Lễ hội Kirchhoff

THÔNG TIN

Lễ hội Kirchhoff

200 năm trước, vào ngày 12 tháng 3 năm 1824, nhà vật lý vĩ đại, người gốc Königsberg (nay là Kaliningrad), tốt nghiệp Đại học Königsber và là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học St. Petersburg Gustav $Кирхгофф^{1}$, đã ra đời. Học sinh và sinh viên biết đến ông với tư cách là tác giả của định luật Kirchhoff nổi tiếng về mạch điện. Nhưng đóng góp quan trọng hơn của ông cho khoa học thế giới là nghiên cứu về bức xạ nhiệt, phân tích quang phổ, điện từ, nhiễu xạ và cơ học của môi trường đàn hồi. Các định luật về bức xạ nhiệt do Kirchhoff phát hiện đã trở thành nền tảng hình thành nên những ý tưởng hiện đại về bản chất lượng tử của bức xạ. Những nghiên cứu tiên phong của ông về quang phổ phát xạ và hấp thụ đã hình thành nền tảng cho phân tích quang phổ, điều này rất quan trọng cho các ứng dụng của nó trong vật lý, hóa học và thiên văn học. Tất cả những khám phá vĩ đại về thiên văn học và vũ trụ học của thế kỷ 20, bằng cách này hay cách khác, đều có liên quan đến việc sử dụng phân tích quang phổ để xác định thành phần của các ngôi sao, vật chất giữa các vì sao, khí quyển.

1 Trong bài viết này, cũng như trong dự án “Lễ hội Kirchhoff”, cách viết họ của nhà vật lý vĩ đại với hai chữ cái “f” được sử dụng - theo cách đánh vần trong tiếng Đức.

sự di chuyển của các hành tinh và tốc độ chuyển động của các ngôi sao cũng như sự lùi xa của các thiên hà. Sự đóng góp của phân tích quang phổ cho sự phát triển của vật lý, hóa học và công nghệ nguyên tử và phân tử cũng có ý nghĩa không kém. Ngày quan trọng gắn liền với sự ra đời của Gustav Kirchhoff là cơ sở để tổ chức “Lễ hội Kirchhoff” ở Kaliningrad. Mục tiêu chính của lễ hội là phổ biến những khám phá khoa học của nhà vật lý vĩ đại và vai trò của họ đối với sự phát triển tiếp theo của khoa học. Một trong những sự kiện trọng tâm của lễ hội, được tổ chức với sự hỗ trợ của Quỹ tài trợ của Tổng thống, là Hội nghị tưởng niệm, diễn ra tại Đại học Liên bang Immanuel Kant Baltic vào ngày 12 tháng 3 năm 2024. Hội nghị có sự tham dự của các nhà khoa học nổi tiếng của Viện Hàn lâm Khoa học Nga và các đồng nghiệp của họ từ các trường đại học Kaliningrad, những người đã trình bày các báo cáo về cuộc đời và công trình khoa học của Gustav Kirchhoff. Dưới đây là những đoạn trích quan trọng nhất từ ​​​​các cuộc phỏng vấn với các nhà khoa học này. Boris Nikolaevich Chetverushkin, Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Nga, giám đốc khoa học của Viện Toán ứng dụng mang tên M.V. Keldysh: “Tên của Gustav Kirchhoff không được biết đến rộng rãi như Newton hay Einstein. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên. Đối với người bình thường, nhiều cái tên vĩ đại đều xa lạ. Ví dụ, khi lá chắn tên lửa hạt nhân được tạo ra ở Liên Xô,

44

KVAN T 2024/Số 8

công cụ phân tích quang phổ Đây là khám phá vĩ đại nhất. Họ là những người đầu tiên phát triển kỹ thuật phân tích quang phổ và sử dụng nó để nghiên cứu các vật thể khác nhau. Một hệ quả quan trọng của khám phá của Gustav Kirchhoff là kết luận rằng mọi nguyên tố đều có quang phổ riêng của chúng. Nhiều năm sau, các nhà toán học khái quát hóa quan điểm này thành lý thuyết quang phổ của các toán tử trong không gian vô hạn chiều, lý thuyết này trở thành nền tảng của cơ học lượng tử. Gustav Kirchhoff là một người đa diện. Với tư cách là một nhà khoa học, tôi quan tâm đến những công trình không được công nhận như công trình của ông về mạch điện, bức xạ nhiệt và phân tích quang phổ. Tôi sử dụng các tác phẩm của anh ấy liên quan đến đồ thị và áp dụng chúng trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo. Có một khái niệm như vậy - ma trận Kirchhoff. Đây là một loại mạch điện, và trong biểu diễn toán học, nó là một biểu đồ. Khi nói về học tập thần kinh, nhìn chung chúng ta sẽ thấy những biểu đồ giống như Kirchhoff đã trình bày. Tận dụng thời gian lưu trú trong khuôn viên của Đại học Liên bang Baltic, tôi muốn bày tỏ sự ngưỡng mộ và bày tỏ lòng kính trọng đối với Trường Toán học Albertina, trường đại học nơi Gustav Kirchhoff theo học. Thật ngạc nhiên khi Friedrich Bessel, Franz Neumann, Carl Jacobi và Friedrich Reshelot cùng làm việc tại trường đại học này. Sự tập trung các nhà khoa học xuất sắc này đương nhiên đã tạo ra một hiệu ứng tổng hợp - sự xuất hiện của những ngôi sao khoa học mới, một trong số đó là Gustav Kirchhoff.” Anatoly Fedorovich Iyudin, Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học, Trưởng Phòng thí nghiệm Tia X vũ trụ và Thiên văn học Gamma $НИИЯФ^{2}$ Đại học Bang Moscow: “Phần chính của dữ liệu trong vật lý thiên văn có được thông qua quan sát các thiên thể trong tia điện từ. Trong trường hợp này, các tia điện từ và quang phổ có bước sóng khác nhau được sử dụng: tia hồng ngoại, nhìn thấy được bằng mắt, tia cực tím, tia X và tia gamma. Với mỗi phạm vi này

2 Viện nghiên cứu Vật lý hạt nhân mang tên D.V. Skobeltsin.

các vùng sóng gắn liền với thiên văn quan sát tương ứng: tia hồng ngoại, tia cực tím, tia X và gamma. Sử dụng bức xạ hồng ngoại, nhiệt độ bề mặt của các hành tinh và ngoại hành tinh được đo, thành phần khí quyển của các hành tinh và ngoại hành tinh, sao chổi khí và bụi và tinh vân được xác định, sự sống ngoài Trái đất được tìm kiếm trên các hệ hành tinh khác và các vật thể của Vũ trụ sơ khai được nghiên cứu. Bức xạ tia cực tím được sử dụng để nghiên cứu Mặt trời, các ngôi sao và khí liên sao. Bức xạ gamma được sử dụng để nghiên cứu siêu tân tinh, sao neutron, hạt nhân thiên hà hoạt động và chuẩn tinh. Bầu khí quyển của Trái đất làm phức tạp đáng kể việc quan sát các thiên thể do sự tán xạ và hấp thụ bức xạ, còn đối với bức xạ tia X và gamma, nó trở nên hoàn toàn mờ đục. Vì lý do này, cần phải sử dụng kính viễn vọng không gian hoặc toàn bộ đài quan sát, chẳng hạn như trong bức xạ tia X Chandra, XMM-Newton và trong bức xạ gamma Fermi, đặt bên ngoài khí quyển. Hiện tại, hai kính viễn vọng không gian độc đáo đang hoạt động đồng thời trong không gian: Hubble (HST) và Webb (JWST). Đầu tiên trong số chúng hoạt động ở phổ gần tia cực tím, khả kiến ​​và gần hồng ngoại. Thứ hai là ở dải tần số thấp hơn, từ ánh sáng nhìn thấy sóng dài (màu đỏ) đến hồng ngoại trung bình (0,6–28,3 µm). Nhờ sử dụng các kính viễn vọng không gian và máy quang phổ này, người ta đã thu được những kết quả khoa học cực kỳ quan trọng về cấu trúc và vật lý của các vật thể thiên văn xa xôi và bất thường nhất nằm ở ngoại vi Vũ trụ của chúng ta trong không gian và thời gian, cho đến “thời kỳ đen tối” của sự tiến hóa của Vũ trụ. Điều đáng chú ý nhất là tất cả các kính viễn vọng không gian nêu trên khi phân tích phổ phát xạ từ dạng điểm (ngôi sao riêng lẻ) đến các vật thể thiên văn vật lý mở rộng (thiên hà, tinh vân), đều sử dụng cùng một phương pháp để xác định cấu trúc tinh tế của bức xạ đang được nghiên cứu.

45

VÀ NFO RM AC I

những vật thể mong muốn, được phát triển và sử dụng lần đầu tiên bởi Gustav Kirchhoff. Đây chính là tính phổ quát và độc đáo của kỹ thuật phân tích quang phổ do nhà vật lý vĩ đại đề xuất.” Vladimir Georgievich Surdin, Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học, Nhà nghiên cứu cao cấp $ГАИШ^{3}$ Đại học quốc gia Moscow: “Các nhà vật lý đã nghiên cứu lý thuyết về bức xạ và sự hấp thụ ánh sáng của các vật thể nóng lên từ đầu thế kỷ 19. Và chỉ có Gustav Kirchhoff mới xứng đáng được ghi nhận vì đã bộc lộ ý nghĩa tinh tế và sâu sắc ẩn sau những ý tưởng ban đầu. Công trình nghiên cứu quan trọng của ông “Về mối quan hệ giữa khả năng phát xạ và khả năng hấp thụ nhiệt và ánh sáng của vật thể” được xuất bản năm 1860. Cơ sở của bài viết này là một khám phá được thực hiện vài tháng trước đó bởi chính Gustav Kirchhoff, cùng với Robert Bunsen. Họ phát hiện ra rằng các vạch hấp thụ Fraunhofer trong quang phổ mặt trời, được William Wollaston và Joseph Fraunhofer chú ý lần đầu tiên vào năm 1802–1814, trùng khớp với các vạch phát xạ của hơi và khí đã biết. Đây là cách phân tích quang phổ ra đời. Điều quan trọng hơn nhiều đối với sự phát triển của vật lý thiên văn là việc Kirchhoff và Bunsen phát hiện ra các vạch phát xạ và hấp thụ trong quang phổ của các vật thể khí. Bản thân họ đã xác định được một số vạch rõ nét trong quang phổ của Mặt trời: chủ yếu là các vạch của canxi và kim loại. Năm 1860, Gustav Kirchhoff nhận được gợi ý đầu tiên về bản chất thực sự của các ngôi sao khi ông nhận ra rằng các vạch tối trong quang phổ ánh sáng mặt trời là do nhiều nguyên tố khác nhau hấp thụ các bước sóng cụ thể gây ra. Các nhà thiên văn học đã phân tích các đặc điểm tương tự dưới ánh sáng của các ngôi sao sáng khác và phát hiện ra rằng chúng được cấu tạo từ các chất giống nhau được tìm thấy trên Trái đất, chứ không phải một tinh chất bí ẩn nào đó - bản chất thứ năm, như người xưa vẫn tin. Đó là phân tích quang phổ, bán

3 Viện Thiên văn Bang

ở đây được đặt theo tên của P.K. Sternberg.

có sự hỗ trợ đáng tin cậy dưới dạng cơ học lượng tử, cho phép các nhà thiên văn học làm sáng tỏ bản chất, thành phần và chuyển động của các ngôi sao. Bằng cách giải mã quang phổ quang học của các ngôi sao, chúng tôi tìm ra nhiệt độ bề mặt của chúng và xác định loại độ sáng, cho phép chúng tôi xác định trạng thái tiến hóa của ngôi sao bằng biểu đồ Hertzsprung–Russell (“nhiệt độ – độ sáng”). Phép đo phổ có hệ thống giúp cho việc xác định bản chất chuyển động không gian của ngôi sao và vận tốc quỹ đạo của nó trong các hệ nhị phân dựa trên hiệu ứng Doppler có thể thực hiện được, dựa trên hiệu ứng Doppler. Và đây là cách duy nhất để đo khối lượng của một ngôi sao và xác định các vệ tinh vô hình của nó - ngoại hành tinh, sao lùn trắng, sao neutron và lỗ đen. Không thể liệt kê tất cả các lĩnh vực của vật lý thiên văn hiện đại và những khám phá được thực hiện trong các lĩnh vực này, trong đó nghiên cứu quang phổ đóng vai trò chính. Thật đáng tiếc khi Gustav Kirchhoff và các cộng sự của ông đã không biết khoa học có được những cơ hội đáng kinh ngạc nhờ những khám phá của họ. Bản chất và sự tiến hóa của các ngôi sao, các hệ hành tinh khác, động lực học của các thiên hà và Vũ trụ nói chung, vật chất tối bí ẩn và các lỗ đen siêu lớn, năng lượng tối và rất nhiều hiện tượng và vật thể đáng kinh ngạc khác đã được biết đến nhờ phân tích quang phổ của bức xạ, vốn ra đời trong các phòng thí nghiệm nhỏ thông qua công trình của một số người đam mê tò mò vào nửa sau thế kỷ 19.” Sự đánh giá cao nhất về những khám phá khoa học của Gustav Kirchhoff và đóng góp của ông cho sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại đã được đưa ra trong tất cả các báo cáo của Hội nghị Tưởng niệm. Đồng thời, các giảng viên không giới hạn việc chỉ xem xét những thành tựu khoa học của Gustav Kirchhoff. Nhiều người trong số họ, đặc biệt là A.I. Aptekarev, đã kể rất nhiều điều thú vị và mới mẻ về cuộc đời của nhà vật lý vĩ đại, thời thơ ấu và tuổi trẻ của ông, thời gian theo học tại Đại học Königsberg, công việc tại Đại học Heidelberg và tình bạn tốt đẹp của ông với một nhà khoa học xuất sắc khác Robert Bunsen. Bằng chứng cho thấy Hội nghị Tưởng niệm đã thực sự thành công có thể thấy ở những điều sau:

46

KVAN T 2024/Số 8

Nhạc trưởng Mikhail Kirchhoff và các thành viên của dàn nhạc giao hưởng của Buổi hòa nhạc tưởng niệm Gustav Kirchhoff Sự thật: hầu hết tất cả sinh viên tham gia đều ở lại phòng họp cho đến báo cáo cuối cùng. Điểm nổi bật thực sự của tuần lễ tưởng niệm Gustav Kirchhoff ở Kaliningrad là buổi hòa nhạc của Dàn nhạc Giao hưởng Kaliningrad, do hậu duệ người Nga của Gustav Kirchhoff, Mikhail Kirchhoff chỉ huy. Sự tham gia của Mikhail Kirchhoff trong các sự kiện kỷ niệm nhà vật lý vĩ đại đã trở thành biểu tượng cho mối liên hệ lịch sử giữa các thời đại và các dân tộc khác nhau, và bản thân buổi hòa nhạc đã trở thành một cây cầu nối hai thời đại rất khác nhau. Ngoài hội nghị và buổi hòa nhạc, trong khuôn khổ dự án “Lễ hội Kirchhoff”, hơn 70 bài giảng khoa học và giáo dục đã được diễn ra tại Kaliningrad và các thành phố trong khu vực về chủ đề “Gustav Kirchhoff - người đồng hương của chúng ta” và “đóng góp của Gustav Kirchhoff cho sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại”. 5 sự kiện văn hóa, giáo dục cũng được tổ chức

các buổi hòa nhạc ở Kaliningrad và các thành phố trong khu vực liên quan đến cuộc đời và thành tựu khoa học của Gustav Kirchhoff. Giai đoạn cuối cùng của “Lễ hội Kirchhoff” sẽ là việc phát hành bộ sưu tập “Theo Định luật Kirchhoff”, dựa trên các báo cáo của Hội nghị Tưởng niệm. Bộ sưu tập dành cho học sinh và sinh viên quan tâm đến vật lý. Lễ hội Kirchhoff không thể diễn ra ở Kaliningrad nếu người thực hiện nó, Trung tâm Công nghệ và Đổi mới Kaliningrad, không nhận được hỗ trợ từ Quỹ tài trợ của Tổng thống, Khoa Toán học của Viện Hàn lâm Khoa học Nga và Đại học Liên bang Immanuel Kant Baltic. Ấn phẩm được chuẩn bị bởi M. Nikitin