Gamow & Alpher: Giải mã nguồn gốc các nguyên tố hóa học

Vào ngày 1/4/1948, Ralph Alpher và George Gamow đã công bố bài báo có tựa đề “Nguồn gốc các nguyên tố hóa học” trên tạp chí Physical Review. Mặc dù một tác giả khác là Hans Bethe không thực sự đóng góp cho công trình nghiên cứu, nhưng ông cũng được ghi danh là đồng tác giả của bài báo này.

Giới khoa học đánh giá đây là một khám phá rất quan trọng. Trong đó, Alpher và Gamow đã giải thích mối liên hệ giữa các điều kiện khắc nghiệt trong thời gian ngắn ngay sau Vụ nổ lớn (Big Bang) và sự phong phú quan sát được của các nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ.

Nhà vật lý George Gamow sinh ra ở Odessa, Liên Xô năm 1904 (ngày nay thuộc lãnh thổ của Ukraine). Sau khi nhập cư vào Mỹ năm 1934, ông tham gia công tác giảng dạy tại Đại học George Washington ở Washington DC.

Vào đầu những năm 1940, Gamow triển khai một số nghiên cứu để giải thích sự tồn tại của các nguyên tố hóa học. Người ta đã chứng minh rằng trong lõi của ngôi sao, các hạt nhân hydro hợp nhất để tạo thành heli. Nhưng quá trình này xảy ra quá chậm để giải thích cho sự phong phú của heli trong vũ trụ (cứ 10 nguyên tử hydro thì có khoảng 1 nguyên tử heli). Gamow tự hỏi liệu trạng thái và điều kiện môi trường của vũ trụ sơ khai có thể tạo ra heli và các nguyên tố khác hay không.

Nghiên cứu này cần kiến thức về vật lý hạt nhân, nhưng hầu hết các nhà vật lý hạt nhân ở Mỹ vào thời điểm đó đã được tuyển dụng vào dự án Manhattan để chế tạo bom nguyên tử – loại bom hoạt động dựa vào phản ứng phân hạch. Vì vậy, Gamow đã khá đơn độc trong việc nghiên cứu vấn đề tổng hợp hạt nhân.

Đầu tiên, Gamow tiến hành ước lượng mật độ vật chất trong vũ trụ. Bằng cách xem xét ngược lại quá trình giãn nở của vũ trụ, ông đã phỏng đoán vũ trụ sơ khai trông như thế nào. Sau đó, ông cố gắng tính toán khả năng xảy ra các phản ứng hạt nhân trong vũ trụ thuở ban đầu. Các điều kiện môi trường liên tục thay đổi khi vũ trụ giãn nở, vì vậy những phép tính trở nên rất phức tạp. Do bản thân không thành thạo các phép tính toán học, Gamow đã nhờ đến sự giúp đỡ của Alpher – một nghiên cứu sinh tại nơi Gamow đang giảng dạy.

Họ hình dung giai đoạn đầu của vũ trụ chứa các neutron như một loại khí đặc và cực kỳ nóng [thứ mà họ gọi là “ylem”, một từ cổ xưa dùng để chỉ vật chất]. Khi vũ trụ giãn nở, các neutron bị nén trong môi trường nhiệt độ cao sẽ phân rã thành một hỗn hợp chứa proton, electron và neutrino. Sau đó, các proton kết hợp với một số neutron còn lại để tạo thành deuterium (một đồng vị bền của hydro). Quá trình kết hợp thêm với các neutron khác sẽ tạo ra những hạt nhân nguyên tử ngày càng nặng hơn. Quá trình này sẽ tiếp tục trong lúc vũ trụ giãn nở cho đến khi nó quá nguội để có thể xảy ra các phản ứng tiếp theo.

Để thực hiện những tính toán về các phản ứng tổng hợp hạt nhân, Gamow và Alpher đã sử dụng một số máy tính điện tử kỹ thuật số đầu tiên được phát triển trong cuộc Chiến tranh Thế giới lần thứ hai.

Các kết quả tính toán của Gamow và Alpher phù hợp với những quan sát về sự phong phú của nguyên tố heli trong vũ trụ. Do khá hài lòng với kết quả nghiên cứu mới, họ ăn mừng bằng một chai rượu được Gamow gắn nhãn lại là “ylem”.

Gamow là một người hài hước, vì vậy ông đã thêm tên của người bạn Hans Bethe [người được biết đến với công trình nghiên cứu về phản ứng hạt nhân trong các ngôi sao] vào bài báo. Cuối cùng, các tác giả bao gồm Alpher, Bethe và Gamow – một cách chơi chữ liên quan đến ba chữ cái đầu tiên trong bảng chữ cái Hy Lạp.

Alpher, với tư cách là một nghiên cứu sinh đang cố gắng tạo dựng tên tuổi cho bản thân, đã phản đối việc Gamow thêm tên của Bethe vào bài báo. Alpher lo ngại sự nổi tiếng của Bethe sẽ làm lu mờ những đóng góp quan trọng của anh ấy đối với nghiên cứu. Tuy nhiên, Gamow vẫn quyết định xuất bản nó với tên đồng tác giả Bethe, bất chấp sự phản đối của Alpher.

Bài báo nói trên sau này được gọi tắt là alpha-beta-gamma (αβγ). Nó không chỉ giải thích nguồn gốc của các nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ, mà còn giúp giới khoa học hoàn thiện mô hình Vụ nổ lớn kể từ khi Edwin Hubble tìm ra bằng chứng cho thấy vũ trụ đang giãn nở và các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta theo mọi hướng. Năm 1929, Hubble trong lúc đang nghiên cứu các thiên hà xa xôi, ông nhận thấy một hiệu ứng thú vị. Ánh sáng do chúng phát ra có sự dịch chuyển về phía đỏ của quang phổ điện từ. Ông lập luận rằng điều này chỉ có thể xảy ra nếu ánh sáng truyền qua không gian đang giãn nở.

Ngày nay, chúng ta biết rằng hầu hết các nguyên tố hóa học thực sự không thể được tạo ra bởi quá trình kết hợp liên tiếp proton với các neutron mà Gamow và Alpher đề xuất vì không có hạt nhân ổn định với 5 nucleon [thuật ngữ nucleon chỉ các hạt cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử bao gồm neutron và proton]. Do đó, sự hình thành các nguyên tố nặng hơn nhiều so với heli cần có sự tham gia của phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra bên trong lõi của các ngôi sao và chúng chỉ được giải phóng khi ngôi sao kết thúc vòng đời của nó. Tuy nhiên, lý thuyết của Gamow và Alpher đã giải thích một cách chính xác sự phong phú của hydro và heli, chúng cùng nhau chiếm hơn 99% vật chất đã biết trong vũ trụ.

Sau khi biết đến bài báo nổi tiếng αβγ, khoảng 300 người [bao gồm cả các nhà khoa học và phóng viên báo chí] đã chen chúc nhau để tham dự sự kiện Alpher bảo vệ luận án tiến sĩ tại Đại học George Washington vào mùa xuân năm 1948. Khi nghe Alpher tuyên bố quá trình tạo ra hydro và heli trong Vụ nổ lớn chỉ mất 300 giây, phóng viên của tờ Washington Post đã mạnh dạn đưa tin rằng “Vũ trụ bắt đầu trong 5 phút”.

Bảo vệ xong luận án tiến sĩ, Alpher tiếp tục hợp tác với nhà vật lý người Mỹ Robert Herman để nghiên cứu thêm về vũ trụ sơ khai. Họ đã dự đoán sự tồn tại của bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB), nhưng dự đoán của họ không được chú ý cho đến khi giới khoa học tìm ra bằng chứng thực nhiệm chứng minh sự tồn tại của CMB vào năm 1964.