Marietta Blau và những bức ảnh ghi dấu vết hạt vô hình

Một hạt proton bay qua vật chất không để lại hình dáng mà mắt người có thể nhìn thấy. Trong phòng thí nghiệm, dấu hiệu ban đầu của nó có thể chỉ là những tia lóe cực nhỏ, phải kiên nhẫn soi dưới kính hiển vi mới nhận ra. Marietta Blau đã biến những dấu hiệu mong manh ấy thành vệt ảnh có thể giữ lại, đo đạc và diễn giải. Câu hỏi then chốt là: làm sao một tấm phim chụp được thứ vốn vô hình? Câu trả lời nằm ở một loại nhũ tương ảnh đặc biệt, nơi đường đi của hạt được lưu lại qua những biến đổi hóa học cực nhỏ. [1]

Từ tia lóe đến một dấu vết có thể giữ lại

Đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý đã có một số công cụ để phát hiện hạt mang điện. Máy đếm Geiger cho biết có hạt đi qua, còn buồng mây Wilson làm hiện ra đường đi của chúng. Một cách khác là nhìn vào các tia lóe do hạt ion hóa tạo ra trong vật liệu phát quang. Những phương pháp này giúp nhận biết hiện tượng, nhưng việc ghi lại toàn bộ sự kiện vẫn khó: thiết bị có thể kém ổn định, dữ liệu ít và kết quả phụ thuộc nhiều vào người quan sát. [1]

Blau chọn một hướng kết hợp giữa vật lý và nhiếp ảnh. Phim ảnh không chỉ là lớp nhựa hay kính; phần quyết định là nhũ tương, một lớp hóa chất chứa các hạt cực nhỏ phản ứng khi nhận năng lượng. Với ánh sáng thông thường, phản ứng ấy tạo thành ảnh sau khi tráng phim. Với hạt hạ nguyên tử, năng lượng do hạt truyền vào nhũ tương cũng để lại thay đổi hóa học. Khi tấm phim được xử lý, những thay đổi rời rạc đó kết thành một đường mảnh dưới kính hiển vi. [1]

Vì sao nhũ tương phải được chế tạo riêng?

Không có một loại phim phù hợp cho mọi thứ cần chụp. Phim thông thường được lựa chọn theo độ sáng, màu sắc và bước sóng của ánh sáng; nhũ tương hạt nhân cũng phải được điều chỉnh theo loại hạt và năng lượng cần ghi nhận. Blau thử nghiệm nhiều công thức hóa học, vật liệu làm phim và quy trình tráng. Bà còn phối hợp với các hãng sản xuất như Agfa và Ilford để tìm cách làm cho lớp nhũ tương bền hơn, nhạy hơn và đáng tin cậy hơn. [1]

Điểm quan trọng không phải là tạo ra một bức ảnh giống hình dáng hạt. Hạt không hiện lên như một chấm sáng có đường viền rõ ràng. Thứ được ghi lại là chuỗi tác động của nó lên các hạt nhỏ trong nhũ tương. Có thể hình dung như dấu bánh xe trên nền mềm: không nhìn thấy chiếc xe đang chạy, nhưng dấu liên tục trên mặt đất cho biết nó đã đi qua. Trong ví dụ này, dấu bánh xe chỉ là cách hình dung, còn dấu vết thật của hạt được tạo bởi tương tác ở cấp độ vi mô. [1]

Một vệt ảnh có thể kể gì về hạt?

Đường đi dưới kính hiển vi không phải một đường kẻ đơn giản. Khối lượng, tốc độ và điện tích của hạt ảnh hưởng đến cách nó tác động lên nhũ tương, từ đó tạo ra những dạng vệt khác nhau. Một hạt có thể để lại đường gần thẳng hoặc cong; độ dày, độ đậm và hình dạng của vệt cung cấp manh mối để nhà vật lý suy ra điều gì đã xảy ra. Đây là kiểu quan sát gián tiếp: người nghiên cứu không nhìn thấy bản thân hạt mà đọc “dấu chân” do nó để lại. [1]

Cách đọc ấy biến tấm phim thành một thiết bị đo, dù nó trông giống vật liệu dùng cho nhiếp ảnh hơn là máy móc phòng thí nghiệm. Mỗi vệt là một sự kiện riêng, có điểm bắt đầu và hướng phát triển. Khi nhiều vệt xuất hiện trong cùng một tấm nhũ tương, chúng có thể cho thấy các hạt đến từ đâu hoặc đã tương tác với vật chất như thế nào. Vì vậy, ảnh ở đây không chỉ để minh họa; nó là bản ghi vật lý cần được quan sát và phân tích cẩn thận. [1]

Những “ngôi sao phân rã” xuất hiện trên núi

Blau đặc biệt quan tâm đến tia vũ trụ, những hạt đến từ ngoài không gian. Khí quyển làm một phần tia vũ trụ bị tán xạ hoặc suy yếu, nên các nhà nghiên cứu đưa thiết bị lên nơi cao hơn. Từ năm 1932, Blau và trợ lý Hertha Wambacher đặt các tấm nhũ tương được thiết kế riêng tại đài quan sát Hafelekar, trên một ngọn núi gần Innsbruck, ở độ cao khoảng 2.300 mét so với mực nước biển. Sau khi thu hồi và tráng phim, họ thấy nhiều vệt tia vũ trụ, phần lớn được nhận diện là proton. [1]

Năm 1937, một dạng dấu vết khác xuất hiện. Thay vì kết thúc bằng một đường đơn, một số vệt tỏa ra thành hình giống ngôi sao nhỏ, như thể một sự kiện đã làm nhiều đường đi bung ra từ cùng một điểm. Blau gọi chúng là “những ngôi sao phân rã”. Cách diễn giải khi đó là một proton của tia vũ trụ đã va vào hạt nhân nặng trong nhũ tương, chẳng hạn hạt nhân bạc hoặc brom, khiến hạt nhân bị phá vỡ và phát ra nhiều mảnh. Hình sao không phải vật thể nằm trên bầu trời mà là hình dạng của các dấu vết trong vật liệu ảnh. [1]

Khi phát hiện khoa học bị che khuất bởi hoàn cảnh

Nhũ tương của Blau cung cấp bằng chứng thuyết phục đầu tiên cho một hiện tượng mà các nhà vật lý đã tìm cách xác nhận: hạt nhân nguyên tử nặng có thể bị phân rã sau va chạm với một hạt năng lượng cao. Quan trọng hơn, phương pháp này cho phép ghi lại các sự kiện hạt nhân thay vì chỉ phát hiện chúng thoáng qua. Về sau, kỹ thuật nhũ tương ảnh được phát triển tiếp để nghiên cứu hạt pion trong tia vũ trụ. Công trình của Blau vì thế trở thành nền móng cho một cách quan sát mới trong vật lý hạt. [1]

Nhưng con đường nghề nghiệp của bà bị chặn bởi nhiều yếu tố cùng lúc. Blau thường thiếu kinh phí, khó có vị trí học thuật ổn định và phải đối mặt với chủ nghĩa bài Do Thái cùng định kiến giới trong bối cảnh chủ nghĩa Quốc xã lan rộng ở Đức và Áo. Năm 1938, bà rời Áo; sau đó làm việc tại Mexico rồi chuyển sang Hoa Kỳ, nhiều năm phải giảng dạy hoặc làm việc công nghiệp thay vì tiếp tục nghiên cứu đúng chuyên môn. Trong thời gian ấy, các đồng nghiệp ở châu Âu tiếp tục công bố công trình dựa trên hướng nghiên cứu bà đã mở ra, còn sự ghi nhận dành cho Blau bị đứt quãng. [1]

Di sản của một tấm phim cũ

Blau cuối cùng trở lại nghiên cứu tại Hoa Kỳ, làm việc ở Columbia University và Brookhaven National Laboratory, nơi bà có thể tiếp tục dùng nhũ tương cùng các máy gia tốc hạt hiện đại hơn. Bà từng được đề cử Nobel Vật lý, nhưng giải năm 1950 thuộc về Cecil F. Powell, người phát triển phương pháp nhũ tương và dùng nó để phát hiện pion. Việc ai được trao giải phản ánh lịch sử ghi nhận khoa học, nhưng không xóa vai trò của người đã làm cho công cụ ban đầu trở nên đủ tin cậy để ghi các sự kiện năng lượng cao. [1]

Nhìn vào một tấm nhũ tương, ta có thể thấy một nguyên tắc rộng hơn của khoa học: nhiều đối tượng không được quan sát trực tiếp mà được nhận biết qua tác động của chúng lên một vật khác. Blau không làm cho hạt vô hình trở nên hữu hình theo nghĩa thông thường. Bà tạo ra điều kiện để sự đi qua của nó lưu lại thành dấu vết, rồi biến dấu vết ấy thành bằng chứng có thể đọc. Chính bước chuyển từ tia lóe thoáng qua sang hình ảnh lưu giữ được đã khiến nhiếp ảnh trở thành một cửa sổ đặc biệt nhìn vào thế giới hạ nguyên tử. [1]