Tia vũ trụ: Bằng chứng đầu tiên

Nhà vật lý người Áo Victor Hess thường được cộng đồng khoa học chính thức ghi nhận là người khám phá ra tia vũ trụ. Ông đã giành giải Nobel Vật lý năm 1936 cho công trình nghiên cứu của mình. Tuy nhiên, rất nhiều người sống cùng thời với Hess đã có những đóng góp đáng kể cho khám phá này, trong đó bao gồm nhà vật lý Theodor Wulf.

Wulf sinh ra tại Đức vào tháng 7/1868. Ông trở thành một linh mục Dòng Tên năm 20 tuổi và bắt đầu học vật lý tại Đại học Göttingen. Sau khi tốt nghiệp, ông giảng dạy và làm các thí nghiệm vật lý tại một trường Đại học Dòng Tên trong vài năm. Ông nhanh chóng bị thu hút bởi cuộc tranh luận khoa học đang diễn ra sôi nổi khi đó về nguồn gốc của bức xạ ion hóa trong bầu khí quyển của Trái đất, cụ thể là nó có nguồn gốc từ đất liền hay đến từ không gian.

Các nhà khoa học đã sử dụng điện kế lá vàng (gold leaf electrometer) để đo cường độ bức xạ này trong nhiều thí nghiệm. Tuy nhiên, thiết bị dù được cách điện tốt đến đâu vẫn luôn bị mất điện tích do bức xạ bên ngoài bắn phá liên tục.

Wulf nghĩ rằng các thiết bị hiện có không đủ chính xác để đo cường độ bức xạ bên ngoài phòng thí nghiệm, do việc di chuyển thiết bị dễ dàng làm hỏng những lá vàng. Vì vậy, ông đã thiết kế chiếc điện kế của riêng mình. Ông sử dụng một cặp sợi thạch anh phủ bạch kim dẫn điện thay cho các lá vàng. Ông đặt các dây dẫn trong một hình trụ thẳng đứng để loại trừ sự hao tổn điện tích do khí bị ion hóa xung quanh thiết bị.

Một cách để xác định nguồn bức xạ có nguồn gốc từ Trái đất hay vũ trụ là đo xem nó có giảm theo độ cao hay không. Vì vậy, Wulf đã sử dụng điện kế cải tiến của mình để thực hiện các phép đo cường độ bức xạ ở một số địa điểm – ví dụ như dưới chân núi Matterhorn, cũng như trong các mỏ đá phấn gần Valkenburg và bên trong những hang động ở Bỉ.

Kết quả của các phép đo có sự biến thiên khá lớn. Tuy nhiên, một trong những thí nghiệm của Wulf sử dụng điện kế chìm trong nước cho thấy mức độ ion hóa giảm xuống. Từ đó, Wulf nghi ngờ rằng một số loại bức xạ từ có nguồn gốc từ không gian đã ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.

Hai phép đo độc lập diễn ra trên một khinh khí cầu vào năm 1909 đã cung cấp những bằng chứng khác liên quan đến vấn đề này. Các nhà khoa học dự đoán, cường độ bức xạ ở độ cao lớn sẽ giảm xuống nếu nó thực sự chỉ có nguồn gốc từ mặt đất. Khi tiến hành đo đạc trên khinh khí cầu, nhà vật lý Albert Gockel đã quan sát thấy sự sụt giảm cường độ bức xạ nhỏ hơn dự kiến và ông cho rằng đây là manh mối cho thấy bức xạ cũng có nguồn gốc từ không gian. Tuy nhiên, một nhà vật lý khác tên là Karl Bergwitz đã đo mức sụt giảm lớn hơn mong đợi.

Để khắc phục nguyên nhân gây ra sự khác biệt trong các kết quả đo trên khinh khí cầu, Wulf quyết định mang điện kế do ông tự chế tạo đến Tháp Eiffel và thực hiện những phép đo mới vào lễ Phục sinh năm 1910. Thử nghiệm này giúp loại bỏ hiệu ứng gây nhiễu do chuyển động của khinh khí cầu ảnh hưởng đến các phép đo bức xạ. Ông so sánh các kết quả đo ở đỉnh tháp với chân tháp và tại nhà riêng ở Valkenburg. Ông công bố chi tiết những phát hiện của mình trên tạp chí Physikalische Zeitschrift vào ngày 15/9/1910.

Wulf nhận thấy cường độ bức xạ ở đỉnh tháp Eiffel chỉ thấp hơn một chút so với chân tháp. Theo ước tính của các nhà khoa học trước đó, cường độ bức xạ giảm 50% khi di chuyển lên cao 80m. Tháp Eiffel cao 200m, vì vậy nếu bức xạ chỉ có nguồn gốc từ mặt đất thì cường độ ở đỉnh lẽ ra phải thấp hơn nhiều.

“Kết quả thí nghiệm đã loại trừ khả năng bức xạ có nguồn gốc hoàn toàn từ lớp vỏ Trái đất”, Wulf kết luận.

Hiện tại, giới khoa học công nhận đây là bằng chứng cụ thể đầu tiên cho sự tồn tại của các tia vũ trụ. Nhưng vào thời điểm đó, các đồng nghiệp của Wulf đã bác bỏ những nỗ lực của ông.

Công bằng mà nói, có một số vấn đề liên quan đến việc Wulf lựa chọn Tháp Eiffel cho các thí nghiệm của mình. Bản thân ông cũng thừa nhận rằng, cấu trúc kim loại có thể thu hút các hạt phóng xạ như một nguồn bức xạ bổ sung, làm nhiễu kết quả đo đạc. Ông cũng không thể loại trừ hoàn toàn các hiện tượng chưa được biết đến, khiến bức xạ mặt đất không bị không khí hấp thụ nhiều.

Ngay sau khi Wulf công bố những phát hiện của mình, Victor Hess đã thực hiện một loạt các phép đo bức xạ trên cao từ một khinh khí cầu cả ngày lẫn đêm, trong suốt khoảng thời gian ba năm. Một số nhà khoa học khác đã gắn thiết bị của họ lên bóng bay để ghi lại quá trình ion hóa ở độ cao lớn hơn, nhưng họ không thể đưa ra kết luận cuối cùng do lỗi thiết bị đo đạc.

Hess đã cải tiến thiết kế của các thiết bị để chúng có thể chịu được sự thay đổi nhiệt độ và áp suất. Ông xác định rằng cường độ bức xạ tăng lên đáng kể ở độ cao lớn [khi đo bằng khinh khí cầu], và các phép đo của ông vào thời điểm diễn ra hiện tượng nhật thực đã loại trừ khả năng Mặt trời là nguồn phát của những tia vũ trụ này. Hess chia sẻ giải Nobel Vật lý năm 1936 cùng với nhà khoa học Carl Anderson cho phát hiện sau này về phản hạt positron.

Đáng tiếc là Wulf không được trao giải Nobel khi tìm ra bằng chứng đầu tiên về bức xạ vũ trụ. Nhưng ít nhất ông không đơn độc khi để mất giải Nobel về vấn đề này. Một nhà khoa học khác tên là Domenico Pacini đã có phát hiện tương tự vào cùng thời điểm với Hess.

Pacini không sử dụng khinh khí cầu để đo mức độ bức xạ thay đổi trong khí quyển. Thay vào đó, ông tiến hành các thí nghiệm ở dưới mặt nước. Ông đặt dụng cụ đo vào bên trong một hộp đồng và thả nó xuống đáy Vịnh Livorno. Ông nhận thấy bức xạ ở dưới đáy vịnh có cường độ thấp hơn đáng kể so với bề mặt, vì vậy vỏ Trái đất không thể là nguồn phát tia vũ trụ. Thật không may, Pacini qua đời vào năm 1934 và giải Nobel không thể được trao cho người đã khuất.