Vật lý hạt nhân mang lại cho chúng ta điều gì?

106

Năm nay đánh dấu kỷ niệm 108 năm ngày sinh của ngành vật lý hạt nhân, khi những thí nghiệm của Ernest Rutherford, Hans Geiger và Ernest Marsden tại Đại học Manchester đã dẫn họ đến kết luận rằng các nguyên tử gồm hạt nhân nhỏ điện tích dương có các electron điện tích âm quay xung quanh.

Vật lý hạt nhân
(Joel Kramer, CC BY 2.0)

Năm nay cũng là kỷ niệm lần thứ 75 quả bom hạt nhân đầu tiên ném xuống Hiroshima. Mặc dù những khám phá của họ đã dẫn đến sự khai thác năng lượng hạt nhân như là một thứ vũ khí, không nên quên rằng mục đích của các thí nghiệm của Rutherford, Geiger và Marsden, cũng như của nhiều nhà nghiên cứu khoa học, đơn giản là để hiểu được tự nhiên. Và họ đã thành công trong việc này, mang đến cho chúng ta một nhận thức mãi mãi thay đổi cách chúng ta nhìn nhận thế giới, và dẫn nhiều điều tốt đẹp.

Vật lý hạt nhân, một cửa sổ của thế giới

Nhiều ngành khoa học và công nghệ đã sinh ra từ mô hình hạt nhân nguyên tử. Nó thúc đẩy nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr phát triển lý thuyết lượng tử mới ra đời thành môn cơ học lượng tử hoàn chỉnh, có thể mô tả cách các nguyên tử vận hành. Điều đó lần lượt mở đường cho rất nhiều công nghệ hiện đại, tất nhiên, không kém phần quan trọng trong số đó là chip silicon và tin học.

Vật lý hạt nhân
(Tighef, CC BY-SA 3.0)

Các thí nghiệm của Rutherford bắn phá hạt nhân của những nguyên tử heli bằng hạt nhân khác, đưa đến lợi ích thực tế từ việc phân rã phóng xạ tạo ra các hạt alpha bền thoát ra từ những hạt nhân.

Để dự phòng cho việc thử lại nhiều hơn nữa, các máy gia tốc hạt được phát triển để bắn phá các cấu trúc cơ bản của vật chất như hạt alpha, hạt proton, electron hoặc các đối tượng khác. Vào thời điểm đó họ không biết là đã khởi động toàn bộ lĩnh vực nghiên cứu hiện nay gọi là vật lý phân tử. Các thế hệ cháu chắt của những máy gia tốc đầu tiên là các thiết bị như CERN Large Hadron Collider, từ đó đã phát hiện hạt Higgs vào năm ngoái, chúng ta đang nhích lại gần hơn việc nhận thức vũ trụ.

Nhận thức về nguyên tử thấm đẫm mọi thứ

Một thế kỷ là một thời gian dài trong khoa học, và mọi thứ chuyển động một cách nhanh chóng. Cách đây không lâu tất cả chúng ta đã có các máy gia tốc hạt trong nhà – những ống tia cathode trong TV. Những thứ này đã được thay thế bằng các màn hình LCD, LED và plasma, những phát minh dựa trên sự phát triển các công nghệ lượng tử.

Có lẽ ứng dụng phổ biến nhất của máy gia tốc hạt hiện nay là các máy xạ trị điều trị ung thư tại các bệnh viện.

Ngoài ra, vật lý hạt nhân là giải pháp cho, ít nhiều, tất cả chẩn đoán hình ảnh, chẳng hạn  như tia X, PET, CT, MRI, NMR, SPECT và các kỹ thuật khác cho phép chúng ta nhìn vào bên trong cơ thể mà không động đến dao kéo.

Nếu bạn đã từng được hưởng lợi từ một trong những điều này, là nhờ nhiều người, nhất là những nhà vật lý hạt nhân tiên phong, những người luôn băn khoăn tự hỏi “công cụ này là gì?” Và “điều gì sẽ…nếu …?”.

Từ các trạm gieo hạt đến phương pháp tính toán bằng cácbon

Cách đây 70 năm, những quả bom ném xuống Hiroshima và Nagasaki, những công dụng nổi tiếng nhất này của vật lý hạt nhân, đã làm chấn động thế giới. Các quá trình hạt nhân cực kỳ mạnh mẽ và có thể được điều khiển để tạo ra sức mạnh bùng nổ tàn phá. Tuy nhiên, những quả bom nguyên tử của Thế chiến II quá mờ nhạt so với sức hủy diệt của vũ khí nhiệt hạch hiện đại, bắt chước theo các phản ứng hạt nhân đang diễn ra ở các ngôi sao.

Trung tâm nghiên cứu vật lý hạt nhân
Trung tâm nghiên cứu vật lý hạt nhân. (Dave Croker, CC BY SA 2.0)

Điều ít được biết đến hơn là những ứng dụng của vật lý hạt nhân trong các ngành khoa học về trái đất. Những hiểu biết về vật lý hạt nhân giúp chúng ta biết được nhiệt độ kỷ lục trong lịch sử trái đất, qua việc nghiên cứu tỷ lệ các chất đồng vị oxy trong lõi băng ở Greenland và Nam Cực. Theo dõi chất đồng vị giúp chúng ta hiểu được dòng chảy của các dòng hải lưu, bản chất của các tầng chứa nước ở những nơi khan hiếm nước trên thế giới, sự di cư của cư dân loài người đã chết từ lâu, và sự tiến hóa về mặt địa chất của trái đất cũng như những gì đang xảy ra trong các vì sao.

Thật khó để thoát khỏi những rối rắm lúng túng trong một lĩnh vực nghiên cứu khoa học rồi đặt nó riêng ra. Các từ ngữ chúng ta sử dụng để tách riêng việc này với việc kia chỉ để giúp con người phân loại chúng – thiên nhiên không nhìn nhận theo cách ấy. Vật lý hạt nhân  liên kết chặt chẽ với khoa học và công nghệ, và tác động về văn hóa và xã hội trong thế kỷ qua đan xen với tất cả những thứ chúng ta biết và sử dụng – chúng ta nên biết ơn nó, chứ không phải là sợ nó.

Tác giả: Paul Stevenson, University of Surrey | Dịch giả: Xuân Dung

Xem thêm: