Giáo sư Gerard ‘t Hooft
Tự sự (từ Ủy Ban Nobel, 2000)
Nguyễn Xuân Xanh dịch
Lời nói đầu. Nhân dịp GS ‘t Hooft thăm Đà Lạt, chúng tôi dịch sang tiếng Việt tiểu sử này do ông viết từ kho tư liệu của Ủy ban Nobel để giới thiệu đọc giả hiểu thêm lộ trình của một con người tài năng đặc biệt, về con người ông, về lý tưởng, các tiến trình phát triển, đến những bứt phá trong nghiên cứu khoa học những năm đầu 1970, và những nghiên cứu tiếp theo của ông với mục đích giải mã các định luật cơ bản của vật lý. GS ‘t Hooft từ thuở thiếu niên đã có một cá tính rất mạnh: óc tò mò khoa học, ý muốn tự khám phá, và, cũng như Einstein, không chịu dễ dàng tin vào những chân lý hay ý kiến có sẵn của người đương thời có thể biến thành định kiến, mà ông muốn tự trải nghiệm, khám phá, seeing is believing. Năng lực toán học ông rất mạnh. Ông được giải nhì trong một cuộc thi Olympic quốc gia Hà Lan. Ông là một problem solver, người luôn luôn đi tìm những bài toán khó nhất để giải, ở tuổi 20 cũng như 70. Ông mơ ước trở thành người “biết tất cả mọi thứ”. Và kho tri thức của ông là khổng lồ. Thế giới cần có những con người đam mê như thế để có khoa học. Một quốc gia cũng thế.
GS ‘t Hooft không những là người khám phá, ông còn là nhà giáo dục, muốn chia sẻ và truyền đạt kinh nghiệm bản thân cho sinh viên. Ông mở trang web thích học vật lý (xem Giáo sư Gerard ‘t Hooft (giải Nobel Vật lý) thăm Đà Lạt) cho mục đích đó. Ông đã viết những lời dưới đây:
Điều thường xuyên xảy ra là tôi nhận được thư – có dụng ý tốt, nhưng hoàn toàn vô dụng – bởi các nhà vật lí nghiệp dư, những người tin rằng họ đã giải quyết được thế giới. Họ tin điều này, chỉ vì họ hoàn toàn không hiểu gì về cách mà các vấn đề được giải trong ngành Vật lý hiện đại. Nếu bạn thực sự mong muốn đóng góp vào sự hiểu biết các định luật vật lý − và đó là một trải nghiệm hào hứng nếu bạn thành công! − có rất nhiều điều bạn cần phải biết. Trước hết, hãy có thái độ nghiêm túc về điều đó. Tất cả các khóa học khoa học cần thiết đã được giảng dạy tại các trường đại học, vì vậy, một cách tự nhiên, điều đầu tiên bạn nên làm là tự ghi danh vào một trường đại học và hấp thu mọi thứ bạn có thể. Nhưng nếu bạn vẫn còn trẻ, tại trường học, và trước khi được nhận vào một đại học, bạn phải chịu đựng những giai thoại trẻ con mà họ gọi là khoa học ở đó? Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn lớn tuổi hơn, và bạn không hề mong muốn tham gia vào đám đông những sinh viên trẻ ồn ào này?
Những ngày này người ta có thể thu thập tất cả các kiến thức bạn cần từ internet. Vấn đề là có quá nhiều rác trên internet. Có thể chọn lọc những trang rất hiếm thực sự có thể được sử dụng? Tôi biết chính xác những gì nên được dạy cho sinh viên bắt đầu. Tên và các chủ đề của các khóa giảng hoàn toàn cần thiết rất dễ dàng để liệt kê, và đó là những gì tôi đã làm dưới đây. Ý định của tôi tìm kiếm trên trang web đâu là các bài báo và quyển sách thực sự hữu ích, tốt nhất có thể tải xuống. Bằng cách này, chi phí để trở thành một nhà vật lý lý thuyết không vượt quá nhiều giá của một máy tính có kết nối internet, một máy in, và rất nhiều giấy và bút. Rất tiếc, tôi vẫn phải giới thiệu các bạn cần mua thêm sách giáo khoa, nhưng điều đó khó khăn hơn để tư vấn cho bạn ở đây; có lẽ trong một trang web tương lai. Đầu tiên hãy giới hạn chúng ta vào mức tối thiểu tuyệt đối. Các môn học được liệt kê dưới đây phải được nghiên cứu. Mọi sự bỏ sót sẽ bị trừng phạt: thất bại. Hãy hiểu tôi đúng: bạn không cần phải tin bất cứ điều gì bạn đọc – hãy kiểm tra nó. Hãy thử các cách tiếp cận thay thế, nhiều như có thể. Bạn sẽ khám phá, với thời gian, đó thực sự là những gì thông minh nhất có thể. Đáng ngạc nhiên. Cái tốt nhất của các văn bản là bài tập. Hãy làm chúng. Hãy trải nghiệm rằng bạn có thể hiểu mọi thứ. Cố gắng đạt đến giai đoạn mà bạn khám phá ra những lỗi in sai, những lỗi nhỏ cũng như các lỗi lớn hơn, và hãy tưởng tượng cách bạn sẽ có thể viết những văn bản đó một cách thông minh hơn.
Tôi có thể nói với bạn về những trải nghiệm của riêng tôi. Tôi đã có may mắn khi có những người thầy xuất sắc quanh mình. Điều đó giúp tôi khỏi đi lạc lối. Nó đã giúp tôi tất cả đoạn đường để giành được một giải thưởng Nobel. Nhưng tôi không có internet. Tôi sẽ cố gắng trở thành người thầy của bạn. Nó là một nhiệm vụ lớn. Tôi hỏi sinh viên, đồng nghiệp, giáo viên để giúp tôi cải thiện trang web này. Nó hiện chỉ được thiết lập cho những người muốn trở thành nhà vật lý lý thuyết, không chỉ là những người bình thường, mà là tốt nhất, những người hoàn toàn quyết tâm giành giải Nobel của riêng họ. […] Đây là một trang web cho những người đầy tham vọng. Tôi chắc chắn rằng bất cứ ai cũng có thể làm điều này, nếu một người có năng khiếu với một lượng thông minh, sự quan tâm và quyết tâm nhất định.
Chúng tôi đã chia toàn bài làm 2 phần, phần đầu (I) nói về cuộc đời học sinh và thơ ấu của ông, trong khi đó phần hai (II) liên quan đến giai đoạn con đường nghiên cứu và khám phá. GS Phạm Xuân Yêm, Paris, đã giúp tôi hiểu một số khái niệm quan trọng trong vật lý hạt. Kế đến, GS Nguyễn Đức Tường, Ottawa, đã bỏ công tu chỉnh cẩn thận phần (II) và có xem nhanh phần (I). Cám ơn anh Yêm và anh Tường. Những chỗ còn thiếu sót, hay chưa hoàn chỉnh, là do dịch giả. Tôi sẽ rất cám ơn bạn đọc nếu được chỉ cho những chỗ còn thiếu sót hay cần hoàn thiện. NXX
(I) TUỔI THƠ VÀ TUỔI TRẺ
“Là một người biết tất cả mọi thứ”: Đó là, theo lời kể lại, câu trả lời của tôi cho một giáo viên hỏi tôi muốn trở thành gì khi lớn lên. Tôi đã tám tuổi, hay khoảng đó, và điều tôi muốn nói là “giáo sư”, nhưng, vẫn không biết tất cả mọi thứ, tôi đã quên từ đó. Và điều tôi thực sự muốn nói là “nhà khoa học”, một người lần ra manh mối bí mật của các Định luật cơ bản của Tự nhiên.
Điều đó có lẽ không phải là một mong muốn xa lạ. Khoa học, cuối cùng, có mặt trong gia đình tôi. Vào khoảng thời gian đó, năm 1953, ông tôi (phía ngoại), Frits Zernike, đã giành được giải Nobel về công trình phát minh ra kính hiển vi tương phản pha (phase constrast microscope). Ông đã nghiên cứu lý thuyết và tự tay chế tạo kính hiển vi của ông, và ông đã làm cho các nhà sinh học choáng váng khi chỉ cho họ xem các hình ảnh di chuyển của một tế bào sống. Bà tôi, em gái của Zernike, thường kể chúng tôi nghe các giai thoại về anh trai của bà lúc còn trẻ. Ví dụ một ngày, ông đã mua một kính thiên văn tại một chợ địa phương. Đêm đó, cảnh sát đến trước cửa nhà để cảnh báo cha mẹ bà rằng có “những tên ăn trộm kẽm trên mái nhà của họ”; nhưng chính đó là Frits, muốn thử kính viễn vọng mới của mình và nghiên cứu bầu trời. Bà đã kết hôn với giáo sư dạy bà, một nhà động vật học nổi tiếng, Pieter Nicolaas van Kampen tại trường Đại học Leyden. Tôi không bao giờ biết ông, vì ông qua đời sau một thời gian dài bệnh tật khi mẹ tôi được mười tám tuổi.
Cậu của tôi, Nicolaas Godfried van Kampen được bổ nhiệm làm giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Utrecht. Mẹ tôi đã không chọn sự nghiệp khoa học. “Nó không bao giờ đến”, bà nói, và kể thêm rằng thực sự toán học và khoa học đã không lấy gì làm khó khăn cho bà ở trường học, nhưng là một cô gái, bạn sẽ không muốn thừa nhận rằng bạn thực sự thích các chủ đề như vậy. Bà đi học nghệ thuật, nhưng sau đó lấy được một bằng cấp về tiếng Pháp, và bây giờ bà dạy ngôn ngữ đó trong một lớp tư nhân.
Đó có phải là môi trường, hay đó là trong gien của tôi để khiến tôi trở thành một nhà vật lý? Bà ngoại của tôi rất ngưỡng mộ các nhà khoa học và nhờ đó bà có thể có quyết định thêm về sự lựa chọn của tôi, nhưng tôi nghĩ tôi đã có quyết định trong đầu rất lâu trước khi tôi biết nói. Một bức ảnh tôi đã được chụp, ở tuổi lên hai, cho thấy tôi đang nghiên cứu một bánh xe. Tôi không nhớ sự kiện, tất nhiên, nhưng tôi nhớ đã bị mê hoặc bởi bánh xe trong khi những đứa trẻ khác chỉ chạy quanh và chơi đùa. Những hồi tưởng đầu tiên của tôi về nỗi ám ảnh của tôi bởi những hiện tượng tôi quan sát thấy. Tôi quan sát những con kiến bò trên cát, và tự hỏi cuộc sống sẽ như thế nào nếu bạn là một con kiến. Bạn sẽ có thể đi vào những khoảng trống nhỏ nhất giữa các viên sỏi, và những cái đó sẽ hiện ra lớn như những căn nhà dành cho bạn. Nhưng tôi nhận ra cuộc sống của con kiến phải hoàn toàn khác với cuộc sống của chúng ta. Vẫn còn là một đứa trẻ mới biết đi, một ngày nào đó tôi thấy những chiếc xe đạp của hai đứa trẻ đã va vào nhau và bị lật úp. Nếu bạn xoay một bánh xe, thì cái kia cũng sẽ bắt đầu quay. Bạn có thể xoay một bánh xe bằng cách xoay cái kia. Đó là nguyên tắc truyền dẫn. Tự nhiên thật vô cùng hấp dẫn. Tôi đã hơn hai tuổi trước khi tôi bắt đầu nói. Có phải vì có nhiều điều thú vị hơn tôi muốn hiểu hơn là giao tiếp với mọi người chăng? Tôi cũng đã đọc và viết muộn. Điều này, tôi nhớ, là bởi vì tôi nghĩ rằng đọc có nghĩa là có thể giải mã chữ viết tay của mẹ tôi.
***
Mặc dù sinh ra ở Den Helder, tôi đã sống thời thơ ấu ở The Hague, cùng cha mẹ tôi, chị gái của tôi, người đã đổi tên chính thức là Elise thành Ita ngay khi cô ấy biết nói, và em gái tôi Agnes. Cha tôi đã có bằng về kỹ thuật hải quân ở Delft. Ông đã thực hành sự nghiệp của mình tại các bến tàu của các tàu tuần dương biển lớn tuyến Holland-America. Ông đã từng nói về những người khổng lồ “Maasdam” và “Rijndam” như các tàu của ông. Sau đó, một thời gian dài ông làm việc tại một công ty dầu mỏ cho đến khi ông chán. Giống như cha mình, ông yêu tàu và tất cả các ngành công nghệ cao có liên quan đến biển. Nhận thấy sự quan tâm của tôi đến các hiện tượng tự nhiên, ông nghĩ rằng sẽ rất dễ làm cho tôi quan tâm đến kỹ thuật. Ông mua cho tôi những cuốn sách về tàu thuyền và động cơ xe hơi mà tôi chưa bao giờ biết. “Những điều đó đã được người khác phát minh ra”, tôi phản đối. “Con muốn nghiên cứu Tự nhiên và khám phá những điều mới lạ cơ.”
Khi tôi lên tám, gia đình tôi chuyển tới Luân Đôn, Anh Quốc, sống khoảng mười tháng, nơi mà lần đầu tiên tôi buộc phải làm chủ một ngoại ngữ là tiếng Anh. Quá muộn, bố mẹ tôi phát hiện ra rằng việc đưa con mình tới một trường tư thục sẽ đòi hỏi phải đăng ký trước từ ba năm trở lên. Chúng tôi đến một trường công lập. Đồng phục học sinh không bắt buộc, nhưng có những quy định nghiêm ngặt về quần áo. Một ngày lạnh lẽo tôi bước vào trường với quần dài. Tôi được phép vào vì tôi là người nước ngoài, và họ luôn rất tử tế với tôi, nhưng quần soọc, dài đến đầu gối, là tiêu chuẩn bắt buộc của trường. Vào mùa hè, trong những ngày cuối tuần, chúng tôi sẽ thực hiện những chuyến đi dài ở vùng nông thôn xinh đẹp. Hình như ở nước Anh chỉ mưa vào những ngày cuối tuần thôi. Tôi đã nhìn thấy những dãy núi đầu tiên, đó là các ngọn đồi cao hơn 100 mét, gần như không có ở Hà Lan. Tôi rất vui khi nhận thấy rằng thân cây phát triển theo chiều lực hấp dẫn và biết bỏ qua hướng dốc. Tôi cũng nhận thấy một số khác biệt cơ bản trong kiến trúc của người Anh và người Hà Lan, do đó, nếu bạn chỉ cho tôi một số ngôi nhà, cũ hoặc mới, tôi có thể phân biệt được nhà Hà Lan và nhà Anh ngay lập tức.
Cha tôi kiếm được nhiều tiền hơn bình thường, và điều này cho phép ông mua cho tôi một số hộp đắt tiền của Meccano (một hãng chế tạo mô hình đồ chơi nổi tiếng của Anh, ND). Đó là một trong những điều tuyệt vời ông đã làm cho tôi. Tuy nhiên, tôi đã phải làm một thỏa thuận với cha tôi. Nói cách khác, tôi sẽ xây dựng một mô hình được mô tả trong cuốn sách, và sau đó xây dựng một cái gì đó trong trí tưởng tượng của riêng tôi. Ông nghĩ rằng các mô hình trong cuốn sách có nhiều hướng dẫn hơn, nhưng tôi thích trí tưởng tượng của riêng tôi. Những điều tuyệt vời nhất mà tôi xây dựng là những robot, tôi có thể thuyết phục nó để lấy một cái gì đó, mặc dù sự cần mẫn vô hạn là cần thiết cho điều đó.
***
Sau khi học xong tiểu học, tôi đã đi đến Lyceum Dalton (trung học), cũng tại The Hague. Đó là một hệ thống trường học mà học sinh được cho thêm giờ để nghiên cứu tài liệu bài tập nhà với sự có mặt của giáo viên, và điều đó hoạt động tốt với tôi. Sau một năm, sự lựa chọn được thực hiện giữa sự tiếp tục không-cổ điển và cổ điển, cổ điển bao gồm cả tiếng Hy Lạp cổ và Latin, mất thêm một năm nữa, và nó sẽ đòi hỏi nhiều hơn. Cậu tôi nói rằng sự lựa chọn sẽ không quan trọng. “Cháu không cần tiếng Latin và tiếng Hy Lạp cho vật lý”, cậu nói, “nhưng cũng không làm hại gì cả.” Tôi đã chọn (cổ điển) để chấp nhận thách thức. Tại sao? Tôi nghĩ tôi không thể chịu đựng ý tưởng rằng một số trẻ em sẽ học những điều tôi không biết. Và tôi đã không bao giờ hối tiếc về sự lựa chọn.
Bố tôi mua cho tôi một cuốn sách về radio, và điều đó đã làm tôi thích thú. “Con biết đấy, Gerard”, một bạn học cũ đã từng nói với bố, “không ai trên thế giới hiểu được một radio hoạt động thế nào”. Điều này tôi thấy khó tin. “Nhìn vào tất cả những thứ bên trong”, tôi nói, “người thiết kế phải có một ý tưởng nào đó.” Nhưng nếu có bất kỳ bí mật nào không hiểu, tôi sẽ tìm hiểu nó, tôi đã tự hứa với chính mình. Radio trong quyển sách có chứa đèn trong đó, điốt, triốt, pentode. Sau đó tôi đã học được rằng các bóng bán dẫn làm việc theo cùng một cách, và bạn có thể mua các bộ linh kiện với hướng dẫn đầy đủ làm sao để lắp ráp được một radio. Tôi sẽ không bao giờ ráp một radio trước khi tôi hiểu tại sao nó phải được lắp ráp chính xác theo cách nào đó. Tại sao, ví dụ, người thiết kế luôn luôn hãm lại cường độ khuếch đại của một bóng bán dẫn bởi sự ghép ngược (back coupling)? Tôi đã cố gắng xây dựng một bộ khuếch đại với ít bóng bán dẫn hơn và không có sự hãm lại. Bạn có thể làm một radio chỉ với một bóng bán dẫn cho cả tín hiệu tần số cao lẫn tần số thấp hay không? Tôi đã học được những câu trả lời cho tất cả các câu hỏi này.
***
Trong số các ngôn ngữ hiện đại, thì tiếng Anh, tiếng Pháp và tiếng Đức, bên cạnh tiếng Hà Lan, là bắt buộc. Tôi đã gặp khó khăn với logic của lập luận ngôn ngữ và bên cạnh đó, các văn bản chúng tôi phải dịch là phức tạp đến nỗi ngay cả trong ngôn ngữ của tôi, tôi khó có thể hiểu những gì chúng muốn nói. Nhưng tôi đã xoay sở được, và bây giờ tôi hạnh phúc khi tôi có thể giao tiếp với cư dân của một phần lớn châu Âu.
Dễ dàng hơn nhiều là toán học (trong đó ngạc nhiên có nhiều thứ toán: đại số, giải tích, lượng giác, hình học không gian), vật lý và hóa học. Giáo viên vật lý của tôi là một người đàn ông trung niên, thân thiện, với một bộ râu nhỏ và một giọng mềm mại. Ông dạy vật lý sử dụng một cuốn sách mà ông và một giáo viên khác tại trường chúng tôi đã biên soạn và đang được sử dụng trong cả nước. Quyển sách hay và có tính sư phạm, nhưng không phải lúc nào cũng chính xác như nhau. Khi thảo luận về các chất lỏng, nó giải thích rằng phần mặt cắt của cánh máy bay có “một dạng giọt con” (droplets) vì “các giọt con có một sức cản nhỏ nhất”. Ở những nơi khác cầu vồng được lý giải và các giọt con ở đó là hình cầu.
Sách có tính sư phạm là được xếp hạng cao trên danh sách ưu tiên của giáo viên của tôi. Nhưng ông cũng đã truyền cảm hứng cho chúng tôi và khiến chúng tôi suy nghĩ. “Nếu có bất kỳ thiên tài thực sự nào trong lớp này”, ông nói, “thì họ có thể lập luận như sau, …”. Nhưng rồi, ông bảo đảm tất nhiên không có thiên tài thực sự trong lớp này. Rồi có một trang thú vị trong cuốn sách của ông về photon. “Một bóng đèn phát ra khoảng 109 photon mỗi giây,” nó nói. Lập luận đơn giản. “Một photon đơn có một gói sóng dài khoảng 10-9 giây. Nếu có nhiều hơn 109 photon thì đối với mỗi photon rung theo cách này, bạn có thể tìm thấy một photon rung theo hướng ngược lại. Bạn có thể phá huỷ sự giao thoa, và như vậy sẽ không có bất kỳ ánh sáng. ” Tôi đã tranh cãi với ông về điều này. Cuối cùng, với sự giúp đỡ của cậu tôi, chúng tôi có thể giải quyết được mọi thứ. Trang sách này không xuất hiện nữa trong các ấn bản sau của cuốn sách.
Môn sinh học được dạy bởi một cô giáo lớn tuổi, quá tốt bụng cho thế giới này. Cô sẽ không bao giờ cho bất cứ ai điểm rớt, trừ khi ai đó thực sự yêu cầu điều đó, nhưng điểm cao cũng hiếm. Điểm của tôi nhanh chóng giảm xuống khi các bài học trở nên nhàm chán, chẳng hạn như khi thảo luận về các mẫu đối xứng trong hoa (tôi nghĩ rằng đối xứng không bao giờ hoàn hảo), hoặc không thể hiểu nổi, khi cơ thể con người được thảo luận (một số phần hầu như không được đề cập đến, ngoại trừ ngoài giờ học giữa các học sinh với nhau, và có những điều mà không ai có thể giải thích cho tôi, và tôi không dám hỏi).
Sau đó, tại một trong những ngày tư vấn của giáo viên, cha tôi nhận thấy rằng không có cha mẹ nào muốn nói chuyện với giáo viên sinh học của chúng tôi, vì cô ấy không bao giờ cho ai trượt cả. Ông tiến về phía cô và nói: “Cô có biết Giáo sư P.N. van Kampen không?” Tất nhiên cô ấy có biết, chắc chắn cô ấy có, cô đã tham dự tất cả các bài giảng của ông. Ông ấy là một học giả, ông ấy rất sáng giá! Gerard thực sự có phải là cháu trai của ông ta không? Phải chi cô ấy biết! Ngày hôm sau, cô bắt đầu với động vật học. Tôi được đặc biệt chú ý. Cháu của Van Kampen! Điểm của tôi tăng vọt. Cô ấy đã cho tôi nhiệm vụ để viết một luận đề. Tôi đã chọn để viết về vi khuẩn. Thư viện địa phương của chúng tôi không có sách gì về vi khuẩn cả. Một cuốn sách trước chiến tranh có ở đó, được viết bằng tiếng Đức theo thứ chữ Gothic. Tôi vẫn không biết làm thế nào xoay sở để sản xuất ra một luận đề bằng cách sử dụng nó. Nhưng điều đó không thành vấn đề. Điểm của tôi được cho nó là thật tuyệt vời.
Tôi đã may mắn có được một giáo viên nghệ thuật nhiệt tình. Tôi nghi ngờ rằng chỉ vì hiểu biết sâu sắc về hình học của tôi mà tôi có thể làm cho bản vẽ khá thực tế. Nhưng mẹ tôi đã nhìn thấy những điểm yếu trong nghệ thuật của tôi. Nếu con muốn vẽ một khuôn mặt người hoặc cơ thể, con phải biết chính xác xương và cơ chạy thế nào, bà nói, nếu không con sẽ làm sai, và nó sẽ không đẹp. Tôi đã quá nhút nhát để có thể thực hiện một nghiên cứu cẩn thận về cơ thể con người, và vì vậy tôi chuyên về động vật và cảnh quan. Điều này sẽ không bao giờ làm cho tôi trở thành một nghệ sĩ giỏi, tôi quyết định.
***
Khi tôi lên mười, tôi gặp chiếc đàn piano đầu tiên. Chúng tôi đang đi nghỉ ở những ngọn đồi ở phía đông nam Bỉ. Trời mưa liên tục trong suốt hai tuần. Ngôi nhà mà chúng tôi thuê có một cây đàn piano cũ trong đó. Có một vài cuốn sách với một số bài hát. Cha tôi giải thích các nốt nhạc tương ứng với các phím trên nhạc cụ thế nào. “Phần còn lại con có thể tính ra bằng cách đếm”. Cả hai cha mẹ tôi đều phải đau khổ vì những bài học piano bắt buộc khi họ còn trẻ, và có ý định không để bất kỳ đứa con nào của họ bị tra tấn nữa. Nhưng bây giờ tôi muốn chúng, tôi có thể nhận được những bài học piano. Tôi đã có một giáo viên riêng. Cô ấy rất nghiêm ngặt. Cô đã học từ nghệ sĩ piano nổi tiếng của Hà Lan, Cor de Groot, và muốn tôi đạt được những đỉnh cao tương tự. Tôi đã phải thực hành các thang âm (scales). Tôi gây ngạc nhiên cho cô khi lần đầu tiên tôi cố gắng chơi một thang âm với bàn tay trái và phải cùng lúc, tôi vẫn có ý tưởng đúng để chuyển ngón tay sang trái và phải vào những lúc khác nhau. “Hầu hết mọi người lần đầu tiên đều làm điều này sai”, cô nói. Cô đã dạy tôi Beethoven, Chopin, Debussy, Mendelssohn và nhiều người khác. Phần lớn trong số đó quá khó đối với tôi, nhưng tôi vẫn chơi nhiều bản nhạc, và piano đã trở thành một phần của cuộc đời tôi.
***
Ở tuổi 16, cơ hội đã đến để tôi tham gia vào Olympic Toán quốc gia Hà Lan. Đây là lần thứ hai olympiad được tổ chức. Tôi đã vượt qua dễ dàng vòng đầu tiên; chỉ vì bị quá kích thích, tôi đã hiểu sai về bài tập đầu tiên, phần lớn những người tham gia khác đã làm đúng cách. Nhưng tôi đã làm tốt những bài khác, và tôi đã đi với khoảng 100 học sinh đến Utrecht cho vòng tiếp theo. Đó là một điều khó khăn, và tôi đã bỏ lỡ một số câu hỏi. Nhìn lại, những câu hỏi là rất tốt, và tôi đã chỉ bỏ lỡ chúng vì thiếu đào tạo toán học nghiêm ngặt. Ngày nay, các câu hỏi toán học được diễn đạt bằng những cách rắc rối, đầy dẫy những điều vô nghĩa về sư phạm, nên có lẽ tôi sẽ bỏ lỡ tất cả.
Dù sao, thật ngạc nhiên khi trong giờ nghỉ em gái tôi chạy về phía tôi. “Chúng em tìm kiếm anh ở khắp mọi nơi”, cô ấy nói, “anh thuộc mười người hàng đầu!” Thứ tự chính xác vẫn được giữ bí mật. Chúng tôi đến Utrecht để biết rằng tôi đã có được giải nhì. Nó bao gồm bộ hai cuốn sách của Georg Pólya, “Mathematik und Plausibles Schliessen” (Toán học và những suy luận có lý), và tôi đã nuốt chúng. Đây là một loại toán mà tôi rất thích. Chắc người ta nhìn thấy cách tôi đã trả lời các câu hỏi để biết rằng đây là loại toán học hợp với sở thích của tôi. Nó chứa đựng, trong số những thứ khác, định lý Euler cho đa giác trong không gian ba chiều, và kiến thức này sẽ trở nên khá tiện dụng sau này trong sự nghiệp của tôi. Tôi có thể là số một trong Olympic này, nếu tôi không hỏng bài tập đầu ở vòng đầu tiên, nhưng có lẽ những người khác cũng đã mắc sai lầm có thể tránh được.
Các kỳ thi cuối cùng ở trường trung học, 1964, là rất khó khăn. Vấn đề thực sự duy nhất của tôi là các ngôn ngữ, nhưng còn sinh học thì sao? Các điểm cao do giáo viên của tôi cho là kỳ cục. Sinh học sẽ được thi vấn đáp, và lần này sẽ có một giáo sư đại học về sinh học, người sẽ đánh giá các câu trả lời một cách độc lập. Khi tôi bước vào phòng, điều đầu tiên giáo viên của tôi nói với giáo sư đại học là: “Bây giờ đến lượt cháu của Giáo sư van Kampen!” Mặt ông sáng lên, “Vậy hả?”, ông nói, ông đã nghe tất cả các bài giảng của van Kampen. một nhà động vật học tuyệt vời, và đây là cháu của ông ta, chắc phải rất sáng. Họ hỏi điều gì đó về một miếng bọt biển khó hiểu, tôi mơ hồ nhớ lại văn bản trong cuốn sách, và cố gắng tái hiện nó lại. “Vâng, vâng!”, họ kêu lên, “và đôi khi người ta nói … “, và sau đó đến văn bản thực sự mà tôi thực tế đã quên. Họ cho tôi 10 trên 10. Tôi vui mừng dành kết quả này cho sự tưởng nhớ ông ngoại tôi.
***
Tôi đã vượt qua kỳ thi và vào Đại học Utrecht. Leiden gần The Hague hơn, nhưng cậu tôi đang giảng dạy ở Utrecht, và những bài giảng của ông tôi muốn nghe. Cha tôi khăng khăng muốn tôi trở thành một thành viên của tổ chức sinh viên ưu tú nhất, Utrecht Studenten Corps. Sinh viên năm nhất bị cạo đầu không thương tiếc. Đây thực sự là một trong những điều làm nhục ít hơn mà họ làm; các học sinh lớn tuổi hơn đã phát triển một kỹ năng đặc biệt để làm nhục các tân sinh viên của họ. Một số sinh viên mới đã được ở trong quân dịch; đối với họ, tất cả chỉ là quá quen thuộc, và họ không có vấn đề. Nhưng tôi dễ bị tổn thương, và họ có thể chế nhạo việc tôi không quan tâm đến bất cứ điều gì ngoại trừ khoa học. “Vậy bạn đã viết một luận văn về vi khuẩn chưa? Những loại vi khuẩn nào ở đó?” Đó là một sinh viên y khoa lớn tuổi đặt câu hỏi. Khi tôi đề cập đến loài xoắn khuẩn, anh ta hỏi: “Bệnh nào do chúng gây ra?” Tôi biết những gì anh ấy muốn nghe. “Giang mai”, tôi nói. Ý của anh ta là tôi nên đi vào y học, chứ không phải vật lý.
Nhưng bây giờ tôi đã ở gần Viện Vật lý Lý thuyết. Tôi đã thuê một căn phòng chỉ cách một góc phố. Vật lý lý thuyết chiếm ba nhà liền kề đối diện với một kênh rạch. Một trong những ngôi nhà được sở hữu bởi một phụ nữ đã tự giới thiệu mình là nữ bá tước. Có một số tranh cãi về việc bà ta có thực sự là nữ bá tước hay không. Vào mùa hè, khi bạn mở cửa sổ, gà từ khu vườn sẽ nhảy vào và đi bộ qua các bàn. Nhân viên sẽ có cà phê, ăn trưa và thảo luận trong một hầm rượu. Qua một cửa sổ hẹp, bạn thấy chân của những người đi bộ băng qua. Trong những ngày đầu tiên, hầm rượu có thể đã được sử dụng bởi gái mại dâm. Tất nhiên, tôi chỉ là một sinh viên năm nhất, và tôi chắc chắn không phải đến đây. Nhưng thường xuyên cậu tôi mời tôi vào đó, và tôi rất ngưỡng mộ các cuộc thảo luận, và tiếng cười.
Tổ chức sinh viên buộc tôi phải dành thời gian cho những thứ khác ngoài vật lý, đó chính là lý do tại sao bố tôi muốn tôi trở thành thành viên. Tôi đã tham gia Câu lạc bộ Chèo thuyền nổi tiếng, Triton, nơi tôi được đánh giá cao vì tôi có thể giữ thuyền của họ đi theo đường thẳng. Có một câu lạc bộ sinh viên thảo luận khoa học, “Christiaan Huygens”, nơi tôi có nhiều kỷ niệm đáng nhớ, và cùng với một số sinh viên khác tôi đã tổ chức một Đại hội toàn quốc cho sinh viên khoa học. Nhưng cũng chính ở các câu lạc bộ sinh viên mà tôi đã học ghét các cuộc họp kéo dài bất tận và các cuộc thảo luận vô ích. Đặc biệt các cuộc nổi loạn của sinh viên trong những năm 60 tôi thấy ngớ ngẩn và tôi giữ khoảng cách lớn nhất có thể.
Tôi muốn đi vào những gì tôi thấy như là trái tim của vật lý, các hạt cơ bản. Thật không may, cậu của tôi đã trở nên không thích chủ đề. Những người trong lĩnh vực này rất “hung hăng”, ông cảnh báo. Ông cũng đã nghiên cứu các hạt cơ bản, tìm ra những hệ quả toán học của thực tế là không có thông tin nào có thể đi nhanh hơn ánh sáng. Bạn tìm phương trình, ông giải thích, được gọi là các quan hệ tán sắc, nhưng chúng không kể cho bạn tất cả mọi thứ về các hạt. Ông đã viết một số bài báo cáo, tỉ mỉ suy ra những hệ quả này. “Và điều gì đã xảy ra? Những người khác đã viết hàng chục bài báo, đầy đủ các giả định không chính đáng, những lập luận cẩu thả và những kết quả không thể tin được. Nhưng có nhiều trong số những bài báo đó đến nỗi chúng chỉ chứa toàn các trích dẫn.” Ông nghĩ rằng vật lý thống kê là cái ông thích hơn.
(II) CON ĐƯỜNG KHOA HỌC
Có một giáo sư mới được bổ nhiệm về Vật lý lý thuyết mà chuyên môn ông là các hạt hạ nguyên tử, Martinus Veltman, hoặc Tini, như ông thường được gọi. Khi đến lúc tôi phải viết một luận văn đại học, lúc nào đó vào năm 1968, ông ấy là người tư vấn cho tôi và đánh giá công việc tôi. Veltman tự nhiên nghĩ rằng những điểm cao của tôi chỉ là vì nền tảng gia đình của tôi, và nếu tôi thật sự giỏi, trước tiên ông sẽ cần một số thuyết phục. Điều này không làm phiền tôi, tất cả những gì tôi muốn là tìm hiểu về các hạt cơ bản, và nếu ông ấy không nghĩ nhiều về tôi, thì cũng không sao. Đầu tiên là điều quan trọng nhất, ông nói. Đây là một bài báo của C.N. Yang và R.L. Mills. Cái này bạn phải biết.
Đại học Utrecht được thành lập năm 1636 (cùng năm với Harvard), có nhiều alumni
nổi tiếng trong đó có 12 người được giải thưởng Nobel và 13 giải thưởng Spinoza.
Đây chính là một bài báo xuất sắc. Nó đẹp, thanh lịch và độc đáo. Nhưng nó cũng được coi là vô dụng. Veltman giải thích, “Nó mô tả các hạt không tồn tại trong tự nhiên”, nhưng trong một dạng sửa đổi nhất định, chúng có thể lắm”. Dạng sửa đổi nào? Cho một sinh viên khác, Veltman đã giao nhiệm vụ nghiên cứu sự phá vỡ đối xứng tự phát. Có rất nhiều nhầm lẫn về cái gọi là định lý Goldstone. Jeffrey Goldstone đã phát hiện rằng sự phá vỡ đối xứng tự phát ngụ ý sự tồn tại của các hạt không khối lượng. Sự phá vỡ đối xứng tự phát không thể là giải pháp của vấn đề Yang-Mills bởi vì các hạt không khối lượng như vậy không tồn tại. Sau đó, điều này sẽ được công nhận như là một ví dụ nữa về sự tôn thờ quá sức cho các định lý toán học trừu tượng; người ta đã không bận tâm để đọc những dòng chữ nhỏ, ở đó Goldstone nói rõ khi nào định lý của ông không áp dụng được. Tôi mừng là tôi đã bỏ qua vấn đề; tôi không hiểu tại sao mọi người nghĩ rằng có những hạt không có khối lượng nếu tôi không thể nhìn thấy hạt nào như thế trong các phương trình.
Nhiệm vụ của tôi là nghiên cứu cái gọi là dị thường Adler-Bell-Jackiw. Đây là một chủ đề mà Veltman tham gia. Ông đã có một định lý chính thức nói rằng các pion trung hòa không thể phân rã thành các photon. Nhưng khi bạn thực sự tính toán phân rã, bạn thấy rằng nó sẽ xảy ra. Và dữ liệu thực nghiệm phù hợp với điều đó: các pion trung hòa phân rã chủ yếu thành các photon. Một cái gì đó sai trái với định lý chính thức. Nó dựa trên toán học có lỗ hổng. Lỗ hổng này là một điều rất thú vị, và nó sẽ tiếp tục đóng vai trò thú vị trong ngành vật lý hạt. Có những vấn đề liên quan đến hạt eta. Nó phân hủy thành ba pions trong khi nó không được phép. Giải pháp cho vấn đề này vẫn chưa được biết rõ.
Người ta nói rằng tổ chức một đại hội sinh viên gây ra một năm trì hoãn trong nghiên cứu của bạn. Nhưng tôi đã không bao giờ ngừng suy nghĩ về vật lý, và tôi có thể bắt đầu việc nghiên cứu tiến sĩ của tôi vào năm 1969. Ở Hà Lan, tiến sĩ là một vấn đề rất nghiêm trọng. Tôi nhớ thầy giáo vật lý của tôi rất tự hào về luận án của mình. Giáo viên lịch sử của tôi đã lấy được bằng tiến sĩ muộn trong cuộc đời mình, và ông cũng đã nói với chúng tôi tất cả về việc bảo vệ tác phẩm suốt đời của ông. Veltman là thầy hướng dẫn của tôi. Ông đã cho tôi sự lựa chọn giữa các chủ đề khác nhau, nhưng không cái nào có thể bắt mắt trí tưởng tượng của tôi nhiều hơn chủ đề ông đang tự làm: tái chuẩn hóa (renormalization) cho các trường Yang-Mills. Ông giải thích với tôi rằng các trường vector phải đóng một vai trò cơ bản trong các tương tác yếu, nhưng cũng trong các tương tác mạnh nơi có các trường vector. Tất cả các lĩnh vực này đều liên quan đến các hạt có spin (spinning particles) có khối lượng. Khối lượng là đề tài bắt đầu. Ông giải thích: “Những số hạng khối lượng này trong các phương trình trông vô tội”, ông giải thích, “nhưng cuối cùng, chúng cản trở tất cả những nỗ lực của tôi để có được một lý thuyết hữu hạn, có ý nghĩa.”
Nhưng ông còn biết điều gì khác nữa. Ông đã nghiên cứu dữ liệu thực nghiệm liên quan đến các tương tác yếu. Ở đó, ông đã tìm thấy dấu hiệu rất mạnh mẽ rằng những tương tác yếu có liên quan gì đó với lý thuyết của Yang và Mills. Ông nói, “Nhưng vấn đề trở nên phức tạp đến nỗi bạn không thể làm nó bằng tay nữa”, ông nói, và ông đã bắt đầu thiết kế một chương trình máy tính để xử lý các biểu thức đại số phức tạp. Máy vi tính vẫn còn rất mới trong những ngày đó. Ngày nay, máy tính cầm tay đơn giản nhất chứa nhiều thiết bị chuyển mạch điện tử và nhanh hơn nhiều so với các cấu trúc cồng kềnh được gọi là máy tính thời ấy. Các con quái vật phải được cho ăn bằng thẻ giấy mà trong đó bạn phải đục chương trình của bạn. Nỗ lực của ông là nỗ lực anh hùng.
Những gì tôi bắt đầu suy nghĩ là phiên bản của tôi về định lý Goldstone, nhưng tôi không thể đọc được những lý thuyết toán học hoa mỹ kia. Những gì tôi xây dựng lại theo cách riêng của tôi là cái gì đó thực sự đã tồn tại rồi: nó được biết như là cơ chế Higgs, nhưng các yếu tố quan trọng của nó cũng đã được suy ra từ François Englert và Robert Brout. Thật không may, những ý tưởng này không nằm trong dòng suy nghĩ của Veltman. Ông muốn suy diễn được tất cả mọi thứ chỉ bằng cách nhìn vào dữ liệu thực nghiệm, và bằng cách thực hiện các phép biến đổi trường mà ông có thể sử dụng chương trình máy tính của mình cho chúng. Theo ông, tôi rõ ràng thiếu hiểu biết về các chủ đề thực nghiệm. Cần phải làm một cái gì đó. Chúng tôi đã gửi đơn của tôi đến các trường học hè khác nhau trong ngành vật lý lý thuyết. Sự lựa chọn đầu tiên của tôi là một trường học ở Les-Houches, một khu trượt tuyết cao ở dãy núi Alps của Pháp, gần Chamonix. Các nhà vật lý Pháp nổi tiếng sẽ giảng dạy ở đó. Có lẽ vì đơn của tôi đã trễ, tôi đã không được nhận.
Sự lựa chọn tiếp theo là Cargèse, và ở đây tôi đã được nhận vào. Gần thị trấn nhỏ này trên hòn đảo Corsica của Pháp, ngay tại biển, nhà vật lý người Pháp Maurice Lévy đã thành lập Viện Khoa học Tiên tiến, mười năm trước đó. Câu chuyện kể rằng Lévy đã nhìn lên các atlas để xem thị trấn Pháp nào có lượng ánh sáng mặt trời tối đa trong mùa hè, và sau đó ông tìm thấy vị trí này. Bây giờ, Lévy cùng với Murray Gell-Mann đã phát triển một mô hình cho các hạt tương tác mạnh. Về mặt chính thức, mô hình có thể được tái chuẩn hóa, tuy nhiên trên thực tế có rất nhiều vấn đề và chúng sẽ được thảo luận. Đó là mùa hè năm 1970. Các diễn giả là, bên cạnh Lévy và nhiều người khác: Người Hàn Quốc Benjamin W. Lee, người Đức gốc Ba Lan Kurt Symanzik, và nhiều người Pháp như Jean-Loup Gervais.
Mô hình Gell-Mann-Lévy là một mô hình có sự phá vỡ đối xứng tự phát. Các pions được xem như là các hạt Goldstone. Các diễn giả này nói về tái chuẩn hóa trong sự hiện diện của sự phá vỡ đối xứng tự phát, và họ đã cho chúng ta hay rằng các số hạng khối lượng được tạo ra (khối lượng của proton) không gây ra vấn đề gì. Theo tôi nhớ, tôi chỉ hỏi một câu hỏi, cho cả Benjamin Lee và Kurt Symanzik: “tại sao chúng ta không thể làm như vậy với lý thuyết Yang-Mills?”. Cả hai đều trả lời như nhau: “nếu bạn là học trò của Veltman, hãy hỏi ông ta, chúng tôi không phải là chuyên gia về Yang-Mills.”
Một bức tranh tổng quát làm thế nào để đối phó với các hạt vector nặng (massive vector particles) đang hình thành trong tâm trí tôi, nhưng tôi không thể hiểu được thái độ tiêu cực của tất cả các chuyên gia đối với các lý thuyết như vậy. Sau đó, tôi phát hiện ra rằng tất cả họ đều có những lý do khác nhau để từ chối các cách tiếp cận như vậy: một số người nghĩ rằng sẽ có những hạt boson Goldstone với các đặc tính không thể chấp nhận được. Một số khác cho rằng việc đưa vào các hạt vô hướng cơ bản sẽ không phục vụ bất kỳ nguyên lý vật lý cơ bản nào như sự bất biến chuẩn định xứ (local gauge invariance). Đối với nhiều người, một chương trình tái chuẩn hóa dường như quá phức tạp đến mức các cuộc đụng độ toán học là không thể tránh khỏi. Cuối cùng, có vấn đề thang tỷ lệ (scaling). Người ta cho rằng việc thang tỷ lệ theo hướng tự do tiệm cận (asymptotic freedom) trong vùng cực tím sẽ không bao giờ xảy ra trong lý thuyết trường; điều này có nghĩa là bất kỳ hệ thống lượng tử tương-đối-tính nào với các hạt tương tác mạnh sẽ bùng nổ một cách không nhiễu loạn gần vùng cực tím, và do đó không có lý thuyết trường lượng tử nhiễu loạn nào sẽ áp dụng cho các hệ thống như vậy. Bởi vì sự đồng thuận phổ quát này giữa các chuyên gia nên không ai nhận ra rằng tất cả những lập luận này đều sai. Tại sao phản chứng sai trái này lại không làm tôi nản lòng? Có thể vì quyết tâm của Veltman cho rằng phải có điều gì đó đúng về lý thuyết trường lượng tử đã ảnh hưởng lên tôi. Nhưng khi còn là sinh viên, tôi cũng đã học để chỉ tin vào những lập luận mà tôi thực sự có thể hiểu được.
Những gì tôi hiểu được từ các bài giảng của Cargèse là việc tái chuẩn hóa phức tạp và tinh tế. Ít nhất vào thời điểm này tôi có thể đồng ý với thầy của tôi, Veltman. Khi tôi trở lại Utrecht, nhiệm vụ của ông dành cho tôi là trước tiên tôi nên nghiên cứu hệ thống Yang-Mills thuần túy (pure), không có gì tương tự như cơ chế Higgs tạo ra khối lượng. Không có nhiều tài liệu về đề tài này, ngoại trừ một số bài báo rất tao nhã của Richard Feynman, Bryce DeWitt và của Ludwig D. Faddeev và đồng nghiệp Victor N. Popov của ông tại Leningrad. Nhưng một số bài báo dường như mâu thuẫn nhau, và vì vậy tôi bắt đầu thu thập các mẫu thông tin mà tôi có thể hiểu được.
Tôi đã học được cách xây dựng (formulate) các quy tắc Feynman cho các hạt Yang-Mills, và tôi đã học được rằng sự khác biệt giữa các bài báo khác nhau chỉ là một điều dễ thấy này: bạn có thể thực hiện các phép chuyển đổi chuẩn (gauge transformations) để liên hệ một cái này đến một cái khác. Tôi nghĩ tôi đã có những tiến bộ to lớn trong việc xây dựng quy trình chuẩn hóa chính xác cho trường hợp này, nhưng Veltman có nhiều chống đối. Sau những cuộc thảo luận kéo dài, những điều đã đem lại cho tôi thêm nhiều nhận thức hơn, bài báo cáo đầu tiên của tôi được công bố. Tôi đã suy ra được các đẳng thức (identities) giữa các biên độ mà sau đó đã được sử dụng bởi A.A. Slavnov và J.C. Taylor để suy ra được các đẳng thức tổng quát hơn, và những tham khảo đầu tiên của họ tới công trình của tôi làm tôi cảm thấy rất tự hào. Tên gọi chung được chấp nhận cho những đẳng thức này sẽ là “Các đẳng thức Slavnov-Taylor”.
Sau khi học được rất nhiều về việc tái chuẩn hóa các trường Yang-Mills không khối lượng (massless), thì việc làm tương tự cho các lý thuyết với cơ chế Higgs là tương đối dễ dàng. Nhưng chính nhờ bài báo thứ hai này mà tôi đã gây chú ý trên toàn thế giới. Veltman nhận ra rằng bây giờ vấn đề mà ông nghiên cứu trong nhiều năm đã được giải quyết, và ông rất phấn khởi. Là một trong những nhà tổ chức hội nghị quốc tế về vật lý hạt ở Amsterdam năm 1971, ông quyết định sử dụng con tốt mới của mình (là tôi) trong cuộc chiến cho sự công nhận lý thuyết Yang-Mills, đã cho tôi nói 10 phút (nhưng không có chỗ nào trong Proceedings) để giải thích các kết quả mới của chúng tôi. Một giai đoạn hợp tác chuyên sâu tiếp theo. Cùng nhau, chúng tôi đã nghiên cứu cái được gọi là kỹ thuật tái chuẩn hóa có thứ nguyên (dimensional renormalization). Chắc chắn, công việc tôi đã làm được coi là đủ tốt để lấy bằng tiến sĩ, và tôi đã tốt nghiệp năm 1972.
Đây cũng là năm kết hôn của tôi. Trong khi tôi đang khám phá những điều tuyệt vời về vật lý, thì tôi cũng đã khám phá ra người mà tôi muốn kết hôn: Bà Albertha A. Schik (Betteke). Cô đã lớn lên ở thị trấn Wageningen, và đã học y khoa tại Đại học Utrecht.
***
Chúng tôi đến CERN, Geneva, nơi tôi có một học bổng, và Betteke có thể bắt đầu công việc của cô để có được chứng chỉ như là một chuyên gia gây mê, tại Bệnh viện Bang của thị trấn Geneva. Một ngày trước khi cô gặp các cấp trên và các đồng nghiệp mới ở đó, chúng tôi đã có chuyến đi núi Mont Blanc; trên đường về chúng tôi đã bị một tai nạn xe hơi nhẹ, và cô ấy bị gãy một xương trong bàn chân. Việc nhập viện của cô sẽ được ghi nhớ.
Veltman cũng đến CERN, và cùng nhau chúng tôi tinh luyện các phương pháp của chúng tôi cho lý thuyết Yang-Mills. Chúng tôi rất vui mừng với tác động tuyệt vời mà các lý thuyết của chúng tôi đạt được. Từ năm 1971 trở đi, tất cả các lý thuyết cho sự tương tác yếu đã được đề xuất là lý thuyết Yang-Mills. Các thí nghiệm được thiết lập nhằm mục đích chọn ra những lý thuyết của Yang-Mills nào là chính xác. Một trong những mô hình đơn giản nhất tiếp tục thành công; thỉnh thoảng một số hạt được thêm vào, nhưng cấu trúc cơ bản của nó vẫn như cũ.
Tại CERN, tôi đã trở nên quan tâm đến vấn đề “giam” quark (confinement). Tôi không thể hiểu nổi tại sao không một nhà lý thuyết chuyên gia nào có thể chấp nhận lý thuyết trường lượng tử cho các hạt quark. Khi tôi hỏi họ, tại sao không chỉ là một lý thuyết Yang-Mills thuần túy, họ nói rằng lý thuyết trường không nhất quán với những gì J.D. Bjorken đã tìm ra về thang tỷ lệ (Bjorken scaling) trong các tương tác mạnh. Điều này làm tôi ngạc nhiên, bởi vì khi tôi tính toán các đặc tính thang tỷ lệ của các trường Yang-Mills, chúng dường như chính là những gì chúng ta cần. Tôi đơn giản không thể tin được rằng không ai ngoài tôi biết lý thuyết Yang-Mills có thang tỷ lệ như thế nào. Tôi đã đề cập đến kết quả của tôi bằng miệng tại một hội nghị nhỏ ở Marseille, năm 1972. Người duy nhất lắng nghe những gì tôi nói là Kurt Symanzik. Ông thúc giục tôi công bố kết quả về thang tỷ lệ. Nếu bạn không làm vậy, “người khác sẽ làm”, ông cảnh báo. Tôi đã bỏ qua lời khuyên nhạy cảm của ông. Tôi cũng đã làm một nhận xét về thang tỷ lệ trong bài báo năm 1971 về các trường Yang-Mills nặng (massive). Nhưng không ai để ý đến.
***
Veltman nói với tôi rằng lý thuyết của tôi sẽ không có giá trị nếu tôi không thể giải thích tại sao các quark không thể bị cô lập được. Ông chú trọng hơn đến một dự án khác mà chúng tôi đã bắt tay vào: chúng tôi đã bắt đầu một cuộc tính toán dài hạn liên quan đến khả năng tính tái chuẩn hóa được của các mô hình hấp dẫn lượng tử (quantum gravity). Mặc dù tái chuẩn hóa hoàn toàn sẽ không bao giờ có thể, nó vẫn còn giá trị để nghiên cứu các lý thuyết ở mức một vòng lặp (one-loop level), và có một số điều quan trọng cần phải học. Công việc của chúng tôi sẽ được tiếp tục bởi Stanley Deser và một nghiên cứu sinh tiến sĩ của Veltman, Peter von Nieuwenhuizen, người đã phát hiện ra các mẫu (patterns) trong các số hạng đối kháng tái chuẩn hóa (renormalization counter terms), điều này sẽ dẫn tới việc khám phá ra các lý thuyết siêu hấp dẫn.
Nhưng tôi cũng tiếp tục nghĩ đến các lý thuyết chuẩn cho tương tác mạnh. Giam quark thực sự là một vấn đề, và tôi bắt đầu làm việc về nó. Đó là câu hỏi dẫn tôi khám phá các giải pháp đơn cực từ (magnetic monopoles) trong lý thuyết Higgs, hành vi (với) N lớn (large N behaviour) cho các lý thuyết với N màu (thay vì 3, số vật lý), và sau đó là những hiệu ứng rất quan trọng do các instantons. Trong thời gian này, các tính chất thang tỷ lệ được tái khám phá bởi H. David Politzer và David Gross và Frank Wilczek năm 1973, những người bây giờ đã nhận ra rằng điều này đã làm vô hiệu hóa các phản đối lâu đời chống lại các lý thuyết đơn giản, thuần túy Yang-Mills cho các tương tác mạnh. Lý thuyết thuần túy của Yang-Mills với nhóm chuẩn SU (3) cuối cùng đã được chấp nhận như một lời giải thích khả thi nhất cho tương tác mạnh, và nó đã nhận được cái tên đẹp “Quantum Chromodynamics” (QCD, Sắc động học lượng tử).
***
Năm 1974, chúng tôi trở lại Utrecht. Tôi được cấp cho một chức giáo sư trợ lý ở đó. Tôi đã đạt tiến bộ trong sự hiểu biết hiện tượng giam như là một hiệu ứng do sự ngưng tụ Bose của các đơn cực từ-màu (colour-magnetic monopoles). Một quan sát quan trọng của Kenneth Wilson là sự giam giữ vĩnh cửu của quark xuất hiện tự nhiên nếu người ta thực hiện việc triển khai 1/g (expansion) thay vì sự triển khai g trong các lý thuyết chuẩn, với điều kiện là một cắt giảm mạng (lattice cut-off) được sử dụng. Chúng ta bắt đầu thấy được cấu trúc topo cực kỳ phong phú của các lý thuyết chuẩn (gauge theories), và những hệ quả của nó đối với hệ thống lượng tử (quantized system).
Năm 1976, tôi là khách mời tại Harvard (Chương trình diễn thuyết Morris Loeb) và Stanford. Tôi đã nghiên cứu vấn đề liệu các hiệu ứng tinh tế do các instanton (các cấu hình trường bị xoắn về mặt tôpô, những thứ sẽ có một vai trò trong sắc động học lượng tử) gây ra sẽ còn tồn tại khi áp dụng một sự triển khai nhiễu loạn được tái chuẩn hóa. Điều này đã dẫn tới một trong những tính toán phức tạp nhất mà tôi từng làm: hiệu chỉnh một-vòng (one-loop correction) cho các instanton. Hóa ra rằng các instanton trong QCD có những đóng góp hữu hạn và rành mạch cho các biên độ. Chúng tạo ra một sự xoắn (twist) cho cấu trúc đối xứng khiến cho nhiều bí ẩn trong các dữ liệu thực nghiệm liên quan đến đối xứng gương (chiral) cuối cùng đã được giải quyết, bí ẩn đáng chú ý nhất là các vấn đề với hạt eta, đã đề cập trước. Nhiều bạn bè và đồng nghiệp của tôi tại Harvard, MIT và Princeton như Roman Jackiw, Sidney Coleman và David Gross cũng như các nhà vật lý ở nơi khác (Moscow), sinh viên và postdocs đã tham gia vào cuộc chơi làm sáng tỏ những bí mật của các instanton và đơn cực. Trong thời gian đó, con gái đầu lòng của tôi, Saskia Anne, được sinh ra, tại Boston. Khi tôi trở lại Utrecht, tôi được bổ nhiệm làm giáo sư thực thụ ở đó. Con gái thứ hai, Ellen Marga, sinh ra tại Utrecht năm 1978.
***
Những năm sau đó tôi đã dành nhiều năng lượng và sáng tạo để làm sáng tỏ hơn về vấn đề giam quark. Việc giải quyết gọn gàng cho QCD mà tôi hy vọng tìm được đã không trở thành thực tế, nhưng vào đầu những năm 1980, cơ chế cơ bản của hiện tượng này đã trở nên rõ ràng. QCD có thể được xử lý theo phương pháp số khi cắt giảm mạng được sử dụng, và ngày nay các độ chính xác gia tăng đang đạt được bởi các nhà nghiên cứu khi họ sử dụng phần cứng và phần mềm ngày càng được cải tiến. Các vấn đề còn lại có vẻ là những vấn đề toán học chứ không phải vật lý. QCD đã trở thành một phần không thể tách rời của Mô hình Chuẩn. Tôi quyết định quay trở lại nhiều câu hỏi bỏ ngỏ liên quan đến vật lý của mô hình này.
Tôi đau buồn khi thấy vì lý do cá nhân Veltman rời Utrecht vào năm 1981. Những vấn đề sâu thẳm còn để mở trong Mô hình chuẩn thì sao? Nhiều đồng nghiệp của tôi đồng ý rằng siêu đối xứng, một mối quan hệ đối xứng giữa các hạt có các spin khác nhau, sẽ đóng một vai trò thiết yếu. Tôi đã chứng kiến siêu đối xứng được khai sinh thế nào, khi nhìn lại những năm đầu của thập niên 1970 tại CERN. Bruno Zumino và Julius Wess đã sản xuất những bài báo hấp dẫn, trong khi Van Nieuwenhuizen và Sergio Ferrara, và nhiều người khác đạt được những tiến bộ về đề tài siêu hấp lực. Nhưng “lý thuyết cha mẹ” (hàm ý M-theory, ND) siêu đối xứng thì ra sao? Làm thế nào và tại sao siêu đối xứng bị phá vỡ để giải thích thế giới như chúng ta quan sát ngày hôm nay? Liệu chúng ta có thực sự tin rằng có hàng chục loại hạt gọi là “siêu đồng hành”, mà không hạt nào trong số đó đã từng được nhìn thấy? Những câu hỏi như vậy làm cho tôi cảm thấy không thoải mái với các lý thuyết siêu đối xứng.
Không nghi ngờ gì, câu trả lời đúng đắn phải đến từ sự sát nhập lực hấp dẫn. Thoạt nhìn, dường như khó có thể tin rằng một lực cực kỳ yếu lại có thể gây ra nhiều tàn phá trong việc xây dựng lý thuyết như Mô hình Chuẩn. Tuy nhiên, điểm quan trọng là nếu lực hấp dẫn thật sự tương ứng với độ cong của không gian và thời gian, như chúng ta phải kết luận từ những thành công của thuyết tương đối rộng của Einstein, thì cơ học lượng tử tiên đoán các dao động lượng tử trong độ cong này, những cái mà ở những thang khoảng cách nhỏ nhất (tiniest distance scales), sẽ phát triển vượt ra ngoài tầm kiểm soát. Điều này có nghĩa là lý thuyết hấp dẫn, hoặc cơ học lượng tử, hoặc cả hai, phải được thay thế bởi một mô hình cao cấp (superior paradigm) khi chúng ta muốn mô tả vật lý ở các thang khoảng cách nhỏ hơn 10-33 CM. Bất kể mô hình này là gì, nó có thể sẽ hoàn toàn cải cách sự hiểu biết của chúng ta về các tương tác cơ bản, trả lời tất cả các câu hỏi hiện tại của chúng ta cùng một lúc.
***
Năm 1984, cuộc cách mạng siêu dây (superstring revolution) diễn ra. Nhiều người trong số các đồng nghiệp của tôi bị mê hoặc bởi sự ăn khớp của các cấu trúc toán học mà họ nhìn thấy trong lý thuyết này. Đây có phải là những gì chúng ta đang tìm kiếm không, một mô hình mới tạo ra lực hấp dẫn và sự thống nhất rõ ràng hoàn chỉnh của tất cả các tương tác?
Nhưng đối với tôi, các lý thuyết siêu dây đặt ra nhiều vấn đề mới hơn chúng có thể giải quyết được; tôi vẫn không thể hiểu được sự ăn khớp logic của những ý tưởng này. Cấu trúc khoảng cách ngắn cũng bí ẩn như trước đây và sức mạnh tiên đoán của các lý thuyết này là đáng thất vọng, ấy là nói cho nhẹ nhàng. Tôi quyết định thử một con đường khác. Khi Stephen Hawking phát hiện ra rằng các lỗ đen sẽ phát xạ do các hiệu ứng lý thuyết trường lượng tử, điều này đối với tôi dường như là một điểm khởi đầu vững chắc hơn. Hố đen phải chăng là các hạt cơ bản? Các hạt cơ bản là hố đen? Tôi đã choáng váng khi biết rằng kết quả của Hawking sẽ đặt hố đen vào một phạm trù hoàn toàn khác với bất kỳ loại vật chất bình thường nào. Nếu là như vậy, thì những định luật vật lý cho các hố đen chính xác là gì? Câu trả lời là các lý thuyết hiện tại là “lơ lửng” (inconclusive). Chúng sẽ xung đột nhau. Chúng sẽ dẫn tới một nghịch lí có thể được coi là cơ bản như nghịch lý mà cách đây một thế kỷ đã khiến Max Planck tu chỉnh lại định luật về bức xạ của vật thể đen (black body) và chính điều đó cuối cùng đã sinh ra cho chúng ta Cơ học lượng tử. Bằng cách nghiên cứu nghịch lý này, tôi hy vọng sẽ chạm đến một cái gì đó cũng vĩ đại như thế. Khỏi phải nói, tôi cần có nhiều may mắn hơn trong hệ thống xổ số bình thường. Đây là một bài toán khó khăn, và nó vẫn chưa được giải quyết. Để minh họa bản chất nghịch lý của bài toán chúng ta, tôi đã trình bày một đặc điểm của các độ tự do hấp dẫn lượng tử (quantum gravitational degrees of freedom), cái, qua cuộc thảo luận với Leonard Susskind, được gọi là “Nguyên lý toàn ảnh” (Holographic Principle).
Trong một thời gian dài, tôi là một trong một nhóm nhỏ những người ngông cuồng nghiên cứu các lỗ đen lượng tử. Nhưng lý thuyết siêu dây đã bắt nhịp. Như tôi đã mong đợi, lý thuyết siêu dây không nằm trong tầm tay của “lý thuyết cuối cùng” của những người nghiện ngập đã tiên đoán, nhưng nó đã trải qua những thay đổi cơ bản. Các màng (membrane) của các tính thứ nguyên (dimenstionality) khác nhau (gọi là “p-branes”) đã được thêm vào, và bây giờ đã có một cánh cửa được hé mở để nghiên cứu hố đen trong lý thuyết dây. Đột nhiên, tôi thấy mình đã gần như trở lại trong “dòng chính” của vật lý học: các nhà lý thuyết dây giờ đây đang nhìn thấy “nguyên lý toàn ảnh” ở khắp nơi. Tuy nhiên, giải pháp cho các bài toán của chúng ta, làm cho lực hấp dẫn hoàn toàn phù hợp với cơ học lượng tử, là vẫn chưa đạt được. Chừng nào vẫn còn là như thế, chúng ta sẽ không thể đưa ra các dự đoán có thể kiểm tra được liên quan đến các chi tiết bí ẩn của Mô hình Chuẩn./.
(Nguồn: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1999/thooft-bio.html)
