron-proton duy nhất, máy va chạm HERA ở DESY, Hamburg. Trong máy HERA, electron 27 GeV va chạm với proton 920 GeV chuyển động ngược chiều. Vòng proton siêu dẫn đặt phía trên vòng electron, xây dựng từ các nam châm thường, trong một tầng hầm dài 6,3 km.

Các máy gia tốc electron tương lai ở ngưỡng TeV sẽ cần gradient gia tốc rất cao trên mỗi mét để không phải quá dài. Sự phát triển các buồng cộng hưởng vô tuyến siêu dẫn ở DESY, Hamburg, cho khả năng đạt tới gradient gia tốc 30 MV/m. Cái gọi là phương pháp gia tốc hai chùm tia, được phát triển trong dự án CLIC ở CERN, sử dụng điện thế rất cao, 30 GHz, điện thế gia tốc đưa đến hộp gia tốc vào cỡ cm. Thay cho các buồng gia tốc hiện có sử dụng klystron, chúng được kích thích bằng dòng electron lái tia năng lượng thấp. Chùm lái tia này chạy song song với chùm được gia tốc và năng lượng được truyền từ chùm lái tia sang buồng tăng tốc, bắt cặp nhờ sóng ngắn dẫn đến buồng gia tốc. Với hệ thống này, một gradient gia tốc 100 MV/m đã được minh chứng. Những phát triển này rất quan trọng liên quan đến một máy va chạm electron-posiron thẳng trong tương lai hiện đang được xem xét ở Mĩ, châu Âu và Nhật Bản. Mục tiêu là có năng lượng gia tốc 150 MeV/m và nếu như mục tiêu này có thể đạt được thì hai máy gia tốc thẳng, mỗi máy dài 10km, sẽ cho năng lượng va chạm 3000 GeV.

Các vòng trữ lạnh

Làm lạnh một chùm hạt đang quay tròn nghĩa là làm giảm xung lượng và kích thước ngang của chùm tia. Chùm hạt chưa làm lạnh điển hình có kích cỡ vào khoảng mm-cm và xung lượng vào cỡ phần trăm fermi. Lí tưởng thì một chùm hạt phải đơn sắc, tức là mọi hạt phải có một và cùng một vận tốc và kích thước ngang phải giống như một cái bút chì.

Cơ chế tự làm lạnh xảy ra khi năng lượng hạt đủ cao. Bức xạ điện từ, photon, phát ra bởi các hạt đang quay tròn do sự gia tốc xuyên tâm liên tục của chúng, và sự phát xạ này, "luyện" năng lượng từ các hạt đang quay tròn, kết hợp với sự gia tốc giữ năng lượng trung bình của chúng không đổi, có một sự làm lạnh tác động lên chúng; các hạt quay tròn có thể được xem như những anten nhỏ. Năng lương phát ra trên mỗi vòng quay hạt, tỉ lệ với lũy thừa bốn của năng lượng hạt, tỉ lệ nghịch với lũy thừa bốn của khối lượng và tỉ lệ nghịch với bán kính cong. Năng lượng phát ra này, gọi là bức xạ synchrotron, trở nên đáng kể trong các cyclotron electron vài trăm MeV, trong khi đó nó lại không đáng kể trong tất cả các synchrotron hiện có.

Làm lạnh electron được phát minh ở Novosibirsk vào cuối những năm 1970. Một chùm electron chất lượng rất cao được bơm vào tiết diện thẳng của một synchrotron proton nhỏ và làm cho chuyển động cùng với proton trên vài mét. Khoảng trải ra vận tốc của electron là cực kì nhỏ, điển hình 1/100.000 vận tốc electron trung bình. Vận tốc trung bình của electron được điều chỉnh cho cùng vận tốc trung bình của proton và dòng chùm electron lớn hơn đáng kể so với dòng chùm proton. Những điều kiện cho trước này, khoảng trải vận tốc của proton sẽ dần dần tiến đến khoảng trải vận tốc của electron, tức là sự làm lạnh xảy ra. Trong những lần thử nghiệm đầu, proton được làm lạnh sao cho khoảng trải vận tốc của nó bằng với khoảng trái vận tốc cảu electron, một sự cải thiện khoảng 1000 lần tốt hơn.

Làm lạnh electron có ích cho việc cải thiện chất lượng của chùm proton, phản proton và ion. Tuy nhiên, vì khó gia tốc một chùm electron cường độ mạnh lên hơn vài trăm kV, trong một khe đơn, nên việc làm lạnh electron không có ích cho việc làm lạnh hạt có ngưỡng năng lượng GeV. Sau minh chứng làm lạnh electron ở Novosibirsk, nghiên cứu khởi động ở CERN về kĩ thuật làm lạnh, và một phương pháp mới, làm lạnh stochastic do Simon van der Meer phát minh và chứng minh bằng thực nghiệm lần đầu tiên ở ISR. Trong làm lạnh stochastic, một điện cực ở một điểm của chu tuyến cảm nhận vị trí trung bình của các hạt quay tròn đối với một quỹ đạo chính. Một tín hiệu tỉ lệ với sự đổi chỗ của hạt đối với quỹ đạo chính, được phát ra và tín hiệu này được gửi tới một điểm khác của chu tuyến, ớ đó điện thế xung hiệu chỉnh được áp trên một điện cực, ép hạt tiến đến quỹ đạo chính. Thật rõ ràng, hệ thống hoạt động nếu chỉ có một hạt quay tròn. Tuy nhiên, người ta chỉ ra rằng việc hiệu chỉnh sự dao động của vị trí trung bình của rất nhiều hạt là đủ để tạo ra hiệu ứng làm lạnh, do đó mà có tên là làm lạnh stochastic.

Không bao lâu sau việc chứng minh thành công của sự làm lạnh proton và phản proton, hai vòng làm lạnh đã được xây dựng tại CERN, Máy tích góp phản proton (AA) và Vòng phản proton năng lượng thấp (LEAR). AA nhận phản proton sinh ra trong va chạm proton-bia và chất lượng của chúng được cải thiện dần bởi làm lạnh stochastic. Sau nhiều giờ tích góp và làm lạnh, phản proton đã đủ nhiều (hàng trăm tỉ) và chúng được bơm vào máy va chạm SPS, ở đó chúng được dùng cho các thí nghiệm giữa năm 1981 và 1990, đặc biệt tạo ra boson trug gian W và Z (xem phần nói về máy va chạm).

LEAR hoạt động giữa 1980 và 1996 và nó gia tốc và trữ phản proton trong ngưỡng năng lượng 50 đến 1300 MeV. Cả làm lạnh electron và làm lạnh stochastic đều được dùng ở LEAR, thiết bị vốn chủ yếu dùng cho các nghiên cứu phổ của meson. Một trong những phát hiện ngoạn mục vào cuối kì hoạt động của LEAR vào năm 1995 là phát hiện ra phản hydrogen, nguyên tố đầu tiên của bảng tuần hoàn của phản vật chất. Nó được sinh ra trong tương tác giữa chùm phản proton quay tròn và một tia khí xenon. Positron từ các cặp positron-electron sinh ra trong tương tác phản proton-xenon có thể bị bẫy trong trạng thái cầm tù bởi phản proton.

Sau phát minh cách làm lạnh thành công, các nha 2khoa học ở Bloomington, Indiana đề xuất xây dựng một vòng trữ lạnh cho proton có các bia mỏng đặt bên trong chùm proton chất lượng cao đang quay tròn làm lạnh với electron. Vòng trữ Indiana trong đó proton năng lượng lên tới 400 MeV có thể được trữ trong hoạt động từ giữa những năm 1980. Các vòng trữ lạnh cung cấp proton và ion lên tới năng lượng vài GeV cho việc nghiên cứu vật lí hạt nhân và vật lí hạt, chẳng mấy chốc cũng hoạt động ở Jülich, Darmstadt và Uppsala. Vòng trữ lạnh ion năng lượng thấp cho các thí nghiệm vật lí nguyên tử đặt ở Aarhus, Heidelberg và Stockholm. Trong những vòng năng lượng thấp này, sự làm lạnh được cung cấp bởi làm lạnh electron và bởi làm lạnh laser, một phương pháp làm lạnh ion có năng lượng thấp. Các vòng trữ lạnh đã mở ra những biên giới mới của các thí nghiệm chính xác cao nhờ phương pháp làm lạnh. Khoảng trải xung lượng tương đối giảm xuống 10^-5 và có thể thu được tiết diện ngang nhỏ hơn 1mm.

Cảnh Synchrotron lạnh COSY ở Julich trong giai đoạn lắp đặt năm 1992. Các nam châm lưỡng cực màu cam dùng uốn tia và các nam châm tứ cực màu vàng dùng hội tụ, là những bộ phận chính của vòng. Trong vòng này, sự làm lạnh stochastic cũng như làm lạnh electron được dùng để cải thiện chất lượng của chùm quay tròn.
Ảnh : Forschungszentrum Jülich

Nhà máy sản xuất Meson

Trong những năm 1960, ba máy gia tốc đã được xây dựng để cung cấp các dòng meson p cường độ mạnh có năng lượng trung bình, vài trăm MeV. Chúng được gọi là nhà máy sản xuất meson, vì dòng meson cao, khoảng 1000 triệu meson pi mỗi giây. Meson p sinh ra bởi chùm proton mạnh bị dừng lại trong bia. Proton sơ cấp được gia tốc trong cyclotron ở Villigan, Thụy Sĩ, và Vancouver, Canada, và trong một máy gia tốc thẳng ở Los Alamos, Mĩ. Vì cường độ proton rất cao, nên cần phải điều chỉnh chùm proton cẩn thận trong lúc gia tốc và đưa chúng đến bia, ở đó meson pi sinh ra trong phản ứng giữa proton và vật chất làm bia. Máy gia tốc ở Villigen có thể gia tốc dòng proton 1,5 mA lên 590 MeV. Nếu việc điều khiển một chùm mạnh như vậy chứa công suất 900 kW va chạm với thành của ống chân không, nó có thể bị tan chảy rất nhanh chóng.

Các nguồn neutron

Khi một proton năng lượng cao xuyên qua bia vật liệu nặng như chì, tungsten hay uranium, hàng loạt neutron bật ra. Ví dụ, một proton 800 MeV bị dừng trong bia uranium gây ra trung bình khoảng 30 neutron. (Một hạt nhân uranium chứa 92 proton và 146 neutron, và mỗi neutron trong uranium bị giữ bởi trung bình 8 MeV). Thoạt đầu, neutron khá nhanh có động năng vài MeV, nhưng vận tốc của nó bị giảm, giống như trong các lò phản ứng nghiên cứu hạt nhân, bởi sự đi qua vật chất điều tiết. Động năng của neutron giảm trong các va chạm liên tiếp của chúng với nguyên tử của chất điều tiết cho tới khi neutron có cùng năng lượng trung bình như các nguyên tử này. Người ta nói chúng nóng, ý nói động năng khoảng 1 eV. Các nguồn neutron máy gia tốc lái, thường được gọi là các nguồn phá vỡ, thường là dạng xung và chúng có, so với nguồn neutron lò phản ứng nghiên cứu, tiềm năng cung cấp những dòng neutron về cơ bản cao hơn. Trong lò phản ứng nghiên cứu, dòng đó bị giới hạn bởi mật độ của lõi lò.

Hiện nay, nguồn neutron xung mạnh nhất được đặt ở Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton, gần Oxford, Anh, nơi đó một máy gia tốc thẳng 70MeV làm injector cho một synchrotron cung cấp proton 800MeV với cường độ 200 microampere. Chùm hạt có dạng xung và tần số lặp lại là 50Hz. Bia sử dụng là tantalum và có 17 neutron sinh ra trên mỗi proton tới. Ở Villigen, Thụy Sĩ, cyclotron sector độc lập 590MeV cho một dòng neutron liên tục. Dòng chùm cao kỉ lục, 1,5mA, và số neutron sinh ra từ bia zircaloy là 15 trên proton tới. Các nguồn neutron xung khác đang hoạt động ở Argonne, Illinois, ở Los Alamos, New Mexico và ở Tsukuba, Nhật Bản. Năng lượng lần lượt tương ứng là 450, 800 và 500MeV và bia dùng là uranium, tungsten và tantalum.

Các nguồn neutron máy gia tốc đã đem đến những bổ thể có giá trị cho nguồn neutron sinh từ lò phản ứng trong khoa học vật liệu, sinh học và y học. Trong hóa học, việc kết hợp nhiễu xạ neutron, cái cung cấp thông tin về vị trí của hạt nhân nguyên tử trong tinh thể phân tử, với nhiễu xạ tia X, cái nhạy cảm với vị trí của electron, cho những thông tin có giá trị về cấu trúc phân tử.

Năm 1990, các nhà khoa học Los Alamos đề xuất xây dựng một máy gia tốc thẳng có dòng proton liên tục 250mA, 1600MeV. Những con số này ngụ ý một chùm công suất 400MW, hơn hai bậc độ lớn so với độ lớn ở trên sinh ra bởi bất kì máy gia tốc nào hiện có. Theo đề nghị đó, tương tác của chùm mạnh này với bia chì/bismuth sẽ cho dòng neutron rất mạnh có thể dùng để chuyển hóa chất thải phóng xạ có thời gian sống dài từ các vũ khí và từ các lò phản ứng tạo ra năng lượng có thể chấp nhận được từ một lõi dưới hạn uranium-238 hay thorium-232.

Nghiên cứu tiếp tục ở Mĩ, châu Âu, Nga và Nhật Bản dẫn tới những thiết kế thực tế hơn trong lĩnh vực này thường được gọi là Kĩ thuật chuyển hóa máy gia tốc lái tia (ADDT). Hiện thời, thiết kế đó tính cho phần máy gia tốc của thiết bị là 1000MeV và 10mA. Một máy gia tốc có hiệu suất như vậy sẽ chỉ mạnh hơn vài lần so với các phân xưởng meson hiện có ở Los Alamos và Villigen và so với các nguồn neutron phá vỡ mới đề xuất ở Mĩ, Nhật Bản và châu Âu. Như vậy, nguyên tắc mới này cho việc phân hủy chất thải hạt nhân và cho việc sản xuất năng lượng hạt nhân có thể được kiểm tra theo những dự kiến hiện nay trong vòng 20 năm tới. Ở châu Âu, một trong những người đi tiên phong theo hướng phát triển kĩ thuật chuyển hóa máy gia tốc lái tia là Carlo Rubbia.

Bức xạ Synchrotron

Electron quay trong từ trường liên tục mất năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ (photon) phát ra tiếp tuyến với quỹ đạo. Đây là bức xạ synchrotron. Nó được John Blewett tiên đoán năm 1945 khi ông tính toán thấy một chùm electron quay tròn phải mất năng lượng bằng cách phát ra bức xạ và sau đó liên tục giảm bán kính cong. Bức xạ synchrotron sau đó thu được tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện đại cương vào năm 1947 từ một synchrotron electron 70MeV.

Bức xạ điện từ chẳng hạn từ một anten gây ra, theo các phương trình Maxwell, bởi các electron chuyển động có vận tốc không đều. Trong synchrotron, quỹ đạo electron liên tục bị lệch hướng và do sự thay đổi hướng liên tục này mà bức xạ điện từ (photon) được phát ra liên tục theo đường thẳng tiếp tuyến với quỹ đạo. Bức xạ synchrotron cũng quan trọng trong thiên văn học. Nhiều thiên hà phát ra bức xạ synchrotron như một kết quả của các electron quay tròn trong từ trường (của thiên hà). Bức xạ từ các thiên hà vô tuyến đó được nghiên cứu bằng những kính thiên văn vô tuyến lớn.

Sự mất mát năng lượng to lớn tăng theo lũy thừa bậc bốn của năng lượng của electron là lí do chính tại sao thật khó và không thực tế việc sử dụng synchrotron cho sự gia tốc electron lên các mức năng lượng cao như proton. Năng lượng cao nhất từ trước đến nay, 104.000 MeV, thu được ở LEP cho electron được gia tốc trong tầng hầm dài 27km tại CERN. Bức xạ synchrotron thừa khoang 13 MW là lí do tại sao mà một synchrotron electron lớn hơn LEP không được đề xuất.

Bức xạ synchrotron, cái do đó giới hạn năng lượng có thể đạt được trong các máy gia tốc electron tròn, đã dẫn tới một sự lựa chọn rất hấp dẫn cho các nguồn tia X và ánh sáng cực tím thông thường cho những nghiên cứu cần các dòng photon cao. Bức xạ synchrotron phát ra liên tục từ quỹ đạo, dạng xung, phân cực và xuất hiện với cường độ cao trên một phổ bước sóng rộng. Một bước sóng mong muốn được chọn bởi sự nhiễu xạ trong một tinh thể thích hợp hay cách tử, gọi là đơn sắc. Từ này xuất hiện do sự tương tự với cách mà một ánh sáng màu đơn có thể được lọc từ ánh sáng trăng bằng một lăng kính.

Những thí nghiệm đầu tiên sử dụng bức xạ synchrotron được đề xướng hơn 30 năm trước tại synchrotron vốn chủ yếu sử dụng cho nghiên cứu vật lí hạt cơ bản. Ngày nay, nhiều synchrotron được sử dụng rộng rãi như làm nguồn photon mạnh trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới, ví dụ như ở Stanford, Brookhaven (Long Island), Argonne (Illinois), Berkeley (California), Daresbury (UK), Orsay (Paris), Grenoble, Berlin, Hamburg, Lund, Tsukuba (Bắc Tokyo) và SPring8 ở Harima, quận Hyogo, Tây Nhật Bản. Thông tin thêm về các thiết bị bức xạ synchrotron có thể tìm trên web site http://www.esrf.fr/ của Máy bức xạ synchrotron châu Âu ở Grenoble.

Electron trữ cho các mục đích synchrotron thường có năng lượng trong ngưỡng từ 500 tới 8000 MeV và cho bức xạ có bước sóng từ ánh sáng hồng ngoại đến tia X cứng. Trong số những ứng dụng mới phải kể tới các phép đo tọa độ nguyên tử ở bề mặt chất rắn, sự nhiễu xạ từ các chấm và vạch lượng tử và tinh thể học protein cho việc điều chế thuốc có lí trí từ cấu trúc nguyên tử đo được của protein. Bức xạ synchrotron bước sóng ngắn cũng làm tăng thêm sự hấp dẫn trong vi điện tử hiện đại, nơi mà những mẫu nhỏ nhất có thể chế tạo bị giới hạn bởi bước sóng của bức xạ dùng để khắc. Những sóng ngắn hơn ánh sáng khả kiến cần thiết cho việc chế tạo các cạnh biên sắc trên những board mạch khắc bằng kĩ thuật dưới micron.

Laser electron tự do, FEL, là một dụng cụ nghiên cứu quan trọng của nhiều phòng thí nghiệm máy gia tốc electron. Một FEL gồm một chùm laser năng lượng cao truyền qua từ trường ngang tuần hoàn với hướng chọn sẵn. Trường này làm electron bị lệch và tạo ra chuyển động gợn sóng. Ở mỗi chỗ uốn, các xung bức xạ synchrotron rất ngắn được phát ra bởi electron khi chúng thực hiện một số lớn chỗ uốn. Bức xạ synchrotron phát ra ở mỗi chỗ uốn được thêm vào mạch lạc và theo cách này, một xung bức xạ sóng ngắn gần đơn sắc xây dựng thành công. Bước sóng của bức xạ phụ thuộc vào năng lượng của chùm electron và vào từ trường tuần hoàn do chuyển động gợn sóng. Bằng cách tăng năng lượng của chùm electron, bước sóng của bức xạ có thể làm cho ngắn hơn. So với một laser truyền thống, FEL có thể phát liên tục bất kì bước sóng nào, và bức xạ có bước sóng ngắn có thể thu được. Hiện có những dự án phát triển về FEL tia X tại DESY, Hamburg, KEK ở Tsukuba và tại SLAC ở Standford. Mục tiêu là có thể tạo ra bức xạ đơn sắc xuống dưới bước sóng 1/10 nm.

	Phòng thực hành bức xạ synchrotron từ vòng trữ electron ở Hamburg. Ảnh:DESY

	Ảnh Thiết bị bức xạ synchrotron châu Âu, ESRF, ở Grenoble. Ảnh:ESRF

	Đầu năm 2000, một kỉ lục mới về bước sóng ngắn nhất của bức xạ từng thu nhận được với laser electron tự do (FEL) tại DESY, Hamburg. Bức xạ xuống đến bước sóng 80nm thu được và bức xạ có thể điều chỉnh lên 80 đến 180nm. Nghiên cứu tiếp tục tại DESY và những nơi khác cố gắng làm giảm những bước sóng này xuống một bậc độ lớn trong vòng vài năm tới. Ảnh: DSEY.

Một số loại hạt khảo sát và khả năng phân giải những đối tượng có kích thước nhỏ. Giá trị điển hình của động năng và bước sóng tương ứng cho theo đơn vị eV và picomét (pm). Về nguyên tắc, đối tượng có thể được phân giải nếu chúng lớn hơn bước sóng của bức xạ chiếu vào.

Nguồn Năng lượng hạt [eV ] Bước sóng [pm] Đối tượng

đèn, laser

600,000

tế bào

kính hiển vi điện tử

200,000

phân tử

ống tia X

60,000

nguyên tử

lò phản ứng

nguyên tử

van de Graaff

6,000 000

.01

hạt nhân

cyclotron

100,000,000

.003

hạt nhân

máy gia tốc thẳng

45,000,000,000

.00003

quark

synchrotron

500,000,000,000

.000002

nucleon*

*Do kích thước giới hạn của nó, một proton không thể thăm dò cấu trúc nội tại của một proton khác vì bước sóng rất nhỏ.

(Tác giả : Sven Kullander)
(Hoài Nghiêm dịch, theo Nobel e-Museum for Physics)

-81: Richard P. Feynman
Richard_P._Feynman_1448.jpg

1918-1988
Mỹ
Vật Lý

Richard Feynman - nhà khoa học vĩ đại và nhà giáo dục lỗi lạc

Viết bởi Huỳnh Vĩnh Phát Thứ sáu, 11 Tháng 5 2012 12:50

Richard Phillips Feynman (1918-1988) là một nhà vật lý người Mỹ gốc Do Thái đã nhận giải thưởng Nobel về vật lý trong năm 1965.

Richard Feynman sẽ luôn luôn được biết đến là một thiên tài, người đã hình dung lại lực điện từ là một hiện tượng lượng tử và là người đã thay thế những phương trình phức tạp bằng những biểu đồ đơn giản. Nhưng ông sẽ còn được nhớ tới là một “nhân vật hiếu kỳ”, đó là cách ông tự mô tả bản thân mình trong phần phụ dẫn của quyển hồi kí best selling của ông, "Chắc chắn Ngài đang đùa, Mr Feynmann", xuất bản năm 1985, và "Cái bạn quan tâm có là cái người khác nghĩ hay không?", xuất bản chỉ vài tháng trước khi ông qua đời, năm 1988. Feynmann không chỉ là người hành quân theo nhịp đánh của một tay trống khác, như những người theo chủ nghĩa cá nhân thường phải làm. Bản thân ông chính là một tay trống khác.

Feynmann thời trẻ

Tuổi trẻ

Richard Phillips Feynman sinh ra tại Brooklyn (New York) năm 1918 trong một gia đình Do Thái.Nói rằng Feynmann sinh ra và lớn lên ở thành phố New York là đúng, nhưng không chính xác. Ông lớn lên trong một ngôi làng bình dân xóm Far Rockaway ở ngoại vi thành phố, trên bờ biển phía nam của đảo Long Island. Cha của ông, Melville Feynman, có lẽ sẽ học khoa học nếu như ông có đủ sức vào trường đại học. Thay vào đó, ông đã nuôi sống gia đình từ nhiều công việc làm ăn mạo hiểm chưa bao giờ mang lại thành công mĩ mãn như ông hi vọng. Melville đọc cho Richard nghe quyển Encyclopaedia Brittanica, giải thích mọi thứ khi cha con đi cùng với nhau.

Sự xuất chúng của Feynmann thể hiện rõ ngay ở tuổi còn nhỏ. Lúc còn là học sinh phổ thông, ông đã tự học giải tích và kiếm tiềm bằng cách đi sửa radio cho hàng xóm láng giềng. Trong quãng đời thanh niên, ông luôn bỏ xa những học sinh xuất sắc khác trong các lớp học vật lý của mình. Đầu óc nhanh nhẹn của ông đã cho phép ông có nhiều thời gian ‘nghiên cứu’ cái có lẽ là sở thích lớn nhất của ông: bạn gái, đặc biệt là diễn viên và nghệ sĩ Arline Greenbaum, người ông gặp lúc cả hai mới có 13 tuổi.

Mùa thu năm 1935, Feynman được nhận vào làm sinh viên chuyên ngành vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT). Trong những năm tháng sinh viên của mình, ông được nhận vào một khóa học vật lý lý thuyết tiên tiến thường chỉ dành cho sinh viên năm cuối và sinh viên tốt nghiệp, và ông nhanh chóng nổi trội hẳn lên.

Richard Feynman tốt nghiệp Học viện kỹ thuật Massachusetts (MIT) vào năm 1939, bảo vệ bằng tiến sỹ tại Đại học Princeton dưới sự hướng dẫn của John Wheeler vào năm 1942.Trong luận văn năm cuối của mình, ông đã phát triển một kĩ thuật cơ lượng tử khéo léo mà ông đã cho đăng trên tạp chí Physical Review và kỹ thuật đó trở thành một công cụ toán học chuẩn cho các nhà hóa lý. Sau đó, ông vào trường đại học Princeton, tốt nghiệp và thực hiện luận án tiến sĩ nổi tiếng.

Thói quen liên tục tìm tòi khám phá của Feynman về thế giới chính là gốc rễ của con người ông. Nó không chỉ là cái máy làm nên các thành công khoa học mà còn dắt ông đến rất nhiều khám phá kỳ thú ví như giải mã những chữ tượng hình của người Maya.

Trong khi đó, sức khỏe của Arline (người vợ đầu tiên) ngày càng yếu. Bất chấp một chẩn đoán bệnh lao hệ bạch huyết – một cái chết chậm – hai người vẫn quyết định kết hôn. Họ cưới nhau vào tháng 6 năm 1942 và dắt nhau đi về hướng tây đến New Mexico sau khi Feynmann hoàn thành luận án của ông. Ở đây, ông bị lôi kéo vào dự án Manhattan. Ông nổi tiếng về tính cách cởi mở và hài hước – tại Phòng thí nghiệm Los Alamos, ông rất thích phá các hệ thống bảo mật – và để trở thành một nhà vật lý khác thường: ông trở thành người đóng góp chủ yếu cho lý thuyết bom nguyên tử.

Vợ ông, Arline sống trong một viện điều dưỡng ở Albuquerque, còn chồng bà làm việc tại Los Alamos và đến thăm bà vào cuối tuần. Bà qua đời vào mùa xuân năm 1945.

Tại Los Alamos, Feynmann được chú ý vì những phân tích sâu sắc của ông, tính thiện chí sẵn sàng tranh luận với bất kỳ ai – trong đó có Hans Bethe, người sáng lập nhóm vật lý lý thuyết – và sự mạo hiểm của ông, tự bổ nhiệm mình là người giám hộ an toàn. Ông sử dụng những kỹ năng bẻ khóa an toàn của mình để qua mặt sự bảo vệ kết quả bí mật của những người khác, để lại giấy ghi chú cho họ biết ông đã làm như thế bằng cách nào.

Sau chiến tranh, ông hợp tác với Bethe làm việc tại khoa lý thuyết tại trường đại học Cornell ở Ithaca, New York. Vài năm sau, ông đã chán ngấy thời tiết đầy bão tuyết ở đó. Mặc dù ông hối tiếc là đã bỏ Bethe, nhưng ông chấp nhận một vị trí tại Viện Công nghệ California (Caltech) ở Pasadena, năm 1951. Ông không chỉ là một nhà khoa học thiên tài mà còn là một nhà sư phạm tuyệt đỉnh, ông giảng giải các vấn đề vật lý phức tạp cho hầu hết mọi người đều có thể hiểu được.

Trong số những sức hút của Caltech là sự gần gũi của nó với Sunset Strip. Trong Chắc chắn Ngài đang đùa, ông đã viết về “những câu lạc bộ đêm, các quán bar và các hoạt động”. Caltech cho phép ông bắt đầu một kì nghỉ một năm tới Rio de Janeiro, một thành phố ông muốn trở lại kể từ chuyến đến thăm sáu tuần hồi năm 1949. Ông thuyết giảng vào buổi sáng, còn buổi chiều và tối thì gặp gỡ những người phụ nữ thân thiện trên những bãi biển và quán bar nổi tiếng của thành phố Rio. Phát hiện ra những dấu hiệu sớm của chứng nghiện rượu, ông đã sớm nghỉ uống, nhưng ông vẫn lui tới các quán bar. Một ngày nọ, ông đưa một người phụ nữ trẻ đến khu vực Ai Cập học của một viện bảo tàng và chia sẻ một số thực tế thú vị ông học được từ Mary Louise Bell, một người bạn gái cũ ở Ithaca đã chuyển đến gần Pasadena. Trong phút bốc đồng, ông đã cầu hôn cô ấy bằng thư tay. Họ lấy nhau vào tháng 6 năm sau (1952) và ly dị năm 1956.

Sự nghiệp thăng tiến sau Thế chiến thứ II

Vào những năm sau Thế chiến thứ hai, Feynman tìm ra một phương pháp mới rất hiệu quả trong việc nhận thức cơ học lượng tử. Và chính điều đó mang giải Nobel năm 1965 đến với ông. Ông thách thức giả thuyết cổ điển cơ bản là mỗi hạt có một lịch sử đặc biệt. Thay vào đó, ông cho rằng các hạt di chuyển từ nơi này đến nơi khác theo tất cả các lộ trình khả dĩ trong không-thời gian. Mỗi lộ trình Feynman liên hệ với hai con số, con số thứ nhất là kích thước, biên độ của sóng, và con số thứ hai là pha sóng, cho biết đó là đỉnh hoặc hõm sóng (bụng sóng). Xác suất của một hạt đi từ A đến B cho bởi tổng các sóng liên quan đến lộ trình khả dĩ đi qua A và B. Tuy vậy trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thấy dường như các vật thể đi theo một lộ trình duy nhất từ điểm đầu đến điểm cuối. Điều này phù hợp với ý tưởng đa lịch sử (hoặc tổng theo các lịch sử), vì đối với các vật thể lớn thì quy tắc của ông về gán các con số cho mỗi lộ trình đảm bảo tất cả các lộ trình (trừ một lộ trình duy nhất) phải triệt tiêu lẫn nhau khi đóng góp của chúng được kết hợp lại. Chỉ có một trong số vô hạn các lộ trình có ý nghĩa đối với chuyển động của các vật thể vĩ mô là được xem xét và đó chính là lộ trình có được từ các định luật chuyển động cổ điển của Isaac Newton.

Ông còn áp dụng thuyết lượng tử để giải thích tính siêu chảy của helium lỏng và đây là cơ sở cho việc xây dựng lý thuyết siêu dẫn sau này.

Ông còn đưa ra biểu đồ Feynman, rất hữu ích trong việc tính toán tương tác của các hạt trong không-thời gian và là cơ sở của thuyết dây và thuyết M. Năm 1959, Feynman có bài phát biểu nổi tiếng There is a plenty room at the bottom mở ra hướng về công nghệ nanô và được coi là khai sinh ra ngành khoa học và công nghệ nanô.

Cuộc hôn nhân thứ ba

Cuộc hôn nhân lần thứ ba của Feynmann, với Gweneth Howarth, kéo dài suốt phần còn lại của đời ông. Ông để ý một cô gái vận bộ áo nịt bikini trên một bãi biển tại Hồ Geneva và lập tức bị hút hồn. Họ kết hôn năm 1960 và có hai người con, và là một gia đình bình thường mà một nhân vật khôi hài như Richard Feynmann có thể làm chủ.

Trong những năm 1960, ở đỉnh cao sự nghiệp của mình là giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ California (Caltech), ông đảm nhận nhiệm vụ giảng dạy các khóa vật lý đại cương. Các bài giảng của ông nhanh chóng trở nên nổi tiếng vì tính rõ ràng và trình bày sống động của chúng. Chúng được in thành sách và phát hành trên khắp thế giới, và chúng trở thành cơ sở của một bộ sách ba tập cổ điển năm 1963 gọi là Các bài giảng của Feynmann về vật lý Ngày nay, các nhà khoa học gần nghỉ hưu thường nhớ đến những tập sách đó từ những ngày xuân trẻ của họ, nhớ hình ảnh tác giả đang chơi trống gõ cũng như nội dung hấp dẫn của chúng.

Nếu Melville (cha ông) được ghi công cho tính sáng tỏ của những bài giảng đó, thì mẹ của Feynmann, Lucille, xứng đảng được tôn vinh cho phong cách trình bày của chúng. Feynmann đã mô tả bà trong quyển Cái bạn quan tâm có là cái người khác nghĩ hay không? “Mẹ tôi không biết chút gì về khoa học, [nhưng] bà có sự ảnh hưởng lớn đối với bản thân tôi. Đặc biệt, bà có ngữ điệu hài hước rất tuyệt vời, và tôi học được từ bà những dạng thức cao nhất của sự nhận thức mà chúng ta có thể đạt tới là tiếng cười và lòng trắc ẩn”.

Ông qua đời sau một trận chiến dài ngày với căn bệnh ung thư vào năm 1988, nhưng thành tựu cuối cùng của ông chưa dừng lại ở đó. Ông được yêu cầu tham gia ủy ban nghiên cứu vụ nổ năm 1986 của tàu con thoi vũ trụ Challenger. Mặc dù ông đang bệnh nặng, nhưng Gweneth khuyến khích ông nên đồng ý. Ủy ban cần đến một ai đó như ông để lục lọi trong mớ đổ nát. Thời khắc đáng nhớ nhất của sự nghe ngóng đó xảy ra khi Feynmann chứng minh được rằng một vòng chữ O quan trọng đã mất tính linh hoạt của nó ở nhiệt độ thấp. Ông nhúng một miếng cao su vào trong một cốc nước đóng băng và cho thấy nó trở nên cứng như thế nào. Từ đó về sau, không ai có thể nghi ngờ rằng thảm kịch Challenger là do vụ phóng tàu diễn ra trong một ngày hiếm gặp ở Florida, khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm đóng băng. Richard Feynman, tay chơi trống nổi tiếng, đã gõ nhịp cho phần còn lại của nghiên cứu.

Feynmann và vòng chữ O

Sách của Feynman về vật lý

Elementary Particles and the Laws of Physics: The 1986 Dirac Memorial Lectures
Six Easy Pieces: Essentials of Physics Explained by Its Most Brilliant Teacher
Six Not So Easy Pieces: Einstein's Relativity, Symmetry and Space-Time
The Feynman Lectures on Physics (with Leighton and Sands). 3 volumes 1964, 1966. Library of Congress Catalog Card No. 63-20717
The Character of Physical Law ISBN 0-262-56003-8
Quantum Electrodynamics ISBN 0-8053-2501-8
QED: The Strange Theory of Light and Matter
Statistical Mechanics ISBN 0-8053-2509-3
Theory of Fundamental Processes ISBN 0-8053-2507-7
Quantum Mechanics and Path Integrals (with Albert Hibbs) ISBN 0-07-020650-3
Lectures on Gravitation 1995 ISBN 0-201-62734-5
Lectures on Computation ISBN 0-201-48991-0
Feynman's Lost Lecture: The Motion of Planets Around the Sun ISBN 0-09-973621-7
The Feynman Processor : Quantum Entanglement and the Computing Revolution ISBN 0-7382-0173-1

Điền Quang - thuvienvatly.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Đây là lý do tại sao Richard Feynman nói: "Khoa học và tôn giáo có thể cùng tồn tại"

44
5.140

Phải chăng khoa học và tôn giáo sẽ không bao giờ tìm được tiếng nói chung khi mà một bên luôn tìm bằng chứng mắt thấy tai nghe còn một bên thì giữ vững niềm tin tuyệt đối về Đấng siêu nhiên? Liệu một nhà khoa học có phải đối mặt với những "đấu tranh tư tưởng" như thế hay không? Có vẻ như họ đã dùng đầu óc thông minh tuyệt vời mà Đấng tạo hóa ban tặng để giải quyết vấn đề này bằng một cách đơn giản: Sự không chắc chắn!. Dưới đây là cách mà Richard Feynman, Albert Einstein và Carl Sagan suy nghĩ về vấn đề trên.
Richard Phillips Feynman (1918-1988) là nhà vật lý người Mỹ gốc Do Thái từng được nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1965. Ông có nhiều đóng góp quan trọng trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại, đặc biệt là từng tham gia dự án Manhattan chế tạo bom nguyên tử, đóng góp cho sự phát triển của vật lý hạt, lý thuyết dây,... Vào ngày 2/5/1956, Feynman đã có một cuộc nói chuyện tại nơi ông đang làm việc là Viện khoa học công nghệ California (Caltech). Chủ đề của buổi nói chuyện đó xoay quanh mối quan hệ giữa khoa học và tôn giáo.

Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Ông mở đầu câu chuyện bằng ví dụ: "Một chàng trai trẻ, lớn lên trong một gia đình có truyền thống tôn giáo, sau đó học khoa học và kết quả là anh ta trở nên hoài nghi và có thể sau đó là không còn tin về một Đấng Chúa Trời nữa. Hiện đây không phải là một ví dụ đơn lẻ mà nó luôn xảy ra nhiều lần ở thời đại này. Mặc dù không có số liệu thống kê cụ thể, nhưng tôi tin rằng nhiều nhà khoa học, thậm chí là hơn một nửa, đã bị mất niềm tin vào Chúa Trời. Và thật ra thì họ không tin vào Chúa Trời trong cách suy nghĩ ý thức thông thường".
Câu chuyện của Feynman đã gợi lên 2 câu hỏi quan trọng: Phải chăng tất cả các nhà khoa học đều sẽ trở thành người vô thần? Và câu trả lời của họ là: không hề có sự tuyệt đối như vậy hoặc chí ít thì không có số liệu thống kê chứng minh cho điều đó. Tuy nhiên, câu hỏi thứ 2 quan trọng hơn là cho tới hiện tại, đã có rất nhiều các tên tuổi đưa kiến thức của nhân loại........ rất xa nhưng làm thế nào mà khoa học và Đức tin có thể cùng tồn tại? Theo Feynman, câu trả lời cho câu hỏi này nằm ở những giới hạn được công nhận là vĩnh viễn của khoa học.
Feynman chia sẻ: "Tôi không tin rằng khoa học có thể bác bỏ sự tồn tại của Thiên Chúa và tôi nghĩa rằng điều đó là bất khả thi. Và nếu điều đó là bất khả thi, nghĩa là không có đồng thời niềm tin vào khoa học và Chúa Trời (một Thiên Chúa theo cách hiểu của tôn giáo) liệu có phù hợp hay không? Vâng, điều đó hoàn toàn phù hợp. Mặc dù tôi đã nói rằng có hơn 1 nửa các nhà khoa học không tin có Chúa, nhưng nhiều nhà khoa học khác vẫn đặt niềm tin vào cả 2 trong một sự phù hợp đến mức hoàn hảo".
Và không chỉ mình Feynman mà nhiều bộ óc thiên tài khác như: Albert Einstein hay Carl Sagan đều tìm được tiếng nói chung giữa tôn giáo và khoa học. Trong khi mọi bằng chứng đều bị thiếu và các bằng chứng cụ thể thì không thể có được, nên các nhà khoa học vẫn chưa thể kết luận Chúa Trời tồn tại và đồng thời, họ cũng không thể khẳng định rằng Chúa Trời không tồn tại. Nhưng thế thì làm sao họ có thể đặt niềm tin vào khoa học lẫn Thiên Chúa? Một lần nữa, Feynman quay trở lại thí dụ của chàng thanh niên trẻ:
"Sau đó, điều xảy ra với chàng trai khoa học trẻ tuổi chính là anh bắt đầu hoài nghi mọi thứ bởi anh không thể nào tìm được câu trả lời dưới dạng chân lý tuyệt đối. Vì vậy câu hỏi có thể sẽ thay đổi từ "Có Chúa hay không?" thành "Làm thế nào để chắc chắn rằng có Thiên Chúa?". Đây không chỉ dừng lại ở khía cạnh câu chữ mà đây là một sự thay đổi tinh tế đại diện cho một lối rẽ giữa khoa học và tôn giáo".

Sự thiếu hiểu biết được các nhà khoa học thừa nhận là cách quan trọng giúp họ vừa đặt niềm tin vào Thiên Chúa, vừa đảm bảo công việc khoa học.

Nói cách khác, đây chính là cách mà các nhà khoa học đã tìm được tiếng nói chung giữa công việc của họ và Đức tin tôn giáo. Cách làm ở đây chính là sự không chắc chắn, hay chính xác hơn chính là sự thiếu hiểu biết được các nhà khoa học thừa nhận là cách quan trọng giúp họ vừa đặt niềm tin vào Thiên Chúa, vừa đảm bảo công việc khoa học của họ. Feynman cho rằng: "Nếu họ kiên định với niềm tin vào khoa học, tôi nghĩ rằng họ sẽ tự nói với bản thân rằng: "tôi gần như chắc chắn rằng có Chúa. Sự nghi ngờ là rất nhỏ". Câu nói này hoàn toàn khác với câu "Tôi biết rằng có Chúa". Tôi không tin rằng có một nhà khoa học nào có được quan điểm giống như một con chiên tuyệt đối tin vào Chúa có được".
Và cuối cùng, không chỉ thừa nhận sự không chắc chắn là nền tảng phân chia tôn giáo và khoa học mà các nhà khoa học còn tin rằng điều này còn có thể được áp dụng trong rất nhiều tình huống mâu thuẫn gần như vĩnh viễn trong cuộc sống hàng ngày. Feynman kết luận: "Tôi nghĩ rằng khi chúng ta biết được rằng đang sống trong một thế giới của sự không chắc chắn, sau đó chúng ta thừa nhận nó, thì một việc nhận ra rằng không thể nào biết được câu trả lời cho những câu hỏi khác nhau chính là một điều tuyệt vời".

Cập nhật: 23/09/2016 Theo Tinh Tế

Đại Chúng

Trang

Thứ Bảy, 23 tháng 6, 2018

CÁC BẬC NHÂN TÀI KHOA HỌC 27

Wolfgang Pauli - Gương mặt khoa học lớn của thế kỷ XX

Nguyên lý loại trừ Pauli

Ví dụ

Lịch sử

Máy gia tốc và những nhà vật lí được giải Nobel

Tại sao lại là các máy gia tốc ?

Lịch sử

Máy gia tốc thế-hiệu

Cyclotron

Synchrocyclotron

Cyclotron sector hội tụ

Synchrotron

Máy gia tốc thẳng

Electron

Ion nặng

Máy va chạm

Các vòng trữ lạnh

Nhà máy sản xuất Meson

Các nguồn neutron

Bức xạ Synchrotron

Richard Feynman - nhà khoa học vĩ đại và nhà giáo dục lỗi lạc

Tuổi trẻ

Sự nghiệp thăng tiến sau Thế chiến thứ II

Cuộc hôn nhân thứ ba

Sách của Feynman về vật lý

Đây là lý do tại sao Richard Feynman nói: "Khoa học và tôn giáo có thể cùng tồn tại"

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét

Tìm kiếm thông tin trong blog