Đang tải... (xem toàn văn)
SÁCH SỰ TIẾN HÓA VẬT LÍ Hoàn toàn không dùng đến sự phức tạp của toán học, A. Einstein và L. Infeld đã phác họa vô cùng rõ ràng và thuyết phục những bước tiến hóa quan trọng nhất của khoa học vật lý. Xuyên suốt quyển sách này chính là tầm quan trọng của việc quan sát, vì mọi hiện tượng quanh ta, dù là bình thường nhất, luôn chứa đựng vô vàn bí ẩn. Và chính những bí ẩn ấy lại là tiền đề cho sự tiến hóa của khoa học. Độc giả sẽ vô cùng bất ngờ khi khám phá rằng “lượng tử” cũng như “chuyển động”, nếu thật sự hiểu được “chuyển động” là gì.
THE EVOLUTION OF PHYSICS: From Early Concepts to Relativity and Quanta Copyright 1938 by Albert Einstein and Leopold Infeld Copyright renewed © 1966 by Albert Einstein and Leopold Infeld Bản tiếng Việt © Nhà xuất Trẻ, 2013 BIỂU GHI BIÊN MỤC TRƯỚC XUẤT BẢN DO THƯ VIỆN KHTH TP.HCM THỰC HIỆN General Sciences Library Cataloging-in-Publication Data Einstein, Albert, 1879-1955 Sự tiến hóa Vật Lý / Albert Einstein Leopold Infeld ; Dương Minh Trí dịch - T.P Hồ Chí Minh : Trẻ, 2013 348 tr : minh họa ; 20.5 cm Vật lý Lịch sử Thuyết tương đối (Vật lý) Thuyết lượng tử I Infeld, Leopold, 1898-1968 II Dương Minh Trí 530.9 dc 22 E35 Mục lục Lời mở đầu người dịch Lời mở đầu 13 I BÌNH MINH CỦA TƯ DUY CƠ HỌC Bình minh tư học •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• Câu chuyện trinh thám vĩ đại Manh mối Vectơ Bí ẩn chuyển động Manh mối cịn sót lại Nhiệt có phải chất? Tàu lượn siêu tốc Tỷ lệ trao đổi Bối cảnh triết học Thuyết động học vật chất 16 16 19 26 33 48 52 61 65 69 74 II SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC Sự suy tàn tư học •• •• •• •• •• •• •• Hai lưu chất điện Các lưu chất từ Khó khăn nghiêm trọng Vận tốc ánh sáng Ánh sáng chất Bí ẩn màu sắc Sóng gì? 86 86 98 103 109 113 116 120 •• Lý thuyết sóng ánh sáng •• Ánh sáng sóng dọc hay sóng ngang? •• Ether tư học 126 137 140 III TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI Trường, thuyết tương đối •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• Trường phương thức diễn đạt Hai cột trụ lý thuyết trường Hiện thực trường Trường ether Hệ trục tọa độ học Ether chuyển động Thời gian, khoảng cách, tính tương đối Thuyết tương đối học Miền liên tục không - thời gian Thuyết tương đối rộng Bên ngồi bên thang máy Hình học thí nghiệm Thuyết tương đối rộng xác minh Trường vật chất 146 146 159 165 173 177 189 204 221 228 239 245 255 269 275 IV LƯỢNG TỬ Lượng tử •• •• •• •• •• •• •• Sự liên tục - gián đoạn Lượng tử sơ cấp vật chất điện Lượng tử ánh sáng Quang phổ Sóng vật chất Sóng xác suất Vật lý thực 282 282 285 291 299 307 315 330 Lời mở đầu người dịch Kể từ A Einstein trình bày thuyết tương đối hẹp (thuyết tương đối đặc biệt) đến 100 năm Vào năm 2005, giới không kỷ niệm kiện lớn lao mà để nhớ đến nhiều cơng trình khác Einstein đưa vật lý học nhận thức người giới chung quanh vào bước ngoặc mới, tầm nhìn cao Ra đời vào năm 1938, Sự Tiến Hóa Vật Lý A Einstein L Infeld giữ nguyên giá trị theo thời gian hữu ích cho muốn tìm hiểu vật lý học, muốn tìm hiểu giá trị thực óc người Quả thực sách có sức hấp dẫn từ đầu đến cuối, khơng truyện trinh thám hay khoa học viễn tưởng mà Với sách này, kiến thức vật lý học triết học bổ sung mà cịn khác quan trọng học hỏi: Chúng ta phải ln suy nghĩ, ln phải đặt câu hỏi thay cho thứ có sẵn, Lời mở đầu người dịch - việc học thuộc lịng thứ theo thói quen hình thành cách vơ ý thức Dịch giả có vài lưu ý độc sau Tất khoảng thời gian nhắc đến sách cần cộng thêm khoảng 70 năm Và lời khuyên tác giả sách, để hiểu tác giả viết, độc giả nên đọc kỹ trang một, liên tục hiểu đọc đọc thật cẩn thận trang trước đó, nghiền ngẫm vấn đề liên hệ chúng Quyển sách dịch từ nguyên tiếng Anh The Evolution of Physics Dịch giả có tham khảo thêm dịch tiếng Đức Die Evolution der Physik W Preusser dịch Sách dịch câu một, không ý, câu bị bỏ sót Khi dịch thuật dịch giả gặp nhiều khó khăn nhiều từ tiếng Việt chưa có, hay có khơng hàm chứa nghĩa từ cần dịch, v.d dịch abstraction (Anh/Pháp) hay abstraktion (Đức) trừu tượng hay trừu tượng hóa chưa thể diễn đạt nghĩa từ số trường hợp Dù có nhiều cố gắng dịch giả nhà xuất Trẻ, dù dịch sửa chữa nhiều lần, mong nhận góp ý q độc giả sai sót có dịch Nếu muốn tìm hiểu thêm tiểu sử Albert Einstein, độc giả tham khảo nhiều tài liệu trang web hay sách Einstein không nhà vật lý lý thuyết, mà nhà phát minh thực nghiệm Trong năm 1930, ông nhận sáng chế loại máy làm lạnh, nguyên tắc cho tủ lạnh Einstein nhiều đại học giới trao tặng tiến sĩ danh dự khoa học, y khoa, triết học - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Sau người dịch muốn viết ngắn khía cạnh đặc biệt Einstein Ơng khơng nhà khoa học mà người khao khát xã hội nhân bản, chống thể chế trị độc tài, phát xít Einstein ln có nhìn sáng suốt, rõ ràng vấn đề vật lý học có tâm kiên định để giải chúng Ơng tự vạch chiến lược xác định rõ ràng bước tiến để đến mục đích Nhưng điều kỳ diệu mà Einstein đem đến cho loài người cơng trình vĩ đại, sản phẩm khơng có mặt tự nhiên trí tuệ siêu việt ông, óc hoạt động tự đầy sáng tạo Einstein có câu nói tiếng: “Sự tưởng tượng quan trọng kiến thức – Imagination is more important than the knownlegde” Kiến thức trở nên lạc hậu ánh sáng khám phá người ln ln cần có sức tưởng tượng đầy sáng tạo làm tiền đề cho lao động gian khổ, không mệt mỏi để đạt đến khám phá Einstein thừa nhận nối tiếp thành công, khám phá làm nảy sinh vấn đề khó khăn mà người cần phải có cố gắng to lớn để vượt qua với hy vọng đạt tới điểm đột phá để nâng cao tầm nhìn người có nhận thức lúc gần với thực Trong rảnh rỗi Einstein chơi đàn vĩ cầm, thuyền buồm hồ nước Berlin Năm 1933 Hitler lên cầm quyền Đức, Einstein từ bỏ quốc tịch Phổ xin khỏi Viện Hàn Lâm Phổ Từ năm 1933 đến Lời mở đầu người dịch - mất, Einstein giảng dạy nghiên cứu đại học Princeton (Mỹ) Trong thời gian này, ông cố gắng thành lập lý thuyết trường thống để thống lý thuyết trường hấp dẫn lý thuyết trường điện từ Rất tiếc ông không thành công nay, chưa thành công việc Không nhà khoa học xuất sắc vĩ đại, ông cịn chiến sĩ đấu tranh cho hịa bình Những trị gia phương Tây phương Đơng khơng ưa thích phát biểu, ý kiến ông Vào năm 1933 Hitler lên cầm quyền Đức, Einstein phát biểu sau: “Khi mà tơi cịn khả để chọn lựa, tơi đất nước mà nơi có tự trị, khoan dung bình đẳng cơng dân trước pháp luật Tự trị tự phát biểu niềm tin trị lời nói, văn bản; khoan dung tôn trọng cho niềm tin riêng biệt cá thể Những điều kiện không tồn nước Đức.” Trong phần lớn đời, Einstein coi người theo chủ nghĩa xã hội, chống phát xít, chống chiến tranh Tiểu luận Tại chủ nghĩa xã hội - Why Socialism viết Einstein mà người biết đến Tạp chí Monthly Review cơng bố tiểu luận lần vào năm 1949 Chúng ta lắng nghe ý kiến Einstein tiểu luận vấn đề vô xúc, đến ngày giá trị Đối với chủ nghĩa tư bản, ông phê phán sau: “Sản xuất cho lợi nhuận – không cho nhu cầu Không có dự phịng đảm bảo cho người có đủ khả sẵn sàng lao động ln có việc làm Gần ln tồn 10 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý “Đội ngũ người thất nghiệp” Người lao động sống lo sợ bị việc làm ” Những nhược điểm chủ nghĩa tư ảnh hưởng sâu rộng đến hệ thống giáo dục: “Sự cạnh tranh vô giới hạn dẫn đến hoang phí vơ to lớn lao động làm tê liệt ý thức xã hội cá nhân cảnh báo trước Sự tê liệt cá thể tồi tệ chủ nghĩa tư Cả hệ thống giáo dục phải chịu đựng điều Sinh viên bị nhồi nhét vào đầu định hướng cạnh tranh thật cường điệu họ giáo dục cho mục đích này, coi thành cơng có tính trục lợi chuẩn bị cho nghiệp tương lai anh ta” Để giải vấn đề nêu trên, theo ông, cần xây dựng hệ thống kinh tế có tính xã hội Tuy nhiên việc xây dựng chủ nghĩa xã hội, Einstein đòi hỏi quyền cá thể phải tôn trọng: “Tuy nhiên, có điều cần phải làm rõ, kinh tế kế hoạch chủ nghĩa xã hội Một kinh tế kế hoạch làm nơ dịch tồn cá thể Chủ nghĩa xã hội địi hỏi phải có giải pháp cho vài vấn đề trị - xã hội khó khăn: Làm ngăn ngừa máy quan liêu trở nên có quyền lực vơ hạn tập trung hóa lực trị, kinh tế vơ hạn định? Làm để bảo vệ quyền cá thể qua tạo đối trọng dân chủ máy quan liêu?” Cả giới kính trọng Albert Einstein vĩ nhân, khơng ơng nhà bác học vĩ loại mà cịn phẩm Lời mở đầu người dịch - 11 chất đạo đức, tâm hồn cao thượng ông Một nét đặc trưng Einstein vĩ nhân khác, lao động miệt mài giây phút cuối đời Chúng ta nhớ đến câu nói thật sâu sắc ơng năm 1954: “Kiến thức không đến từ kết giáo dục nhà trường, mà cố gắng suốt đời người để tiếp thu – Weisheit ist nicht das Ergebnis der Schulbildung, sondern des lebenslangen Versuchs, sie zu erwerben” Dù bị bệnh, tuần lễ trước Einstein nhiều nhà khoa học tiếng khác ký Tuyên Ngôn Russell-Einstein với mục đích đánh thức người việc giải trừ qn bị, giải trừ vũ khí hạt nhân Tơi xin cám ơn anh chị Nhà xuất Trẻ, đặc biệt Liêm Châu Hải Vân giúp tơi nhiều việc hồn tất sách, đọc sửa chữa thảo cách thật kỹ lưỡng DƯƠNG MINH TRÍ Viện Vật Lý thành phố Hồ Chí Minh Ngày 16.08.2013 12 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Lời mở đầu Trước đến với tác phẩm nào, câu hỏi quen thuộc độc giả là: Quyển sách dành cho hiểu ý nghĩa sách này? Việc trả lời cách rõ ràng thuyết phục câu hỏi từ trang đầu điều không đơn giản Nhưng điều dễ dàng trang cuối sách này, điều hồn tồn khơng cần thiết Chúng tơi nghĩ điều đơn giản nên nói khơng phải dự định sách Chúng không viết sách giáo khoa vật lý Đây khơng phải giáo trình nhập môn cách hệ thống vấn đề vật lý sơ cấp lý thuyết vật lý Đúng hơn, mục đích chúng tơi muốn phác họa đường nét cố gắng trí tuệ người việc tìm hiểu liên kết giới ý tưởng giới tượng Chúng cố gắng nêu lên động lực mạnh mẽ thúc đẩy khoa học sáng tạo tư tưởng tương ứng với thực giới Nhưng cần phải trình bày điều theo cách đơn giản Chúng phải chọn lọc từ mê trận kiện Lời mở đầu - 13 khái niệm điều đặc trưng quan trọng Đồng thời loại bỏ kiện lý thuyết khơng theo tiêu chí Để đạt điều này, buộc phải chọn lọc kỹ lưỡng kiện ý tưởng Tầm quan trọng vấn đề không nên đánh giá qua số trang sách Một số tư tưởng thiết yếu không nhắc đến sách khơng phải chúng khơng quan trọng mà chúng không nằm đường mà chọn Khi viết sách này, tranh luận nhiều đặc điểm độc giả lý tưởng lo lắng cho Chúng tơi nghĩ rằng, độc giả thiếu hồn toàn hiểu biết cụ thể vật lý toán học, bù vào đấy, độc giả cần đức tính đáng kể như: Sự hứng thú với ý tưởng vật lý triết học Thật đáng khâm phục kiên nhẫn độc giả phải cố tìm hiểu điểm khó khăn thú vị Độc giả biết rằng, để hiểu trang sách cần phải đọc trang trước thật cẩn thận không nên đọc sách khoa học, dù thuộc loại phổ thông, đọc tiểu thuyết Quyển sách đơn giản chuyện trò bạn chúng tơi Bạn thấy dài dịng hay thú vị, u mê hay kích thích Chúng tơi đạt mục đích trang sách đem đến cho bạn vài khái niệm chiến khơng ngừng nghỉ trí tuệ người đầy sáng tạo nhằm hiểu rõ định luật thống trị tượng vật lý Albert Einstein Leopold Infeld 14 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý I Bình minh tư học Bình minh tư học Câu chuyện trinh thám vĩ đại Manh mối Vectơ Bí ẩn chuyển động Manh mối cịn sót lại Nhiệt có phải chất? Tàu lượn siêu tốc Tỷ số trao đổi Bối cảnh triết học Lý thuyết động học vật chất CÂU CHUYỆN TRINH THÁM VĨ ĐẠI HÃY TƯỞNG TƯỢNG câu chuyện trinh thám tuyệt hảo Trong câu chuyện ln có tất manh mối quan trọng buộc độc giả tự hình thành lý luận riêng cho Nếu theo dõi cách cẩn thận, tìm thấy đáp án câu chuyện sớm tiết lộ tác giả trang cuối truyện Khác với bí ẩn khác câu chuyện, đáp án không làm thất vọng, mà nữa, xuất vào lúc mong chờ Liệu so sánh độc giả tiểu thuyết với nhà khoa học, người từ hệ sang 16 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý hệ khác ln tìm kiếm đáp án cho bí ẩn viết sách vĩ đại tự nhiên? Sự so sánh khập khiễng cần loại bỏ Nhưng có lý lẽ mà mở rộng thay đổi để phù hợp so sánh với nỗ lực khoa học nhằm giải đáp bí ẩn vũ trụ Cho đến nay, câu chuyện bí ẩn vĩ đại chưa đến hồi kết khẳng định tồn đáp án cuối Tuy thế, việc khơng ngừng tìm hiểu điều bí ẩn sách vĩ đại giúp hiểu điều tự nhiên, lần manh mối khoa học, tạo nên nguồn cảm hứng cho trình phát triển đầy vất vả khó nhọc khoa học Dù đọc tìm nhiều đầu mối đáp án sách tự nhiên, nhận thấy cách xa đáp án cuối cùng, thật tồn tại! Trong giai đoạn tìm hiểu, điều ln làm cố gắng tìm tương quan đáp án vừa tìm thấy với số manh mối phát trước Những lý thuyết mang tính tạm thời chúng giải thích số kiện biết đến Tuy nhiên, không lý thuyết tổng quát đưa đáp án phù hợp với tất manh mối tìm thấy Thơng thường, lý thuyết dường hồn hảo lại mâu thuẫn khơng thể giải thích khám phá Càng tìm nhiều manh mối, nhận thức trọn vẹn kết cấu hoàn hảo sách tự nhiên, lời giải đáp cuối dường ngày lùi xa dần ngày tiến Trong hầu hết tiểu thuyết trinh thám xuất vào thời tác giả tiếng Conan Doyle, nhà thám tử tài ba Bình minh tư học - 17 thu thập hầu hết kiện, tối thiểu cho việc điều tra mặt vụ án Các kiện thường lạ lùng, rời rạc hồn tồn khơng liên quan với Tuy vậy, nhà thám tử tài ba hiểu việc điều tra thêm khơng cần thiết, có suy luận tìm mối liên kết kiện thu thập Cho nên ông ta chơi vĩ cầm hay nằm ườn ghế với ống điếu thật bất ngờ, ơng tìm lời giải Khơng giải thích manh mối tay mà ơng ta cịn đốn số kiện khác phải xảy Do biết cách xác nơi cần tìm, thích ơng ta tìm thêm chứng khác cho suy luận Chúng tơi xin phép nhắc lại điều nhàm chán Khi đọc sách tự nhiên, nhà khoa học phải tự tìm cho lời giải đáp ơng ta khơng thể nhanh chóng lật đến trang cuối sách độc giả thiếu kiên nhẫn thường làm theo dõi tiểu thuyết trinh thám Trong khoa học, độc giả thám tử điều tra ln tìm cách giải thích, dù phần đó, mối liên hệ kiện với vô số yếu tố khác Để đạt dù phần nhỏ lời giải đáp, nhà khoa học phải thu thập kiện vô rời rạc, sau tìm liên kết chúng suy luận đầy sáng tạo Mục đích chúng tơi phần phác họa tương đồng tư nhà thám tử công việc nhà vật lý Chúng chủ yếu đề cập đến vai trò tư ý tưởng thám hiểm truy tìm hiểu biết giới vật lý 18 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý MANH MỐI ĐẦU TIÊN Những cố gắng tìm hiểu sách vĩ đại tự nhiên cổ xưa tư lồi người Nhưng từ 300 năm trước đây, nhà khoa học bắt đầu hiểu ngơn ngữ sách Sự tìm hiểu bí ẩn phát triển vơ nhanh chóng, thời đại Galileo(1)* (Galilei Galileo) Newton(2) Người ta phát triển phương pháp nghiên cứu cách có hệ thống để khám phá theo dõi đầu mối bí ẩn tự nhiên Nhiều bí ẩn tự nhiên khám phá lý giải cho điều tỏ có giá trị tạm thời nông cạn quan điểm nghiên cứu sau Một vấn đề nhất, bị che giấu hàng nghìn năm phức tạp nó, chuyển động Mọi chuyển động mà quan sát tự nhiên thực chất vấn đề phức tạp, rắc rối; ví dụ hịn đá ném lên khơng trung, tàu chạy mặt biển, xe cút-kít đẩy mặt đường Để hiểu tượng này, tốt ta nên bắt đầu với trường hợp đơn giản dần đến vấn đề phức tạp Hãy xét vật nằm n hồn tồn khơng có chuyển động Để thay đổi vị trí nó, ta cần tác động lên nó, đẩy hay nhấc lên, dùng sức kéo ngựa hay * Tất thích trình bày cuối sách Bình minh tư học - 19 cỗ máy nước Trực giác thấy chuyển động vật gắn liền với tác động đẩy, kéo hay nâng Những kinh nghiệm lặp lại khiến mạo hiểm phát biểu: Nếu muốn vật chuyển động nhanh đẩy mạnh Dường hiển nhiên để kết luận vật thể có vận tốc lớn tác động mạnh Một xe kéo bốn ngựa chạy nhanh xe kéo có hai ngựa Trực giác nói với tốc độ liên quan mật thiết với tác động Các độc giả tiểu thuyết trinh thám nhận thấy điều tương manh mối giả tạo làm rối tung câu chuyện trì hoãn lời giải đáp Phương pháp suy luận dựa vào trực giác dẫn đến quan niệm sai lầm chuyển động tồn nhiều kỷ Có lẽ uy tín Aristotle(2a) khắp Âu châu lý tin tưởng vào phương pháp tư trực giác Trong tác phẩm Mechanics (Cơ học), cho ơng hai nghìn năm qua, đọc phát biểu sau: “Vật thể chuyển động dừng lại lực tác động lên khơng cịn nữa.” Sự khám phá sử dụng lý luận khoa học Galileo thành tựu khoa học quan trọng lịch sử tư tưởng loài người đánh dấu bước khởi đầu thật vật lý học Khám phá cho học quan trọng kết luận trực giác dựa quan sát trực tiếp không đáng tin tưởng dẫn đến manh mối sai lầm 20 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Nhưng trực giác sai lầm đâu? Không lẽ cỗ xe tứ mã chạy nhanh cỗ xe song mã sai? Để hiểu rõ chuyển động, bắt đầu với điều đơn giản gần gũi sống ngày, từ khởi đầu văn minh đến kinh nghiệm qua đấu tranh sinh tồn loài người Giả sử người đường phẳng với xe đẩy nhiên không đẩy Chiếc xe tiếp tục chạy thêm quãng đường trước dừng hẳn lại Hỏi rằng: Làm kéo dài thêm quãng đường này? Ta thực nhiều cách bôi trơn bánh xe làm mặt đường thật phẳng Nếu bánh xe quay trơn tru đường phẳng xe thêm quãng đường xa Nhưng đạt điều qua việc bôi trơn bánh xe làm phẳng mặt đường? Đơn giản ta giảm thiểu ảnh hưởng từ bên ngồi, hay cịn gọi ma sát, trục quay với bánh xe bánh xe với đường Đây giải thích kiện quan sát lý thuyết, giải thích tùy tiện Chúng ta tiến thêm bước quan trọng để có manh mối đích thực Hãy tưởng tượng xe đường vô phẳng bánh xe hồn tồn khơng có ma sát Chiếc xe tiếp tục chuyển động mãi khơng có làm ngừng lại Kết luận điều kiện lý tưởng mà ta khơng thể đạt thực tế, loại bỏ tất ảnh hưởng bên ngồi Tuy thế, thí nghiệm điều kiện lý tưởng đưa manh mối nhằm xây dựng tảng cho học chuyển động Bình minh tư học - 21 Ta so sánh hai phương pháp tiếp cận vấn đề Theo trực giác, nghĩ lực tác động mạnh vật di chuyển nhanh Do đó, vận tốc yếu tố cho biết ngoại lực có tác động lên vật thể hay khơng Cịn theo manh mối Galileo thì: Nếu vật thể không bị đẩy, kéo tác động khác, hay rõ ràng không chịu ảnh hưởng ngoại lực, chuyển động đều, nghĩa chuyển động theo đường thẳng với vận tốc khơng đổi Do đó, vận tốc khơng thể xác định ngoại lực có tác động lên vật thể hay không Và kết luận Galileo Newton cơng bố với tên gọi định luật qn tính Đây điều vật lý học mà hầu hết phải học thuộc lòng trường: “Một vật giữ nguyên trạng thái đứng yên chuyển động thẳng đều, trừ bị lực tác động làm thay đổi trạng thái có.” Cho nên, định luật qn tính khơng thể suy diễn trực tiếp từ thực nghiệm, mà phải trải qua trình nghiên cứu suy luận phù hợp với quan sát thực tế Dù thí nghiệm điều kiện lý tưởng không tồn tự nhiên, lại giúp hiểu sâu sắc thí nghiệm điều kiện thực tế Trong tất phức tạp đa dạng dạng chuyển động, thí dụ mà đề cập chuyển động đều, trường hợp đơn giản vật thể khơng chịu tác động ngoại lực Tuy nhiên, khơng thể thực thí nghiệm cho chuyển động tuyệt đối 22 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Đối với đá rơi từ đỉnh tháp hay xe đẩy di chuyển đường, chuyển động chuyển động tuyệt đối đều, khơng thể loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng ngoại lực Trong câu chuyện trinh thám hay, manh mối hiển nhiên thường dẫn đến hoài nghi sai lầm Cũng thế, trình tìm hiểu quy luật tự nhiên, suy luận trực giác hiển nhiên thường dẫn đến kết luận sai lầm Tư loài người tạo nên tranh thay đổi không ngừng vũ trụ Sự đóng góp Galileo loại bỏ tư trực giác thay tư Đây điều quan trọng khám phá Galileo Nhưng câu hỏi khác chuyển động lại đặt ra: Nếu vận tốc yếu tố xác định tác động ngoại lực lên vật thể? Lời giải đáp tìm Galileo hồn thiện Newton, manh mối trình tìm hiểu Để tìm thấy câu trả lời xác, cần phải suy nghĩ sâu trường hợp xe đẩy chuyển động đường phẳng tuyệt đối Trong điều kiện lý tưởng, chuyển động xe chuyển động khơng chịu tác động ngoại lực Bây tưởng tượng đến điều xảy lực đẩy tác động lên xe theo hướng chuyển động Dĩ nhiên tốc độ tăng lên Thật hiển nhiên lực đẩy tác động theo hướng ngược với chiều di chuyển xe làm giảm tốc độ Trong trường hợp thứ nhất, xe Bình minh tư học - 23 gia tốc lực đẩy; trường hợp thứ hai, xe bị giảm tốc, có nghĩa chạy chậm lại Chúng ta có kết luận lập tức: Tác động ngoại lực làm thay đổi vận tốc vật thể Cho nên vận tốc mà thay đổi vận tốc hệ việc đẩy hay kéo Một lực làm gia tăng hay suy giảm vận tốc tùy theo hướng tác động chiều hay ngược chiều chuyển động Galileo hiểu rõ điều ghi tác phẩm Two New Sciences (Hai lĩnh vực khoa học mới) mình: vận tốc vật thể khơng đổi tác động bên ngồi gây tăng hay giảm tốc bị loại bỏ, điều cho vật thể chuyển động mặt phẳng nằm ngang Một mặt phẳng dốc xuống làm vật thể tăng tốc, mặt phẳng dốc lên làm vận tốc giảm Do đó, vật thể chuyển động với vận tốc mặt phẳng nằm ngang chuyển động vĩnh cửu, vận tốc chuyển động bị suy giảm bị triệt tiêu Nhờ việc theo dõi manh mối đắn, có hiểu biết sâu sắc chuyển động Sự liên hệ lực thay đổi vận tốc, mối liên hệ lực vận tốc thường suy nghĩ theo trực giác, tảng học cổ điển Newton sáng lập Cho đến nay, tận dụng hai khái niệm học cổ điển lực thay đổi vận tốc Hai khái niệm ngày mở rộng phổ quát với phát triển khoa học Chính thế, cần phải tìm hiểu cách kỹ lưỡng 24 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Lực gì? Theo trực giác, thường nghĩ hiểu khái niệm Nó bắt nguồn từ việc đẩy, ném hay kéo, hay từ cảm giác bắp gắn liền với hành động Tuy nhiên, khái quát khái niệm lực cịn vượt xa thí dụ đơn giản Chúng ta nghĩ lực dù không cần tưởng tượng ngựa kéo xe! Chúng ta muốn nói đến lực hút Mặt Trời Trái Đất, Trái Đất Mặt Trăng, lực gây nên thủy triều Chúng ta muốn nói đến lực mà Trái Đất trói buộc vật xung quanh vòng ảnh hưởng nó, lực gió gây sóng biển làm xao động Nhìn chung, đâu quan sát thấy thay đổi vận tốc, có tác động ngoại lực Newton viết Principia (Các nguyên lý): Ngoại lực tác động lên vật thể làm thay đổi trạng thái đứng yên hay chuyển động theo đường thẳng vật thể Lực tồn vào thời điểm tác động lên vật thể biến tác động khơng trì Nhờ vào qn tính – vis inertiac(3), vật thể giữ vững trạng thái mà đạt Ngoại lực tác động lên vật thể bắt nguồn từ nhiều nguyên nhân khác va chạm, áp suất hay lực hướng tâm Chuyển động đá thả từ tháp chuyển động mà chuyển động với vận tốc nhanh dần Chúng ta nói rằng: Ngoại lực tác động lên hịn đá theo hướng chuyển động Hay nói khác Trái Đất hút đá Chúng ta lấy thí dụ khác Điều xảy hịn đá ném thẳng lên khơng trung? Vận tốc hịn Bình minh tư học - 25 đá giảm dần đạt đến điểm cao bắt đầu rơi xuống đất Sự giảm tốc trường hợp loại ngoại lực làm tăng tốc đá rơi Trong trường hợp đầu tiên, lực tác động hướng chuyển động nghịch hướng chuyển động trường hợp sau Do đó, loại ngoại lực làm tăng hay giảm tốc tùy theo trường hợp đá rơi xuống hay ném lên VECTƠ Sau hiểu chuyển động thẳng chương trên, cần phải tiến thêm bước xa Nhờ việc loại bỏ trường hợp phức tạp, hiểu rõ định luật tự nhiên qua việc phân tích trường hợp đơn giản Mặc dù đường thẳng đơn giản nhiều so với đường cong chưa thể thỏa mãn với hiểu biết chuyển động thẳng Điểm quan trọng chuyển động theo đường cong việc ứng dụng thành công định luật học để mô tả chuyển động Mặt Trăng, Trái Đất hành tinh khác Quá trình chuyển đổi từ chuyển động thẳng sang chuyển động cong mang theo khó khăn Để nắm vững định luật học cổ điển, cần phải vượt qua khó khăn Các định luật manh mối điểm xuất phát cho trình phát triển nhiều ngành khoa học Bây ta xét thí nghiệm lý tưởng khác với hịn bi trịn hồn hảo lăn với vận tốc khơng đổi mặt 26 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý bàn vô phẳng Vận tốc viên bi thay đổi ta tác động lực đẩy lên nó, hay nói cách khác, tác động ngoại lực Giả sử hướng lực đẩy không trùng với hướng chuyển động viên bi, trường hợp xe đẩy, mà theo hướng hoàn toàn khác, ví dụ hướng vng góc với hướng chuyển động viên bi Điều xảy viên bi này? Chúng ta phân biệt ba giai đoạn chuyển động viên bi: Chuyển động ban đầu, chuyển động tác động lực đẩy chuyển động khơng cịn lực đẩy Khi xét giai đoạn theo định luật quán tính, vận tốc thời điểm trước sau tác động lực đẩy vận tốc Nhưng trường hợp này, ta nhận thấy khác biệt chuyển động trước sau thời điểm tác động lực đẩy: Hướng chuyển động bị thay đổi Hướng chuyển động ban đầu viên bi hướng lực đẩy vuông góc với Do đó, hướng chuyển động cuối viên bi không theo hai hướng mà nằm giữa, gần với hướng lực đẩy lực đẩy mạnh viên bi có vận tốc ban đầu nhỏ, gần với hướng di chuyển ban đầu lực đẩy tương đối yếu viên bi có vận tốc ban đầu lớn Dựa theo định luật quán tính, đến kết luận mới: Nhìn chung, tác dụng ngoại lực khơng làm thay đổi vận tốc mà làm thay đổi hướng di chuyển vật thể Khi hiểu điều này, sẵn sàng cho việc đưa khái niệm vectơ vào vật lý học Chúng ta sử dụng phương pháp suy luận không phức tạp với điểm xuất phát định luật quán tính Galileo Cho đến nay, chưa thể sử dụng triệt để hệ Bình minh tư học - 27 định luật để tìm lời giải đáp cho manh mối rối bời dạng chuyển động khác Xét hai viên bi chuyển động theo hai hướng khác mặt bàn phẳng Để việc hình dung dễ dàng hơn, ta giả sử hai viên bi chuyển động theo hai hướng vng góc Do khơng chịu tác động ngoại lực, hai viên bi chuyển động thẳng Nếu làm hai viên bi di chuyển đoạn đường khoảng thời gian nhau, có nghĩa với tốc độ, liệu hai viên bi có vận tốc hay khơng? Câu trả lời có khơng Thơng thường hai xe di chuyển hai đồng hồ hiển thị tốc độ vị trí 50 km/h, thường nghĩ chúng có tốc độ vận tốc, hướng di chuyển chúng Tuy nhiên, khoa học phải tạo cho ngơn ngữ riêng, khái niệm riêng để thích hợp với địi hỏi Ta cần hiểu khái niệm khoa học thường bắt nguồn từ khái niệm ngôn ngữ sống ngày, với hướng phát triển hoàn toàn khác biệt Chúng dần thay đổi nhằm loại bỏ mơ hồ ngơn ngữ thơng thường đạt xác để áp dụng vào tư khoa học Theo quan điểm nhà vật lý, tư khoa học xác ta nói hai viên bi chuyển động theo hai hướng khác có vận tốc khác Ví dụ bốn xe chạy theo đường khác theo quy ước chung, vận tốc chúng khác Sự khác biệt tốc độ (không định hướng) vận tốc (có định hướng) minh chứng 28 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý cho thấy vật lý học bắt đầu dùng khái niệm đời sống thường ngày biến đổi nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển xa khoa học Khi đo lường vật đó, thường biểu diễn kết đo số theo sau đơn vị Thí dụ chiều dài gậy 1,20 m; vật nặng 3,75 kg; khoảng thời gian bao gồm nhiều phút nhiều giây Trong trường hợp trên, kết đo đạc diễn tả số Tuy nhiên, số không đủ để diễn tả khái niệm vật lý Nhận thức bước tiến vô quan trọng phát triển nghiên cứu khoa học Do đó, nói vận tốc ta phải nói hướng di chuyển số để biểu diễn độ lớn vận tốc Và đại lượng biểu thị lúc phương hướng độ lớn gọi vectơ, thường ký hiệu mũi tên Như thế, vận tốc diễn tả mũi tên, hay ngắn gọn vectơ có chiều dài biểu thị cho tốc độ hướng mũi tên biểu thị cho hướng chuyển động vật thể Nếu bốn xe rời giao lộ với tốc độ 50 km/h Bình minh tư học - 29 vận tốc chúng biểu diễn bốn mũi tên có độ dài Vì chiều dài mũi tên hình 2,5 cm nên ta có tỷ lệ 2,5 cm ứng với độ lớn 50 km/h Như thế, vận tốc mơ tả vectơ ngược lại biết tỷ lệ này, ta xác định vận tốc từ biểu đồ vectơ Nếu hai xe gặp xa lộ đồng hồ tốc độ chúng 50 km/h, vận tốc chúng biểu diễn hai vectơ có chiều dài theo hai hướng ngược Cùng nguyên lý trên, mũi tên hướng vào thành phố xe điện ngầm phải có hai hướng đối nghịch Tuy nhiên, với cách mơ tả tất xe điện khỏi thành phố từ trạm khác thành phố hay chạy đường ray khác với tốc độ vận tốc miêu tả vectơ Vectơ xác định cách xác xe điện qua trạm nào, xe điện dừng trạm nào, hay chạy đường ray đường ray song song Nói cách khác, theo quy ước chung, tất vectơ vẽ hình xem Chúng có độ dài, nằm đường thẳng hay đường song song với nhau, có đầu mũi tên hướng 30 - S Ự TI ẾN H Ĩ A C ỦA V ẬT L Ý Hình biểu diễn vectơ khác chúng khác chiều dài, hướng hai Nhưng bốn vectơ vẽ theo cách khác hình sau, chúng cắt điểm chung gọi điểm xuất phát Bình minh tư học - 31 Vì điểm xuất phát hình tùy ý, vectơ mơ tả vận tốc bốn xe xuất phát từ giao lộ hay xuất phát từ nơi với tốc độ phương hướng mơ tả hình vẽ Từ trở đi, ta sử dụng vectơ để mô tả chuyển động thẳng xe đẩy chương trước Vận tốc gia tăng chịu tác động ngoại lực có hướng với hướng chuyển động Ta mơ tả điều hai vectơ có độ dài khác nhau: Vectơ ngắn biểu diễn vận tốc trước thời điểm tác động ngoại lực, vectơ dài biểu diễn cho vận tốc sau thời điểm Vectơ vẽ nét đứt có ý nghĩa rõ ràng: Mô tả thay đổi vận tốc ảnh hưởng lực tác động Nếu ngoại lực có hướng ngược với chiều di chuyển xe đẩy, xe chuyển động chậm lại ta có biểu đồ vẽ hình sau Tương tự trên, vectơ vẽ nét đứt biểu thị cho thay đổi vận tốc, lần theo hướng ngược lại Cho nên, vectơ khơng biểu thị vận tốc mà cịn cho thay đổi vận tốc Ngoại lực lại nguyên nhân làm thay đổi vận tốc xe, ngoại lực, hay ngắn 32 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý gọn lực, phải diễn tả vectơ Do đó, mơ tả đặc điểm lực, nói ta đẩy xe mạnh chưa đủ, mà phải cho biết xe đẩy theo hướng Cho nên lực, giống vận tốc hay thay đổi vận tốc, cần phải biểu diễn vectơ số Đến đây, ta kết luận rằng: Ngoại lực vectơ có hướng với hướng thay đổi vận tốc Trong hai hình trên, vectơ vẽ nét đứt biểu thị lúc hướng lực đẩy thay đổi vận tốc Đến đây, người hay hồi nghi nghi ngờ việc sử dụng khái niệm vectơ khơng thể tìm ưu điểm khái niệm Những làm tạo nên ngôn ngữ xa lạ phức tạp để mô tả kiện biết khứ Do đó, chưa thể thuyết phục hoài nghi sai lầm Thực ra, điều nghi ngờ hồn tồn có lý Nhưng thấy ngôn ngữ xa lạ dẫn đến tổng quát hóa quan trọng, vectơ giữ vai trị tối cần thiết BÍ ẨN CỦA CHUYỂN ĐỘNG Nếu tìm hiểu chuyển động theo đường thẳng khó lịng hiểu dạng chuyển động tự nhiên Chúng ta phải xem xét chuyển động theo đường cong bước xác định định luật chi phối chuyển động Đây việc khơng dễ dàng Đối với Bình minh tư học - 33 chuyển động thẳng, khái niệm vận tốc, thay đổi vận tốc lực tỏ hữu ích Nhưng chưa biết cách để ứng dụng chúng nhằm mô tả chuyển động theo đường cong Quả thật nghĩ khái niệm cũ khơng cịn thích hợp để mơ tả tất dạng chuyển động cần phải thiết lập khái niệm Thế nên theo lối mòn cũ hay nên tìm đường mới? Sự tổng qt hóa khái niệm thành khái niệm tổng quát phương pháp thường sử dụng khoa học ta có nhiều cách thức để thực điều Tuy nhiên, điều kiện tiên cần đáp ứng khái niệm tổng quát phải quy khái niệm ban đầu điều kiện ban đầu đáp ứng đầy đủ Chúng ta giải thích điều cách tốt việc tổng quát hóa khái niệm mà đề cập đến vận tốc, thay đổi vận tốc lực để tìm cách ứng dụng cho trường hợp chuyển động theo đường cong Chính xác hơn, nói đến đường cong, bao gồm đường thẳng, đường thẳng trường hợp đặc biệt thí dụ đơn giản đường cong Do vậy, khái niệm vận tốc, thay đổi vận tốc lực mơ tả chuyển động theo đường cong, chúng mơ tả chuyển động theo đường thẳng Nhưng kết tuyệt đối không phủ nhận kết trước Khi đường cong trở thành đường thẳng, khái niệm tổng quát phải quy giống trường hợp chuyển động thẳng Tuy nhiên, điều kiện không giới hạn cho tổng quát hóa chuẩn mực đó, mà nữa, cịn 34 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý mở nhiều phương hướng Lịch sử khoa học cho thấy tổng quát hóa đơn giản thường dẫn đến thành công dẫn đến thất bại Điều cần làm đoán Trong trường hợp chúng ta, điều đơn giản đoán phương pháp đắn cho việc tổng quát hóa Các khái niệm tỏ hiệu quả, giúp hiểu chuyển động đá ném lên không trung chuyển động hành tinh Bây tìm hiểu ý nghĩa khái niệm vận tốc, thay đổi vận tốc lực chuyển động theo đường cong Hãy bắt đầu với vận tốc Xét vật thể vô bé di chuyển theo đường cong theo hướng từ trái sang phải Trong khoa học, người ta thường đặt tên chung cho vật thể nhỏ hạt (particle) Điểm đen đường cong ứng với vị trí hạt thời điểm Làm xác định vận tốc hạt ứng với thời điểm vị trí này? Khám phá Galileo lần gợi ý cho cách thức đưa khái niệm vận tốc vào trường hợp Một lần nữa, tưởng tượng đến thí nghiệm lý tưởng Tác động ngoại lực làm hạt chuyển động đường cong, theo hướng từ trái sang phải Hãy tưởng tượng vào thời điểm vị trí chấm đen, tất ngoại lực tác động lên hạt nhiên biến chuyển động hạt chuyển động đều, theo định luật qn tính Trong thực tế, Bình minh tư học - 35 vật thể chắn hồn tồn khỏi tác dụng ngoại lực Chúng ta giả định “Điều xảy ?” phán đoán đắn giả định kết luận phù hợp với thực nghiệm Trong hình vẽ kế tiếp, đoán hướng chuyển động hạt mô tả vectơ tất ngoại lực biến Đó hướng đường tiếp tuyến Khi quan sát hạt di chuyển theo đường cong kính hiển vi, người ta thấy đường cong hình thành đoạn thẳng nhỏ, đường tiếp tuyến đường kéo dài đoạn thẳng Như vectơ vẽ hình nằm đường tiếp tuyến biểu diễn vận tốc hạt thời điểm Độ dài vectơ vận tốc biểu thị cho tốc độ (độ lớn vận tốc), ví dụ tốc độ xe hiển thị đồng hồ đo tốc độ Thí nghiệm lý tưởng tìm cách loại bỏ chuyển động để xác định vectơ vận tốc Điều thật không quan trọng giúp hiểu khái niệm vectơ xác định vectơ vận tốc hạt vào thời điểm định vị trí định Hình vẽ mơ tả ba vectơ vận tốc ứng với ba vị trí khác hạt di chuyển theo đường cong Trong trường hợp này, vectơ biểu thị cho hướng chuyển động 36 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý mà biểu thị độ lớn vận tốc độ dài vectơ Độ dài thay đổi hạt di chuyển đường cong Liệu khái niệm vận tốc có thỏa mãn điều kiện tiên tổng qt hóa hay khơng? Nghĩa là: Nó quy khái niệm quen thuộc đường cong trở thành đường thẳng? Chắc chắn thỏa mãn, đường tiếp tuyến đường thẳng đường thẳng Vectơ vận tốc nằm đường chuyển động tương tự trường hợp xe đẩy chuyển động thẳng hay viên bi lăn tròn Trong bước tiếp theo, trình bày thay đổi vận tốc hạt chuyển động theo đường cong Dù có nhiều phương pháp khác chọn phương pháp đơn giản tiện lợi Trong hình vẽ trên, ta có ba vectơ vận tốc ứng với ba điểm khác đường cong Hai vectơ vẽ lại, hình đây, với điểm xuất phát biết điều thực với vectơ Vectơ vẽ nét đứt gọi vectơ thay đổi vận tốc Điểm gốc trùng với điểm vectơ (1) Bình minh tư học - 37 điểm trùng với điểm vectơ (2) Hiện việc định nghĩa thay đổi vận tốc dường gượng ép vô nghĩa Tuy nhiên, điều trở nên rõ ràng xét trường hợp đặc biệt nhất: Hai vectơ (1) (2) có hướng Đây trường hợp chuyển động đường thẳng mà đề cập đến Nếu hai vectơ có chung gốc vectơ vẽ nét đứt lại nối hai vectơ làm hình vẽ sau đồng với hình vẽ trang 32 Khái niệm trước trở thành trường hợp đặc biệt khái niệm tổng quát Nhưng phải lưu ý hai vectơ hình vẽ riêng, khơng chúng trùng lắp phân biệt Bây thực bước cuối q trình tổng qt hóa Đây bước quan trọng đoán chúng ta: Xác định mối liên hệ lực thay đổi vận tốc để từ thiết lập yếu tố cho phép hiểu rõ vấn đề tổng quát chuyển động Đối với chuyển động thẳng, lời giải đáp thật đơn giản: Ngoại lực gây thay đổi vận tốc, vectơ lực có hướng với thay đổi Nhưng cần phải hiểu chuyển động theo đường cong? Hoàn toàn nhau! Sự khác biệt đến từ khái niệm “sự thay đổi vận tốc” cần mở rộng Các vectơ nét đứt hai hình cho ta thấy rõ rằng: Nếu xác định vận tốc tất điểm đường cong, ta suy hướng tác động lực điểm Điều cần làm vẽ hai vectơ vận tốc hai 38 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý thời điểm gần Do vậy, hai thời điểm ứng với hai vị trí gần Chính vectơ nối liền hai hai vectơ vận tốc biểu diễn cho hướng lực Nhưng điều thiết yếu bước cuối hai vectơ vận tốc cách quãng thời gian “rất ngắn” Nhưng việc định nghĩa cách xác hai từ “rất ngắn” “rất gần” điều không đơn giản Quả thật việc phân tích khái niệm dẫn dắt Newton Leibnitz(3a) phát minh phép tính vi phân Con đường dẫn đến tổng quát hóa ý tưởng Galileo rõ ràng thật cơng phu mệt mỏi Dù đề cập đến tất thành rút từ hệ nó, nhìn chung, ý tưởng giải thích cách đơn giản thuyết phục kiện mà trước khó hiểu rời rạc Trong vô số dạng chuyển động, chọn trường hợp đơn giản giải thích chúng với định luật mà vừa thành lập Khi bắn viên đạn với súng, ném viên đá theo góc nghiêng, hay tưới với ống nước, vẽ nên đường cong giống nhau, gọi đường parabol Nếu tưởng tượng ta gắn đồng hồ đo tốc độ vào viên đá, ta vẽ vectơ vận tốc thời điểm Điều trình bày hình vẽ Bình minh tư học - 39 Như trường hợp trước đây, ta hoàn toàn xác định hướng lực tác động lên viên đá, thay đổi vận tốc Nhờ đó, ta biết lực có phương thẳng đứng có hướng xuống đất Lực giống với lực tác động vào viên đá thả rơi từ tháp Mặc dù hướng chuyển động, hay gọi quỹ đạo chuyển động, vectơ vận tốc hai trường hợp (của viên đá ném viên đá thả rơi) hoàn toàn khác nhau, điều bất biến thay đổi vận tốc có hướng: Hướng vào tâm Trái Đất Khi viên đá cột vào đầu dây quay mặt phẳng nằm ngang, chuyển động theo quỹ đạo tròn Trên biểu đồ vectơ đây, vectơ ứng với chuyển động có độ dài viên đá quay với tốc độ 40 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Tuy nhiên, dù vectơ có độ dài vận tốc viên đá vận tốc đều, quỹ đạo chuyển động khơng phải đường thẳng Chỉ chuyển động thẳng không cần tác động ngoại lực Trong trường hợp này, vận tốc thay đổi hướng không thay đổi độ lớn Như thế, theo định luật chuyển động, ta phải có ngoại lực khác gây nên thay đổi hướng vận tốc Trong trường hợp này, lực lực tác động viên đá bàn tay nắm sợi dây Câu hỏi xuất tức khắc: Lực tác động vào viên đá theo hướng nào? Ta tìm thấy lời giải đáp vẽ vectơ vận tốc hai điểm gần sau tìm vectơ thay đổi vận tốc Vectơ hướng vào tâm vịng trịn, ln vng góc với vectơ vận tốc hay tiếp tuyến vòng tròn Nói cách khác tay tác động lực lên hịn đá thơng qua sợi dây Một thí dụ tương tự vơ quan trọng trường hợp Mặt Trăng quay quanh Trái Đất Trường hợp xem chuyển động trịn gần Lực tác động có hướng phía Trái Đất nguyên nhân khiến lực thí dụ trước hướng bàn tay Dù khơng có sợi dây nối Trái Đất với Mặt Trăng ta tưởng tượng đường thẳng nối tâm hai vật thể Vectơ lực nằm Bình minh tư học - 41 đường thẳng hướng vào tâm Trái Đất, giống lực tác động lên viên đá bị quay khơng khí hay rơi từ tháp Tất liên quan đến chuyển động mà đề cập đến tóm gọn câu sau: Lực thay đổi vận tốc vectơ có hướng Đây manh mối để giải vấn đề chuyển động, chắn không đủ để giải thích cách triệt để dạng chuyển động quan sát tự nhiên Sự chuyển đổi từ phương pháp tư trực giác Aristotle sang tư khoa học Galileo hình thành tảng quan trọng mở đường cho phát triển khoa học Điều quan tâm giai đoạn phát triển khoa học qua việc theo dõi manh mối ban đầu để thấy khái niệm hình thành qua đấu tranh gian khổ với khái niệm vật lý biết đến trước Chúng ta quan tâm đến cơng trình tiên phong khoa học việc mở đường với bất ngờ đoán trước Việc thám hiểm tư khoa học đem đến hình ảnh khơng ngừng biến đổi vũ trụ Những bước ln mang tính cách mạng Tư khoa học sáng tạo nhận thấy hạn hẹp khái niệm cũ thay chúng khái niệm Sự tiếp tục phát triển đường khoa học vạch sẵn thực khơng chất tiến hóa: Khi tiến đến bước ngoặt, ta phải chinh phục lĩnh vực Tuy nhiên, để hiểu nguyên nhân khó khăn buộc ta phải thay đổi khái niệm quan trọng, 42 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý cần phải giải thích kiện khám phá, mà phải hiểu hệ từ kết luận chúng Một tính chất quan trọng vật lý đại kết luận rút từ manh mối ban đầu phải có đồng thời tính định tính tính định lượng Khi quan sát lần thí dụ viên đá rơi từ đỉnh tháp, biết tăng tốc rơi Nhưng muốn biết cụ thể rằng: Sự tăng tốc có độ lớn bao nhiêu; xác định vận tốc vị trí viên đá thời điểm nào? Chúng ta ln mong muốn dự đốn kiện xác định thực nghiệm nhằm kiểm chứng tính xác dự đốn này, có nghĩa kiểm chứng giả thiết ban đầu Để rút kết luận mang tính định lượng, cần giúp đỡ ngơn ngữ tốn học Hầu tưởng khoa học thực chất đơn giản diễn đạt ngơn ngữ dễ hiểu Nhưng để suy luận sâu sắc ý tưởng này, người ta cần phải nghiên cứu phương pháp tinh tế Do đó, tốn học cơng cụ tối quan trọng để rút kết luận so sánh chúng với thực nghiệm Nhưng quan tâm đến ý tưởng vật lý việc sử dụng ngơn ngữ tốn học chưa thật cần thiết Vì trọng việc theo dõi ý tưởng sách này, nên hạn chế tiếp xúc với ngơn ngữ tốn học trích dẫn, khơng cần chứng minh, vài kết tốn học cần thiết cho việc tìm hiểu manh mối quan trọng phát sinh phát triển khoa học Cái giá phải trả từ bỏ ngơn ngữ tốn học suy luận phần tính xác nó, đơi Bình minh tư học - 43 phải trích dẫn vài kết mà khơng trình bày phương pháp sử dụng để đạt kết Một thí dụ quan trọng chuyển động chuyển động Trái Đất xung quanh Mặt Trời Như biết, quỹ đạo chuyển động Trái Đất xung quanh Mặt Trời tạo thành đường cong khép kín gọi hình elip Khi vẽ biểu đồ vectơ thay đổi vận tốc, ta nhận thấy lực tác dụng lên Trái Đất hướng phía Mặt Trời Nhưng lượng thơng tin q ỏi cho việc suy đoán vị trí Trái Đất vị trí hành tinh khác thời điểm Chúng ta muốn biết thời điểm thời gian xảy tượng nhật thực tới nhiều kiện thiên văn khác Chúng ta thực ước muốn này, dựa kiến thức ban đầu đủ điều cần khơng hướng lực mà cịn độ lớn lực, hay gọi cường độ lực Chính Newton dựa vào suy luận tuyệt vời đưa tiên đốn thiết lập định luật vạn vật hấp dẫn: Lực hút hai vật thể phụ thuộc vào khoảng cách chúng Lực hút giảm dần với 44 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý khoảng cách Một cách xác lực hút giảm 2 x 2 = 4 lần khoảng cách tăng gấp hai lần, giảm 3 x 3 = 9 lần khoảng cách tăng gấp ba lần Như thế, diễn đạt cách đơn giản phụ thuộc lực hấp dẫn vào khoảng cách vật thể chuyển động Đối với tất trường hợp khác, lực tác động có dạng khác điện, từ cố gắng biểu diễn chúng công thức đơn giản Một cơng thức có giá trị kết luận công thức kiểm chứng thực nghiệm Chỉ với kiến thức lực hấp dẫn ta khơng thể mơ tả chuyển động phức tạp hành tinh Chúng ta thấy vectơ lực thay đổi vận tốc quãng thời gian ngắn có hướng Tuy nhiên, phải với Newton thêm bước giả định mối liên hệ đơn giản chiều dài hai vectơ Khi yếu tố khác nhau, nghĩa vật thể chuyển động thay đổi quãng thời gian nhau, theo Newton, thay đổi vận tốc tỷ lệ với lực Như thế, cần thêm hai đốn ta đưa kết luận mang tính định lượng cho chuyển động hành tinh Phỏng đốn thứ mang tính tổng quát: Xác định mối liên hệ lực thay đổi vận tốc Phỏng đoán thứ hai trường hợp đặc biệt: Xác định xác phụ thuộc loại lực riêng biệt vào khoảng cách vật thể Phỏng đoán định luật tổng quát chuyển động Newton đoán thứ hai định luật vạn vật hấp dẫn Chúng cho phép mô tả dạng chuyển động Điều có Bình minh tư học - 45 thể làm sáng tỏ qua lý luận dài dòng Giả sử ta xác định vị trí, vận tốc hành tinh thời điểm lực tác dụng lên hành tinh theo định luật Newton, biết thay đổi vận tốc khoảng thời gian ngắn Khi biết vận tốc ban đầu thay đổi nó, chúng ta xác định vận tốc vị trí hành tinh thời điểm cuối khoảng thời gian Nếu tiếp tục lặp lại q trình này, vẽ toàn quỹ đạo chuyển động hành tinh mà không cần nhờ đến liệu từ trình quan sát Theo nguyên tắc, phương pháp mà học tiên đoán quỹ đạo di chuyển vật thể Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp lại thiếu thực tế việc tính tốn bước khó khăn khơng xác May mắn thay, cách thức hồn tồn khơng cần thiết trợ giúp tốn học giúp rút ngắn cơng việc diễn tả xác chuyển động cơng thức tốn học, tốn mực so với viết câu đơn giản sách Những kết luận cơng nhận hay bị bác bỏ quan sát thực tế Khi xét chuyển động viên đá rơi khơng khí, hay Mặt Trăng quay theo quỹ đạo nó, người ta nhận thấy chúng chịu tác động loại lực, lực hút Trái Đất lên vật Và Newton nhận thấy chuyển động viên đá rơi, Mặt Trăng hành tinh trường hợp đặc biệt lực hấp dẫn hai vật Trong trường hợp đơn giản, toán học tiên đốn diễn tả chuyển động, 46 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý trường hợp phức tạp hơn, chuyển động đến từ tương tác nhiều vật thể, việc mô tả tốn học thật khơng đơn giản, mặt Đến đây, tìm kết luận cách theo manh mối ban đầu Những kết luận thể qua chuyển động viên đá ném đi, chuyển động Mặt Trăng, Trái Đất hành tinh Quả thật hệ thống giả định cần chứng minh hay bác bỏ thực nghiệm Khơng giả định cô lập để thử nghiệm riêng lẻ Phương pháp học thành công việc mô tả chuyển động hành tinh xung quanh Mặt Trời Và tưởng tượng phương pháp khác, dựa giả định khác, thành công Những khái niệm vật lý bắt nguồn sáng tạo đầy tự trí tuệ người không xuất phát từ giới bên ta thường lầm tưởng Khi nỗ lực để hiểu rõ thực, giống người cố gắng tìm hiểu hệ học đồng hồ đóng kín Anh ta nhìn thấy mặt đồng hồ, chuyển động kim đồng hồ nghe tiếng tíc tắc nó, lại khơng phép mở Nếu thơng minh, suy nghĩ tưởng tượng tranh mơ tả tồn hệ thống học bên đồng hồ ứng với mà quan sát Nhưng không tin tranh có khả giải thích quan sát Nhưng điều chắn khơng thể so sánh tranh với hệ thống học thật đồng hồ Và khơng Bình minh tư học - 47 thể tưởng tượng khả hay ý nghĩa so sánh Nhưng điều chắn là, kiến thức sâu rộng hơn, tranh thực ngày đơn giản giải thích ngày rõ ràng nhận định cảm tính Anh ta có lẽ tin người tiến dần đến giới hạn lý tưởng kiến thức, đặt tên cho giới hạn chân lý khách quan MANH MỐI CỊN SĨT LẠI Khi bắt đầu nghiên cứu học, người ta cảm tưởng vấn đề lĩnh vực khoa học đơn giản, hoàn toàn giải cách triệt để Chưa có ý tưởng cịn manh mối vô quan trọng chưa khám phá suốt ba trăm năm Manh mối khái niệm học: Khối lượng Chúng ta trở lại thí nghiệm lý tưởng đơn giản với xe đẩy đường vô phẳng Nếu ban đầu xe đứng yên, sau nhận cú đẩy, chuyển động với vận tốc Giả sử ta lặp lại tác động cách tùy ý, có nghĩa đẩy xe với lực đẩy Dù lặp lại thí nghiệm lần vận tốc xe đẩy ln Nhưng điều xảy thay đổi điều kiện thí nghiệm: Đặt lên xe đẩy khối lượng Vận tốc xe đẩy chịu tải lúc nhỏ vận tốc xe đẩy không tải ban đầu Điều dẫn đến 48 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý kết luận sau: Đối với hai vật thể khác có vận tốc ban đầu không, chúng di chuyển với vận tốc khác tác động lực Chúng ta nói vận tốc phụ thuộc vào khối lượng vật thể, vận tốc nhỏ khối lượng vật lớn Như mặt lý thuyết, biết làm để xác định khối lượng vật, hay nói xác làm để xác định khối lượng vật lớn gấp lần khối lượng vật Khi tác động lực lên hai vật đứng yên, vận tốc vật thể thứ lớn gấp ba lần vận tốc vật thể thứ hai, kết luận khối lượng vật thể nhỏ ba lần so với khối lượng vật thể thứ hai Đây chắn phương pháp thực tiễn để xác định tỷ lệ khối lượng hai vật Dù nữa, tin dựa vào định luật qn tính, khối lượng xác định cách hay cách khác Trong thực tế, người ta xác định khối lượng cách nào? Dĩ nhiên với cách thức mà chúng vừa mô tả Bất kỳ người biết người ta cân vật để xác định khối lượng vật Chúng ta bàn luận chi tiết hai cách khác để xác định khối lượng Thí nghiệm hồn tồn khơng liên quan đến trọng lực hay gọi sức hút Trái Đất Sau cú đẩy, xe chuyển động mặt nằm ngang vô phẳng Trọng lực làm xe đứng yên mặt phẳng, lực không đổi khơng đóng vai trị việc xác định khối lượng Bằng phương pháp cân, xác định khối lượng cách hồn Bình minh tư học - 49 toàn khác Chúng ta dùng cân Trái Đất không hút vật, hay trọng lực không hữu Sự khác biệt hai phương pháp diện vắng mặt trọng lực việc xác định khối lượng Câu hỏi đặt là: Nếu xác định tỷ lệ hai khối lượng hai cách trên, liệu có kết hay khơng? Câu hỏi trả lời cách rõ ràng thực nghiệm Các kết đo hoàn toàn giống nhau! Chúng ta khơng thể có kết luận cách đoán hay suy luận mà phải dựa vào quan sát Để đơn giản hóa khái niệm, gọi khối lượng xác định theo cách khối lượng quán tính theo cách thứ hai khối lượng hấp dẫn Trên Trái Đất, hai loại khối lượng thường nhau, tưởng tượng điều không thiết phải Một câu hỏi khác xuất lập tức: Sự đồng hai loại khối lượng có phải hồn tồn ngẫu nhiên hay chứa đựng ý nghĩa sâu xa khác? Theo quan điểm vật lý cổ điển, đồng hai loại khối lượng ngẫu nhiên không mang ý nghĩa sâu xa Câu trả lời vật lý đại lại hoàn toàn trái ngược: Sự đồng hai loại khối lượng chứa đựng ý nghĩa trình hình thành tảng dẫn đến hiểu biết tự nhiên cách sâu sắc Sự đồng khối lượng quán tính khối lượng hấp dẫn thực tảng quan trọng để từ hình thành nên thuyết tương đối rộng (thuyết tương đối tổng quát) Một câu chuyện trinh thám hấp dẫn tình tiết lạ thường bắt nguồn từ ngẫu nhiên Câu chuyện thuyết 50 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý phục người đọc tình tiết diễn biến theo trình tự hợp lý Tương tự thế, lý thuyết giải thích ý nghĩa đồng khối lượng hấp dẫn khối lượng quán tính tốt lý thuyết khác cho đồng ngẫu nhiên, dĩ nhiên với điều kiện hai lý thuyết phù hợp với kiện quan sát Vì đồng khối lượng hấp dẫn khối lượng qn tính tảng để hình thành thuyết tương đối nên cần xem xét vấn đề cách kỹ lưỡng Nhưng thí nghiệm chứng minh cách thuyết phục hai loại khối lượng nhau? Câu trả lời nằm thí nghiệm trước Galileo: Thả viên đá có khối lượng khác từ đỉnh tháp Ông nhận thấy viên đá khác lại có thời gian rơi q trình rơi vật khơng phụ thuộc vào khối lượng Chúng ta cần có thêm lập luận phức tạp để liên kết kết thực nghiệm đơn giản vô quan trọng với đồng hai loại khối lượng quán tính khối lượng hấp dẫn Một vật thể đứng yên chống lại tác động ngoại lực trước bắt đầu chuyển động đạt vận tốc Nó bắt đầu chuyển động cách dễ dàng hay khó khăn tùy thuộc vào khối lượng qn tính Nếu khối lượng qn tính lớn, vật thể chống lại chuyển động mạnh mẽ so với khối lượng quán tính nhỏ Nếu khơng cần đến xác tuyệt đối, ta nói rằng: Sự sẵn sàng vật nhằm đáp lại tác động ngoại lực phụ thuộc vào khối lượng qn tính Nếu Trái Đất thật hút vật Bình minh tư học - 51 với lực, vật có khối lượng qn tính lớn rơi chậm Nhưng điều lại không với quan sát thực tế tất vật thể rơi nhanh Nghĩa Trái Đất hút vật khác với lực khác Dó đó, Trái Đất hút viên đá lực hấp dẫn mà khơng cần biết đến khối lượng qn tính viên đá Độ lớn lực hút tùy thuộc vào khối lượng hấp dẫn viên đá Và viên đá “đáp ứng” lại chuyển động nhanh hay chậm tùy thuộc vào khối lượng quán tính Vì “đáp ứng” chuyển động vật – vật rơi xuất phát từ độ cao – nên ta suy khối lượng hấp dẫn khối lượng quán tính Một nhà vật lý trình bày nhận thức cách “mô phạm” hơn: Gia tốc vật rơi tỷ lệ thuận với khối lượng hấp dẫn tỷ lệ nghịch với khối lượng qn tính Vì vật rơi với gia tốc cố định nên hai loại khối lượng phải Trong sách tự nhiên vĩ đại chúng ta, chưa có vấn đề giải hồn tồn triệt để có hiệu lực mãi Sau ba trăm năm, lại phải quay vấn đề chuyển động, kiểm tra lại phương pháp nghiên cứu nhằm tìm điều bị bỏ sót, để từ đó, vẽ nên bước tranh vũ trụ quanh ta NHIỆT CÓ PHẢI LÀ MỘT CHẤT? Bây bắt đầu với manh mối mới, manh mối xuất phát từ lĩnh vực tượng nhiệt Tuy nhiên, 52 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý khoa học bị chia cắt thành ngành hoàn toàn riêng biệt độc lập với Thật vậy, sớm nhận khái niệm trình bày đan dệt với khái niệm mà biết với khái niệm mà cịn gặp gỡ Thơng thường, ý tưởng phát triển lĩnh vực khoa học định áp dụng để mơ tả kiện khác, gần hoàn toàn khác biệt mặt chất Khi đó, khái niệm nguyên thường thay đổi, vừa để phù với tượng làm phát sinh khái niệm ấy, vừa để giải thích tượng Các khái niệm để mô tả tượng nhiệt nhiệt nhiệt độ Trong lịch sử khoa học, người ta cần thời gian dài đến mức khó tin để phân biệt hai khái niệm Nhưng phân biệt thực hiện, trình phát triển khoa học tiến bước nhanh chóng Mặc dù khái niệm vơ quen thuộc với chúng ta, thử khảo sát thật kỹ lưỡng sâu vào khác biệt chúng Xúc giác giúp phân biệt rõ ràng vật nóng hay vật lạnh Nhưng điều cho ta biết định tính khơng đủ để mô tả định lượng mơ hồ Chúng ta thực thí nghiệm đơn giản sau: Lần lượt nhúng tay vào ba chậu riêng biệt chứa nước lạnh, nước ấm nước nóng Khi nhúng tay vào chậu nước lạnh tay cịn lại vào chậu nước nóng, nhận thấy chậu thứ lạnh chậu thứ hai nóng Nhưng sau đó, nhúng lúc hai bàn tay vào chậu nước ấm, bàn tay cho cảm giác trái ngược Tương tự vậy, Bình minh tư học - 53 người Eskimo cư dân đến từ vùng xích đạo gặp New York ngày mùa xuân, họ có ý kiến hồn tồn khác độ nóng lạnh khí hậu Đáp án vấn đề giải nhiệt kế, loại dụng cụ mà hình thức sơ khởi thiết kế Galileo Chúng ta lại lần gặp lại Galileo Khi sử dụng công cụ này, phải chấp nhận số giả thiết hiển nhiên chấp nhận vật lý Chúng ta trích dẫn vài dịng từ giảng cách 150 năm Black(4), người đóng góp nhiều cơng sức vào việc loại bỏ khó khăn liên quan đến hai khái niệm nhiệt nhiệt độ: Qua việc sử dụng công cụ học rằng: Khi lấy 1000 hay nhiều loại vật chất khác kim loại, gỗ, đá, muối, lông chim, len, nước nhiều loại chất lỏng khác nhau, vào lúc ban đầu, vật có nhiệt (heats) khác nhau; để chung vật phịng khơng có lửa khơng có ánh sáng Mặt Trời, nhiệt chuyển từ vật nóng sang vật lạnh Q trình kéo dài vài vài ngày Sau quãng thời gian này, dùng nhiệt kế để đo vật này, nhiệt kế cách xác độ cho tất vật Theo thuật ngữ ngày nay, chữ nhiệt in nghiêng giảng nên thay chữ nhiệt độ Khi quan sát nhiệt kế vừa lấy từ miệng bệnh nhân, người bác sĩ suy luận sau: “Nhiệt kế biểu thị nhiệt độ chiều dài cột thủy ngân bên nhiệt kế Giả sử gia tăng chiều cao 54 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý cột thủy ngân tỷ lệ thuận với gia tăng nhiệt độ Vì nhiệt xúc với bệnh nhân vài phút nên nhiệt kế bệnh nhân có nhiệt độ Như kết luận nhiệt độ bệnh nhân nhiệt độ thị nhiệt kế” Trong đó, người bác sĩ đo nhiệt độ cách máy móc, ơng ta áp dụng nguyên lý mà không cần biết Nhưng liệu nhiệt kế có chứa nhiệt lượng thể bệnh nhân hay không? Dĩ nhiên không Nhưng ta cho hai vật thể có nhiệt lượng giống nhiệt độ chúng nhau, ta nghe nhận xét Black: với quan điểm đơn giản Chúng ta thường nhầm lẫn nhiệt lượng vật thể với độ lớn, hay gọi cường độ, nhiệt vật thể Hai khái niệm hoàn toàn khác cần phân biệt rõ ràng, ta nghĩ đến phân bố nhiệt Chúng ta phân biệt hai khái niệm thí nghiệm vơ đơn giản Khi đun sơi lít nước lửa, lượng nước cần khoảng thời gian để thay đổi từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ sơi Với lửa bình chứa, ta cần khoảng thời gian dài nhiều để đun sơi mười hai lít nước Chúng ta giải thích kiện cách cho cần phải có thêm “cái đó” Chúng ta đặt tên “cái nhiệt” Thí nghiệm dẫn đến khái niệm quan trọng nhiệt nhiệt dung riêng: Đun lít nước lít thủy ngân với cách hồn tồn giống Thủy ngân nóng nhanh nước, điều cho thấy ta cần “nhiệt” để Bình minh tư học - 55 tăng thêm cho thủy ngân độ Cụ thể hơn, để làm tăng nhiệt độ chất khác có khối lượng nước, thủy ngân, sắt, đồng, gỗ từ 100C lên 110C, cần lượng “nhiệt” khác Chúng ta nói chất có có nhiệt dung riêng hay gọi nhiệt dung riêng Một biết khái niệm nhiệt, tìm hiểu rõ chất Chúng ta xét hai vật, nóng, lạnh hay nói cách xác hơn, vật có nhiệt độ cao vật Chúng ta để chúng tiếp xúc với loại bỏ ảnh hưởng bên Chúng ta biết cuối chúng có nhiệt độ Nhưng trình diễn nào? Điều xảy thời điểm chúng bắt đầu tiếp xúc chúng có nhiệt độ nhau? Chính câu hỏi gợi cho ta hình ảnh nhiệt “chảy” từ vật sang vật khác, tương tự với hình ảnh nước chảy từ chỗ cao đến chỗ thấp Dù thô sơ việc so sánh dường phù hợp với nhiều kiện: Nước — Nhiệt Mực nước cao — Nhiệt độ cao Mực nước thấp — Nhiệt độ thấp Dòng chảy tiếp diễn hai mức này, hay xác hai nhiệt độ, Ý tưởng đơn giản trở nên hữu ích khảo sát mang tính định lượng Khi hòa tan lượng nước vào lượng cồn, biết khối lượng nhiệt độ chất, nhiệt dung riêng chúng cho phép tiên đoán nhiệt độ cuối hỗn hợp Ngược lại, 56 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý biết nhiệt độ cuối hỗn hợp, tìm tỷ lệ hai nhiệt dung riêng vài phép tính đơn giản Chúng ta thấy khái niệm nhiệt giống với khái niệm vật lý khác Như thế, ta nghĩ nhiệt loại vật chất tương tự khối lượng học “Số lượng” thay đổi giữ nguyên, tương tự số tiền cất giữ két sắt hay đem tiêu xài Số tiền tủ sắt giữ nguyên tủ sắt cịn khóa kín, giống khối lượng nhiệt lượng đặt hộp kín cách ly với mơi trường bên ngồi Ta xem dạng hộp kíp bình thủy lý tưởng Hơn nữa, hệ cô lập, tổng khối lượng vật chất ln khơng đổi dù có xảy biến đổi hóa học Tương tự thế, nhiệt hệ cô lập bảo tồn dù “chảy” từ vật sang vật khác Ngay trường hợp nhiệt không dùng để nâng cao nhiệt độ vật thể, thí dụ dùng để làm tan chảy nước đá hay làm bay nước, nghĩ nhiệt chất thu nhiệt trở lại làm đông nước hay làm ngưng tụ nước Trước đây, người ta thường gọi nhiệt ẩn nhiệt bay ẩn nhiệt nóng chảy Những tên gọi bắt nguồn từ hình ảnh nhiệt chất Tương tự nhiệt, ẩn nhiệt tạm thời cất giấu vào nơi an toàn, giống việc ta cất tiền tủ sắt lấy số tiền ta biết mật mã tủ sắt Nhưng chắn nhiệt chất vật chất có khối lượng mà ta biết Người ta xác định khối lượng vật chất phương pháp cân, với nhiệt cách nào? Khơng lẽ mảnh sắt nóng đỏ nặng so với Bình minh tư học - 57 đơng lạnh? Thực nghiệm cho ta thấy điều không Nếu nhiệt coi chất loại vật chất “không trọng lượng” Trước đây, “chất–nhiệt” (thường gọi caloric) thành viên đại gia đình chất khơng trọng lượng Sau có dịp theo dõi lịch sử gia đình hình thành tan rã Tạm thời ghi nhận đời loại chất đặc biệt Mục đích lý thuyết vật lý tìm cách giải thích nhiều tượng tốt Một lý thuyết ln cịn giải thích kiện khám phá tự nhiên Chúng ta thấy lý thuyết chất giải thích nhiều tượng nhiệt Tuy nhiên, sớm thấy rằng, lại nhận thức sai lệch, nhiệt khơng thể coi chất dù chất khơng có trọng lượng Điều trở nên dễ dàng quay lại với vài thí nghiệm đơn giản từ thuở sơ khai văn minh nhân loại Chúng ta thường xem chất thứ tạo hay bị hủy diệt Nhưng người nguyên thủy biết nhóm lửa lượng nhiệt sinh từ cọ xát Chúng ta không cần phải điểm qua tất thí dụ tương tự Tuy nhiên, tất trường hợp này, lý thuyết chất khó giải thích tượng tạo nhiệt cọ xát Quả thật, người bênh vực cho lý thuyết tưởng tượng luận chứng sau để giải thích tượng này: “Với lý thuyết chất, người ta giải thích rõ ràng tạo nhiệt Hãy lấy thí dụ đơn giản: Cọ xát hai gỗ với Sự cọ xát làm ảnh hưởng thay đổi tính chất gỗ Rất tính chất gỗ bị biến đổi cách làm lượng nhiệt khơng đổi có 58 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý thể gia tăng nhiệt độ gỗ Q trình xảy cách ta nhận thấy kết cuối gia tăng nhiệt độ Có thể cọ xát làm thay đổi nhiệt dung riêng gỗ tổng số lượng nhiệt gỗ không thay đổi.” Đến đây, thảo luận trở nên vô nghĩa tiếp tục tranh cãi với người bênh vực cho lý thuyết chất nhiệt Chỉ có thực nghiệm giải pháp để đưa kết luận đắn Giả sử ta có hai gỗ giống hệt nhiệt độ chúng thay đổi hai cách khác nhau, thí dụ cọ xát tiếp xúc với vật nóng Nếu hai gỗ có nhiệt dung riêng nhiệt độ vừa đạt được, lý thuyết chất trở nên vơ giá trị sụp đổ Có nhiều phương pháp đơn giản để xác định nhiệt dung riêng kết thực nghiệm định vận mệnh lý thuyết Các thí nghiệm có khả phán tồn vong lý thuyết thường thấy lịch sử vật lý học gọi experimentum crucis – thí nghiệm mấu chốt Khi tìm hiểu tượng bất kỳ, tính mấu chốt thí nghiệm thể qua cách đặt vấn đề, lý thuyết phán xét tượng thử thách qua thí nghiệm Ví dụ điển hình thí nghiệm mấu chốt xác định nhiệt dung riêng hai vật giống đạt tới nhiệt độ định cách cọ xát truyền nhiệt Thí nghiệm thực Rumford(5) cách khoảng 150 năm chấm dứt tồn lý thuyết chất nhiệt Trích dẫn từ ghi chép Rumford mơ tả q trình diễn biến sau: Bình minh tư học - 59 Trong đời sống thường ngày, có nhiều hội để tiếp xúc quan sát tượng lạ thường tự nhiên Và thí nghiệm mang tính triết lý to lớn lại thường thực phương tiện đơn giản tốn kém, ví dụ máy móc khí dùng nghề thủ công hay việc sản xuất Tơi thường có nhiều hội để thực quan sát tin thói quen quan sát việc, dù bình thường sống thường ngày, đem đến nghi ngờ hữu ích cho việc nghiên cứu phát triển, trầm tư mặc tưởng nhà triết học vào định ngày Cách không lâu, giám sát việc khoan nòng súng xưởng chế tạo máy kho vũ khí qn Munich, tơi vơ ngạc nhiên với lượng nhiệt sinh thời gian ngắn nòng súng đồng thau trình gia cơng Nhưng mảnh dăm bào kim loại văng từ lưỡi khoan cịn nóng (tơi nhận thấy chúng nóng nước sơi ) Nhiệt thật phát sinh từ đâu trình gia cơng nịng súng? Có phải dăm bào kim loại lưỡi khoan tách khỏi khối kim loại? Nếu theo học thuyết ẩn nhiệt chất nhiệt, dung lượng nhiệt không thay đổi, mà thay đổi phải lớn để giải thích lượng nhiệt sinh Nhưng thay đổi không xảy Q trình thí nghiệm mơ tả sau: Lấy từ khối kim loại lượng dăm bào có khoan nịng súng kim loại tách cưa sắt Sau nâng nhiệt độ hai lượng kim loại lên (nhiệt độ nước sôi), đặt chúng vào hai lượng nước riêng biệt có thể tích nhiệt độ (15,30C) Tơi nhận thấy nhiệt độ khối nước chứa dăm bào 60 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý không cao không thấp nhiệt độ khối nước chứa kim loại Cuối Rumford đến kết luận: Như qua việc lập luận vấn đề này, không bỏ qua kiện đáng ý, nguồn nhiệt tạo từ ma sát thí nghiệm rõ ràng vơ tận! Ta khơng cần nói thêm tính phi lý thứ đó, cung cấp cho vật hay hệ thống vật thể bị cách ly cách vơ tận, vật chất Đối với tơi, thật vơ khó khăn hay gần đưa ý tưởng rõ ràng thứ sinh truyền với cách thức nhiệt sinh truyền thí nghiệm này, trừ SỰ CHUYỂN ĐỘNG Như đến sụp đổ lý thuyết cũ nhiệt, hay xác hơn, nhận thấy lý thuyết chất giải thích tượng truyền nhiệt Như Rumford gợi ý, cần phải lần tìm kiếm manh mối Để thực điều này, tạm gác lại vấn đề nhiệt quay với học TÀU LƯỢN SIÊU TỐC Chúng ta mô tả chuyển động tàu lượn siêu tốc, trò chơi cảm giác mạnh phổ biến Tàu lượn đưa lên điểm cao đường ray sau thả Do ảnh hưởng trọng lực, toa tàu bắt đầu lăn bánh xuống dốc, Bình minh tư học - 61 sau chạy lên xuống theo đường cong kỳ thú, làm hành khách thót tim tàu lượn bất ngờ thay đổi vận tốc Các tàu lượn siêu tốc bắt đầu di chuyển điểm cao nó, khơng đạt lại độ cao suốt trình di chuyển Việc mơ tả hồn tồn quỹ đạo chuyển động vô phức tạp Trước hết, ta có vấn đề mặt học: Sự thay đổi vận tốc vị trí theo thời gian Mặt khác, ma sát tạo nhiệt đường ray bánh xe Lý cho việc chia cắt trình vật lý thành hai khía cạnh khác để ta sử dụng khái niệm đề cập trước Sự chia cắt dẫn đến thí nghiệm lý tưởng trình vật lý chứa đựng yếu tố học Chúng ta tưởng tượng khơng thể thực thí nghiệm Trong thí nghiệm lý tưởng này, tưởng tượng người kỹ sư loại bỏ hồn tồn ma sát ln hữu trình chuyển động Anh ta định ứng dụng khám phá để xây dựng hệ thống tàu lượn siêu tốc cho Chiếc tàu lượn chạy lên xuống từ điểm bắt đầu nó, ví dụ cách mặt đất 30 m Sau nhiều thử nghiệm, khám phá phải tuân theo quy tắc đơn giản: Ta xây dựng đường ray có hình dạng nào, khơng có điểm đường ray cao điểm xuất phát Nếu tàu lượn chạy cách tự từ điểm đến điểm cuối đường ray, đạt đến chiều cao 30 m lần được, không vượt giới hạn Trong thực tế, ma sát, xe không đạt đến chiều cao ban đầu đường ray, người kỹ sư giả định không cần biết đến điều 62 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Chúng ta theo dõi chuyển động tàu lượn lý tưởng chuyển động đường ray lý tưởng bắt đầu lăn bánh sau điểm xuất phát Trong trình di chuyển, khoảng cách tàu lượn mặt đất rút ngắn lại, vận tốc lại gia tăng Điều làm nhớ lại câu học sinh ngữ: “Tơi khơng có bút chì nào, anh có sáu cam” Tuy nhiên, câu nói khơng hồn tồn vơ nghĩa Dù khơng có liên hệ việc tơi khơng có bút chì anh có sáu cam, ta thật có liên hệ khoảng cách tàu với mặt đất tốc độ Chúng ta tính tốc độ tàu thời điểm biết khoảng cách mặt đất Tuy nhiên, bỏ qua điểm tính định lượng vận tốc diễn tả tốt cơng thức tốn học Tại điểm cao đường ray, toa tàu có vận tốc không cách mặt đất 30 m Khi đến điểm thấp sát mặt đất, có vận tốc lớn Điều diễn đạt thuật ngữ khác Ở điểm cao nhất, tàu lượn khơng có động hay cịn gọi lượng Bình minh tư học - 63 chuyển động Ở điểm sát với mặt đất, tàu lượn có động lớn khơng cịn giữ Ở vị trí hai điểm này, nơi mà tàu có vận tốc độ cao đó, lẫn động Thế gia tăng theo độ cao so với mặt đất, động gia tăng với vận tốc Các nguyên tắc học đủ để giải thích hình thái chuyển động Nếu mơ tả tốn học, ta có hai biểu thức lượng, biểu thức thay đổi tổng chúng ln khơng đổi Do mơ tả cách chặt chẽ xác phụ thuộc vào vị trí động vào vận tốc Việc đặt tên cho hai khái niệm dĩ nhiên tùy ý, khơng bó buộc hồn tồn mục đích tiện lợi Tổng số hai đại lượng gọi số chuyển động Năng lượng toàn phần, động cộng với năng, so sánh giá trị số tiền không đổi, người ta liên tục chuyển đổi từ loại tiền tệ sang loại tiền tệ khác, ví từ la Mỹ sang đồng bảng Anh ngược lại, tùy theo tỷ giá hối đoái 64 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Trên thực tế, tàu lượn, ma sát cản trở đạt lại độ cao điểm xuất phát, ta có chuyển đổi liên tục động Tuy nhiên, tổng chúng khơng cịn giữ nguyên mà ngày giảm dần Bây giờ, cần tiến thêm bước quan trọng dũng cảm để tìm mối liên hệ học nhiệt chuyển động Về sau thấy tầm quan trọng hệ tổng quát hóa bước tiến Chúng ta cần ý động năng, ta có thêm nhiệt tạo từ ma sát Có phải nhiệt tương ứng với giảm sút năng, nghĩa động năng? Ta đưa đốn mới: Nếu nhiệt coi dạng lượng, có lẽ tổng số lượng ba loại lượng nhiệt, không đổi Không phải nhiệt mà nhiệt hình thái lượng khác hợp thành loại chất bị hủy diệt Điều giống người phải tự trả tiền huê hồng đồng quan Pháp muốn chuyển đổi đô la thành bảng Anh Nếu tính ln số tiền h hồng này, tổng số tiền đô la, bảng Anh đồng quan Pháp giữ cố định theo tỷ giá hối đối Sự tiến khoa học phá bỏ khái niệm chất nhiệt Chúng ta cố gắng tạo chất mới, lượng nhiệt hình thái TỶ LỆ TRAO ĐỔI Cách khoảng trăm năm, Mayer(6) dự đoán manh mối dẫn đến khái niệm xem nhiệt dạng Bình minh tư học - 65 lượng sau Joule(7) khẳng định điều thực nghiệm Có điều trùng hợp hầu hết cơng trình chất nhiệt hoàn thiện nhà vật lý nghiệp dư Những người coi vật lý sở thích riêng họ Đó Black, người Scotland uyên bác; Mayer, bác sĩ người Đức Bá tước Rumford, nhà thám hiểm tiếng người Mỹ Rumford sau sống Âu châu giữ chức Bộ trưởng Chiến tranh Bavaria (ngày bang phía nam CHLB Đức - ND) Và Joule, nhà ủ bia người Anh, thời gian rảnh rỗi, ơng ta thực thí nghiệm quan trọng bảo toàn lượng Bằng thực nghiệm, Joule kiểm chứng đoán cho nhiệt dạng lượng xác định tỷ lệ trao đổi Thật đáng cơng để tìm hiểu kết mà Joule đạt Tổng động hệ hợp thành hệ Đối với trường hợp tàu lượn siêu tốc, thử giả định phần biến đổi thành nhiệt Nếu điều trường hợp trình vật lý tương tự khác, ta phải xác định rõ ràng tỷ số trao đổi hai dạng lượng Đây câu hỏi nghiêm túc tính định lượng, lượng biết trước chuyển thành lượng nhiệt xác định kiện vô quan trọng Chúng ta muốn biết giá trị tỷ số trao đổi lượng, hay nói cách khác, nhận nhiệt từ lượng dùng Việc xác định tỷ số mục đích nghiên cứu Joule Nguyên lý hệ thống thí nghiệm ông ta giống nguyên 66 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý lý hoạt động đồng hồ trọng lượng Chiếc đồng hồ lên dây cót cách tăng độ cao hai cân để làm tăng hệ thống Nếu đồng hồ không chịu tác động khác, hệ thống coi hệ kín Khi cân từ từ rơi xuống đồng hồ hoạt động Khi hai cân rơi đến vị trí thấp đồng hồ dừng lại Điều xảy với lượng? Thế hai cân chuyển thành hệ thống học tiêu tán dần dạng nhiệt Với cải tiến khéo léo hoạt động hệ thống này, Joule đo lượng nhiệt xác định tỷ lệ trao đổi lượng Trong thiết bị ông, hai cân thiết kế để làm quay cánh quạt đặt chìm nước Thế cân biến đổi thành động phận chuyển động, sau động lại chuyển thành nhiệt làm gia tăng nhiệt độ nước Joule đo lường thay đổi nhiệt từ nhiệt dung riêng nước biết, ơng tìm Bình minh tư học - 67 lượng nhiệt bị nước hấp thụ Ơng tóm tắt kết thí nghiệm sau: Lượng nhiệt tạo ma sát vật thể dù chất rắn hay chất lỏng tỷ lệ với lượng lượng dùng Lượng nhiệt cần thiết để gia tăng nhiệt độ cân Anh (453,6 g) nước (cân chân khơng có nhiệt độ khoảng từ 550F đến 600F (130C đến 160C)) lên 10F (0,560C) tương đương với mát lượng học vật nặng 772 cân Anh (khoảng 350 kg) rơi từ độ cao bộ Anh (30,48 cm) Nói cách khác, vật nặng 772 cân Anh nâng lên cách mặt đất Anh tương đương với lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ 453,6 g nước từ 550F lên 560F Những thí nghiệm sau đưa kết xác hơn, cách bản, đương lượng học nhiệt Joule tìm cơng trình tiên phong Một điều quan trọng giải quyết, phát triển xảy nhanh chóng Người ta sớm hiểu nhiệt hai số nhiều dạng lượng Bất kỳ hình thái biến đổi thành nhiệt năng, dạng lượng Bức xạ đến từ Mặt Trời lượng phần xạ biến đổi thành nhiệt làm nóng Trái Đất Một dịng điện có lượng làm nóng dây điện hay làm quay bánh xe động Than đá chứa đựng hóa phóng thích nhiệt bị đốt cháy Trong tất kiện tự nhiên, dạng lượng chuyển đổi sang dạng lượng khác tuân theo tỷ lệ biến đổi xác định Trong hệ kín cách ly 68 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý với ảnh hưởng bên ngoài, lượng bảo toàn đóng vai trị loại vật chất Do đó, tổng số tất dạng lượng hệ kín bất biến, lượng loại ln thay đổi Nếu xem vũ trụ hệ kín, hãnh diện tuyên bố với nhà vật lý kỷ thứ 19 tổng lượng vũ trụ khơng đổi, khơng có thành phần sinh hay bị hủy diệt Như có hai khái niệm chất vật chất lượng Cả hai khái niệm tuân định luật bảo toàn: Một hệ lập khơng thể có thay đổi khối lượng tổng số lượng Vật chất có trọng lượng lượng khơng Do có hai khái niệm khác hai định luật bảo tồn Chúng ta có nên tiếp tục tìm hiểu kỹ ý tưởng hay khơng? Hay tranh vững trở nên lu mờ chân lý phát triển sau? Đúng thế! Sự thay đổi sau hai khái niệm vật chất lượng liên hệ trực tiếp đến thuyết tương đối Chúng ta trở lại điểm BỐI CẢNH TRIẾT HỌC Những kết nghiên cứu khoa học thường gây nên thay đổi bắt buộc quan điểm triết học số vấn đề mở rộng những vấn đề lại vượt khỏi khn khổ giới hạn khoa học Mục đích khoa học gì? Người ta muốn lý thuyết cố gắng mô tả tượng tự nhiên? Dù câu hỏi không thuộc lĩnh vực vật lý chúng liên quan chặt chẽ đến vật lý, khoa học tự nhiên Bình minh tư học - 69 hình thành sở mà từ phát sinh câu hỏi Các kết nghiên cứu khoa học phải chứa đựng tổng qt hóa mang tính triết học Nhưng hình thành cơng nhận rộng rãi, tổng qt hóa mang tính triết học thường ảnh hưởng sâu rộng đến phát triển tư khoa học khả trình Một tư thành công việc thay đổi tư thừa nhận thường đem đến phát triển bất ngờ, hoàn toàn trở thành cội nguồn cho quan điểm triết học Những nhận xét mơ hồ vô nghĩa chúng minh họa vài thí dụ lịch sử vật lý học Bây giờ, cố gắng tìm hiểu lại quan điểm triết học đưa mục đích khoa học Trước đây, tư tưởng ảnh hưởng vô mạnh mẽ đến phát triển vật lý học Nhưng khoảng trăm năm gần đây, chúng bị loại bỏ chứng mới, kiện lý thuyết Sự diễn biến tư tưởng hình thành bối cảnh cho khoa học Trong lịch sử khoa học, từ thời triết học Hy lạp vật lý đại, người ta ln tìm cách đơn giản hóa tượng phức tạp tự nhiên thành ý tưởng mối liên hệ đơn giản Đây nguyên tắc tảng toàn triết học tự nhiên Điều diễn tả cơng trình nhà khoa học theo thuyết nguyên tử cổ xưa Cách 2300 năm, Democritus(8) viết: Thông thường ngọt, đắng đắng, nóng nóng, lạnh lạnh, màu sắc màu sắc Nhưng thật có nguyên tử khoảng trống Có nghĩa nhận thức giác quan 70 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý cho thật thông thường chúng coi thật, thật chúng khơng hết Chỉ có ngun tử khoảng trống thật Tàn tích tư tưởng triết học cổ đại khơng thuyết lý bịa đặt trí tưởng tượng Người Hy lạp thời quy luật tự nhiên liên kết chặt chẽ kiện tiếp diễn liên tục với Một khoa học có liên kết chặt chẽ lý thuyết thực nghiệm thật cơng trình Galileo Chúng ta hiểu quy luật chuyển động từ manh mối ban đầu Trong suốt 200 năm nghiên cứu khoa học, lực vật chất khái niệm tảng cho nỗ lực việc tìm hiểu tự nhiên Ta khơng thể nói đến lực mà khơng nói đến vật chất hay ngược lại, hữu vật chất nguồn gốc lực thông qua tác động đến vật chất khác Lực hút Lực đẩy Chúng ta xét thí dụ đơn giản nhất: Hai hạt lực tương tác chúng Lực mà dễ tưởng tượng đến lực hút lực đẩy Trong hai trường hợp, vectơ lực nằm đường thẳng nối liền hai chất điểm vật chất Để đơn giản hóa vấn đề, nghĩ đến hai hạt hút hay đẩy lẫn Trong thực tế, giả thuyết hướng tác động lực dẫn Bình minh tư học - 71 đến hình ảnh vơ phức tạp Liệu đặt giả thuyết đơn giản trường hợp chiều dài vectơ lực? Ngay cố tránh giả thuyết thật đặc biệt, phát biểu sau: Lực tương tác hai hạt tương tự lực hấp dẫn phụ thuộc vào khoảng cách hai hạt Phát biểu tỏ đủ đơn giản Chúng ta cịn tưởng tượng đến lực khác cịn phức tạp nhiều, lực không phụ thuộc vào khoảng cách mà phụ thuộc vào vận tốc hai hạt Chỉ với khái niệm vật chất lực, khó lịng đòi hỏi giả thuyết đơn giản giả thuyết lực tác động nằm đường thẳng nối liền hạt có cường độ phụ thuộc vào khoảng cách Nhưng liệu diễn tả tất tượng vật lý với loại lực này? Cơ học đạt thành tựu vĩ đại lĩnh vực, thành công ấn tượng thiên văn học với ứng dụng ý tưởng học cho vấn đề hồn tồn khác biệt khơng thuộc lĩnh vực học Tất thành tựu góp phần cho tin tưởng học diễn tả tượng tự nhiên với lực đơn giản vật thể cố định Và điều tồn tại, dù có ý thức hay vô ý thức, hầu hết sáng tạo khoa học suốt 200 năm sau thời đại Galileo Vào kỷ 19, Helmholtz(9) phát biểu điều cách rõ ràng sau: Cuối cùng, thấy vấn đề khoa học vật lý vật chất quy tượng tự nhiên lực hút lực đẩy không đổi, có cường độ phụ thuộc vào khoảng cách Giải đáp vấn đề điều kiện để đạt đến hiểu biết hoàn toàn tự nhiên 72 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Như thế, Helmholtz đường phát triển khoa học xác định theo tiến trình nhất: Cơng việc kết thúc ta hoàn thành việc quy tượng tự nhiên lực đơn giản, chứng minh có đơn giản khả Tư thật ngờ nghệch buồn nản nhà vật lý học kỷ 20 Điều làm ông ta hoảng sợ nghĩ chuyến phiêu lưu vĩ đại nghiên cứu khoa học sớm chấm dứt cách buồn chán tranh hào hứng dù xác vũ trụ thiết lập mãi Mặc dù thuyết lý quy tượng tự nhiên lực đơn giản, chi tiết phụ thuộc chúng vào khoảng cách câu hỏi bị bỏ ngõ Cũng phụ thuộc không giống tượng khác Việc cần thiết phải đưa nhiều loại lực khác cho kiện khác chắn không thỏa mãn quan điểm triết học Tuy nhiên, điều mà ta gọi tư học thiết lập Helmholtz có vai trị quan trọng thời đại Sự phát triển thuyết động lực học vật chất thành tựu vĩ đại chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tư học Trước đề cập đến suy tàn tư học, tạm chấp nhận quan điểm nhà vật lý kỷ 19 tìm cách rút kết luận từ tranh họ giới xung quanh Bình minh tư học - 73 THUYẾT ĐỘNG HỌC CỦA VẬT CHẤT Liệu giải thích tượng liên quan đến nhiệt chuyển động hạt tương tác với lực đơn giản? Một bình kín chứa (khí), chẳng hạn khơng khí, nhiệt độ định Khi đun nóng, làm gia tăng nhiệt độ bình lượng phải tăng theo Nhưng đâu mối liên hệ nhiệt chuyển động? Ý tưởng mối liên hệ gợi ý lúc tư học, điều mà vừa tạm chấp nhận, tượng sinh nhiệt chuyển động Nhiệt phải lượng học tất tượng có nguồn gốc từ học Mục đích thuyết động lực học diễn đạt khái niệm vật chất theo quan điểm Theo lý thuyết này, loại khí tồn dạng tập hợp hạt có số lượng vơ lớn gọi phân tử, chúng chuyển động khắp hướng, va chạm với đổi hướng chuyển động sau lần va chạm Một hệ hạt chuyển động buộc phân tử phải có vận tốc trung bình, giống tuổi thọ trung bình tài sản trung bình xã hội lồi người Điều dẫn đến khái niệm động trung bình cho hạt khí Bình nóng động trung bình lớn Như thế, tranh cho thấy nhiệt dạng lượng khác với mà động phân tử chuyển động Ở nhiệt độ xác định, phân tử có động trung bình tương ứng với nhiệt độ Đây thật khơng phải giả thuyết 74 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý mơ hồ Một muốn hoàn thành tranh chặt chẽ tư học vật chất, bắt buộc phải xem động phân tử khí thước đo nhiệt độ chất khí Lý thuyết khơng trị chơi trí tưởng tượng Chúng ta thấy thuyết động chất khí khơng qua thí nghiệm mà cịn thật dẫn dắt đến tầm nhìn sâu sắc kiện diễn tự nhiên Chúng ta lấy vài thí dụ để hiểu rõ điều Xét bình ngăn cách với mơi trường bên ngồi pittơng chuyển động lên xuống cách tự Trong bình có chứa lượng khơng khí định giữ nhiệt độ ổn định Pittông dịch chuyển lên ta lấy cân dịch chuyển xuống ta thêm cân khác Nghĩa để pittơng dịch chuyển xuống, ta cần có lực lớn áp suất khí bên bình Thuyết động lực học giải thích chế áp suất bên bình khí? Khí bình cấu thành số lớn hạt di chuyển khắp hướng Chúng bắn phá vào vách bình mặt pittơng dội ngược lại banh bị ném vào tường Chính bắn phá liên tục số vô lớn hạt chống lại ảnh hưởng lực hấp dẫn Trái Đất pittông cân, giữ pittơng vị trí định Một mặt có lực hấp dẫn không đổi hướng mặt đất, mặt khác lại có vơ số va chạm lộn xộn phân tử khí vào mặt pittơng Để pittơng vị trí cân hiệu ứng thật tất lực hỗn độn tí hon mặt pittông phải cân với lực hấp dẫn tác dụng cân pittơng Bình minh tư học - 75 Áp suất bình Trọng lực Nếu pittơng ấn xuống thể tích khí bình bị nén nhỏ lại Chúng ta giả sử thể tích khí cịn nửa so với thể tích ban đầu nhiệt độ khí giữ nguyên Chúng ta chờ đợi điều xảy dựa theo thuyết động lực học? Tác động lực bắn phá hạt khí mạnh hay yếu trước? Các hạt khí bình bị nén lại gần Dù động trung bình hạt trước, chúng bắn phá mặt pittông thường xuyên nên tổng số lực tất cú va chạm phải lớn Qua tranh này, thuyết động lực học cho thấy để giữ pittơng vị trí thấp ta cần khối lượng lớn Thí nghiệm đơn giản thực quen thuộc, dự đoán phát xuất cách logic từ tư động lực học vật chất Bây thay đổi chút thí nghiệm Dùng hai bình có thể tích để chứa hai chất khí khác nhau, thí dụ khí hydro (H) khí nitrogen (N) Cả hai bình chứa khí có nhiệt độ Giả sử hai bình đậy kín với hai pittơng 76 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý giống hệt nhau, cân đặt pittơng có khối lượng Ta nói ngắn gọn hai chất khí có thể tích, nhiệt độ áp suất Vì nhiệt độ nên, theo thuyết động lực học, động trung bình hạt hai bình Vì áp suất nên tổng lực bắn phá hạt lên hai pittơng Tính trung bình, hạt có lượng hai bình chứa khí tích giống Do số hạt khí, hay xác số phân tử khí, hai bình phải dù hai chất khí khác mặt hóa học Kết quan trọng giúp hiểu rõ nhiều tượng hóa học khác Điều có nghĩa số phân tử khí thể tích cho trước, nhiệt độ áp suất định tất loại khí, khơng riêng biệt cho loại khí Điều đáng kinh ngạc thuyết động lực học khơng tiên đốn tồn số phổ qt mà cịn giúp tính số này! Chúng ta nhanh chóng trở lại điều Thuyết động lực học vật chất định tính định luật chất khí mà cịn định lượng chúng thơng qua thực nghiệm Hơn nữa, giá trị lý thuyết khơng giới hạn cho chất khí, lĩnh vực mà đạt thành tựu vĩ đại Một chất khí bị hóa lỏng cách giảm nhiệt độ Nhiệt độ vật chất giảm đồng nghĩa với suy giảm động trung bình hạt khối vật chất Như thế, động trung bình phân tử chất lỏng chắn nhỏ động trung bình phân tử chất khí tương ứng Bình minh tư học - 77 Chuyển động Brown công bố đầy ấn tượng chuyển động hạt chất lỏng Một tượng đáng kinh ngạc kỳ lạ mà người ta khơng thể giải thích khơng có giúp đỡ thuyết động lực học vật chất Ông Brown, nhà thực vật học, người quan sát tượng đến 80 năm sau, vào đầu kỷ 19, tượng giải thích rõ ràng Dụng cụ để quan sát chuyển động Brown kính hiển vi bình thường Brown thí nghiệm nhiều loại phấn hoa, viết rằng: Những hạt hay hột nhỏ có kích cỡ từ bốn đến năm phần nghìn inch (1 inch=2,54 cm) Sau đó, ơng ta viết tiếp: Trong quan sát hình dạng hạt ngâm nước, quan sát thấy nhiều hạt số rõ ràng chuyển động Sau nhiều lần quan sát, chắn nguyên nhân chuyển động khơng đến từ dịng chảy chất lỏng, bốc từ từ nước mà thân hạt Những mà Brown thấy qua kính hiển vi di động liên tục hạt phấn hoa lơ lửng nước Đây thật tranh vơ ấn tượng! Có phải việc lựa chọn phấn hoa loài đặc biệt điều cần thiết để có tượng này? Brown tìm câu trả lời cách lặp lại thí nghiệm với phấn hoa nhiều loài khác Ông nhận thấy tất hạt phấn 78 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý hoa, có kích cỡ đủ nhỏ, liên tục di động nằm lơ lửng nước Hơn nữa, ơng ta cịn nhận thấy di động lộn xộn không ngừng nghỉ hữu hạt làm từ chất vô hữu Hiện tượng xảy với bột nghiền từ phần thể bướm đêm Làm giải thích chuyển động này? Những vừa quan sát dường trái ngược với kinh nghiệm trước Nếu theo dõi vị trí hạt lơ lửng nước, ví dụ 30 giây, có quỹ đạo di chuyển Điều đáng ngạc nhiên tính vĩnh cửu di động Khi bị dìm xuống nước, lắc đồng hồ ngừng chuyển động ta không tác động lên ngoại lực Sự tồn chuyển động vĩnh cửu dường trái ngược lại với kinh nghiệm mà có Sự khó khăn thuyết động lực học vật chất làm sáng tỏ cách xuất sắc Dù quan sát nước kính hiển vi tối tân nhất, thấy phân tử nước chuyển động chúng mô tả thuyết động lực học vật chất Chúng ta phải kết luận lý thuyết nước cấu thành tập hợp hạt đúng, kích thước hạt phải nhỏ nhiều so với khả phóng đại kính hiển vi tối tân Tuy nhiên, chấp nhận thuyết động lực học vật chất giả sử lý thuyết đưa tranh chặt chẽ phù hợp với thật Những hạt Brown quan sát qua kính hiển vi bị bắn phá hạt bé Các hạt bé thành phần cấu tạo nước Chuyển động Brown tồn hạt bị bắn phá có kích thước đủ nhỏ Chuyển động bắt nguồn từ Bình minh tư học - 79 bắn phá không đồng từ phía khơng thể tự triệt tiêu lẫn tính chất ngẫu nhiên khơng có quy luật bắn phá Như chuyển động Brown hạt mà ta quan sát lại kết chuyển động hạt mà ta khơng nhìn thấy Sự chuyển động hạt phấn hoa phản ánh cách chuyển động phân tử nước, hay nói khuếch đại chuyển động phân tử nước đến mức quan sát rõ ràng kính hiển vi Quỹ đạo di chuyển ngẫu nhiên không theo quy luật hạt Brown phản ảnh quỹ đạo chuyển động hạt bé cấu tạo nên vật chất Do vậy, thấy nghiên cứu mang tính định lượng chuyển động Brown giúp hiểu sâu sắc thuyết động lực học vật chất Chuyển động Brown hạt nhìn thấy hiển nhiên tùy thuộc vào kích cỡ phân tử bắn phá khơng nhìn thấy Chuyển động Brown không tồn phân tử bắn phá khơng có lượng đó, hay nói cách khác chúng hồn tồn khơng có khối lượng vận tốc Như thật khơng có đáng ngạc nhiên việc khảo sát chuyển động Brown dẫn đến việc xác định khối lượng phân tử Qua nhiều cơng trình nghiên cứu khó nhọc lý thuyết lẫn thực nghiệm, tính định lượng thuyết động lực học dần thành hình Manh mối bắt nguồn từ tượng chuyển động Brown manh mối dẫn đến liệu mang tính định lượng Chúng ta có liệu nhiều cách, đầu mối hoàn toàn khác Điều quan trọng tất phương pháp 80 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý củng cố cho lý thuyết Đây chứng cho tính quán ý tưởng cấu thành thuyết động lực học vật chất Chúng ta nhắc lại nhiều kết mang tính định lượng đạt từ thực nghiệm lẫn lý thuyết Giả sử có gam nguyên tố nhẹ nhất, nguyên tố hydro, đặt câu hỏi: Có phân tử hydro gam hydro? Đáp án câu hỏi không cho hydro mà cho tất chất khí khác, biết điều kiện để hai chất khí có số phân tử giống Lý thuyết giúp trả lời câu hỏi từ nhiều thực nhiệm đo đạc chuyển động Brown hạt lơ lửng nước Câu trả lời số khổng lồ đáng kinh ngạc: Con số theo sau hai mươi ba số khác Số phân tử hydro gam hydro là: 303 000 000 000 000 000 000 000 Hãy tưởng tượng phân tử gam hydro phóng lớn đủ để quan sát kính hiển vi: Giả sử đường kính phân tử hydro năm phần nghìn inch, tương đương đường kính hạt có chuyển động Brown Nếu muốn xếp chúng sát phải cần hộp có cạnh dài khoảng 400 m! Bình minh tư học - 81 TRANG ẢNH I Các hạt Brown kính hiển vi (Người chụp ảnh: J Perrin) Ảnh hạt Brown chụp phơi sáng (Người chụp ảnh: Brumberg Vavolov} Vị trí liên tiếp hạt Brown 82 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Quãng đường trung bình suy từ vị trí liên tiếp Chúng ta tính khối lượng phân tử hydro cách dễ dàng cách lấy chia cho số Chúng ta có số bé: 0,000 000 000 000 000 000000 0033 gam khối lượng phân tử hydro Những thí nghiệm tìm hiểu chuyển động Brown số nhiều thí nghiệm khác dẫn đến số trên, số có vai trị vơ quan trọng vật lý học Trong thuyết động lực học vật chất thành tựu quan trọng lý thuyết này, thấy rõ phương hướng ý tưởng triết học tổng quát tìm cách quy tượng tự nhiên tương tác hạt cấu thành vật chất Chúng ta tóm tắt: Trong học, người ta tiên đoán quỹ đạo chuyển động xác định khứ vật thể biết tình trạng lực tác động lên vật Ví dụ ta tiên đốn quỹ đạo tương lai tất hành tinh Lực tác động lực hấp dẫn Newton phụ thuộc vào khoảng cách Những thành vĩ đại học cổ điển cho tư học ứng dụng cách quán lĩnh vực vật lý học, tượng tự nhiên giải thích chi phối lực, lực hút hay lực đẩy Các lực phụ thuộc vào khoảng cách tương tác vật thể không thay đổi Trong thuyết động lực học vật chất, thấy cách mà lý thuyết, phát sinh từ vấn đề học, mở rộng cho tượng nhiệt, cuối cùng, vẽ nên tranh hồn hảo cấu trúc vật chất Bình minh tư học - 83 II SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC Hai lưu chất điện Các lưu chất từ Khó khăn quan trọng Vận tốc ánh sáng Ánh sáng chất Bí ẩn màu sắc Sóng gì? Lý thuyết sóng ánh sáng Ánh sáng sóng dọc hay sóng ngang? Ether tư học HAI LƯU CHẤT ĐIỆN Trong trang sau đây, điểm qua tường trình tẻ nhạt thí nghiệm đơn giản Ngun nhân gây buồn tẻ khơng phải việc mơ tả thí nghiệm thú vị so sánh với hiệu thực tế chúng, mà cịn thí nghiệm có nghĩa lý thuyết đưa kết luận ý nghĩa Mục đích đưa ví dụ làm bật vai trị lý thuyết vật lý học Một kim loại nằm giá đỡ thủy tinh Mỗi đầu kim loại nối với tĩnh điện nghiệm sợi dây kim loại Một tĩnh điện nghiệm gì? Đây thiết bị có thành phần hai vàng treo đầu 86 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý cuối kim loại ngắn Cả hệ thống đặt bình thủy tinh, vật làm kim loại nối với vật phi kim loại gọi vật cách điện Ngoài tĩnh điện nghiệm kim loại, sử dụng thêm cao su cứng miếng nỉ Thí nghiệm tiến hành sau: Chúng ta xem vàng có nằm sát với khơng, vị trí bình thường chúng Nếu khơng, việc sờ tay vào kim loại chúng trở lại vị trí sát Sau chuẩn bị xong bước đầu tiên, chà thật mạnh miếng nỉ lên cao su chạm cao su lên đầu kim loại Các vàng tách xa tức khắc Chúng tách xa dù sau cao su dời khỏi kim loại Chúng ta thực thí nghiệm khác với thiết bị trước bắt đầu với vàng treo sát Lần này, không chạm cao su vào kim loại mà đưa đến gần kim loại mà thơi Các vàng lại tách xa nhau! Nhưng đây, có khác SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 87 biệt Khi dời cao su xa kim loại, vàng tức khắc trở lại vị trí bình thường chúng thay tách xa Chúng ta thay đổi chút thiết bị để thực thí nghiệm thứ ba Giả sử kim loại gồm hai phần gắn với Chúng ta chà xát cao su với miếng nỉ đưa lại gần kim loại Hiện tượng giống trước lại xảy ra, vàng tách xa Bây tách rời hai phần kim loại sau dời cao su xa Trong trường hợp này, thấy vàng cách xa thay trở vị trí sát thí nghiệm thứ hai Chắc khơng hứng thú với thí nghiệm đơn giản ngớ ngẩn Trong thời Trung Cổ, người thực thí nghiệm bị lên án Đối với thí nghiệm vừa tẻ nhạt vừa không logic Sau đọc qua lần liệt kê thí nghiệm trên, bạn muốn thực thí nghiệm mà khơng bị nhầm lẫn chắn bạn gặp nhiều khó khăn Một số khái niệm lý thuyết giúp thí nghiệm dễ hiểu Chúng ta nói rằng: Thật khó mà tưởng tượng thí nghiệm thực cách tình cờ trước khơng có nhiều ý tưởng ý nghĩa chúng Bây phác thảo ý tưởng cho 88 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý lý thuyết, dù cịn đơn giản thơ sơ, để giải thích tất kiện thí nghiệm Ta có hai loại lưu chất điện, lưu chất dương (+) lưu chất âm (-) Về mặt lưu chất giống chất đề cập qua: Số lượng chúng tăng lên hay giảm bớt, tổng số lượng chúng hệ cô lập bảo toàn Tuy nhiên, khác biệt trường hợp so với nhiệt, vật chất hay lượng có hai chất điện khác Chúng ta dùng tương đồng với tiền bạc trước tìm phương pháp tổng qt hóa cho vấn đề Một vật thể trung hòa điện lưu chất điện dương triệt tiêu cách xác lưu chất điện âm Một người khơng có tiền thật khơng có tiền, số tiền có két sắt với số tiền mà cịn nợ Chúng ta so sánh hai khoản thu chi sổ ngân hàng với hai loại lưu chất điện Giả định cho lý thuyết hai lưu chất điện dấu đẩy khác dấu hút Điều minh họa hình vẽ sau: SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 89 Và giả định cuối là: Có hai loại vật thể, loại thứ cho phép lưu chất điện di chuyển cách tự do, gọi vật dẫn điện; loại thứ hai không cho phép lưu chất điện di chuyển tự do, gọi vật cách điện Như ta biết, phân chia không nên khe khắt trường hợp Vật dẫn điện hay vật cách điện lý tưởng tồn trí tưởng tượng khơng có thực tế Kim loại, đất, thể người vật dẫn điện, dù khả dẫn điện chúng khơng hồn tồn Thủy tinh, cao su, gốm sứ vật cách điện Khơng khí vật dẫn điện phần, mơ tả qua thí nghiệm Chúng ta dễ dàng đổ lỗi cho độ ẩm khơng khí ngun nhân gây sai sót thí nghiệm tĩnh điện độ ẩm khơng khí làm gia tăng độ dẫn điện khơng khí Những giả định lý thuyết nêu đủ để giải thích ba thí nghiệm vừa mơ tả Chúng ta xem xét thí nghiệm với thứ tự, với kiến thức lý thuyết lưu chất điện Như vật thể khác điều kiện bình thường, cao su trung tính điện Nó chứa hai lượng lưu chất điện âm dương Khi chà xát với miếng nỉ, tách chúng Cách nói quy ước chung nhằm sử dụng thuật ngữ đưa lý thuyết để mơ tả q trình cọ xát Loại điện mà cao su thừa sau bị cọ xát quy ước điện âm Tên gọi túy quy ước chung Nếu ta thực thí nghiệm tương tự cọ xát thủy tinh vào lơng mèo phải gọi điện dư thừa thủy tinh điện dương để phù hợp với quy ước chung Khi bắt đầu thí nghiệm, đưa lưu chất điện vào kim 90 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý loại cách chạm cao su vào đầu kim loại Ngay thời điểm này, lưu chất điện di chuyển tự cao su lan tỏa toàn kim loại, kể vàng Vì tác động điện âm điện âm tạo nên lực đẩy nên hai vàng tách xa tốt Sự phân tách kết thí nghiệm mà quan sát Vì kim loại đặt giá thủy tinh cách điện, hay vật cách điện khác, nên lưu chất điện giữ vật dẫn điện khoảng thời gian, tùy thuộc vào độ dẫn điện khơng khí Bây hiểu cần phải chạm ngón tay vào kim loại trước bắt đầu thí nghiệm Khi đó, kim loại, thể người Trái Đất hợp thành vật dẫn điện khổng lồ, lưu chất điện bị phân tán khơng cịn sót lại tĩnh điện nghiệm Tương tự thí nghiệm trên, thay chạm cao su vào đầu kim loại, để chúng gần Hai loại lưu chất di chuyển tự kim loại bị phân tách Điện tích âm cao su hút lưu chất dương đẩy lưu chất âm Khi cao su dời xa kim loại, hai lưu chất lại hòa lẫn vào hai lưu chất khác dấu ln hút lẫn Bây lặp lại thí nghiệm tương tự, tách kim loại thành hai phần trước dời cao su xa Trong trường hợp này, hai lưu chất điện kim loại khơng thể hịa trộn lẫn trước, vàng dư thừa loại lưu chất điện chúng tiếp tục đẩy Trong ánh sáng lý thuyết đơn giản này, dường hiểu tượng xảy thí nghiệm SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 91 Hơn nữa, lý thuyết giúp hiểu thêm tượng khác lĩnh vực “tĩnh điện” Mục đích lý thuyết dẫn dắt đến ý tưởng mới, gợi ý thí nghiệm mở đường cho trình khám phá tượng quy luật Điều rõ ràng qua thí dụ cụ thể Hãy tưởng tượng thay đổi nhỏ thí nghiệm thứ hai Giả sử đặt cao su đến gần đầu kim loại đồng thời chạm ngón tay lên đầu kim loại Hiện tượng xảy ra? Lý thuyết giải thích sau: Lưu chất âm, bị đẩy lưu chất âm cao su, thoát qua thể nên kim loại lưu chất điện dương Chỉ vàng tĩnh điện kế gần cao su tách xa Một thực nghiệm thật khẳng định tiên đoán lý thuyết Lý thuyết mà tìm hiểu thật thô sơ chưa phù hợp với quan điểm vật lý đại Tuy thế, lại thí dụ điển hình cho thấy nét đặc trưng tất lý thuyết vật lý 92 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý Trong khoa học, không lý thuyết tồn mãi Chúng ta thường thấy nhiều kiện tiên đoán lý thuyết lại bị bác bỏ thực nghiệm Mỗi lý thuyết trải qua giai đoạn phát triển bước, đạt đến đỉnh điểm vinh quang, sau suy tàn nhanh chóng Sự trỗi dậy suy tàn lý thuyết chất nhiệt mà thảo luận qua vơ vàn thí dụ Sau này, có dịp thảo luận lý thuyết quan trọng Mỗi bước tiến vĩ đại khoa học tự nhiên bắt nguồn từ nỗ lực việc tìm lối cho khủng hoảng lý thuyết cũ Chúng ta phải quay lại với ý tưởng cũ lý thuyết lỗi thời chúng thuộc khứ, có hiểu tầm quan trọng lý thuyết phạm vi hiệu lực chúng Trong trang đầu sách này, so sánh nhà khoa học với nhà thám tử tài ba Sau thu thập liệu cần thiết, ơng tìm thủ phạm vụ án hoàn toàn nhờ vào suy luận Nếu xét mặt chất, ta coi so sánh hời hợt Việc phạm tội xảy đời sống ngày truyện tiểu thuyết Các nhà thám tử ln phải tìm kiếm thư từ, dấu vân tay, súng, đạn, ơng ta biết tội ác xảy Công việc nhà khoa học lại không đơn giản Thật khơng khó để tưởng tượng người hồn tồn khơng biết điện, người cổ đại sống hạnh phúc dù họ hoàn toàn khơng có kiến thức điện Hãy đưa cho người kim loại, vàng, bình thủy tinh, cao su miếng nỉ, nói chung tất thứ cần thiết để thực SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 93 ba thí nghiệm Ơng ta người học thức, có lẽ ơng dùng bình thủy tinh để đựng rượu, dùng miếng nỉ làm giẻ lau chưa nghĩ đến việc thực thí nghiệm mà mơ tả Đối với nhà thám tử, tội phạm xảy có nghĩa vấn đề đặt ra: Ai giết Cock Robin? Còn nhà khoa học, mặt ơng ta phải tự phạm tội sau bắt đầu việc điều tra Hơn công việc nhà khoa học khơng phải đơn giản giải thích trường hợp định, mà phải giải thích tất tượng xảy Khi nói đến khái niệm lưu chất, nhận tầm ảnh hưởng ý tưởng học việc cố gắng giải thích tượng khái niệm chất tương tác chất qua lực đơn giản Để tìm hiểu tính khả thi việc ứng dụng quan điểm học việc mô tả tượng điện, cần xem xét vấn đề sau đây: Xét hai cầu nhỏ chứa loại điện tích, nghĩa hai có thừa loại lưu chất điện mang dấu âm dương Chúng ta biết cầu hút đẩy Nhưng có phải lực hút hay lực đẩy phụ thuộc vào khoảng cách, phụ thuộc nào? Phỏng đoán đơn giản lực phụ thuộc vào khoảng cách tương tự lực vạn vật hấp dẫn Có nghĩa độ lớn ban đầu lực tĩnh điện giảm chín lần khoảng cách hai cầu tăng gấp ba lần Những thí nghiệm Coulomb(10) chứng minh cho giá trị định luật Đúng trăm năm sau Newton khám phá định luật vạn vật hấp dẫn, Coulomb tìm thấy phụ thuộc tương tự lực tĩnh điện theo khoảng cách Hai 94 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý điểm khác biệt hai định luật Newton Coulomb là: Lực hấp dẫn tồn tại, lực tĩnh điện tồn vật thể chứa điện tích; lực hấp dẫn lực hút, lực điện trường lực hút hay lực đẩy Ở xuất câu hỏi giống khảo sát tượng nhiệt: Lưu chất điện chất có trọng lượng hay khơng? Hay nói cách khác, có phải khối lượng miếng kim loại tích điện khơng tích điện nhau? Phương pháp cân hồn tồn khơng tìm thấy khác biệt Chúng ta kết luận lưu chất điện thuộc nhóm chất khơng trọng lượng Để tiếp tục phát triển lý thuyết điện, cần phải có thêm hai khái niệm Chúng ta lần sử dụng tương đồng với khái niệm quen thuộc tránh định nghĩa chuyên sâu Chúng ta biết việc phân biệt nhiệt nhiệt độ cần thiết để hiểu rõ tượng nhiệt Cho nên việc phân biệt điện điện tích quan trọng Sự khác biệt hai khái niệm làm rõ qua tương đồng sau: Điện — Nhiệt độ Điện tích — Nhiệt Xét hai vật dẫn điện, thí dụ hai cầu có kích thước khác chứa lượng điện tích, nghĩa chúng có lượng dư thừa loại lưu chất điện, có điện khác Quả cầu lớn có điện thấp cầu nhỏ có điện cao Trên cầu nhỏ, lưu chất điện có SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 95 mật độ cao bị nén mạnh Vì lực đẩy gia tăng với mật độ điện tích, nên điện tích cầu nhỏ có khuynh hướng ly cao cầu lớn Khuynh hướng thoát ly điện tích khỏi vật dẫn điện thước đo trực tiếp điện Để làm rõ khác biệt điện tích điện thế, nêu lên vài dòng diễn tả tương đồng vật đun nóng vật dẫn điện có tích điện NHIỆT ĐIỆN Hai vật thể có nhiệt độ ban đầu khác nhau, có nhiệt độ sau thời gian tiếp xúc với Hai vật dẫn điện cách ly, có điện khác nhau, chúng nhanh chóng có điện tiếp xúc với Hai vật thể có nhiệt dung khác nhau, lượng nhiệt giống làm nhiệt độ chúng thay đổi khác Hai vật thể có điện dung khác nhau, lượng điện tích giống làm điện chúng thay đổi khác Một nhiệt xúc với vật thể thị – chiều cao cột thủy ngân – nhiệt độ nhiệt độ vật thể Một tĩnh điện xúc với vật dẫn điện thị – độ lớn khoảng cách vàng – điện điện vật dẫn điện Chúng ta không nên xa tương đồng Thí dụ sau cho thấy khác biệt tương đồng nhiệt điện Khi vật nóng tiếp xúc với vật lạnh, 96 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý nhiệt chảy từ vật nóng sang vật lạnh Mặt khác, giả sử có hai vật dẫn điện cách ly có lượng điện tích trái dấu, âm, dương, hai vật có điện khác Theo quy ước chung, cho điện tương ứng với điện tích âm thấp điện tương ứng với điện tích dương Theo lý thuyết lưu chất điện, hai vật dẫn điện tiếp xúc nhau, nối với dây dẫn điện, chúng khơng cịn điện tích vậy, điện chúng Chúng ta phải tưởng tượng có “dịng chảy” điện tích từ vật dẫn điện sang vật dẫn điện khác thời gian ngắn làm cân điện Nhưng điều xảy nào? Chúng ta có nên giả thiết lưu chất dương chảy sang vật thể chứa lưu chất âm hay ngược lại, lưu chất âm chảy sang vật thể chứa lưu chất dương? Theo kiện có được, hồn tồn khơng có sở để đưa kết luận cho hai giả thiết Chúng ta giả sử hai khả có dịng chảy đồng thời theo hai hướng Đây hoàn toàn vấn đề quy ước, dù có chọn lựa nữa, chọn lựa khơng có ý nghĩa chưa có phương pháp để trả lời câu hỏi thực nghiệm Sự phát triển khoa học tự nhiên dẫn dắt đến lý thuyết sâu điện tìm lời giải đáp cho vấn đề Đáp án hồn tồn vơ nghĩa cố diễn đạt đơn giản thô sơ lý thuyết lưu chất điện Để đơn giản hóa vấn đề, chấp nhận cách diễn đạt sau: Lưu chất điện chảy từ vật dẫn điện có điện cao sang vật dẫn điện có điện thấp Trong trường hợp hai viên bi dẫn điện SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 97 chúng ta, điện tích chạy từ viên bi tích điện dương sang viên bi tích điện âm Cách diễn đạt hoàn toàn quy ước chung điều hồn tồn tự Những khó khăn cho thấy khiếm khuyết tương tự hóa hai khái niệm nhiệt điện Chúng ta thấy khả ứng dụng tư học việc mô tả kiện tĩnh điện Phương pháp thích hợp để tìm hiểu tượng từ CÁC LƯU CHẤT TỪ Chúng ta tiếp tục với phương pháp: Bắt đầu với kiện đơn giản tìm cách giải thích lý thuyết Chúng ta có hai nam châm, treo lơ lửng điểm nó, cịn lại giữ tay Hai đầu hai nam châm đưa gần lực hút chúng trở nên mạnh Bất thí nghiệm Nếu chúng khơng hút lẫn nhau, cần trở đầu nam châm tay Chúng ta chắn nhận thấy lực hút hai nam châm từ hóa Các đầu mút nam châm gọi cực Chúng ta tiếp tục thí nghiệm cách dịch chuyển cực nam 98 - S Ự TI ẾN H Ó A C ỦA V ẬT L Ý châm tay dọc theo nam châm Lực hút giảm dần, cực nam châm đến điểm nam châm lơ lửng, nhận thấy khơng có dấu hiệu lực Nếu tiếp tục dịch chuyển cực nam châm tay, lại nhận thấy lực đẩy Lực đẩy lớn cực thứ hai nam châm lơ lửng Thí nghiệm gợi ý cho thí nghiệm Mỗi nam châm có hai cực, liệu cách ly hai cực không? Ý tưởng để thực điều thực đơn giản: Chúng ta bẻ nam châm thành hai phần Như biết, lực hút không tồn cực nam châm cầm tay điểm nam châm treo lơ lửng Nhưng với nam châm bị bẻ đơi, có kết vơ bất ngờ Khi lặp lại thí nghiệm (1) với nửa nam châm, có kết giống hệt trước! Chúng ta có mơt cực nam châm mạnh nơi trước cực Làm giải thích tượng này? Chúng ta cố gắng thiết lập lý thuyết từ theo khuôn mẫu lý thuyết lưu chất điện Cơ sở lập luận gợi lên tương đồng với SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 99 tượng tĩnh điện, có lực hút lực đẩy Chúng ta tưởng tượng có hai vật dẫn điện hình cầu chứa lượng điện tích nhau, khác dấu “Bằng nhau” hiểu theo giá trị tuyệt đối; ví dụ +5 –5 có giá trị tuyệt đối Chúng ta tưởng tượng thêm hai cầu nối với vật cách điện, ví dụ thủy tinh Để đơn giản hơn, diễn tả hệ thống mũi tên có hướng từ vật dẫn điện chứa điện tích âm sang vật dẫn điện chứa điện tích dương Chúng ta gọi hệ thống lưỡng cực điện Rõ ràng hai lưỡng cực hoạt động tương tự hai nam châm thí nghiệm (1) Nếu giả định mơ hình tương tự nam châm thật có tồn lưu chất từ, phép phát biểu rằng: Một nam châm không khác lưỡng cực từ chứa hai lưu chất từ khác hai đầu Bằng mô theo lý thuyết điện, lý thuyết đơn giản giải thích thí nghiệm thứ Chúng ta có lực hút đầu này, lực đẩy đầu cân lực trái dấu Nhưng với thí nghiệm thứ hai sao? Nếu bẻ đơi thủy tinh lưỡng cực điện, có hai cực tĩnh điện cách ly Đối với nam châm có lưỡng cực từ, chờ đợi điều tương tự, nhiên kết lại trái ngược với kết thí nghiệm thứ hai Sự mâu thuẫn buộc phải tìm kiếm lý thuyết tinh tế Thay mơ hình trước 100 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý đây, tưởng tượng nam châm cấu thành từ nhiều lưỡng cực từ sơ cấp vô bé bị tách thành cực từ cách ly Sự xếp lưỡng cực bên nam châm đồng nhất: Tất lưỡng cực sơ cấp có hướng Như hiểu bẻ đôi nam châm, ta lại có hai cực hai đầu mút lý thuyết giải thích tượng thí nghiệm (1) (2) Có nhiều trường hợp mà lý thuyết đơn giản đủ để giải thích nhiều kiện mà khơng cần đến lý thuyết phức tạp Ví dụ như: Chúng ta biết nam châm hút mảnh sắt Tại sao? Trong mảnh sắt bình thường hai lưu chất từ ln hịa lẫn với nhau, ta quan sát tượng từ Khi đem cực dương nam châm đến gần miếng sắt, điều giống “mệnh lệnh phân chia” lưu chất, cực dương nam châm hút lưu chất âm đẩy lưu chất dương Và thế, có lực hút sắt nam châm Nếu nam châm dời xa, lưu chất từ quay trạng thái ban đầu sau thời gian ngắn hay dài tùy thuộc vào “trí nhớ” chúng “mệnh lệnh phân chia ngoại lực” Chúng ta không cần phải thảo luận thêm tính định lượng vấn đề Nếu sử dụng hai nam châm thật dài, chúng SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 101 ta tìm hiểu lực đẩy (hoặc lực hút) cực chúng đưa cực lại gần Ảnh hưởng hai cực lại hai nam châm coi khơng đáng kể nam châm dài Các lực đẩy lực hút cực phụ thuộc vào khoảng cách? Các thí nghiệm Coulomb cho thấy lực phụ thuộc vào khoảng cách tương tự định luật vạn vật hấp dẫn Newton định luật tĩnh điện Coulomb Chúng ta lại thấy lần thí nghiệm khuynh hướng mô tả tượng phụ thuộc vào khoảng cách lực hút lực đẩy hạt không thay đổi Chúng ta nói đến điều vơ quen thuộc, sau cần sử dụng hệ Trái Đất lưỡng cực từ vĩ đại Hiện chưa có giải thích nào, dù nhỏ nhất, tồn Nhìn chung, Bắc Cực xem cực từ âm (–) Nam Cực cực từ dương (+) Trái Đất Dù việc đặt tên cực âm hay cực dương quy ước chung thống quy ước giúp ta đặt tên cho cực trường hợp khác Một kim nam châm đặt trục thẳng đứng tuân theo lực từ Trái Đất Cực dương (+) hướng Bắc Cực, nghĩa hướng cực từ âm (-) Trái Đất Mặc dù sử dụng tư học để giải thích cách chặt chẽ tượng điện từ, khơng có lý để hài lòng hay hãnh diện việc Nhiều tính chất lý thuyết chưa lý giải cách hợp lý, khơng nói làm nản lòng Các loại chất lưu chất điện lưỡng cực từ 102 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý sản phẩm hư cấu Sự phong phú chúng bắt đầu vượt tầm kiểm soát chúng ta! Bản chất lực thật đơn giản Chúng dùng để mô tả loại lực hấp dẫn, lực điện lực từ Nhưng giá phải trả cho việc đơn giản hóa thực lớn: Ta phải đưa khái niệm chất không trọng lượng Đúng khái niệm mang tính giả tạo khơng liên quan đến chất nhất: Khối lượng KHÓ KHĂN NGHIÊM TRỌNG ĐẦU TIÊN Đã đến lúc phải cần phải ý đến khó khăn nghiêm trọng ứng dụng quan điểm triết học tổng quát Về sau thấy điều khó khăn với khó khăn lớn làm tan vỡ hoàn toàn niềm tin cho tượng giải thích tư học Sự phát triển vô nhanh chóng lĩnh vực điện học ngành khoa học kỹ thuật khởi đầu khám phá dịng điện Đây ví dụ vài trường hợp lịch sử khoa học tình cờ đóng vai trị quan trọng Có vơ số câu chuyện với tình tiết khác kể lại xung quanh co giật chân ếch Bất kể thực hư điều khơng thể nghi ngờ khám phá tình cờ Galvani(11) thúc đẩy Volta(12) phát minh pin Volta vào cuối kỷ 18 Dù loại pin khơng cịn sử dụng, dùng nguồn điện cho thực tập trường mô tả nhiều sách giáo khoa SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 103 Nguyên lý cấu trúc pin Volta tương đối đơn giản Chúng ta cần vài lọ thủy tinh chứa nước với axit sulphuric Ta nhúng hai kim loại, đồng kẽm, vào lọ Tấm đồng lọ nối với kẽm lọ bên cạnh, có kẽm lọ đồng lọ cuối để tự Với tĩnh điện nghiệm tốt, đo chênh lệch điện đồng lọ thứ kẽm lọ cuối cùng, có nhiều “phần tử” pin điện Mỗi phần tử bao gồm lọ thủy tinh chứa nước, axit kim loại Mục đích việc giới thiệu pin Volta có nhiều phần tử để đo đạc dễ dàng dụng cụ có Trong thảo luận tiếp theo, xem xét phần tử pin điện Ta nhận thấy điện đồng cao điện kẽm “Cao hơn” ý nghĩa số +2 lớn số –2 Nếu nối dây dẫn điện vào đồng trống dây dẫn điện khác vào kẽm, hai dây dẫn điện nạp điện: Dây thứ tích điện dương dây thứ hai tích điện âm Hiện chưa có đặc biệt hay đáng ý Chúng ta thử ứng dụng ý tưởng trước chênh lệch điện Chúng ta thấy chênh lệch điện hai vật dẫn điện triệt tiêu nối liền chúng sợi dây dẫn điện Như lưu chất điện từ vật dẫn điện chảy sang vật dẫn điện khác Quá trình giống cân nhiệt dòng “chảy” nhiệt Liệu điều xảy với pin Volta hay không? Volta viết cơng trình nghiên cứu ơng kim loại hoạt động vật dẫn điện: 104 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý dù nạp điện cách yếu ớt pin điện lại hoạt động liên tục, điện tích pin tự động phục hồi sau lần phóng điện Tóm lại, pin điện liên tục cung cấp điện tích, liên tục kích hoạt hay tạo xung động lên lưu chất điện Điều đáng ngạc nhiên thí nghiệm Volta chênh lệch điện đồng kẽm không biến trường hợp hai vật dẫn điện nạp điện nối với Theo lý thuyết lưu chất điện, chênh lệch điện hữu phải tạo nên dòng chảy liên tục lưu chất điện từ nơi có điện cao (tấm đồng) sang nơi có điện thấp (tấm kẽm) Nếu muốn cứu vãn lý thuyết lưu chất này, giả sử tồn lực tác động lên kim loại nhằm tái tạo chênh lệch điện tạo dòng chảy lưu chất điện Nhưng từ quan điểm lượng tượng thật Khi có dịng điện chạy qua, dây dẫn điện sinh nhiệt lượng đáng kể, đủ làm nóng chảy dây dẫn tương đối mảnh Do đó, lượng nhiệt phải tạo bên dây dẫn điện Nhưng cấu trúc pin Volta lại hệ kín khơng cung cấp lượng từ bên ngồi Nếu muốn cứu vãn định luật bảo toàn lượng, phải giải thích nguyên nhân biến đổi lượng nguồn gốc lượng nhiệt phát sinh dây dẫn Khơng q khó khăn để hiểu q trình hóa học xảy pin Volta vô phức tạp Trong trình đồng kẽm nhúng dung dịch, dung dịch thành phần tích cực Theo quan điểm lượng ta có chuỗi biến đổi lượng xảy ra: Năng lượng hóa học → lượng dịng chảy lưu chất điện – hay xác SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 105 dòng điện → nhiệt Pin Volta hoạt động vĩnh viễn, biến đổi hóa học để tạo dịng điện làm cho pin trở nên vô dụng sau thời gian Một thí nghiệm vạch khó khăn tư học coi vô lần nghe đến Thí nghiệm Oersted(13) thực cách 120 năm Ông ta mơ tả sau: Các thí nghiệm cho thấy kim nam châm dịch chuyển khỏi vị trí ảnh hưởng pin điện, dịng điện khép kín Hiện tượng khơng xảy dòng điện hở thử nghiệm thất bại nhiều nhà vật lý tiếng vài năm trước Giả sử có pin Volta sợi dây dẫn điện Nếu nối sợi dây với đồng khơng nối với kẽm, có hiệu điện khơng có dịng điện Giả sử dây dẫn điện uốn thành vòng tròn đặt kim nam châm tâm vòng tròn Cả vòng dây dẫn kim nam châm nằm mặt phẳng Khơng có xảy dây dẫn chưa nối với kẽm Khơng có lực tác động, tồn hiệu khơng làm ảnh hưởng đến vị trí kim nam châm Thật khó hiểu “các nhà vật lý lừng danh”, Oersted gọi họ thế, lại chờ đợi tác dụng Nhưng nối sợi dây dẫn điện với kẽm Ngay việc xảy Kim nam châm quay khỏi vị trí ban đầu Một hai cực thẳng vào độc giả giả sử trang sách trùng với mặt phẳng 106 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý vòng tròn dây điện Hiệu ứng tạo nên tác động lực vuông góc với mặt phẳng lên cực từ Với kết thế, tránh việc rút kết luận hướng lực tác dụng Trước hết, thí nghiệm thực thú vị cho thấy liên kết hai tượng hồn tồn khác biệt, tượng từ dịng điện Chúng ta dĩ nhiên cịn có khía cạnh khác quan trọng Lực tác động cực từ phân đoạn nhỏ dây dẫn có điện nằm đường thẳng nối từ vòng dây điện kim nam châm hay đường thẳng nối hạt dòng chảy lưu chất điện lưỡng cực từ sơ cấp Lực mà ta quan sát thấy qua thí nghiệm nằm vng góc với đường thẳng Lần xuất loại lực mới, khác hẳn với loại lực tương ứng với tư học chúng ta, mà theo đấy, nghĩ giải thích tượng vũ trụ Hãy nhớ lại loại lực mà biết qua như: Lực vạn vật hấp dẫn, lực tĩnh điện lực từ tuân theo SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 107 định luật Newton Coulomb Các lực tác động dọc theo đường thẳng nối liền hai vật thể hút hay đẩy Thí nghiệm mà Rowland khéo léo thực cách gần 60 năm làm khó khăn trở nên trầm trọng Nếu không để ý đến chi tiết kỹ thuật, thí nghiệm mơ tả sau Hãy tưởng tượng viên bi nhỏ tích điện chuyển động nhanh vòng tròn ta đặt tâm kim nam châm Theo nguyên tắc, thí nghiệm tương tự với thí nghiệm Orsted Điểm khác biệt tác động học lên chuyển động điện tích thay cho dịng điện thơng thường Rowland(14) nhận thấy thí nghiệm thật có kết có dịng điện chạy dây dẫn điện tròn Kim nam châm bị lệch lực vng góc với mặt phẳng Bây làm cho viên bi di chuyển nhanh Kết lực tác động lên cực từ gia tăng, làm kim nam châm lệch cách rõ ràng khỏi vị trí ban đầu Hiện tượng đem đến cho phức tạp nghiêm trọng khác Không lực không nằm đường 108 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý thẳng nối liền điện tích nam châm, mà cường độ cịn phụ thuộc vào vận tốc viên bi Toàn tư học dựa tin tưởng tất tượng giải thích phụ thuộc lực vào khoảng cách, không phụ thuộc vào vận tốc Kết Rowland chắn làm lung lay niềm tin Tuy nhiên, người bảo thủ cố tìm đáp án cho tượng khn khổ tư cổ điển Những khó khăn thế, trở ngại đột ngột bất ngờ thời vàng son lý thuyết, thường xảy khoa học Đôi khái quát hóa lý thuyết cũ lối thốt, thời Trong trường hợp trước mắt, có lẽ tạm đủ ta mở rộng quan điểm trước để tìm loại lực tổng quát hạt sơ cấp Tuy nhiên, lý thuyết cũ thường chắp vá, điều bất cập dẫn đến sụp đổ lý thuyết lúc với đời lý thuyết Trong trường hợp này, đổ vỡ lý thuyết học vững không đến từ dịch chuyển kim nam châm tí hon mà cịn đến từ cơng kích dội vấn đề đến từ góc độ hồn tồn khác Nhưng câu chuyện khác, đề cập đến sau VẬN TỐC CỦA ÁNH SÁNG Trong tác phẩm Hai lĩnh vực khoa học Galileo, theo dõi thảo luận người thầy học trị vận tốc ánh sáng: SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 109 Sagredo: Nhưng phải xét xem ánh sáng thuộc loại vận tốc lớn bao nhiêu? Sự lan truyền ánh sáng tức thời hay cần thời gian loại chuyển động khác? Chúng ta xác định điều qua thí nghiệm hay sao? Simplicio: Kinh nghiệm thường ngày cho thấy lan truyền ánh sáng tức khắc, quan sát đại bác khai hỏa từ xa, ánh chớp tức truyền đến mắt chúng ta, âm truyền đến tai sau quãng thời gian dài Sagredo: Tốt thơi, Simplicio, có điều mà tơi suy từ kinh nghiệm thông thường âm truyền đến tai với tốc độ chậm ánh sáng Tôi biết ánh sáng đến với tức khắc hay khơng, dù ánh sáng lan truyền nhanh cần thời gian Salviati: Kết luận đơn giản vấn đề quan sát tương tự thúc đẩy nghĩ phương pháp để xác định chiếu sáng, hay lan truyền ánh sáng, có thật tức thời hay không Salviati tiếp tục giải thích phương pháp thí nghiệm Để hiểu ý tưởng ông ta, phải tưởng tượng vận tốc ánh sáng khơng có giới hạn mà tương đối nhỏ, di chuyển ánh sáng làm chậm lại chuyển động phim chuyển động chậm Hai người, A B, trang bị hai đèn lồng có chắn sáng đứng cách khoảng cách, ví dụ dặm (1,6 km) Người đầu tiên, A, mở chắn sáng Cả hai trí B mở chắn sáng đèn thấy ánh sáng đến từ A Chúng ta giả sử thí nghiệm “phim chuyển động chậm” chúng ta, ánh sáng di chuyển dặm giây A phát tín hiệu cách mở 110 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý chắn sáng B nhận tín hiệu ánh sáng sau giây gửi tín hiệu trả lời Có nghĩa A nhận tín hiệu trả lời hai giây sau phát tín hiệu Như nói, ánh sáng di chuyển với vận tốc dặm giây thời gian từ lúc A phát nhận tín hiệu giây, với giả thiết B cách A dặm Hay ngược lại, A trước vận tốc ánh sáng giả sử bạn ông ta giữ thỏa thuận, ông ta nhận tín hiệu từ đèn lồng B hai giây sau ơng ta mở chắn đèn lồng Ơng ta kết luận vận tốc ánh sáng dặm giây Với thiết bị kỹ thuật vào thời đó, Galileo có khả để xác định vận tốc ánh sáng theo cách Nếu khoảng cách dặm, ông ta phải đo quãng thời gian cực ngắn, khoảng phần trăm nghìn giây! Galileo trình bày phương pháp để xác định vận tốc ánh sáng, ông không đưa lời giải đáp Thường việc đặt vấn đề quan trọng việc đưa lời giải đáp đáp án hồn tồn phụ thuộc vào khả khéo léo toán học hay việc thực thí nghiệm Đưa vấn đề mới, khả mới, xem xét vấn đề cũ từ góc nhìn mới, cơng việc óc đầy sáng tạo tiến thật khoa học Ngun lý qn tính định luật bảo tồn lượng có từ suy nghĩ mẻ, độc đáo thí nghiệm hay tượng vô quen thuộc Trong trang sách này, có nhiều thí dụ tương tự để nhấn mạnh tầm quan trọng nhìn vào kiện vơ quen thuộc với Trở lại câu hỏi tương đối đơn giản việc xác định vận tốc SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 111 ánh sáng, điều đáng ngạc nhiên Galileo khơng nhận rằng, ơng ta thực thí nghiệm cách đơn giản xác với người Thay cần đến người cộng cách xa quãng, ông ta đặt gương, phản chiếu tức khắc ánh sáng mà nhận Khoảng 250 năm sau, Fizeau(15) người ứng dụng nguyên tắc đơn giản để xác định vận tốc ánh sáng thí nghiệm thực mặt đất Mặc dù không xác Roemer(15a), người xác định vận tốc ánh sáng từ lâu quan sát thiên văn Vì vận tốc ánh sáng rõ ràng vơ lớn ta thực việc đo đạc với khoảng cách có tầm cỡ với khoảng cách từ Trái Đất đến hành tinh khác hệ thống thái dương hệ, hay kỹ thuật thí nghiệm tinh vi Roemer thực phương pháp Fizeau thực phương pháp thứ hai Sau thí nghiệm này, số quan trọng vận tốc ánh sáng xác định lại nhiều lần lúc xác Cùng mục đích này, kỷ chúng ta, Michelson(16) phát minh kỹ thuật có độ tinh vi cao để đo vận tốc ánh sáng Kết thí nghiệm trình bày cách đơn giản: Vận tốc ánh sáng chân không – in vacuo – khoảng chừng 186.000 dặm giây hay khoảng 300.000 kilomét giây 112 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý ÁNH SÁNG NHƯ MỘT CHẤT Một lần nữa, bắt đầu với vài thí nghiệm quen thuộc Con số mà vừa nói đến vận tốc ánh sáng chân không Nếu ánh sáng không bị ảnh hưởng hết, lan truyền với vận tốc chân khơng Chúng ta nhìn xun qua bình chân khơng thủy tinh khơng khí bình rút hết Chúng ta thấy hành tinh, sao, tinh vân ánh sáng chúng truyền đến mắt xun qua khoảng khơng trống rỗng Vì nhìn xun qua bình thủy tinh dù có chứa khơng khí hay khơng, nên khơng khí có vai trị khơng đáng kể Cho nên kết thí nghiệm quang học phịng thơng thường tương tự phịng khơng chứa khơng khí Một kiện quang học đơn giản lan truyền ánh sáng theo đường thẳng Chúng ta mô tả tượng thí nghiệm đơn giản Trước điểm sáng, đặt chắn có khoét lỗ nhỏ Điểm sáng nguồn sáng nhỏ, ví dụ khe hở nhỏ chắn đèn lồng Hình ảnh lỗ nhỏ chắn vách tường cách vài mét có dạng vệt sáng đen Sự tương quan tượng truyền thẳng ánh sáng mơ tả hình sau Giả thiết truyền thẳng ánh sáng chân không hay khơng khí giải thích tất trường hợp phức tạp ánh sáng, vùng tối vùng mờ SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 113 Chúng ta xét thí dụ khác, trường hợp ánh sáng xuyên qua vật chất Chúng ta có tia sáng truyền qua chân không chiếu vào thủy tinh Điều xảy ra? Nếu quy luật chuyển động thẳng cịn giá trị ánh sáng phải truyền theo hướng biểu diễn nét đứt hình sau, điều lại khơng xảy thực tế Đường truyền bị bẽ gãy mơ tả hình vẽ Hiện tượng quan sát gọi khúc xạ Chúng ta thường thấy tượng nhúng nửa gậy nước, gậy dường bị bẻ cong điểm 114 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Những kiện đủ để đưa lý thuyết học đơn giản cho ánh sáng Mục đích trình bày trình thâm nhập khái niệm chất, hạt lực vào lĩnh vực quang học cuối sụp đổ quan điểm triết học cũ Lý thuyết có chất đơn giản thô sơ Chúng ta giả sử tất vật thể phát sáng phóng thích hạt ánh sáng, hay cịn gọi hạt, chúng chiếu vào mắt tạo nên cảm giác ánh sáng Vì quen thuộc với việc sáng tạo chất chất thật cần thiết cho việc giải thích theo tư học, nên thực điều thêm lần Những hạt sáng phải truyền theo đường thẳng, xuyên qua không gian trống rỗng với vận tốc xác định, truyền đến mắt thông tin vật thể phát sáng Mọi tượng cho thấy ánh sáng lan truyền theo đường thẳng củng cố thêm cho lý thuyết hạt ánh sáng, dạng chuyển động áp dụng cho hệ thống hạt Lý thuyết giải thích phản chiếu ánh sáng gương đơn giản banh dội lại bị ném vào tường Điều minh họa hình vẽ SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 115 Chúng ta gặp nhiều khó khăn cho việc lý giải tượng khúc xạ Dù không vào chi tiết, thấy khả ứng dụng tư học để giải thích vấn đề Thí dụ hạt ánh sáng chiếu lên bề mặt thủy tinh, lực thủy tinh tác động lên chúng Điều lực tác động lên hạt nằm sát thủy tinh Như biết lực tác động lên hạt chuyển động làm thay đổi vận tốc Nếu lực thực (net force) tác động lên hạt sáng lực hút vng góc với bề mặt thủy tinh, quỹ đạo chuyển động phải nằm khoảng hướng chuyển động cũ hướng vng góc Sự giải thích đơn giản tạm hứa hẹn cho thành công lý thuyết hạt ánh sáng Tuy nhiên, để xác định tính hữu ích phạm vi giá trị lý thuyết này, cần xét thêm nhiều trường hợp phức tạp BÍ ẨN CỦA MÀU SẮC Một lần nữa, nhà thiên tài Newton người giải thích cho nhân loại đa dạng màu sắc Trích dẫn sau mơ tả thí nghiệm Newton ơng viết: Trong năm 1666 (thời gian bận rộn với việc mài loại kính quang học có hình thù khác với loại hình cầu), tơi tìm lăng kính hình tam giác Với lăng kính này, tơi thử nghiệm tượng đặc biệt màu sắc Tơi che tối phịng khoét lỗ nhỏ rèm che cửa sổ lượng vừa đủ ánh sáng Mặt Trời lọt vào phịng Tơi đặt 116 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý lăng kính trước tia nắng để bị khúc xạ chiếu lên tường Lần tơi có cảm giác vô thú vị thấy xuất màu sắc vô sinh động Ánh sáng Mặt Trời có màu “trắng” Sau xun qua lăng kính, cho thấy tất màu sắc tự nhiên Và tự nhiên làm điều cầu vồng có nhiều màu sắc rực rỡ Từ thời xa xưa, người ta cố gắng giải thích tượng Truyền thuyết ghi lại kinh thánh cho cầu vồng chữ ký Chúa hợp đồng với loài người, “lý thuyết” họ Nhưng người ta khơng thể giải thích cách đầy đủ cầu vồng lại xuất liên quan với mưa? Lần Newton cơng kích cách khoa học tồn vấn đề rắc rối màu sắc đáp án đưa cơng trình vĩ đại ơng Một bên cầu vồng ln có màu đỏ bên màu tím Các màu khác xếp hai màu Newton giải thích tượng sau: Tất màu có mặt màu trắng Chúng ln hịa quyện với nhau, xuyên qua không gian liên hành tinh xuyên qua bầu khí quyển, để cuối cho ta hiệu ứng màu trắng Có thể nói màu trắng tổng hợp loại hạt sáng khác màu sắc khác Trong trường hợp thí nghiệm Newton, lăng kính chia màu sắc không gian Theo lý thuyết học, khúc xạ ảnh hưởng lực tác động lên hạt ánh sáng, lực phát xuất từ hạt thủy tinh Tùy theo màu sắc khác nhau, ta có lực tác động khác lên hạt, lực mạnh màu tím yếu màu đỏ Do vậy, SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 117 màu bị khúc xạ theo đường khác bị tách khỏi màu khác ánh sáng rời lăng kính Trong trường hợp cầu vồng, giọt nước đóng vai trị lăng kính Lý thuyết chất ánh sáng trở nên phức tạp trước nhiều Chúng ta khơng có chất ánh sáng mà có nhiều loại khác nhau, loại thuộc màu khác Tuy nhiên, lý thuyết phần đó, hệ phải đồng với quan sát Chuỗi sắc màu ánh sáng trắng Mặt Trời mà có qua thí nghiệm Newton gọi quang phổ Mặt Trời, hay nói cách xác quang phổ trông thấy Mặt Trời Sự phân ly màu trắng thành thành phần mô tả tán sắc ánh sáng Do màu sắc quang phổ bị phân tách lăng kính, nên chúng hịa trộn trở lại với lăng kính thứ hai hiệu chỉnh xác Nếu khơng thể thực thế, giải thích coi sai Quá trình đảo ngược thí nghiệm trước Chúng ta phải có ánh sáng trắng từ màu bị phân ly trước Newton chứng minh thực nghiệm hịa trộn quang phổ thành ánh sáng trắng phân tách ánh sáng trắng thành quang phổ cách đơn giản lần Các thí nghiệm củng cố lý thuyết cho hạt khác tương ứng cho màu sắc chúng chất không thay đổi Newton viết: màu sắc không tự nhiên sinh ra, chúng xuất qua phân ly; chúng hòa trộn phối hợp lại với 118 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý hoàn toàn lần nữa, chúng tổng hợp thành màu trước phân ly Tương tự thế, biến đổi không xảy ta tổng hợp màu khác nhau, tia sáng bị phân ly lần nữa, chúng lại cho ta màu sắc giống trước tổng hợp lại Cũng giống ta trộn cách kỹ lưỡng bột màu xanh da trời màu vàng, mắt nhận thấy bột vừa pha trộn có màu xanh cây, màu sắc hạt thật không thay đổi, chúng pha trộn với Khi quan sát chúng kính hiển vi tốt, lại thấy hạt màu xanh da trời màu vàng xen kẽ khắp nơi Giả sử cô lập vạch hẹp quang phổ Có nghĩa tất màu ánh sáng trắng, cho phép màu qua khe sáng, màu khác bị chặn lại chắn Tia sáng xuyên qua khe ánh sáng đơn sắc, loại ánh sáng mà ta phân thành nhiều thành phần Đây hệ lý thuyết chất ánh sáng dễ dàng xác minh thực nghiệm Khơng có cách phân tách thêm tia sáng đơn sắc Có nhiều cách đơn giản để tạo nguồn sáng đơn sắc Thí dụ kim loại natri (Na) nóng sáng phóng thích ánh sáng đơn sắc màu vàng Để thuận tiện, ta nên dùng ánh sáng đơn sắc cho thí nghiệm quang học kết thí nghiệm đơn giản dễ hiểu Chúng ta tưởng tượng kiện thực xảy ra: Mặt Trời phóng thích ánh sáng đơn sắc màu đó, ví dụ màu vàng Sự phong phú sắc màu Trái Đất biến Mọi vật có màu vàng hay màu đen! Dự đốn hệ lý thuyết chất SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 119 ánh sáng, khơng thể tạo thêm màu sắc Tính đắn lý thuyết kiểm chứng thực nghiệm: Trong phòng tối, nguồn sáng natri nóng sáng vật có màu vàng hay đen Thế giới ngập tràn màu sắc phản ánh phong phú sắc màu hợp thành ánh sáng trắng Lý thuyết chất ánh sáng dường hoàn hảo việc lý giải trường hợp này, băn khoăn việc nhiều loại chất phải đưa cho nhiều loại màu sắc khác Điều giả định tất hạt ánh sáng có vận tốc chân khơng dường giả tạo Chúng ta tưởng tượng có hệ thống giả thuyết khác, lý thuyết khác với tính chất hồn tồn khác, hợp lý đưa ta tất lời giải đáp cần thiết Quả thật thế, sớm chứng kiến trỗi dậy lý thuyết khác, dựa khái niệm hồn tồn mới, đưa lời giải đáp cho tượng lĩnh vực quang học Tuy nhiên, trước thiết lập giả thuyết tảng cho lý thuyết này, phải trả lời câu hỏi không liên quan đến vấn đề quang học Chúng ta phải trở lại với học hỏi: SĨNG LÀ GÌ? Một tin vịt tung Washington lan truyền nhanh đến New York dù không người tung tin thật từ thành phố đến thành phố Chúng ta có hai loại chuyển động hồn tồn khác nhau, tin đồn lan truyền 120 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý từ Washington đến New York cá nhân loan tin đồn Khi gió lướt qua cánh đồng lúa, tạo nên sóng lúa lan tỏa cánh đồng Ở đây, phải phân biệt lần chuyển động sóng lúa chuyển động lúa, lúa chịu dao động nhỏ Khi đá ném xuống ao nước, thấy sóng lan tỏa với vịng trịn lúc rộng Sự chuyển động sóng nước thật khác biệt với chuyển động nước Nước nhấp nhô lên xuống Sự lan truyền sóng mà quan sát lan truyền trạng thái vật chất thân vật chất Một phao bần sóng nước cho thấy rõ ràng điều này, nhấp nhơ lên xuống theo chuyển động thật nước thay mang lan truyền sóng nước Để hiểu rõ chế sóng, xét thí nghiệm lý tưởng Giả sử ta có khơng gian lớn, chứa đầy nước khơng khí hay chất khác Tại gần tâm không gian có cầu Lúc bắt đầu thí nghiệm, hệ thống hồn tồn khơng có chuyển động Bất thình lình, cầu bắt đầu “thở” đặn, co giãn thể tích giữ dạng hình cầu Điều xảy môi trường này? Đầu tiên, xem xét thời điểm mà cầu bắt đầu giãn nở Các hạt môi trường xung quanh nằm sát cầu bị đẩy ra, lớp nước hay khơng khí hay chất bao quanh cầu trường hợp có mật độ cao mật độ bình thường Tương tự thế, cầu co lại mật độ thành phần môi trường bao quanh cầu giảm tức Những thay đổi mật độ lan SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 121 truyền tồn mơi trường vật chất Các phần tử kiến tạo nên mơi trường có dao động nhỏ, toàn chuyển động chúng tạo nên sóng lan truyền Điều quan trọng lần ý đến chuyển động dạng khơng phải vật chất, mà lượng lan truyền xuyên qua vật chất Từ thí nghiệm với cầu biết thở, đưa hai khái niệm vật lý có tính tổng qt quan trọng cho việc mơ tả đặc điểm sóng Khái niệm vận tốc mà sóng lan truyền Vận tốc phụ thuộc vào môi trường khác lan truyền nước hay khơng khí Khái niệm thứ hai bước sóng (chiều dài sóng) Trong trường hợp sóng sơng hay biển, bước sóng khoảng cách hai hõm sóng liền kề hay hai đỉnh sóng liền kề Như thế, sóng biển có bước sóng lớn bước sóng sóng sơng Trong trường hợp sóng tạo nên rung động cầu có nhịp đập, bước sóng khoảng cách hai lớp vật chất hình cầu liền kề thời điểm định, có mật độ cao thấp Rõ ràng khoảng cách không phụ thuộc vào môi trường Tốc độ nhịp đập cầu hẳn phải đóng vai trị lớn việc tạo bước sóng ngắn nhịp đập nhanh hơn, bước sóng dài nhịp đập chậm Khái niệm sóng tỏ thành công vật lý học Khái niệm chắn khái niệm học Các tượng sóng quy chuyển động hạt, mà theo thuyết động lực học, hạt thành phần cấu tạo nên vật chất Do vậy, cách khái quát, lý thuyết dùng khái niệm sóng coi lý thuyết học Ví dụ 122 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý việc giải thích tượng âm dựa sở khái niệm Các vật thể rung động, dây quản hay dây đàn vĩ cầm, nguồn sóng âm lan truyền khơng khí với ngun lý mà giải thích cho cầu có nhịp đập Do vậy, quy tượng âm tượng học khái niệm sóng Điều mà nhấn mạnh phân biệt chuyển động hạt chuyển động sóng, chuyển động sóng biểu thị cho trạng thái môi trường Dù hai khái niệm khác nhau, thí nghiệm với cầu có nhịp đập, hai chuyển động (của hạt sóng) xảy đường thẳng Các hạt môi trường dao động dọc theo phân đoạn thẳng ngắn ứng với nhịp đập cầu, mật độ chúng tăng giảm cách tuần hoàn tương ứng với chuyển động Vì hướng lan truyền sóng đường thẳng tạo nên dao động hạt đồng nhất, nên loại sóng gọi sóng dọc SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 123 Nhưng sóng dọc có phải loại sóng không? Điều quan trọng khảo sát phải nhận thức rõ khả tồn loại sóng khác gọi sóng ngang Chúng ta thử thay đổi thí nghiệm Cũng với cầu này, nhúng vào loại mứt trái (có tính bám dính keo – ND) thay vào nước hay khơng khí Ngồi ra, cầu khơng cịn “thở” theo nhịp mà xoay góc nhỏ theo hướng xoay ngược lại, theo nhịp điệu quanh trục định Mứt kết dính vào cầu vậy, phần mứt dính vào cầu bị theo chuyển động xoay Phần mứt lại lôi làm chuyển động phần mứt xa chút tiếp tục Cuối sóng hình thành mơi trường mứt Nếu nhớ phân biệt chuyển động môi trường chuyển động sóng, trường hợp này, chúng khơng nằm đường thẳng Trong thí nghiệm này, sóng lan truyền theo hướng đường bán kính cầu, phần tử môi trường lại dịch chuyển theo hướng vng góc với hướng Như tạo sóng ngang 124 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Các sóng lan truyền mặt nước sóng ngang Một phao bần nhấp nhơ lên xuống, sóng nước lan truyền theo mặt phẳng nằm ngang Ngược lại, sóng âm lại thí dụ điển hình sóng dọc Chúng ta cần phải lưu ý thêm điều: Sóng tạo từ cầu rung động hay dao động mơi trường đồng sóng (mặt) cầu Nó gọi vào thời điểm định, điểm mặt cầu bao quanh tâm nguồn sóng có trạng thái Chúng ta thử xét phần mặt cầu vật chất cách xa nguồn sóng Nếu chọn phần mặt cầu vật chất xa nhỏ giống mặt phẳng Nếu khơng cần xác tuyệt đối, ta nói khơng có khác biệt lớn phần mặt phẳng phần mặt cầu có bán kính đủ lớn Trong thực tế, thường coi phần sóng hình cầu cách xa nguồn sóng sóng phẳng Nếu phần vạch sọc hình vẽ xa tâm hình cầu góc hai bán kính nhỏ, mơ tả sóng phẳng Cũng nhiều khái niệm SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 125 vật lý khác, khái niệm sóng phẳng tồn trí tưởng tượng tạo với độ xác định Tuy nhiên, khái niệm hữu ích cho khám phá LÝ THUYẾT SÓNG CỦA ÁNH SÁNG Hãy nhớ lại lý khiến phải tạm dừng việc mô tả tượng quang học Mục đích đưa lý thuyết ánh sáng mới, khác với lý thuyết hạt giải thích quy luật kiện lĩnh vực Để thực điều này, tạm dừng câu chuyện lý thuyết hạt ánh sáng đề cập đến khái niệm sóng Bây trở lại vấn đề Huygens(17), người thời với Newton, đưa lý thuyết hoàn toàn Trong luận thuyết ánh sáng mình, ơng viết: Hơn nữa, ánh sáng phải cần khoảng thời gian để lan truyền điều mà chúng tơi muốn nghiên cứu kỹ hơn, lan truyền qua môi trường trung gian Từ vấn đề nhận thấy vật chất truyền đạt chuyển động cách tuần tự; đó, lan truyền, tương tự lan truyền âm thanh, theo mặt cầu sóng cầu Cho nên tơi gọi chúng sóng giống sóng nước ném hịn đá xuống mặt nước Các sóng có dạng vòng tròn xuất cách Tuy nhiên, sóng nước xuất nguyên nhân khác nữa, lan truyền mặt phẳng 126 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Theo Huygens, ánh sáng sóng, chuyển tải lượng khơng phải chuyển tải vật chất Chúng ta thấy lý thuyết hạt giải thích nhiều kiện quan sát Liệu lý thuyết sóng làm điều tương tự? Chúng ta phải đặt lại câu hỏi lý giải lý thuyết hạt, để biết lý thuyết sóng trả lời hay không Chúng ta thực việc hình thức thảo luận hai người N H N người theo lý thuyết hạt Newton, H theo lý thuyết sóng Huygens Khơng phép dùng lý luận phát triển sau thời điểm kết thúc nghiên cứu hai nhà bác học N: Theo lý thuyết hạt, vận tốc ánh sáng mang ý nghĩa xác định Đó vận tốc hạt di chuyển chân khơng Theo lý thuyết sóng có nghĩa nào? H: Đó vận tốc sóng ánh sáng Mỗi loại sóng mà biết lan truyền với vận tốc xác định sóng ánh sáng N: Vấn đề khơng đơn giản Sóng âm lan truyền khơng khí, sóng biển lan truyền nước biển Mỗi loại sóng phải có mơi trường vật chất để lan truyền Nhưng ánh sáng lại xun qua chân khơng, âm khơng thể thực điều Thật nghịch lý nói tồn sóng chân không H: Đúng thế, điều khó khăn, nhiên, khơng phải điều Thầy suy nghĩ cẩn thận điều định rằng, lối thoát giả định tồn chất có tên ether, môi trường suốt tràn ngập khắp vũ trụ Chúng ta nói SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 127 vũ trụ chìm đắm ether Một can đảm đưa khái niệm này, việc trở nên rõ ràng có sức thuyết phục N: Nhưng tơi phản đối giả thiết Đầu tiên, lại đưa chất mang tính giả thuyết có q nhiều loại chất vật lý Tơi lý lẽ khác để chống lại giả định Cũng tôi, bạn tin tưởng phải giải thích tượng theo tư học Nhưng ether gì? Liệu bạn trả lời câu hỏi đơn giản sau: Ether kiến tạo từ hạt ether thể tượng khác nào? H: Ý kiến phản đối ơng hồn tồn Nhưng đưa khái niệm ether chất khơng trọng lượng, dù có phần giả tạo, thoát khỏi hạt ánh sáng có tính chất giả tạo nhiều Chúng ta cịn lại chất “bí ẩn” thay cho vô số chất tương ứng với vô số màu sắc khác quang phổ Ông không nghĩ tiến thật sự? Ít nhất, khó khăn tập trung điểm Chúng ta khơng cịn cần đưa giả định hư cấu cho hạt tương ứng với màu sắc khác ánh sáng di chuyển với vận tốc xuyên qua chân không Lập luận thứ hai ông Chúng chưa thể giải thích khái niệm ether theo tư học Nhưng khơng có để nghi ngờ nghiên cứu tương lai tượng quang học hay tượng khác giúp phát cấu trúc Hiện nay, phải chờ thí nghiệm kết luận mới, cuối cùng, hy vọng làm sáng tỏ vấn đề cấu trúc học ether 128 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý N: Bây rời bỏ vấn đề khơng thể đưa kết luận hợp lý Ngay qn khó khăn này, tơi muốn biết lý thuyết ơng giải thích tượng rõ ràng dễ hiểu theo quan điểm lý thuyết hạt Hãy thử lấy thí dụ, ánh sáng lan truyền chân không hay khơng khí theo đường thẳng Một mảnh giấy đặt trước đèn cầy cho ta bóng đen có đường viền sắc sảo rõ nét vách tường Nếu lý thuyết sóng ánh sáng đúng, khơng thể có bóng sắc nét sóng uốn cong xung quanh cạnh giấy làm mờ bóng Ơng biết thuyền nhỏ biển khơng phải vật cản sóng sóng uốn lượn quanh thuyền mà khơng tạo nên bóng hết H: Đây lập luận đáng tin cậy Hãy quan sát sóng ngắn sơng chúng đánh vào bên mạn tàu lớn Chúng ta khơng thấy sóng mạn bên Nếu sóng đủ nhỏ tàu đủ lớn, thấy bóng xuất rõ ràng Rất có khả ánh sáng dường truyền theo đường thẳng bước sóng chúng q nhỏ so với kích thước vật cản hay so với độ thông thường dùng thực nghiệm Nếu tạo vật cản đủ nhỏ, bóng khơng cịn Chúng ta gặp phải nhiều khó khăn thực nghiệm thiết kế thiết bị có khả kiểm chứng uốn cong ánh sáng Tuy nhiên, vượt qua khó khăn này, kết thí nghiệm mang tính định cho hai lý thuyết sóng hay hạt ánh sáng SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 129 N: Lý thuyết sóng dẫn dắt đến kiện tương lai Nhưng trước mắt, chưa thấy thí nghiệm đáng tin cậy khẳng định lý thuyết Cho đến chừng thực nghiệm chứng minh cách xác ánh sáng uốn cong, tơi khơng thấy lý để không tin vào lý thuyết hạt theo tơi, lý thuyết đơn giản tốt lý thuyết sóng Chúng ta tạm ngưng thảo luận dù chưa thảo luận triệt để khía cạnh Vấn đề cịn lại việc lý thuyết sóng giải thích khúc xạ ánh sáng đa dạng màu sắc Như biết, lý thuyết hạt giải thích tượng Trước tiên, bắt đầu với vấn đề khúc xạ giải thích tượng thí dụ khơng liên quan đến quang học Có hai người mặt phẳng rộng rãi, người cầm đầu sào cứng Đầu tiên, hai người tiến tới với vận tốc Nếu vận tốc hai người không đổi, không lớn mà không nhỏ vận tốc ban đầu, sào dịch chuyển song song, nghĩa sào không bị xoay bị thay đổi hướng dịch chuyển Tất vị trí sào song song với Nhưng thử tưởng tượng vào lúc đó, khoảng chừng phần nhỏ giây, hai người di chuyển khơng đồng Điều xảy ra? Thật rõ ràng khoảng thời gian sào xoay lệch đi, khơng cịn dịch chuyển song song với vị trí Khi vận tốc hai người lại lần nhau, sào dịch chuyển theo hướng khác với hướng ban đầu Điều mơ tả rõ ràng hình vẽ 130 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý sau Sự thay đổi hướng dịch chuyển sào xảy khoảng thời gian mà hai người với vận tốc khác Thí dụ giúp hiểu khúc xạ sóng Một sóng phẳng lan truyền ether chạm vào bề mặt thủy tinh Trong hình kế tiếp, nhận thấy sóng lan truyền biểu thị với mặt đầu sóng tương đối rộng Chúng ta hiểu mặt đầu sóng mặt phẳng mà tất phần tử ether có trạng thái vào thời điểm Vì vận tốc ánh sáng tùy thuộc vào mơi trường lan truyền, nên vận tốc thủy tinh khác với vận tốc chân không Trong khoảng thời gian ngắn mặt đầu sóng truyền vào thủy tinh, phần tử khác mặt đầu sóng có vận tốc khác Phần tử đến mặt thủy tinh lan truyền với vận tốc ánh sáng thủy tinh, phần tử khác di chuyển với vận tốc ánh sáng ether Do khác biệt vận tốc dọc theo mặt đầu sóng thời gian “nhúng vào” thủy tinh, hướng sóng phải thay đổi SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 131 Như thế, thấy khơng lý thuyết hạt mà lý thuyết sóng đưa đáp án cho khúc xạ ánh sáng Nếu nghiên cứu kỹ lý thuyết sóng với kiến thức tốn học, thấy việc giải thích lý thuyết sóng đơn giản hơn, đạt kết tốt hơn, kết luận rút hoàn toàn phù hợp với quan sát Quả thật phương pháp định lượng giúp ta suy vận tốc ánh sáng môi trường khúc xạ, biết tia sáng bị khúc xạ vào môi trường Các đo đạc trực tiếp khẳng định cách tuyệt vời dự đốn thế, khẳng định tính đắn lý thuyết sóng ánh sáng Ta lại câu hỏi màu sắc Chúng ta phải nhớ sóng mơ tả hai số, vận tốc bước sóng Giả định lý thuyết sóng ánh sáng bước sóng khác tương ứng màu sắc khác Bước sóng ánh sáng vàng đơn sắc khác với bước sóng 132 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý màu đỏ hay màu tím Thay gượng ép phân biệt hạt ứng với màu sắc khác nhau, có khác biệt tự nhiên bước sóng So sánh sau cho thấy thí nghiệm Newton tán sắc ánh sáng diễn tả hai ngôn ngữ khác nhau, ngôn ngữ lý thuyết hạt ngôn ngữ lý thuyết sóng Thí dụ như: Ngơn ngữ hạt Ngơn ngữ sóng Các hạt ứng với màu khác có vận tốc chân khơng, có vận tốc khác thủy tinh Các tia sáng, có bước sóng khác ứng với màu khác nhau, có vận tốc ether, có vận tốc khác thủy tinh Ánh sáng trắng tổng hợp hạt ứng với màu khác nhau, hạt bị phân ly quang phổ Ánh sáng trắng tổng hợp sóng có bước sóng, chúng bị phân ly quang phổ Dường khơn ngoan ta né tránh mâu thuẫn đến từ tồn hai lý thuyết khác cho tượng cách ưu tiên cho hai lý thuyết sau xem xét kỹ lưỡng ưu khuyết điểm chúng Cuộc tranh luận N H cho thấy vấn đề dễ dàng Đến đây, định có lẽ nghiêng sở thích lập trường khoa học Trong thời đại Newton trăm năm sau đó, hầu hết nhà vật lý học nghiêng lý thuyết hạt SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 133 Khá lâu sau, khoảng kỷ thứ mười chín, lịch sử có phán nghiêng lý thuyết sóng chống lại lý thuyết hạt Trong thảo luận với H, N phát biểu rằng: Theo nguyên tắc, thực nghiệm chứng minh tính đắn lý thuyết Lý thuyết hạt khơng cho phép ánh sáng uốn cong địi hỏi tồn bóng sắc nét Trái lại theo lý thuyết sóng, vật cản đủ nhỏ khơng có bóng Trong cơng trình Young(18) Fresnel(19), kết thực thực nghiệm kết luận lý thuyết rút từ Chúng ta đề cập đến thí nghiệm vô đơn giản chắn với lỗ nhỏ đặt trước điểm sáng, ta có bóng tường Chúng ta đơn giản hóa thí nghiệm cách giả sử nguồn sáng phát ánh sáng đơn sắc Và để có kết tốt nhất, ta dùng nguồn sáng mạnh Chúng ta tưởng tượng lỗ thu lại lúc nhỏ Nếu dùng nguồn sáng đủ mạnh lỗ đủ nhỏ tượng bất ngờ xuất giải thích quan điểm lý thuyết hạt Bây ta phân biệt rõ ràng vùng sáng vùng tối Ánh sáng xuất chuỗi vòng sáng vòng tối, mờ dần tối Sự xuất vòng sáng tối điểm đặc trưng lý thuyết sóng Nếu thay đổi vài chi tiết thí nghiệm này, giải thích xen kẽ vịng sáng tối Trên giấy màu đen, giả sử đục hai lỗ kim để ánh sáng qua Nếu lỗ kim nhỏ, nằm sát nguồn sáng đơn sắc đủ mạnh, nhiều vân sáng vân tối xuất tường, mờ dần hai phía chìm vào bóng tối 134 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Hiện tượng giải thích đơn giản Vân tối nơi mà đáy sóng ánh sáng từ lỗ kim gặp đỉnh sóng sóng ánh sáng từ lỗ kim lại, chúng triệt tiêu lẫn Vân sáng nơi mà hai đáy sóng hay hai đỉnh sóng đến từ hai lỗ kim gặp gia tăng cường độ lẫn Đối vịng sáng tối thí dụ trước đây, dùng chắn có lỗ kim, giải thích phức tạp nguyên tắc Chúng ta nên ghi nhớ xuất vân sáng vân tối trường hợp với hai lỗ kim trường hợp vòng sáng tối trường hợp lỗ kim Chúng ta quay lại với điều với hai tranh khác Những thí nghiệm diễn tả nhiễu xạ ánh sáng, lệch khỏi lan truyền theo đường thẳng ánh sáng lỗ kim hay vật cản nhỏ nằm đường sóng ánh sáng Với kiến thức tốn học, ta tiến xa nhiều Ta tính tốn tìm độ lớn hay độ nhỏ bước sóng làm xuất mơ hình nhiễu xạ cụ thể Như thế, thí nghiệm giúp ta đo bước sóng ánh sáng đơn sắc dùng nguồn sáng Để hình dung số nhỏ nào, nêu lên hai bước sóng tiêu biểu cho cực điểm quang phổ Mặt Trời, ánh sáng đỏ tím Bước sóng ánh sáng đỏ 0,00008 cm Bước sóng ánh sáng tím 0,00004 cm SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 135 TRANG ẢNH II Các đốm sáng sau hai tia sáng qua hai lỗ kim (một lỗ kim mở bị che khuất lỗ kim lại mở) Các vạch sáng tối ánh sáng lúc xuyên qua hai lỗ kim Trái: Sự nhiễu xạ ánh sáng làm uốn cong quanh vật cản bé Phải: Sự nhiễu xạ ánh sáng xuyên qua lỗ nhỏ 136 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Chúng ta khơng nên ngạc nhiên số lại nhỏ Trong tự nhiên, quan sát thấy bóng vật sắc nét tượng ánh sáng lan truyền theo đường thẳng Lý sắc nét vật độ lỗ thơng sáng thường có kích thước vơ lớn so với bước sóng ánh sáng Chỉ sử dụng vật cản hay khe hở nhỏ ánh sáng biểu lộ chất sóng Nhưng việc tìm kiếm lý thuyết thích hợp cho ánh sáng chưa thể chấm dứt Phán kỷ thứ mười chín chưa phải phán cuối Bởi nhà vật lý đại, tranh chấp sóng hạt tiếp tục tồn tại, lần vấn đề trở nên sâu sắc phức tạp Chúng ta chấp nhận thất bại lý thuyết hạt ánh sáng nhận thấy điều đáng ngờ chiến thắng lý thuyết sóng ÁNH SÁNG LÀ SĨNG DỌC HAY SÓNG NGANG? Tất tượng quang học mà nói đến củng cố cho lý thuyết sóng Sự uốn cong ánh sáng quanh vật cản nhỏ việc lý giải tượng khúc xạ luận chứng thuyết phục lý thuyết Theo quan điểm học, nhận thấy có vấn đề chưa giải quyết: Xác định tính chất học ether Điều để giải vấn đề cần phải xác định sóng ánh sáng truyền ether sóng dọc sóng ngang Hay nói cách SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 137 khác: Sự lan truyền ánh sáng có giống lan truyền âm hay không? Có phải sóng ánh sáng hình thành thay đổi mật độ môi trường, dao động hạt ether phải có hướng với hướng lan truyền sóng? Hay ether giống với mứt trái có tính đàn hồi, mơi trường tạo nên sóng ngang hạt môi trường dịch chuyển theo hướng vng góc với hướng lan truyền sóng? Trước giải vấn đề này, thử định lời giải đáp ưu tiên Rõ ràng may mắn ánh sáng sóng dọc Vì khó khăn việc kiến tạo sở học cho ether trở nên đơn giản Hình ảnh ether có nét tương đồng với hình ảnh học chất khí lý giải lan truyền sóng âm Sẽ khó khăn nhiều muốn xây dựng hình ảnh ether mang theo sóng ngang Thật không dễ tưởng tượng mứt môi trường hạt, sóng lại lan truyền hạt Huygens tin tính chất ether “giống khơng khí” “giống mứt” Nhưng tự nhiên không quan tâm đến hạn chế Thử hỏi trường hợp này, tự nhiên có khoan dung cho nhà vật lý họ cố lý giải kiện quan điểm học? Để trả lời câu hỏi này, phải thảo luận thêm vài thí nghiệm Chúng ta xem xét chi tiết nhiều thí nghiệm trả lời câu hỏi Giả sử có tinh thể tourmaline (khoáng vật dạng tinh thể) mỏng, cắt cách đặc biệt mà không cần mô tả 138 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Tấm tinh thể có độ mỏng đủ để thấy nguồn sáng xuyên qua Bây lấy hai tinh thể đặt chúng nguồn sáng mắt Chúng ta quan sát gì? Vẫn điểm sáng tinh thể đủ mỏng Chúng ta may mắn thí nghiệm khẳng định chờ đợi Để tránh quan điểm cho điều làm đến từ may mắn, giả sử ln nhìn thấy điểm sáng xun qua hai tinh thể Bây ta từ từ thay đổi vị trí hai tinh thể cách xoay Thí nghiệm có nghĩa tinh thể xoay quanh trục cố định Ta chọn trục xoay đường ánh sáng xuyên qua hai tinh thể Điều có nghĩa thay đổi vị trí tất điểm tinh thể ngoại trừ điểm nằm trục Một điều kỳ lạ xảy ra! Ánh sáng trở nên lúc yếu dần hồn tồn biến Nếu tiếp tục xoay SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 139 tinh thể, ánh sáng dần xuất trở lại tinh thể trở vị trí ban đầu, có lại điểm sáng trước Dù không sâu vào chi tiết thí nghiệm thí nghiệm tương tự, đặt câu hỏi sau: Liệu tượng giải thích sóng ánh sáng sóng dọc? Đối với sóng dọc, hạt ether di động theo hướng trục, hướng lan truyền ánh sáng Nếu tinh thể xoay quanh trục khơng có thay đổi trục xoay Các điểm trục không dịch chuyển dịch chuyển điểm gần trục nhỏ Nếu ánh sáng sóng dọc, khơng thể có thay đổi rõ ràng điểm sáng mờ dần trước biến để xuất trở lại Hiện tượng tượng tương tự giải thích sóng ánh sáng sóng ngang khơng phải sóng dọc Hay nói cách khác, phải giả định ether có đặc tính “giống mứt” Thật đáng buồn! Chúng ta phải chuẩn bị tinh thần để đương đầu với khó khăn kinh khủng cố gắng mô tả ether theo tư học ETHER VÀ TƯ DUY CƠ HỌC Việc bàn luận vô số cố gắng nhằm xác định chất học ether, môi trường lan truyền ánh sáng, câu chuyện dài Chúng ta biết hình thành tư học dựa quan điểm cho vật chất cấu tạo từ hạt có lực tương tác nằm đường thẳng nối 140 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý liền chúng phụ thuộc vào khoảng cách chúng Để xây dựng chất ether chất học “giống mứt”, nhà vật lý đưa nhiều giả định giả tạo không tự nhiên Ở đây, khơng cần trích dẫn cơng việc chúng thuộc khứ quên lãng Tuy nhiên, kết cơng trình quan trọng đáng ý Tính chất giả tạo tất giả định này, cần thiết phải đưa vào nhiều giả định không liên hệ với nhau, đủ làm tiêu tan lòng tin vào quan điểm học Ta cịn có ý kiến phản bác khác đơn giản nhiều so với khó khăn việc kiến tạo ether Nếu muốn giải thích tượng quang học theo tư học, cần phải giả định ether có mặt khắp nơi Không gian trống rỗng tồn vũ trụ ánh sáng thật lan truyền môi trường Cơ học cho biết khoảng không liên hành tinh không cản trở di chuyển vật thể mang tính vật chất Thí dụ hành tinh du hành “ether giống mứt” mà không gặp cản trở môi trường vật chất mà hành tinh chắn gặp phải Nếu ether không ảnh hưởng đến chuyển động hành tinh, hạt ether không tương tác với hạt vật chất Ánh sáng xuyên qua ether xuyên qua thủy tinh nước, vận tốc thay đổi lan truyền qua thủy tinh nước Làm lý giải kiện tư học? Rõ ràng dựa vào giả định tương tác hạt ether hạt vật chất Chúng ta vừa thấy rằng, vật thể di chuyển tự tương tác phải giả định SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 141 tồn Hay nói cách khác, tương tác ether vật chất xuất tượng quang học không tồn tượng học Đây thật kết luận đầy nghịch lý! Dường ta có đường để khỏi khó khăn Trong suốt q trình phát triển khoa học kỷ hai mươi, cố gắng tìm hiểu tượng tự nhiên quan điểm học dựa việc đưa chất giả định, lưu chất điện từ, hạt ánh sáng ether Kết có khó khăn tập hợp vài điểm bản, ví dụ ether tượng quang học Ở đây, cố gắng vơ ích để kiến tạo ether theo cách đơn giản, phản đối khác, cho thấy sai lầm dường giả định cho tất tượng tự nhiên giải thích tư học Khoa học khơng thành cơng tiến trình theo đuổi tư học cách toàn diện có tính thuyết phục Và ngày nay, khơng nhà vật lý tin vào việc tư học đủ khả để lý giải cho việc Trong thảo luận ý tưởng vật lý, gặp vài vấn đề nan giải, nhiều khó khăn trở ngại làm nản chí cố gắng việc thiết lập tư thống đáng tin tưởng cho tất tượng giới bên ngồi Vẫn cịn manh mối chưa ý học cổ điển đồng khối lượng hấp dẫn khối lượng qn tính Vẫn cịn tính giả tạo lưu chất điện từ Vẫn cịn lực tương tác dịng điện kim nam châm, khó khăn chưa giải Chúng ta phải nhớ 142 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý lực không tác dụng theo đường thẳng nối liền dây điện cực nam châm, mà phụ thuộc vào vận tốc chuyển động điện tích Định luật cho phép mơ tả hướng cường độ lực vô phức tạp Và cuối gặp phải khó khăn lớn với ether Vật lý học đại cơng tất vấn đề có lời giải đáp cho chúng Nhưng nỗ lực lại làm nảy sinh nhiều vấn đề sâu sắc Dù có tầm hiểu biết rộng sâu so với nhà vật lý kỷ thứ mười chín, nghi ngờ khó khăn giống họ có trước Chúng ta tóm tắt: Trong lý thuyết cũ lưu chất điện, lý thuyết sóng hạt ánh sáng, chứng kiến cố gắng việc tiếp tục ứng dụng tư học Nhưng phạm vi tượng điện học quang học, gặp phải khó khăn vơ trầm trọng ứng dụng tư Chuyển động điện tích tác động lên kim nam châm với lực tác động tùy thuộc khơng vào khoảng cách, mà cịn vào vận tốc điện tích Lực khơng phải lực hút hay lực đẩy, tác dụng vng góc với đường nối liền kim nam châm điện tích Trong lĩnh vực quang học, phải chọn lý thuyết sóng (wave theory) để chống lại lý thuyết hạt (corpuscular theory) ánh sáng Sóng lan truyền môi trường cấu thành từ hạt (particles) tương tác với lực học, chắn khái niệm học Nhưng môi trường lan truyền ánh SỰ SUY TÀN CỦA TƯ DUY CƠ HỌC - 143 sáng có đặc tính học nào? Chúng ta khơng có hy vọng quy tượng quang học tượng học trước trả lời câu hỏi Nhưng khó khăn việc giải vấn đề lại lớn phải từ bỏ ý muốn này, thế, phải từ bỏ tư học 144 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý III TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI Trường phương thức diễn đạt Hai cột trụ lý thuyết trường Hiện thực trường Trường ether Hệ trục tọa độ học Ether chuyển động Thời gian, khoảng cách, tính tương đối Thuyết tương đối học Miền liên tục không – thời gian Thuyết tương đối rộng Bên bên thang máy Hình học thí nghiệm Thuyết tương đối rộng xác minh Trường vật chất TRƯỜNG LÀ MỘT PHƯƠNG THỨC DIỄN ĐẠT Trong nửa cuối kỷ 19, ý tưởng mang tính cách mạng đưa vào vật lý học Những ý tưởng mở đường cho tư triết học khác với tư học Những công trình nghiên cứu Faraday(20), Maxwell(21) Hertz(22) mở đường cho phát triển vật lý đại, cho sáng tạo khái niệm mới, từ hình thành giới quan Cơng việc mô tả điều mà thay đổi đem đến cho khoa học tự nhiên qua khái 146 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý niệm trình bày trình củng cố kết tinh chúng Chúng ta cố gắng mơ tả lại q trình cách logic mà không cần ý nhiều đến thứ tự thời gian Dù đời khái niệm xuất phát từ tượng điện, đơn giản hơn, sử dụng học để dẫn luận khái niệm Chúng ta biết hai hạt hút lực hút có cường độ giảm dần theo bình phương khoảng cách chúng Chúng ta diễn tả kiện theo cách thức mới, dù lợi điểm cách thức tương đối khó hiểu Vịng trịn nhỏ hình vẽ tượng trưng cho vật thể có lực hút, ví dụ Mặt Trời Thật ra, nên tưởng tượng hình vẽ mơ hình khơng gian khơng phải vẽ mặt phẳng Như thế, vòng tròn nhỏ tượng trưng cho cầu khơng gian, Mặt Trời Một vật thể, gọi vật thử nghiệm, đặt vùng lân cận Mặt Trời bị hút theo đường thẳng nối liền tâm vật thể tâm Mặt Trời Như thế, đường thẳng hình cho ta biết hướng lực hút Mặt Trời ứng với vị trí khác vật thử nghiệm TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 147 Các mũi tên đường thẳng cho thấy lực tương tác hướng phía Mặt Trời nên lực phải lực hút Chúng đường sức trường hấp dẫn Đây tên chẳng có lý phải tìm hiểu sâu Tuy nhiên, hình vẽ có nét đặc trưng riêng mà sau tìm hiểu kỹ Các đường sức kiến tạo không gian mà không cần diện vật chất Trước mắt, tất đường sức, hay ngắn gọn trường, cho ta thấy vật thử nghiệm bị tác động đặt vùng lân cận trường hình thành xung quanh cầu Các đường thẳng mơ hình khơng gian ln vng góc với bề mặt cầu Vì đường thẳng phân kỳ từ điểm, chúng dày đặc gần cầu thưa chúng xa cầu Nếu tăng khoảng cách, tính từ cầu, lên gấp hai hay gấp ba lần, mật độ đường thẳng mơ hình khơng gian – dù khơng trình bày hình vẽ – giảm bốn hay chín lần Như đường thẳng giúp đạt hai mục đích Một mặt, chúng mô tả hướng lực tác động lên vật thể vật thể đặt gần cầu Mặt Trời Mặt khác, mật độ đường sức không gian cho thấy phụ thuộc lực vào khoảng cách Nếu ta giải thích cách rõ ràng, hình vẽ trường tượng trưng cho hướng lực hấp dẫn phụ thuộc vào khoảng cách Người ta hiểu định luật hấp dẫn từ hình vẽ thế, giống mô tả tác động định luật từ ngữ hay ngơn ngữ xác ngắn gọn toán học Phương thức diễn đạt trường hay biểu diễn trường, gọi thế, rõ ràng thú vị, 148 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý khơng có lý để tin phương thức diễn đạt đánh dấu bước tiến thật Thật khó để chứng minh hữu dụng cho trường hợp tượng hấp dẫn Một số người thấy phương thức diễn đạt hữu dụng hình dung đường thẳng khơng đơn hình vẽ, tưởng tượng tác động qua đường thẳng Điều thế, mặt khác ta phải thấy tốc độ tác động dọc theo đường sức phải giả định vô tận! Theo định luật Newton, lực tác động hai vật thể tùy thuộc vào khoảng cách mà không liên hệ đến thời gian Như thế, lực tác động tức thời từ vật thể đến vật thể khác mà khơng cần thời gian! Vì khơng hình dung tính hợp lý chuyển động với vận tốc vô tận, việc cố gắng suy diễn từ hình vẽ điều khác với mơ hình chẳng dẫn đến đâu Tuy nhiên, khơng có ý định thảo luận vấn đề tượng hấp dẫn Mơ hình dẫn nhập nhằm đơn giản hóa phương pháp lý luận tương tự việc lý giải cho lý thuyết điện học Chúng ta bắt đầu thảo luận thí nghiệm gây nhiều khó khăn cho tư học Chúng ta có dịng điện chạy qua dây điện uốn tròn Đặt kim nam châm tâm vòng dây điện Ngay dòng điện bắt đầu chạy, lực xuất hiện, tác động lên cực nam châm có hướng vng góc với đường thẳng nối liền dây điện cực nam châm Theo thí nghiệm Rowland, lực phát xuất từ luân chuyển điện tích phụ thuộc vào vận tốc chúng Kết thí nghiệm phủ nhận quan điểm triết học cho TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 149 tất lực phải tác động theo đường thẳng nối liền hạt phụ thuộc vào khoảng cách Quả thật việc mơ tả xác lực dòng điện tác động lên cực nam châm phức tạp nhiều so với việc mơ tả lực hấp dẫn Tuy nhiên, cố gắng tạo hình ảnh tác động lực làm lực hấp dẫn Câu hỏi là: Dòng điện dùng lực để tác động lên cực nam châm đặt vịng ảnh hưởng nó? Thật không đơn giản để diễn tả lực lời nói, phức tạp rắc rối với cơng thức tốn học Tốt nên diễn đạt tất biết lực tác động hình vẽ, hay mơ hình khơng gian đường sức Điều khó khăn cực nam châm tồn liên kết với cực nam châm khác hình thành lưỡng cực từ Tuy nhiên, tưởng tượng kim nam châm đủ dài, cho có lực tác động lên cực nam châm nằm gần dòng điện đáng kể Cực lại nam châm cách xa dòng điện, lực tác động lên xem khơng đáng kể Để tránh nhầm lẫn, dùng cực dương nam châm mơ hình Tính chất lực tác động lên cực dương nam châm mô tả hình vẽ 150 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Đầu tiên ý đến mũi tên nằm gần dây dẫn, chúng hướng dịng điện, từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp Tất đường khác đường sức dịng điện nằm mặt phẳng Nếu vẽ xác, đường sức cho biết hướng vectơ lực tương ứng với tác động dòng điện lên cực dương nam châm vài chi tiết độ dài vectơ Lực, biết, vectơ để xác định cần biết hướng chiều dài Điều quan tâm vấn đề hướng lực tác động lên cực nam châm Câu hỏi đặt là: Làm để từ hình vẽ tìm hướng lực điểm khơng gian? Quy tắc để tìm hướng lực từ mơ hình lại khơng đơn giản thí dụ trước, nơi mà đường sức đường thẳng Trong hình vẽ kế tiếp, ta vẽ đường sức để giải thích rõ quy luật Trong hình vẽ này, vectơ lực nằm đường tiếp tuyến với đường sức Các mũi tên lực mũi tên đường sức TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 151 hướng Như thế, hướng mà lực tác động lên cực nam châm điểm Một hình vẽ tốt, mơ hình tốt, cho ta biết vài chi tiết chiều dài vectơ lực điểm Vectơ phải dài nơi có nhiều đường sức hơn, ví dụ gần dây dẫn điện, ngắn nơi mà đường sức thưa hơn, ví dụ xa dây dẫn điện Như thế, đường sức, hay nói cách khác trường, giúp xác định lực tác động lên cực nam châm điểm không gian Và biện minh cho việc tìm hiểu xây dựng khái niệm trường Khi biết trường diễn tả điều gì, tìm hiểu kỹ đường sức tương ứng với dòng điện Những đường sức đường tròn bao quanh dây dẫn điện nằm mặt phẳng vng góc với mặt phẳng chứa dây dẫn điện Nếu tìm hiểu tính chất lực hình vẽ, đến kết luận mới: Lực tác dụng theo hướng vng góc với đường thẳng nối liền dây dẫn điện cực nam châm, đường tiếp tuyến vịng trịn ln vng góc với bán kính vịng trịn Tồn hiểu biết lực tác dụng tóm tắt kiến trúc trường Chúng ta đưa khái niệm “trường” vào khái niệm “dòng điện” “cực nam châm” nhằm mục đích diễn đạt lực tác dụng theo cách đơn giản Mỗi dòng điện liên kết với từ trường, có nghĩa ln có lực tác động lên cực nam châm đặt gần dây dẫn có điện Khi lưu ý đến điều này, thấy tính chất cho phép thiết kế dụng cụ nhạy để dị tìm dịng điện Một biết tính chất lực 152 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý từ mơ hình trường dịng điện, vẽ trường xung quanh dây dẫn có điện để mơ tả tác dụng lực từ điểm không gian Trước hết, thảo luận thứ gọi solenoid, cuộn dây thiết kế hình vẽ Mục đích tìm hiểu thực nghiệm tất mối liên hệ từ trường dòng điện chạy qua solenoid, sử dụng kiến thức để kiến tạo trường Hình vẽ diễn đạt kết Những đường sức uốn cong, khép kín bao quanh solenoid theo cách đặc trưng từ trường dòng điện Trường nam châm biểu diễn tương tự trường dịng điện Hình vẽ cho ta thấy điều Những đường sức hướng từ cực dương sang cực âm Các vectơ lực nằm tiếp tuyến đường sức có chiều dài lớn gần cực đường sức có mật độ lớn điểm Các vectơ lực cho ta thấy nam châm tác động lên cực dương nam châm Trong trường hợp này, nam châm “nguồn” trường khơng phải dịng điện TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 153 Chúng ta so sánh hai hình vẽ cách cẩn thận Trong hình vẽ đầu tiên, có từ trường dịng điện chạy qua solenoid, hình vẽ thứ hai có từ trường nam châm Nếu không nghĩ tới solenoid nam châm, mà xét đến hai trường này, nhận thấy chúng giống hệt Trong trường hợp, đường sức từ đầu đến đầu solenoid hay nam châm Khái niệm trường gặt hái kết đầu tiên! Thật không đơn giản để nhận thấy tương đồng rõ nét dòng điện chạy qua solenoid nam châm điều không bộc lộ qua khái niệm trường Bây khái niệm trường kiểm chứng cách khắt khe Chúng ta sớm thấy trường khái niệm khác lạ diễn đạt lực tác dụng theo cách Chúng ta lý luận sau: Giả sử trường hình thức diễn đạt cho tác động xuất phát từ nguồn phát Đây dự đốn Nhưng dự đốn solenoid nam châm có loại trường tất ảnh hưởng chúng phải Điều có nghĩa hai solenoid có dịng điện chạy qua ảnh 154 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý hưởng lẫn giống hai nam châm Chúng hút hay đẩy tùy theo vị trí tương đối chúng Điều có nghĩa solenoid nam châm hút hay đẩy tương tự hai nam châm Một cách ngắn gọn hơn, điều có nghĩa tác động solenoid có điện nam châm tương ứng giống nhau, tác động quy kết trường, trường hai trường hợp giống Các thí nghiệm hồn tồn khẳng định dự đốn Sẽ khó khăn để tìm kiện nêu khơng có khái niệm trường Biểu thức toán học dùng để diễn tả lực tác dụng dây dẫn có điện cực nam châm phức tạp Nếu phải tìm hiểu lực mà hai dòng điện tác dụng lẫn trường hợp hai solenoid dùng phương tiện trường để giải vấn đề này, nhận thấy tất tính chất lực giống lực trường solenoid nam châm Chúng ta có sở để nói trường có ý nghĩa mà nghĩ trước Chỉ tính chất trường thơi dường yếu tố để diễn đạt tượng; khác biệt nguồn lực không quan trọng Khái niệm trường trở nên lúc quan trọng dẫn đến thí nghiệm chứa đựng nhiều khám phá Trường chứng tỏ khái niệm đầy hữu ích Đầu tiên, trường đưa vào nguồn lực kim nam châm với mục đích mơ tả lực tác dụng nơi Chúng ta coi trường “người trung gian” thể hiệu ứng dòng TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 155 điện Nhưng “người trung gian” lại kiêm thêm vai trò người phiên dịch việc chuyển đổi quy luật tự nhiên thành ngôn ngữ đơn giản, dễ hiểu rõ ràng Thành công khái niệm trường giúp ta thuận tiện việc xem xét ảnh hưởng dòng điện, nam châm điện tích theo cách gián tiếp Trường sử dụng người phiên dịch xem ln liên kết với dịng điện ta khơng dùng đến nam châm để kiểm tra hữu trường Chúng ta cố gắng theo dõi thật kiên định manh mối Trường vật dẫn điện tích điện hiểu theo cách gần giống trường hấp dẫn hay trường dòng điện nam châm Một lần nữa, chọn thí dụ đơn giản nhất! Để vẽ trường cầu tích điện dương, phải biết loại lực tác dụng lên vật thử nghiệm tích điện dương, có kích thước đủ nhỏ, đem đến gần nguồn lực tạo nên cầu khác tích điện dương Việc dùng vật thử nghiệm tích điện dương khơng phải tích điện âm quy ước chung để vẽ hướng mũi tên đường sức Mơ hình giống mơ hình trường hấp dẫn tương đồng định luật Coulomb định luật Newton Điều khác biệt mũi tên theo hướng nghịch nhau, hai điện tích dương đẩy cịn hai khối lượng hút Tuy nhiên, trường cầu tích điện âm giống trường hấp dẫn, vật thử nghiệm nhỏ tích điện dương bị hút nguồn trường 156 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Nếu hai cực điện cực từ đứng yên, chúng không ảnh hưởng lẫn nhau, chẳng hút chẳng đẩy Khi diễn đạt kiện ngơn ngữ trường, nói rằng: Một trường tĩnh điện khơng ảnh hưởng đến trường tĩnh từ ngược lại Những từ “trường tĩnh” hay “trường khơng đổi” có nghĩa trường không thay đổi theo thời gian Các nam châm điện tích nằm vĩnh viễn bên khơng TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 157 có ngoại lực làm nhiễu chúng Các trường tĩnh điện, trường tĩnh từ trường hấp dẫn có đặc tính hồn tồn khác biệt Chúng khơng hịa lẫn vào nhau, loại trường giữ lấy đặc tính riêng bất chấp tồn trường khác Chúng ta quay trở lại cầu tích điện cịn nằm yên cũ giả định bắt đầu chuyển động tác động ngoại lực Quả cầu tích điện chuyển động Với ngơn ngữ trường, câu hiểu là: Trường cầu tích điện thay đổi theo thời gian Tuy nhiên biết qua thí nghiệm Rowland, chuyển động cầu tích điện tương đương với dòng điện Hơn nữa, dòng điện kèm với từ trường Như chuỗi lập luận là: Chuyển động điện tích → Thay đổi điện trường ↓ Dịng điện → Từ trường liên kết Do kết luận rằng: Sự thay đổi điện trường chuyển động điện tích ln kèm với từ trường Kết luận dựa thí nghiệm Oersted kết luận chứa đựng nhiều điều Việc thừa nhận điện trường thay đổi theo thời gian ln có từ trường liên kết theo tảng cho luận chứng Khi điện tích cịn đứng n, ta có trường tĩnh điện Nhưng từ trường xuất điện tích 158 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý bắt đầu chuyển động Chúng ta cịn nói nhiều điều Từ trường, tạo nên di chuyển điện tích, mạnh điện tích lớn chuyển động nhanh Đây hệ thí nghiệm Rowland Một lần nữa, ngôn ngữ trường cho phép nói: Điện trường thay đổi nhanh từ trường liên kết xuất mạnh Ở đây, cố gắng chuyển đổi kiện quen thuộc từ ngôn ngữ lưu chất, ngôn ngữ phát triển từ tư học cổ điển, sang ngôn ngữ trường Về sau, thấy ngôn ngữ rõ ràng sao, chứa đựng nhiều thông tin tiến xa đến chừng HAI CỘT TRỤ CỦA LÝ THUYẾT TRƯỜNG “Sự thay đổi điện trường gắn liền với từ trường” Nếu từ “điện” “từ” hoán chỗ cho câu viết sau: “Sự thay đổi từ trường gắn liền với điện trường” Chỉ có thí nghiệm định tính sai phát biểu Nhưng ý tưởng cho việc đặt vấn đề gợi ý từ việc sử dụng ngôn ngữ trường Hơn trăm năm trước đây, Faraday thực thí nghiệm dẫn tới phát minh vĩ đại dịng điện cảm ứng Chúng ta minh họa hiệu ứng theo cách đơn giản sau Chúng ta cần solenoid hay vài vòng dây dẫn điện, nam châm loại máy đo phát có mặt dòng điện Trước hết, ta đặt TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 159 nam châm nằm yên gần solenoid với vịng dây dẫn điện khép kín Khơng có dịng điện chạy qua dây dẫn điện khơng có nguồn cung cấp Chỉ có trường tĩnh từ nam châm không đổi theo thời gian Bây thay đổi nhanh chóng vị trí nam châm, dời xa đem lại gần cuộn solenoid cách tùy ý Trong khoảnh khắc này, dòng điện xuất thời gian ngắn biến Mỗi nam châm thay đổi vị trí, dịng điện lại xuất ta đo dịng điện dụng cụ đủ nhạy Nhưng theo quan điểm lý thuyết trường, hữu dòng điện đồng nghĩa với hữu điện trường gây dòng chảy lưu chất điện xuyên qua dây dẫn điện Dòng điện dĩ nhiên điện trường biến nam châm nằm yên Hãy thử tưởng tượng ngôn ngữ trường chưa biết đến kết thí nghiệm cần phải mô tả cách định tính định lượng theo ngơn ngữ khái niệm học cổ điển Thí nghiệm cho thấy: Sự di chuyển lưỡng cực từ tạo lực mới, lực làm chuyển động lưu chất điện dây dẫn Câu hỏi là: Lực tùy thuộc vào điều gì? Thật khó mà trả lời Chúng 160 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý ta phải tìm hiểu phụ thuộc lực vào vận tốc nam châm, hình thù nam châm cuộn dây Khi xem xét vấn đề với ngôn ngữ cổ điển, thí nghiệm khơng gợi ý cho câu hỏi: Liệu dòng điện cảm ứng kích hoạt với cuộn dây dẫn điện khác có dịng điện chạy bên thay với chuyển động nam châm hay không? Ngược lại, dùng ngôn ngữ trường tin tưởng vào nguyên tắc: Tác dụng xác định trường Chúng ta thấy solenoid có dịng điện chạy qua hồn tồn thay vai trị nam châm Hình vẽ sau cho thấy hai solenoid: Solenoid nhỏ có dịng điện chạy qua solenoid lớn dùng để phát dòng điện cảm ứng Chúng ta tạo nên tượng cảm ứng solenoid lớn cách dịch chuyển solenoid nhỏ, làm trước với nam châm Hơn nữa, thay dịch chuyển solenoid nhỏ, đóng ngắt mạch điện để làm dịng điện lúc chạy lúc khơng solenoid nhỏ làm cho từ trường lúc có lúc khơng Những dự đoán rút từ lý thuyết trường lại lần minh chứng thí nghiệm TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 161 Chúng ta xét thí dụ đơn giản Chúng ta có dây dẫn điện khép kín khơng có nguồn dịng Ta có từ trường gần Đối với chúng ta, từ trường phát xuất từ cuộn dây có dịng điện chạy qua hay từ nam châm khơng quan trọng Hình vẽ mơ tả mạch điện kín đường sức từ Tính định tính tính định lượng tượng cảm ứng mô tả đơn giản ngơn ngữ trường Hình vẽ cho thấy có số đường sức xuyên qua mặt phẳng bao bọc dây dẫn điện Chúng ta phải xem xét đường sức qua phần mặt phẳng giới hạn dây điện Dù trường lớn tới đâu, khơng thay đổi khơng có dịng điện xuất Nhưng dịng điện xuất số lượng đường sức từ qua mặt phẳng giới hạn dây dẫn điện có thay đổi Dù dòng điện tạo nào, dứt khốt phải phụ thuộc vào thay đổi số lượng đường sức từ qua mặt phẳng Sự thay đổi số lượng đường sức khái niệm cần thiết cho việc diễn đạt tính định tính tính định lượng dòng điện cảm ứng “Số lượng đường sức thay đổi” có nghĩa mật độ đường 162 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý sức thay đổi, qua làm nhớ lại điều cịn có nghĩa cường độ trường thay đổi Do vậy, điểm sau điểm mấu chốt chuỗi lập luận chúng ta: Thay đổi từ trường → Dòng điện cảm ứng → Chuyển động điện tích → Xuất điện trường Như vậy: Một từ trường thay đổi kèm theo điện trường Như tìm hai cột trụ cho hai định luật quan trọng lý thuyết điện trường từ trường Định luật thứ liên kết điện trường thay đổi với từ trường Định luật bắt nguồn từ thí nghiệm Oersted ơng nhận thấy kim nam châm bị lệch dẫn đến kết luận: Một điện trường thay đổi kèm theo xuất từ trường Định luật thứ hai bắt nguồn từ thí nghiệm Faraday mối liên hệ từ trường thay đổi dòng điện cảm ứng Cả hai định luật hình thành tảng cho mơ tả mang tính định lượng Sự tồn điện trường kèm theo từ trường thay đổi phải xem thật Trước đây, thảo luận từ trường dòng điện, thấy từ trường tồn dù không dùng cực từ thử nghiệm Cũng tương tự vậy, phải khẳng định điện trường tồn dù không dùng dây điện để kiểm chứng diện dòng điện cảm ứng Thật ra, hai định luật quy kết thành định luật dựa thí nghiệm Oersted Kết thí nghiệm Faraday suy từ áp dụng định TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 163 luật bảo toàn lượng Việc sử dụng hai trụ cột nhằm mục đích rõ ràng tiện lợi Chúng ta nên đề cập thêm hệ khác việc diễn đạt khái niệm trường Chúng ta có mạch điện mà nguồn dòng pin Volta Kết nối dây dẫn nguồn điện nhiên bị ngắt Dĩ nhiên dây dẫn khơng cịn điện Nhưng khoảng thời gian ngắn ngủi này, trình phức tạp xảy ra, lần lý thuyết trường tiên đốn q trình Trước dịng điện bị ngắt, từ trường ln bao quanh dây dẫn điện Từ trường biến dòng điện bị ngắt Số đường sức xuyên qua mặt phẳng tạo nên dây dẫn thay đổi vơ nhanh chóng Nhưng thay đổi từ trường nhanh thế, dù với nguyên nhân nào, tạo nên dòng điện cảm ứng Điều thật quan trọng từ trường tạo dịng điện cảm ứng mạnh thay đổi nhanh Kết luận chứng khác cho lý thuyết trường Do vậy, ngắt điện đột ngột phải đôi với xuất dòng điện cảm ứng, dù ngắn ngủi mạnh mẽ Thực nghiệm lần minh chứng cho tiên đoán Bất ngắt điện thấy xuất tia lửa điện Tia lửa điện biểu chênh lệch điện lớn xuất phát từ thay đổi nhanh chóng từ trường Cùng q trình ta xem xét quan điểm khác, quan điểm lượng Từ trường biến tia lửa điện xuất Một tia lửa điện tượng trưng cho lượng vậy, từ trường phải dạng lượng Để sử dụng khái niệm trường ngôn ngữ cách thật hợp lý, phải xem từ trường nơi tích 164 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý trữ lượng Chỉ với cách mơ tả tượng điện từ cách phù hợp với định luật bảo tồn lượng Khởi điểm mơ hình hữu ích trường dần trở nên gần với thật Trường giúp hiểu kiện trước dẫn dắt đến điều Việc quy kết trường dạng lượng giúp tiến bước xa việc phát triển khái niệm Cùng với phát triển lúc nhanh khái niệm trường, khái niệm chất, điều tối cần thiết quan điểm học, ngày mờ nhạt dần HIỆN THỰC CỦA TRƯỜNG Sự mơ tả tính định lượng tốn học định luật trường tóm tắt phương trình Maxwell Sự thành lập phương trình xuất phát từ kiện mà thảo luận Tuy nhiên, phương trình chứa đựng nhiều mà trình bày Mặc dù cơng thức đơn giản chúng lại che đậy ý nghĩa sâu sắc mở nghiên cứu cách cẩn thận Sự hình thành phương trình kiện quan trọng vật lý học kể từ thời Newton, chúng quan trọng khơng nội dung phong phú, mà cịn phương trình tạo nên mơ hình cho dạng định luật TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 165 Các tính chất đặc trưng phương trình Maxwell xuất hầu hết phương trình vật lý học đại, tính chất tóm tắt câu: Những phương trình Maxwell định luật thể cấu trúc trường Điều tạo nên khác biệt hình thức tính chất phương trình Maxwell phương trình học cổ điển? Các phương trình mơ tả cấu trúc trường, điều có ý nghĩa gì? Từ kết thí nghiệm Oersted Faraday, làm xây dựng loại định luật mới, có tầm quan trọng to lớn phát triển vật lý học? Qua thí nghiệm Oersted, thấy từ trường uốn quanh điện trường thay đổi Qua thí nghiệm Faraday, thấy điện trường thay đổi xung quanh từ trường thay đổi Để phác thảo vài đường nét đặc trưng lý thuyết Maxwell, tập trung ý vào hai thí nghiệm trên, ví dụ thí nghiệm Faraday Chúng ta xem lại lần hình vẽ sau, đó, dịng điện cảm ứng tạo nên từ trường thay đổi 166 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Chúng ta biết dòng điện cảm ứng xuất thay đổi số lượng đường sức qua mặt phẳng tạo sợi dây điện Như thế, dòng điện cảm ứng xuất từ trường thay đổi hay vòng dây điện bị biến dạng dịch chuyển: Như thế, để có dịng điện cảm ứng số lượng đường sức qua vòng dây điện phải thay đổi dù hình thức Nếu lý thuyết mơ tả tất khả đa dạng phải ý đến ảnh hưởng đặc biệt chúng lý thuyết vô phức tạp Chúng ta phải để đơn giản hóa tốn này? Chúng ta loại bỏ thứ liên quan đến hình dạng vịng dây điện, đến chiều dài nó, đến mặt phẳng tạo nên sợi dây điện Chúng ta tưởng tượng vịng dây điện hình vẽ trở nên lúc nhỏ co lại thành vòng tròn nhỏ, chứa đựng điểm khơng gian Như thế, yếu tố liên quan đến hình thù kích thước khơng cịn đóng vai trị Trong q trình thu nhỏ vịng trịn khép kín thành điểm, kích thước hình thù tự động biến khỏi suy luận thành lập định luật nhằm liên kết thay đổi từ trường điện trường điểm không gian thời điểm Đây bước quan trọng dẫn đến phương trình Maxwell Một lần tưởng tượng điều kiện lý tưởng lặp lại thí nghiệm Faraday với vịng dây điện thu nhỏ thành điểm Thực ra, việc nửa chưa phải toàn trình Đến nay, tập trung ý đến thí nghiệm Faraday Nhưng cột trụ lại lý thuyết TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 167 trường dựa thí nghiệm Oersted cần phải cẩn thận xem xét Trong thí nghiệm này, đường sức từ uốn quanh dòng điện Khi thu nhỏ đường sức từ thành điểm, đến nửa q trình cịn lại thực tồn q trình giúp có liên kết thay đổi từ trường điện trường điểm không gian thời điểm Nhưng cần đến bước cốt yếu Theo thí nghiệm Faraday, cần dây dẫn điện khác để kiểm chứng hữu điện trường, giống phải cần cực từ hay kim nam châm để kiểm chứng hữu từ trường thí nghiệm Oersted Nhưng lý thuyết Maxwell xa hệ thí nghiệm Điện trường từ trường, hay ngắn gọn điện từ trường, theo lý thuyết Maxwell tồn có thật Một điện trường tạo nên thay đổi từ trường, điều hoàn toàn độc lập với việc dùng hay không dùng dây dẫn điện để kiểm chứng hữu Một từ trường sinh thay đổi điện trường, dù có hay không dùng cực từ để kiểm chứng hữu Như ta cần hai bước thiết yếu để dẫn đến phương trình Maxwell Bước thứ nhất đến từ thí nghiệm Oersted Rowland, đường tròn từ trường uốn quanh dòng điện điện trường thay đổi, phải co lại thành điểm; tương tự với thí nghiệm Faraday, đường trịn điện trường uốn quanh từ trường thay đổi phải co lại thành điểm Bước thứ hai việc thực hóa trường thực thể Khi tạo nên, trường điện từ tồn tại, tác động thay đổi theo định luật Maxwell 168 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Các phương trình Maxwell diễn đạt cấu trúc trường điện từ Toàn không gian trường định luật này, khơng định luật học, có giá trị điểm có tồn vật chất hay điện tích Chúng ta nhớ lại trình học Khi biết vị trí, vận tốc lực tác động hạt vào thời điểm bất kỳ, đốn tồn quỹ đạo tương lai Theo lý thuyết Maxwell, biết trường vào thời điểm xác định, dùng phương trình lý thuyết để suy tồn thay đổi trường khơng gian theo thời gian Các phương trình Maxwell giúp theo dõi diễn biến trường, giống phương trình học giúp theo dõi diễn biến hạt vật chất Tuy nhiên, ta có khác biệt quan trọng định luật học định luật Maxwell Sự so sánh định luật hấp dẫn Newton định luật trường Maxwell giúp nhấn mạnh vài nét đặc trưng hai loại phương trình Với phương trình Newton, suy quỹ đạo di chuyển Trái Đất từ lực tương tác Mặt Trời Trái Đất Những định luật liên kết chuyển động Trái Đất với lực tác động đến từ Mặt Trời xa xôi Dù xa nhau, Trái Đất Mặt Trời tác nhân lực tương tác lẫn Lý thuyết Maxwell không chứa tác nhân vật chất Các phương trình tốn học lý thuyết mơ tả quy luật thống trị đến trường điện từ Các phương trình khơng mơ TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 169 tả mối liên hệ hai kiện xa cách với định luật Newton, chúng không liên kết kiện xảy với điều kiện nơi Trường phụ thuộc vào trường liền kề vào thời gian vừa trơi qua Những phương trình cho phép tiên đoán kiện xảy xa chút khơng gian sau theo thời gian biết điều xảy Các phương trình giúp ta bước hiểu sâu trường Bằng cách tổng hợp bước nhỏ này, suy kiện xảy từ kiện xảy cách xa Ngược lại, lý thuyết Newton cho phép kết nối kiện cách xa bước lớn Lý thuyết Maxwell kiến tạo lại thí nghiệm Oersted Faraday, cách tập hợp bước nhỏ bước phải tuân theo phương trình Maxwell Khi nghiên cứu cặn kẽ tính chất tốn học phương trình Maxwell, rút nhiều kết luận vơ bất ngờ Tồn lý thuyết phán xét qua khảo sát, thử thách mức độ cao nhiều hệ lý thuyết mang tính định lượng biểu thị chuỗi lập luận logic Một lần nữa, tưởng tượng thí nghiệm lý tưởng Một cầu nhỏ tích điện Dưới tác động số ảnh hưởng từ bên ngồi, dao động nhanh chóng theo nhịp điệu giống lắc đồng hồ Với kiến thức có thay đổi trường, mô tả diễn biến ngôn ngữ trường? Sự dao động điện tích tạo nên điện trường thay đổi 170 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Điện trường đơi với từ trường thay đổi Nếu vịng dây dẫn khép kín để gần đó, từ trường thay đổi gây dòng điện cảm ứng vòng dây Tất điều lặp lại kiện biết, nghiên cứu kỹ phương trình Maxwell cho ta nhìn sâu vấn đề điện tích dao động Bằng suy luận tốn học từ phương trình Maxwell, tìm tính chất trường xung quanh điện tích dao động, cấu trúc gần xa nguồn điện tích thay đổi theo thời gian Kết suy luận sóng điện từ Năng lượng phóng thích từ điện tích dao động lan truyền xuyên qua không gian với vận tốc định Nhưng truyền tải lượng, thay đổi trạng thái lại tính chất tất tượng sóng Chúng ta đề cập đến nhiều loại sóng khác Chúng ta nhớ lại cầu có nhịp đập tạo sóng dọc thay đổi mật độ môi trường xung quanh cầu lan truyền xuyên qua mơi trường Trong mơi trường giống mứt, ta có lan tỏa sóng ngang Sự biến dạng mứt gây nên quay cầu lan truyền xuyên qua môi trường Trong trường hợp sóng điện từ loại thay đổi lan truyền? Đó thay đổi trường điện từ! Mỗi thay đổi điện trường tạo nên từ trường; thay đổi từ trường sinh điện trường; thay đổi , tiếp tục Vì trường tượng trưng cho lượng nên tất thay đổi lan tỏa không gian với vận tốc định tạo nên sóng Hệ suy từ lý thuyết đường sức điện đường sức từ nằm TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 171 mặt phẳng vng góc với hướng lan truyền sóng Như thế, sóng vừa hình thành sóng ngang Những tính chất hình ảnh trường mà đưa từ thí nghiệm Oersted Faraday cịn giữ ngun Tuy nhiên phải hiểu trường mang ý nghĩa sâu xa Sóng điện từ lan truyền khơng gian trống rỗng hệ lý thuyết Khi điện tích nhiên dừng dao động, trường trở thành trường tĩnh điện Tuy thế, chuỗi sóng hình thành trước dao động điện tích tiếp tục lan truyền Sóng có tồn độc lập q trình thay đổi theo dõi vật thể vật chất khác Chúng ta biết hình ảnh sóng điện từ, lan truyền với vận tốc định không gian thay đổi theo thời gian, có từ phương trình Maxwell phương trình mơ tả cấu trúc trường điện từ điểm không gian vào thời điểm Điều dẫn đến câu hỏi khác quan trọng Sóng điện từ lan truyền không gian trống rỗng với vận tốc nào? Lý thuyết với hỗ trợ từ vài kết thí nghiệm đơn giản chẳng dính líu với lan truyền sóng, trả lời câu hỏi cách rõ ràng: Vận tốc lan truyền sóng điện từ với vận tốc ánh sáng Các thí nghiệm Oersted Faraday hình thành tảng mà định luật Maxwell xây dựng Tất kiến thức có đến bắt nguồn từ việc nghiên cứu cẩn thận định luật này, chúng diễn tả 172 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý ngôn ngữ trường Việc khám phá lan truyền sóng điện từ với vận tốc ánh sáng nghiên cứu lý thuyết thành tựu vĩ đại lịch sử khoa học Thực nghiệm minh chứng cho tiên đoán lý thuyết Khoảng năm mươi năm trước đây, Hertz lần chứng minh hữu sóng điện từ dùng thực nghiệm để khẳng định vận tốc sóng điện từ với vận tốc ánh sáng Ngày nay, việc thu phát sóng điện từ trở nên việc bình thường hàng triệu người Các máy thu phát sóng có cấu tạo phức tạp nhiều so với công cụ mà Hertz dùng Chúng phát sóng điện từ phát cách hàng nghìn dặm thay vài mét trước TRƯỜNG VÀ ETHER Sóng điện từ sóng ngang lan truyền với tốc độ ánh sáng không gian trống rỗng Sự vận tốc ánh sáng vận tốc sóng điện từ gợi ý hai tượng quang học điện từ phải có liên hệ mật thiết Khi phải chọn lựa lý thuyết hạt lý thuyết sóng, nghiêng lý thuyết sóng Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng lý lẽ mạnh ảnh hưởng đến định Chúng ta không tạo nên mâu thuẫn lý giải kiện quang học trước với giả thiết sóng ánh sáng loại sóng điện từ Hơn nữa, cịn rút nhiều kết luận khác Nếu thật thế, người ta dựa vào lý thuyết để suy mối liên hệ tính chất quang học điện học vật chất Việc mà kết luận mối liên hệ TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 173 tìm thấy ln đứng vững qua kiểm chứng thực nghiệm luận chứng quan trọng lý thuyết điện từ ánh sáng Kết vĩ đại hoàn toàn bắt nguồn từ lý thuyết trường Hai ngành khoa học dường không liên quan đến lại thống lý thuyết Các phương trình Maxwell mơ tả lúc hai tượng cảm ứng điện khúc xạ quang học Nếu mục đích diễn đạt việc hay xảy với lý thuyết, hợp quang học điện học bước tiến lớn Theo quan điểm vật lý, điểm khác biệt sóng điện từ thơng thường ánh sáng bước sóng: Bước sóng ánh sáng nhỏ mắt người nhìn thấy được, cịn bước sóng sóng điện từ lớn phát máy thu sóng vơ tuyến Tư học cổ điển cố gắng quy tất tượng tự nhiên lực tương tác hạt vật chất Tư tảng lưu chất điện Vào đầu kỷ 19, nhà vật lý chưa có khái niệm trường nên theo họ, có chất thay đổi chất thật tồn Họ cố gắng mơ tả tương tác hai điện tích khái niệm liên quan trực tiếp đến hai điện tích Vào lúc ban đầu, khái niệm trường khơng khác phương tiện thuận tiện cho việc tìm hiểu tượng theo quan điểm học Trong ngôn ngữ trường, yếu tố yếu để hiểu tương tác hai điện tích mơ tả trường hai điện tích khơng phải thân điện tích Sự công nhận khái niệm ngày lan rộng khái niệm trường làm lu mờ hẳn khái niệm chất Người 174 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý ta nhận thấy điều có tầm quan trọng to lớn xảy vật lý học Một thực hình thành, khái niệm không nằm khuôn khổ tư học Chậm rãi bền bỉ, khái niệm trường chiếm lĩnh vị trí chủ đạo vật lý học coi khái niệm vật lý học Đối với nhà vật lý đại, trường điện từ thực ghế mà ơng ta ngồi Tuy nhiên, không công nghĩ khái niệm trường giải thoát khoa học khỏi sai lầm lý thuyết cũ lưu chất điện hay xóa nhịa thành tựu lý thuyết cũ Lý thuyết cho ta thấy giá trị hạn chế lý thuyết cũ, cho phép quay lại khái niệm cũ góc độ cao Điều khơng cho lý thuyết lưu chất điện lý thuyết trường mà cho chuyển biến lý thuyết vật lý, dù chúng có tính cách mạng Thí dụ bắt gặp khái niệm điện tích lý thuyết Maxwell điện tích hiểu nguồn điện trường Định luật Coulomb có giá trị suy từ phương trình Maxwell nhiều hệ phương trình Chúng ta ứng dụng lý thuyết cũ đến vấn đề cần tìm hiểu cịn nằm vịng hiệu lực chúng Tuy nhiên, hồn tồn dùng lý thuyết vùng hiệu lực chúng bao trùm kiện biết Nếu muốn so sánh, nói việc sáng tạo lý thuyết không giống phá hủy lán gỗ dựng lên tịa nhà chọc trời Đúng hơn, giống việc TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 175 chinh phục núi, đạt tới tầm nhìn rộng hơn, khám phá mối liên kết bất ngờ điểm xuất phát môi trường phong phú xung quanh Tuy nhiên, điểm xuất phát ln tồn nhận thấy được, nhỏ cịn phần nhỏ bé tồn cảnh rộng lớn mà có chinh phục trở ngại chuyến phiêu lưu đầy mạo hiểm Người ta thật cần thời gian dài trước nhận thức toàn nội dung lý thuyết Maxwell Đầu tiên, người ta tin trường điều giải thích theo tư học với trợ giúp ether Theo thời gian, người ta nhận thấy ý định thực Những thành tựu lý thuyết trường trở nên bật quan trọng, khơng lý người ta lại hy sinh cho giáo điều học Mặt khác, vấn đề xây dựng mơ hình học cho ether ngày thú vị kết thu chán nản giả thuyết gượng ép giả tạo Dường lối thoát thừa nhận khơng gian có tính chất vật lý dẫn truyền sóng điện từ không nên lo lắng ý nghĩa điều Từ “ether” dùng đến, để diễn giải vài tính chất vật lý không gian Ý nghĩa từ ether thay đổi nhiều lần trình phát triển khoa học Hiện nay, khơng cịn coi mơi trường có cấu tạo từ hạt Câu chuyện chưa kết thúc tiếp tục với thuyết tương đối 176 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý HỆ TRỤC TỌA ĐỘ CƠ HỌC Đến giai đoạn này, phải quay lại điểm xuất phát định luật quán tính Galileo Chúng ta trích dẫn lần nữa: Mọi vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động theo đường thẳng, trừ có lực tác động lên làm thay đổi trạng thái Một hiểu ý tưởng quán tính, người ta hẳn tự hỏi cần phải bàn thêm vấn đề Mặc dù vấn đề bàn luận kỹ lưỡng khơng có nghĩa hồn tất Chúng ta thử tưởng tượng có nhà khoa học nghiêm túc tin định luật qn tính xác minh hay bác bỏ thí nghiệm thực tế Ơng ta đẩy cầu nhỏ lăn tròn mặt bàn nằm ngang cố gắng loại trừ tối đa ma sát Ông ta nhận thấy chuyển động chuyển động mặt bàn cầu làm trơn láng Ngay ông ta sửa tuyên bố định luật quán tính, nhiên có người muốn đùa với ông Nhà vật lý làm việc phịng khơng có cửa sổ hoàn toàn cách biệt với giới bên Người thích đùa thiết kế vài chế cho phép ông ta điều khiển phòng xoay quanh trục qua tâm cách nhanh chóng Khi phịng bắt đầu xoay, nhà vật lý có nhận thức TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 177 bất ngờ Quả cầu chuyển động bàn cố gắng dịch chuyển rời xa trung tâm phòng lúc đến gần tường Chính ơng ta cảm giác lực đẩy ơng ta phía vách tường Ơng ta có cảm giác ngồi xe lửa hay xe chạy nhanh qua khúc quanh, hay với trò đu quay Như thế, kết nghiên cứu trước nhà vật lý hoàn toàn tan vỡ Nhà vật lý hẳn phải từ bỏ định luật quán tính tất định luật học khác Vì định luật qn tính điểm khởi đầu ông ta, định luật thay đổi, kết luận thay đổi Nếu người quan sát dành trọn đời gian phịng quay trịn tiến hành thí nghiệm đấy, ơng ta tìm định luật học mới, khác với định luật Mặt khác, ơng ta bước vào gian phịng với kiến thức uyên thâm lòng tin vững vào nguyên tắc vật lý học, ông ta giải thích sụp đổ học với giả thuyết phòng xoay Bằng thí nghiệm học, ơng ta xác định phòng xoay tròn Tại phải lưu ý nhiều vào người quan sát ngồi phòng xoay? Thật đơn giản, mức độ đó, thân Trái Đất giống Từ thời Copernicus(23), biết Trái Đất xoay quanh trục di chuyển xung quanh Mặt Trời Ngay ý tưởng đơn giản này, thật rõ ràng người, không để yên qua bước tiến khoa học Chúng ta tạm gác lại câu hỏi chấp nhận quan điểm Copernicus Nếu người quan sát gian phòng xoay trịn khơng thể xác nhận 178 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý định luật học, người Trái Đất khơng có khả thực điều Nhưng Trái Đất quay tương đối chậm hiệu ứng không rõ rệt Tuy nhiên, nhiều thí nghiệm cho thấy sai lệch nhỏ so với định luật học tính qn chúng coi chứng cho xoay tròn Trái Đất Thật đáng tiếc đứng Mặt Trời Trái Đất để khẳng định tính xác định luật quán tính tận mắt nhìn thấy Trái Đất tự xoay quanh Điều thực trí tưởng tượng Tất thí nghiệm phải thực Trái Đất, nơi mà bắt buộc phải sống Một kiện thường diễn tả cách khoa học hơn: Trái Đất hệ trục tọa độ Để tìm hiểu ý nghĩa từ cách rõ ràng hơn, lấy thí dụ đơn giản Chúng ta tiên đốn vị trí viên đá rơi từ tháp vào thời điểm xác minh tiên đoán quan sát Nếu đặt thước cạnh tháp, tiên đốn viên đá trùng khớp với vạch thước thời điểm Cái tháp thước không làm cao su hay vật liệu khác biến dạng q trình thí nghiệm Về mặt bản, đồng hồ tốt thước không đổi gắn chặt vào Trái Đất tất cần thiết cho thí nghiệm Một có thứ rồi, khơng cần để ý đến kiến trúc diện tháp Những giả định cho trước không đáng kể thường không mô tả rõ ràng dạng thí nghiệm TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 179 Tuy nhiên, phân tích cho ta thấy phát biểu che dấu nhiều giả định đến nhường Trong trường hợp chúng ta, giả sử có thước đo đáng tin tưởng, đồng hồ lý tưởng, thiếu thứ ta kiểm chứng định luật Galileo cho vật rơi Với thiết bị đơn giản vật lý, thước đồng hồ, xác minh định luật học với mức độ xác định Khi tiến hành thí nghiệm cách cẩn thận, nhận thấy có sai lệch lý thuyết thực nghiệm bắt nguồn từ xoay vịng Trái Đất Hay nói cách khác định luật học thiết lập giá trị tuyệt đối hệ trục tọa độ gắn liền với Trái Đất Trong tất thí nghiệm học, dù thuộc loại nào, ln phải xác định vị trí chất điểm thời điểm định, giống trường hợp thí nghiệm với vật rơi Tuy nhiên, vị trí chất điểm phải ln đối chiếu với vật khác, trường hợp tòa tháp thước Chúng ta cần có thứ gọi hệ quy chiếu, khung học để xác định vị trí vật thể Để mơ tả vị trí vật thể hay người thành phố, phải dựa vào khung tạo nên đại lộ đường phố Đến đây, khơng cịn phải lo lắng việc đưa hệ quy chiếu thảo luận định luật học, tình cờ sống Trái Đất hồn tồn khơng gặp khó khăn trường hợp đặc biệt để thiết lập hệ quy chiếu gắn chặt với Trái Đất Một hệ thiết lập với vật rắn cố định mà dùng để 180 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý quy chiếu liên hệ với quan sát gọi hệ trục tọa độ Vì từ sử dụng thường xuyên nên viết tắt HTTĐ ứng với hệ trục tọa độ Cho đến nay, phát biểu vấn đề vật lý thiếu điều Chúng ta chưa ý quan sát phải theo HTTĐ định Thay mơ tả cấu trúc HTTĐ, bỏ qua tồn Thí dụ, viết “một vật thể chuyển động ”, thật phải viết “một vật thể chuyển động đều, tương hệ trục tọa độ chọn ” Những thí nghiệm phòng xoay tròn giúp nhận thấy kết thí nghiệm học tùy thuộc vào HTTĐ mà ta chọn Khi hai HTTĐ quay tương định luật học khơng thể có giá trị cho hai hệ Giả sử có hai hồ bơi giống hệt quay tương Nếu xem mặt nước nằm ngang hồ bơi thứ HTTĐ, mặt nước hồ bơi thứ hai có dạng mặt cong, tương tự bề mặt ly cà phê khuấy muỗng Và thiết lập định luật học, bỏ sót điểm quan trọng Chúng ta không đề cập đến việc định luật có giá trị HTTĐ Vì thế, tồn học cổ điển bị treo lơ lửng khơng khí khơng biết quy chiếu theo hệ nào? Tuy nhiên, tạm gác lại khó khăn đưa giả định, dù không hoàn toàn đúng, định luật học cổ điển có giá trị HTTĐ gắn chặt với Trái Đất Với giả định này, xác định HTTĐ, vậy, phát biểu có tính xác định Mặc dù ý kiến TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 181 cho Trái Đất hệ quy chiếu thích hợp khơng hồn tồn đúng, trước mắt tạm chấp nhận điều Vậy giả định hữu HTTĐ cần thiết để định luật học có hiệu lực Có phải ta cần HTTĐ mà thơi? Giả sử có HTTĐ xe lửa, tàu thủy hay máy bay di chuyển tương Trái Đất Liệu định luật học HTTĐ này? Chúng ta biết chắn định luật không cho tất trường hợp, ví dụ trường hợp xe lửa chạy qua đường cong, tàu bị sóng nhồi bão hay máy bay bổ nhào theo đường xoắn ốc Chúng ta bắt đầu với thí nghiệm đơn giản Một HTTĐ chuyển động cách tương HTTĐ “tốt” nghĩa có hai HTTĐ mà định luật học có hiệu lực Chúng ta lấy thí dụ xe lửa lý tưởng hay thuyền buồm lý tưởng di chuyển theo đường thẳng với vận tốc không đổi Như biết từ kinh nghiệm thường ngày, hai ví dụ đúng, có nghĩa thí nghiệm vật lý thực xe lửa hay thuyền buồm chuyển động cách lý tưởng cho kết xác mặt đất Nhưng xe lửa dừng lại hay tăng tốc cách đột ngột mặt biển sóng, nhiều tượng lạ xảy Trong xe lửa, vali rơi khỏi kệ để hành lý; thuyền buồm, bàn ghế bị quăng ném khắp nơi hành khách bắt đầu say sóng Theo quan điểm vật lý, điều có nghĩa thật đơn giản: Không thể áp dụng định luật học HTTĐ này, chúng HTTĐ “tồi” Kết diễn đạt nguyên lý tương đối 182 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Galileo: Nếu định luật vật lý có hiệu lực HTTĐ, chúng có giá trị HTTĐ khác chuyển động tương hệ Nếu có hai HTTĐ chuyển động không tương nhau, định luật học khơng thể lúc có giá trị cho hai hệ Những HTTĐ “tốt” hệ mà định luật học có hiệu lực, gọi chúng hệ quán tính Câu hỏi tồn hệ qn tính chưa có lời giải đáp Nhưng có số lượng hệ vô tận Mỗi HTTĐ chuyển động tương hệ qn tính HTTĐ quán tính Chúng ta xem xét trường hợp hai HTTĐ bắt đầu di chuyển từ vị trí xác định chuyển động tương với vận tốc xác định Nếu cần đến hình ảnh cụ thể người ta hồn tồn nghĩ tàu thủy hay toa xe lửa chuyển động tương Trái Đất Các định luật học xác minh thực nghiệm với độ xác thực mặt đất, xe lửa tàu thủy chuyển động Vấn đề trở nên rắc rối người quan sát hai hệ khác so sánh kiện từ quan điểm họ HTTĐ khác Mỗi người cố gắng diễn giải quan sát người khác theo ngơn ngữ Thí dụ như: Chuyển động hạt lúc quan sát từ hai HTTĐ, hệ Trái Đất hệ xe lửa chuyển động Cả hai hệ HTTĐ quán tính Liệu cần quan sát kiện xảy HTTĐ đủ để giải đáp xảy HTTĐ khác, biết vận tốc tương đối vị TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 183 trí tương đối hai HTTĐ vào thời điểm đó? Để mơ tả kiện, điều thiết yếu phải tìm phương pháp chuyển đổi kiện từ HTTĐ sang HTTĐ khác, hai HTTĐ tương đương thích hợp cho việc mơ tả kiện tự nhiên Quả thực, cần biết kết quan sát người quan sát HTTĐ biết kết quan sát người quan sát khác hệ khác Bây xem xét vấn đề cách trừu tượng hơn, tàu thủy lẫn xe lửa Để đơn giản hóa vấn đề, nghiên cứu chuyển động theo đường thẳng Do đó, cần thước có thang đo đồng hồ tốt Trong trường hợp chuyển động thẳng, thước tượng trưng cho HTTĐ, tương tự trường hợp sào có thang đo đặt cạnh tháp thí nghiệm Galileo Sẽ đơn giản tốt xem HTTĐ thước vững trường hợp chuyển động thẳng, khung vững kiến tạo song song vng góc với trường hợp chuyển động không gian Chúng ta không cần ý đến tháp, vách tường, đường phố hay thứ khác Giả sử trường hợp đơn giản nhất, có hai HTTĐ, ví dụ hai cứng; vẽ phía gọi chúng HTTĐ “trên” HTTĐ “dưới” Chúng ta giả định hai HTTĐ chuyển động tương với vận tốc xác định, trượt dọc theo Ngoài ra, hoàn tồn giả định hai có chiều dài vơ tận, chúng có điểm ban đầu không 184 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý có điểm cuối Chúng ta cần đồng hồ cho hai HTTĐ thời gian trơi hai hệ Khi bắt đầu quan sát, thấy điểm ban đầu hai trùng khớp với Vào thời điểm ban đầu này, vị trí chất điểm biểu thị trị số hai HTTĐ Vị trí chất điểm trùng với vị trí vạch thước đo cho ta trị số xác định vị trí chất điểm Nhưng hai chuyển động tương nhau, số định vị trí chất điểm hai khác sau khoảng thời gian đó, ví dụ sau giây Chúng ta xét chất điểm nằm Con số xác định vị trí chất điểm HTTĐ không thay đổi theo thời gian Nhưng số tương ứng cho đo bên lại thay đổi Thay “con số tương ứng với vị trí chất điểm”, nói ngắn gọn tọa độ chất điểm Do đó, hiểu từ hình vẽ rằng: Tọa độ điểm nằm HTTĐ tọa độ xác định HTTĐ cộng với tọa độ điểm gốc ban đầu HTTĐ tương HTTĐ Mặc dù câu nói rối rắm, nhiên diễn đạt điều đơn giản Điều quan trọng ln tính vị trí phần tử HTTĐ biết vị trí HTTĐ khác Để đạt mục đích này, phải biết vị trí tương đối hai hệ HTTĐ vào thời điểm TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 185 Mặc dù điều nghe qua uyên thâm chúng thật đơn giản khơng thiết phải tìm hiểu cách cặn kẽ, ngoại trừ sau thấy hữu ích Điều cần ghi nhớ phân biệt rõ ràng việc xác định vị trí điểm thời điểm xảy kiện Mỗi người quan sát có thước đo mình, HTTĐ anh ta, nhiên có đồng hồ cho tất quan sát viên Thời gian “tuyệt đối” trơi qua tất quan sát viên tất HTTĐ Bây xét thí dụ khác Một người dạo với vận tốc 3 dặm/giờ boong tàu biển Đây vận tốc tương tàu, hay nói cách khác, vận tốc tương HTTĐ gắn chặt vào tàu Nếu vận tốc tàu 30 dặm/giờ tương bờ biển vận tốc người dạo tàu có hướng, vận tốc tương đối người dạo người quan sát bờ biển 33 dặm/giờ, 3 dặm/giờ tương tàu Chúng ta phát biểu kiện cách trừu tượng hơn: Vận tốc chất điểm chuyển động tương HTTĐ với vận tốc tương đối chất điểm HTTĐ cộng trừ với vận tốc HTTĐ tương HTTĐ dưới, tùy theo hướng chiều hay trái chiều vận tốc 186 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Như thế, ln chuyển đổi khơng vị trí mà cịn vận tốc từ HTTĐ sang HTTĐ khác biết vận tốc tương đối hai HTTĐ Vị trí, tọa độ, vận tốc đại lượng có giá trị khác HTTĐ khác nhau, chúng liên kết với nhau, đơn giản cho trường hợp này, định luật biến đổi Tuy thế, ta có đại lượng có giá trị giống hai HTTĐ không cần sử dụng định luật biến đổi Chúng ta xét thí dụ: Lấy hai điểm cố định bên xem xét khoảng cách chúng Khoảng cách chênh lệch, hay gọi hiệu số, hai tọa độ ứng với hai điểm Để tìm vị trí hai điểm tương đối HTTĐ khác nhau, phải dùng định luật biến đổi Nhưng trình tìm kiếm hiệu số hai vị trí này, đóng góp hai HTTĐ triệt tiêu lẫn biến mất, mô tả hình vẽ Đầu tiên, phải cộng, sau phải trừ khoảng cách hai điểm gốc hai HTTĐ Do đó, khoảng cách hai điểm bất biến, có nghĩa chúng độc lập với chọn lựa HTTĐ Thí dụ cho thấy đại lượng độc lập với HTTĐ, thay đổi vận tốc, khái niệm quen thuộc học Một lần nữa, chất điểm lại chuyển động theo đường thẳng quan sát từ hai HTTĐ Đối với người quan sát TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 187 hệ, thay đổi vận tốc chất điểm hiệu số hai vận tốc Do chuyển động tương đối hai HTTĐ nên ta tính tốn hiệu số, đóng góp chuyển động tương đối hai HTTĐ triệt tiêu lẫn Như vậy, thay đổi vận tốc trị số bất biến, dĩ nhiên với điều kiện chuyển động tương đối hai HTTĐ chuyển động Nếu không, thay đổi vận tốc khác HTTĐ Sự khác biệt đến từ thay đổi vận tốc chuyển động tương đối hai đo tượng trưng cho hệ trục tọa độ Bây xét đến thí dụ cuối cùng! Chúng ta có hai chất điểm có lực tương tác chúng phụ thuộc vào khoảng cách Trong trường hợp chuyển động thẳng, khoảng cách hai chất điểm trị số bất biến lực tương tác chúng bất biến Định luật Newton gắn liền lực với thay đổi vận tốc nên định luật có hiệu lực hai HTTĐ Một lần nữa, có kết luận xác minh từ kinh nghiệm thường ngày: Nếu định luật học cho HTTĐ, chúng cho tất HTTĐ di chuyển HTTĐ ban đầu Dĩ nhiên thí dụ đơn giản, chuyển động thẳng mà HTTĐ biểu diễn đo rắn Nhưng kết luận có giá trị tổng quát tóm tắt sau: Chúng ta khơng có khả chứng minh hữu hệ quán tính Nếu thật tồn hệ tìm thấy vơ số hệ tương tự, tất HTTĐ chuyển động đều, tương HTTĐ khác hệ quán tính HTTĐ hệ quán tính Thời gian tương ứng với kiện giống 188 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý tất HTTĐ, tọa độ vận tốc khác thay đổi theo định luật biến đổi Mặc dù tọa độ vận tốc thay đổi chuyển đổi từ HTTĐ sang HTTĐ khác, lực tác động, thay đổi vận tốc định luật học bất biến định luật biến đổi Định luật biến đổi phát biểu cho tọa độ vận tốc gọi định luật biến đổi học cổ điển hay ngắn gọn phép biến đổi cổ điển ETHER VÀ SỰ CHUYỂN ĐỘNG Nguyên lý tương đối Galileo có giá trị cho tượng học Các định luật học có giá trị tất hệ quán tính chuyển động tương Liệu nguyên lý có giá trị cho tất tượng không thuộc lĩnh vực học, đặc biệt tượng mà khái niệm trường tỏ quan trọng hay không? Mọi vấn đề xoay quanh câu hỏi đưa đến điểm xuất phát thuyết tương đối Chúng ta nhớ lại vận tốc ánh sáng chân khơng, hay nói cách khác ether, 186.000 dặm (300.000 kilomét) giây ánh sáng sóng điện từ lan truyền ether Trường điện từ mang lượng lượng tồn độc lập phát từ nguồn phát Trước mắt, tiếp tục tin sóng điện từ sóng ánh sáng lan truyền qua môi trường ether, gặp nhiều khó khăn việc thiết lập cấu trúc học ether TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 189 Hãy tưởng tượng ngồi phịng kín, lập với giới bên ngồi, khơng khí khơng thể lọt vào hay Nếu ngồi n nói chuyện theo quan điểm vật lý, sóng âm phát từ nguồn đứng yên lan truyền theo vận tốc âm khơng khí Nếu miệng tai khơng có khơng khí hay mơi trường vật chất khác, nghe âm Thực nghiệm chứng minh rằng: Nếu khơng có gió khơng khí đứng n HTTĐ chọn, âm lan truyền theo hướng khơng khí với vận tốc Bây tưởng tượng gian phòng chuyển động khơng gian Một người bên ngồi gian phòng thấy diễn biến vật bên phòng xuyên qua tường làm thủy tinh gian phòng di động (hay xe lửa bạn thích) Các kết đo đạc người bên gian phòng giúp (người ngồi ngồi gian phịng) suy vận tốc âm tương HTTĐ gắn chặt với vùng lân cận quanh Ở gặp lại vấn đề thảo luận nhiều lần, việc xác định vận tốc vật thể HTTĐ biết vận tốc vật thể HTTĐ khác Người quan sát gian phịng rằng: Đối với tơi, vận tốc âm theo hướng Người quan sát bên ngồi phịng rằng: Vận tốc âm lan truyền bên gian phòng di động xác định HTTĐ không giống hướng khác Vận tốc nhanh vận tốc âm bình thường 190 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý âm lan truyền theo hướng di chuyển gian phòng chậm hướng ngược lại Các kết luận rút từ quy luật biến đổi cổ điển chứng minh thực nghiệm Căn phịng chứa mơi trường vật chất khơng khí, âm lan truyền mơi trường Do vậy, vận tốc âm khác người quan sát bên bên ngồi gian phịng Chúng ta rút thêm kết luận từ lý thuyết mơ tả sóng âm loại sóng lan truyền mơi trường vật chất Nếu bạn khơng muốn nghe tiếng nói người khác, bạn phải chạy với vận tốc lớn vận tốc âm tương khơng khí xung quanh, việc thực điều không đơn giản Khi đó, sóng âm phát không truyền đến tai bạn Ngược lại, bạn lỡ không nghe thấy phát biểu quan trọng mà phát biểu khơng lặp lại, bạn phải chạy với vận tốc lớn vận tốc âm để đến gần sóng âm phát nhằm nghe lại phát biểu Khơng có phi lý hai thí dụ trên, trừ việc bạn phải chạy với vận tốc khoảng chừng 400 bộ (350 mét) giây hoàn tồn tưởng tượng đến phát triển kỹ thuật tương lai thực điều Một viên đạn phát từ nòng súng bay với vận tốc lớn vận tốc âm người ngồi viên đạn không nghe tiếng súng nổ Tất thí dụ hồn tồn mang tính chất học Và đặt câu hỏi quan trọng: Liệu lặp lại thảo luận sóng âm TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 191 cho trường hợp sóng ánh sáng? Liệu ứng dụng nguyên lý tương đối Galileo biến đổi cổ điển cho tượng quang học điện học giống cho tượng học? Chúng ta mạo hiểm trả lời câu hỏi cách đơn giản “được” hay “khơng được” mà khơng tìm hiểu kỹ ý nghĩa chúng Trong trường hợp sóng âm lan truyền bên gian phòng chuyển động tương người quan sát bên ngoài, bước trung gian sau vô quan trọng cho kết luận chúng ta: Gian phịng di động chứa khơng khí khơng khí mơi trường lan truyền sóng âm Các vận tốc quan sát hai HTTĐ chuyển động tương liên kết phép biến đổi cổ điển Vấn đề tương ứng cho ánh sáng cần phải xây dựng với cách khác biệt Người quan sát bên phịng khơng nói chuyện mà phát tín hiệu ánh sáng, hay sóng ánh sáng, khắp hướng Chúng ta giả định nguồn phát sáng ln cố định vị trí gian phịng Sóng ánh sáng lan truyền ether tương tự sóng âm lan truyền khơng khí Có phải ether mang theo phịng khơng khí trường hợp trên? Vì cấu trúc học ether, nên việc trả lời câu hỏi vô khó khăn Nếu phịng đóng kín, khơng khí bên phòng buộc phải chuyển động theo phịng Điều rõ ràng vơ nghĩa ether vật chất chìm đắm 192 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý ether ether thâm nhập khắp nơi Khơng có cánh cửa ngăn cản ether “Căn phịng chuyển động” có nghĩa HTTĐ chuyển động nguồn sáng gắn chặt vào Tuy nhiên, thật khơng khó tưởng tượng đến phịng mang theo ether chuyển động với nguồn sáng nó, giống nguồn âm khơng khí mang theo gian phịng đóng kín Nhưng tưởng tượng ngược lại rằng, gian phòng di chuyển ether thuyền lướt mặt biển phẳng lặng, chuyển động không mang theo phần môi trường ether Trong tranh thứ nhất, phòng mang theo ether di chuyển lúc với nguồn sáng Ta rút kết luận tương tự trường hợp sóng âm Trong tranh thứ hai, gian phịng khơng mang theo ether di chuyển với nguồn sáng Chúng ta khơng thể tìm tương đồng với sóng âm kết luận rút trường hợp sóng âm khơng cịn đứng vững ánh sáng Hai trường hợp hai khả giới hạn Chúng ta tưởng tượng đến khả phức tạp nhiều, ví dụ phần ether mang theo phòng di chuyển với nguồn sáng Nhưng khơng có lý để thảo luận giả định phức tạp trước tìm thấy tương thích thực nghiệm với hai trường hợp giới hạn đơn giản Chúng ta bắt đầu với tranh giả định ether mang theo phòng chuyển động có nguồn sáng gắn chặt vào Nếu tin tưởng vào nguyên tắc biến đổi đơn giản cho vận tốc sóng âm thanh, TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 193 áp dụng kết luận cách tương tự cho trường hợp ánh sáng Chúng ta khơng có lý để nghi ngờ định luật biến đổi học đơn giản này, định luật cho thấy vận tốc phải cộng thêm trường hợp này, hay trừ bớt trường hợp khác Do vậy, phải giả định hai kiện: Ether mang theo phịng di động với nguồn sáng phép biến đổi cổ điển Nếu bật đèn, nguồn sáng gắn chặt vào phịng tơi, ánh sáng lan truyền với vận tốc chứng minh qua thí nghiệm 186.000 dặm (300.000 kilomét) giây Vì người quan sát bên ngồi phịng ghi nhận chuyển động gian phòng ghi nhận chuyển động nguồn sáng, ether mang theo, phải kết luận: Vận tốc ánh sáng quan sát từ HTTĐ bên khác theo hướng khác Vận tốc lớn vận tốc ánh sáng thơng thường theo hướng chuyển động gian phịng, nhỏ theo hướng ngược lại Kết luận là: Nếu gian phòng với nguồn sáng mang theo ether định luật học có giá trị vận tốc ánh sáng phải phụ thuộc vào vận tốc nguồn sáng Ánh sáng đến mắt từ nguồn sáng di động có vận tốc lớn ánh sáng tiến tới nhỏ rời xa Nếu đạt đến vận tốc lớn vận tốc ánh sáng trốn khỏi tín hiệu ánh sáng đuổi kịp sóng ánh sáng phát trước Chúng ta thấy kiện xảy khứ, theo thứ tự đảo ngược với thứ tự mà chúng xảy Một chuỗi việc xảy Trái Đất xuất phim chiếu 194 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý ngược theo thời gian bắt đầu với “phần kết có hậu” Tất kết luận rút từ giả định cho HTTĐ mang theo ether định luật biến đổi học có hiệu lực Nếu thật thế, có tương đồng hồn hảo ánh sáng âm Nhưng lại khơng có chứng cho thấy kết luận Ngược lại, kết luận lại hoàn toàn trái ngược với quan sát thực để xác minh chúng Chúng ta hồn tồn khơng cịn nghi ngờ nhận định rõ ràng này, rút từ thí nghiệm gián tiếp khó khăn lớn mặt kỹ thuật để đo giá trị khổng lồ vận tốc ánh sáng Vận tốc ánh sáng hệ trục tọa độ, độc lập với việc nguồn sáng có chuyển động hay khơng chuyển động Chúng ta không vào chi tiết việc mơ tả thí nghiệm thực để dẫn đến kết luận Tuy nhiên, dùng số luận chứng đơn giản để hiểu kết luận cách rõ ràng thuyết phục hơn, luận chứng chứng minh vận tốc ánh sáng độc lập với chuyển động nguồn sáng Trong hệ hành tinh chúng ta, Trái Đất hành tinh khác chuyển động xung quanh Mặt Trời Chúng ta tồn hệ hành tinh khác tương tự với hệ Tuy nhiên, có nhiều hệ kép tạo thành hai xoay quanh điểm gọi trọng tâm chúng Khi quan sát chuyển động kép này, thấy định luật vạn vật hấp dẫn Newton ln có hiệu lực Bây giả sử vận tốc ánh TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 195 sáng tùy thuộc vào vận tốc di chuyển nguồn phát ánh sáng Như tia sáng phát từ hai tăng tốc hay giảm tốc lại tùy vào vận tốc vào thời điểm mà ánh sáng phát Trong trường hợp thế, toàn chuyển động hai trở nên hỗn độn người ta chứng thực hiệu lực định luật hấp dẫn cho kép cách xa Trái Đất Chúng ta xét thí nghiệm khác dựa ý tưởng đơn giản Hãy tưởng tượng có bánh xe quay nhanh Theo giả định chúng ta, chuyển động mang ether theo bánh xe quay mang theo phần ether Như thế, sóng ánh sáng gần sát bánh xe quay có vận tốc khác với bánh xe đứng yên Vận tốc ánh sáng ether đứng yên phải khác với vận tốc ánh sáng ether bị khuấy động xung quanh bánh xe Trường hợp tương tự với thay đổi sóng âm ngày yên tĩnh ngày gió bão Với ánh sáng, khơng nhận thấy khác biệt Dù tiến tới vấn đề theo góc độ hay đặt thí nghiệm định nhận định chống lại giả định cho chuyển động mang theo ether Như kết nghiên cứu củng cố với lập luận chi tiết kỹ thuật sau: Vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động nguồn phát sáng Không thể giả định vật thể chuyển động ether mang theo ether Như thế, phải từ bỏ tương đồng sóng ánh sáng sóng âm quay lại với khả thứ hai: Tất 196 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý vật chất chuyển động ether khơng mang theo ether, dù hình thức Điều có nghĩa giả định có hữu biển ether mà tất HTTĐ đứng yên hay chuyển động tương Chúng ta tạm gác lại câu hỏi liệu có hay khơng thí nghiệm chứng minh lý thuyết Tốt cố làm quen với giả định kết luận rút từ Lý thuyết địi hỏi phải có HTTĐ đứng yên tương biển ether Trong học, phân biệt hệ HTTĐ nhiều hệ HTTĐ có chuyển động tương Tất hệ “tốt” hay “xấu” Nếu có hai HTTĐ chuyển động đều, tương việc đặt câu hỏi hệ thống chuyển động, hệ thống đứng yên học hồn tồn vơ nghĩa Chỉ có chuyển động tương đối quan sát Theo ngun lý tương đối Galileo, khơng thể có chuyển động tuyệt đối Thật có nghĩa ta tuyên bố rằng: Không tồn chuyển động tương đối mà tồn chuyển động tuyệt đối? Đơn giản có HTTĐ mà vài định luật tự nhiên bên có hiệu lực khác biệt so với tất HTTĐ khác Như vậy, người quan sát xác định HTTĐ anh ta, đứng yên hay chuyển động, cách so sánh định luật có hiệu lực HTTĐ với định luật có hiệu lực hệ thống chuẩn Trường hợp thật khác hẳn so với học cổ điển, mà chuyển động tuyệt đối hồn tồn vơ nghĩa định luật qn tính Galileo Chúng ta rút kết luận cho lĩnh vực TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 197 tượng trường giả định có chuyển động ether? Điều có nghĩa có HTTĐ, khác biệt với tất HTTĐ khác, nằm yên tương “biển ether” Một vài định luật tự nhiên đương nhiên phải khác biệt HTTĐ này, khơng câu “chuyển động ether” trở nên vô nghĩa Nếu nguyên lý tương đối Galileo có hiệu lực chuyển động ether trở nên vô nghĩa Hai ý tưởng khơng thể hịa hợp với Tuy nhiên, có HTTĐ đặc biệt cố định ether, ý nghĩa đó, ta nói đến “chuyển động tuyệt đối” hay “đứng yên tuyệt đối” Quả thực khơng có chọn lựa khác Chúng ta cố gắng cứu vãn nguyên lý tương đối Galileo giả định hệ thống mang theo ether chuyển động chúng, điều lại tương phản với thực nghiệm Lối thoát từ bỏ nguyên lý tương đối Galileo thử giả định vật thể chuyển động xuyên qua biển ether yên tĩnh Bước xét vài điểm trái ngược với nguyên lý tương đối Galileo nhằm củng cố quan điểm chuyển động ether tiến hành số thử nghiệm Chúng ta dễ dàng tưởng tượng thử nghiệm việc thực chúng khơng đơn giản Vì quan tâm đến ý tưởng nên bỏ qua khó khăn mặt kỹ thuật Chúng ta lần quay lại với phòng chuyển động quan sát người đứng bên người đứng bên Người quan sát bên tương ứng với HTTĐ chuẩn, tượng trưng biển ether Đối với HTTĐ chuẩn này, vận tốc ánh sáng ln có giá trị chuẩn giống Tất 198 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý nguồn sáng dù chuyển động hay đứng yên biển ether yên tĩnh phát ánh sáng lan truyền với vận tốc Căn phòng người quan sát bên di chuyển ether Chúng ta tưởng tượng nguồn ánh sáng phòng chớp tắt liên tục tường phòng trở nên suốt để hai người quan sát bên bên ngồi đo vận tốc ánh sáng Nếu hỏi hai người quan sát kết mà họ mong muốn câu trả lời họ sau: Người quan sát bên ngồi: Hệ thống trục tọa độ tơi xác định biển ether Vận tốc ánh sáng HTTĐ ln có giá trị Tơi không cần phải biết liệu nguồn sáng hay vật thể khác có di chuyển hay khơng, chúng không mang theo ether Khác biệt với tất HTTĐ khác, vận tốc ánh sáng HTTĐ tơi phải có giá trị chuẩn độc lập với hướng lan truyền tia sáng chuyển động nguồn sáng Người quan sát bên trong: Căn phịng tơi chuyển động biển ether Một vách tường di chuyển xa khỏi nguồn sáng vách tường khác di chuyển đến gần nguồn sáng Nếu phịng tơi di chuyển tương đối biển ether với vận tốc ánh sáng, ánh sáng phát phịng khơng đến vách tường di chuyển trước với vận tốc ánh sáng Còn phòng di chuyển với vận tốc nhỏ vận tốc ánh sáng ánh sáng phát từ phòng gặp vách tường trước vách tường lại Bức tường di chuyển đến gần sóng ánh sáng gặp ánh sáng trước tường di chuyển xa khỏi sóng ánh TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 199 sáng Cho nên, dù nguồn sáng gắn cố định vào HTTĐ tôi, vận tốc ánh sáng khác lan truyền theo hướng khác Vận tốc ánh sáng nhỏ theo hướng chuyển động tương biển ether tường phía trước phịng rời xa khỏi sóng ánh sáng, ngược lại, vận tốc ánh sáng lớn theo hướng ngược lại tường phía sau gian phịng di chuyển đến gần sóng ánh sáng gặp ánh sáng sớm Như vậy, HTTĐ đặc biệt biển ether, ánh sáng có vận tốc theo hướng Đối với HTTĐ khác chuyển động tương biển ether, vận tốc ánh sáng phụ thuộc vào hướng mà ta đo Thử nghiệm có tính định vừa mơ tả giúp kiểm chứng lý thuyết chuyển động biển ether Tự nhiên đặt hệ tọa độ chuyển động với vận tốc cao: Trái Đất xoay quanh Mặt Trời từ năm qua năm khác Nếu giả định đúng, vận tốc ánh sáng theo hướng chuyển động Trái Đất phải khác với vận tốc ánh sáng theo hướng ngược lại Những khác biệt tính tốn kiểm chứng lại thí nghiệm thích hợp Theo lý thuyết khác biệt thời gian nhỏ, người ta phải nghĩ phương pháp thực nghiệm tinh vi Sự tinh vi hoàn thiện thí nghiệm tiếng Michelson – Morley Kết “bản án tử hình” lý thuyết vật chất chuyển động biển ether n tĩnh Người ta khơng thể tìm thấy phụ thuộc vận tốc ánh sáng vào hướng lan truyền tia sáng Hơn nữa, ta thừa nhận lý thuyết biển ether khơng vận tốc 200 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý ánh sáng mà tượng trường khác phụ thuộc vào hướng HTTĐ chuyển động Tất thí nghiệm khác vấn đề cho kết phủ định thí nghiệm Michelson – Morley Người ta chưa nhận thấy mối liên hệ vận tốc ánh sáng hướng chuyển động Trái Đất Vấn đề lúc trở nên nghiêm trọng Chúng ta thử dùng đến hai giả định Giả định nói vật thể mang theo ether Sự thật cho thấy vận tốc ánh sáng không tùy thuộc vào chuyển động nguồn sáng phủ nhận giả định Giả định thứ hai tồn HTTĐ chuẩn, vật thể chuyển động không mang theo ether mà biển ether yên tĩnh Nếu thật thế, nguyên lý tương đối Galileo không hiệu lực vận tốc ánh sáng khác HTTĐ khác Một lần có trái ngược so với thực nghiệm Nhiều lý thuyết giả tạo đưa để giả định thật nằm nơi hai trường hợp giới hạn này: Giả định cho vật thể chuyển động mang theo phần ether Nhưng tất thất bại! Mọi cố gắng để giải thích tượng điện từ nằm bên HTTĐ chuyển động với giúp đỡ quan điểm chuyển động ether hay quan điểm vật thể chuyển động ether hay hai chuyển động chứng minh thất bại Đây tình bi thảm lịch sử khoa học Tất giả định liên quan đến ether vô nghĩa! Các kết thực nghiệm phủ định giả định Khi xem lại phát triển vật lý học, thấy TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 201 từ chào đời, ether “đứa bé ngỗ nghịch – enfant terrible” gia đình chất vật lý Đầu tiên, phải từ bỏ việc xây dựng mơ hình học đơn giản cho ether Đây nguyên nhân gây nên sụp đổ tư học Sau đó, phải từ bỏ hy vọng tồn biển ether hay HTTĐ chuẩn gắn liền biển ether để dẫn đến việc thừa nhận khơng chuyển động tương đối mà cịn chuyển động tuyệt đối Việc truyền dẫn sóng lý để củng cố tồn ether Mọi cố gắng nhằm chứng minh tồn thật ether thất bại Chúng ta xây dựng cấu trúc học ether chứng minh chuyển động tuyệt đối ether Trong tất tính chất ether, tính chất giữ lại tính chất mà ether tạo nên: Khả truyền dẫn sóng điện từ Các cố gắng để khám phá tính chất ether gặp khó khăn mâu thuẫn Sau thất bại thế, lúc nên hoàn toàn quên ether không nhắc đến tên Chúng ta phát biểu cách đơn giản sau: Tính chất vật lý khơng gian dẫn truyền sóng điện từ; tránh sử dụng lại từ ether mà định từ bỏ trường hợp Sự loại bỏ từ từ vựng dĩ nhiên biện pháp khắc phục Thực ra, vấn đề phức tạp nhiều giải theo cách Bây ghi nhớ kiện minh chứng thực nghiệm mà nghĩ thêm vấn đề e _r Vận tốc ánh sáng không gian trống rỗng ln 202 - S Ự TI ẾN H Ĩ A C Ủ A V ẬT L Ý có trị số chuẩn nó, độc lập với chuyển động nguồn phát hay phận thu ánh sáng Bên hai HTTĐ chuyển động tương nhau, tất định luật tự nhiên hoàn toàn đồng phân biệt chuyển động tuyệt đối Rất nhiều thí nghiệm xác minh cho hai phát biểu chưa có thí nghiệm phủ nhận điều nói Phát biểu diễn đạt tính chất bất biến vận tốc ánh sáng; phát biểu thứ hai tổng quát hóa nguyên lý tương đối Galileo xây dựng cho tượng học diễn biến tự nhiên Chúng ta thấy học: Nếu vận tốc chất điểm có giá trị tương HTTĐ giá trị khác HTTĐ khác chuyển động tương HTTĐ Điều suy từ nguyên tắc biến đổi học đơn giản Trực giác nhận tính đắn điều này, trường hợp người di chuyển tương tàu bờ biển Tuy nhiên định luật biến đổi lại mâu thuẫn với tính chất bất biến vận tốc ánh sáng! Hay nói cách khác, phải có thêm nguyên tắc thứ ba: Vị trí vận tốc biến đổi từ hệ thống quán tính sang hệ thống khác tuân theo phép biến đổi cổ điển Sự mâu thuẫn trở nên rõ ràng: Chúng ta phối hợp nguyên tắc (1), (2) (3) với Phép biến đổi cổ điển dường rõ ràng đơn giản cho nỗ lực muốn thay đổi Chúng ta cố gắng cải biến nguyên tắc (1) (2), kết lại bất đồng với thực nghiệm Tất lý thuyết liên quan đến chuyển động TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 203 e _r cần đến việc sửa đổi điểm (1) (2) Và thấy, điều không tốt Một lần nữa, nhận thức tính chất nghiêm trọng khó khăn Chúng ta cần manh mối Chúng ta có manh mối chấp nhận giả định (1) (2) và, dù điều thực lạ lùng, từ bỏ giả định (3) Chúng ta bắt đầu đường việc phân tích khái niệm nguyên thủy Chúng ta thấy với phân tích buộc phải thay đổi tư lỗi thời đồng thời dọn khó khăn trước mắt THỜI GIAN, KHOẢNG CÁCH, TÍNH TƯƠNG ĐỐI Những giả định là: Vận tốc ánh sáng chân không bất biến tất HTTĐ chuyển động đều, tương Tất định luật tự nhiên đồng tất HTTĐ chuyển động đều, tương Thuyết tương đối khởi đầu với hai giả định Từ trở đi, khơng dùng phương pháp biến đổi cổ điển biết mâu thuẫn với giả định Điều tối cần thiết thường thấy khoa học cần phải giũ bỏ thành kiến thâm nhập cách vô ý thức bén rễ sâu suy nghĩ Như thấy, cải biến (1) (2) dẫn đến mâu thuẫn với thực nghiệm, phải can đảm nói rõ tính hiệu lực chúng 204 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý cách rõ ràng cơng kích điểm có lẽ yếu cải biến này: Phương pháp chuyển đổi vị trí vận tốc từ HTTĐ sang HTTĐ khác Để thực việc này, cần rút kết luận từ (1) (2), tìm hiểu cặn kẽ đâu mức độ mà giả định mâu thuẫn với phép biến đổi cổ điển tìm ý nghĩa vật lý kết đạt Một lần nữa, trở lại với ví dụ phòng chuyển động với người quan sát bên người quan sát bên ngồi phịng Một tín hiệu ánh sáng lại phát từ phòng lại lần hỏi hai người quan sát điều mà họ nghĩ nhận thấy với hai giả định quên thảo luận trước liên quan đến môi trường lan truyền ánh sáng Chúng ta trích dẫn câu trả lời họ: Người quan sát bên trong: Tín hiệu ánh sáng từ phòng lúc đến vách tường, vách tường có khoảng cách với nguồn sáng vận tốc ánh sáng theo hướng Người quan sát bên ngoài: Trong hệ tơi, vận tốc ánh sáng có giá trị hệ mà người quan sát chuyển động với phòng Việc nguồn sáng di động hay đứng n hồn tồn khơng ảnh hưởng đến HTTĐ tơi chuyển động nguồn sáng khơng làm thay đổi vận tốc ánh sáng Những tơi quan sát tín hiệu ánh sáng lan truyền với vận tốc giống theo hướng Một vách tường cố gắng “trốn thoát” khỏi ánh sáng vách tường đối diện với vách tường chuyển động đến gần ánh sáng Do tường “trốn thốt” gặp tín hiệu ánh sáng chậm chút so với TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 205 tường “đến gần” tín hiệu ánh sáng Mặc dù khác biệt nhỏ vận tốc phòng nhỏ so với vận tốc ánh sáng, tín hiệu ánh sáng khơng thể đến hai tường đối diện lúc Hai tường vng góc với hướng di chuyển phòng Khi so sánh tiên đoán hai người quan sát, nhận thấy kết bất ngờ hoàn toàn trái ngược với khái niệm có sở vững vật lý cổ điển Hai kiện, tức hai tia ánh sáng đến hai vách tường đối diện nhau, lúc người quan sát bên trong, không lúc người quan sát bên Trong vật lý cổ điển, có đồng hồ dịng chảy thời gian cho tất người quan sát tất HTTĐ Thời gian dĩ nhiên từ “đồng thời”, “sớm hơn”, “muộn hơn” có ý nghĩa tuyệt đối độc lập HTTĐ Hai biến cố xảy lúc HTTĐ phải xảy lúc tất HTTĐ khác Các giả định (1) (2), thuyết tương đối, buộc phải từ bỏ quan điểm Chúng ta vừa mô tả hai biến cố xảy đồng thời HTTĐ, lại xảy thời gian khác HTTĐ khác Nhiệm vụ tìm hiểu kết luận tìm hiểu ý nghĩa câu nói: “Hai biến cố xảy lúc HTTĐ, khơng đồng thời xảy HTTĐ khác” Chúng ta muốn nói phát biểu “hai biến cố đồng thời HTTĐ”? Theo trực giác, người dường hiểu ý nghĩa câu nói Nhưng cẩn trọng cố gắng đưa định nghĩa xác, biết 206 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý nguy hiểm việc đánh giá cao trực giác Đầu tiên trả lời câu hỏi đơn giản: Đồng hồ gì? Cảm tính chủ quan sơ khai dòng thời gian giúp điều khiển cảm giác thân để nói kiện xảy trước, kiện xảy sau Tuy nhiên, để xác định quãng thời gian hai kiện 10 giây, cần đồng hồ Việc dùng đồng hồ để đo thời gian làm cho khái niệm thời gian trở nên khách quan Bất tượng vật lý dùng đồng hồ, với điều kiện tượng vật lý lặp lại cách xác khơng giới hạn số lần lặp lại Nếu lấy khoảng thời gian từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc biến cố đơn vị thời gian, đo khoảng thời gian lặp lại trình vật lý Mọi loại đồng hồ, từ đồng hồ cát đơn giản máy đo tinh vi dựa nguyên tắc Đối với đồng hồ cát, đơn vị thời gian khoảng thời gian mà cát chảy từ bình thủy tinh bên xuống bình thủy tinh bên Quá trình vật lý lặp lại cách đảo ngược đồng hồ cát Tại hai điểm cách xa nhau, có hai đồng hồ hồn hảo xác thời khắc giống Phát biểu thật, bất chấp kiểm chứng thận trọng Nhưng lời phát biểu thật có ý nghĩa gì? Chúng ta làm để đảm bảo hai đồng hồ xa ln xác thời điểm nhau? Một phương pháp sử dụng máy truyền hình Chúng ta phải hiểu máy truyền hình dùng đến thí dụ khơng phải điều quan trọng suy luận Ta đứng gần đồng hồ xem hình ảnh đồng hồ thứ hai TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 207 qua máy truyền hình Ta đánh giá hai đồng hồ thời điểm hay không Tuy nhiên, chứng tốt Hình ảnh máy truyền hình truyền sóng điện từ nên có vận tốc với vận tốc ánh sáng Do đó, hình ảnh mà xem máy truyền hình hình ảnh thời điểm trước đó, với đồng hồ trước mắt, ta nhìn thấy điều xảy thời điểm Chúng ta tránh khó khăn cách dễ dàng Ta phải có hình ảnh truyền hình hai đồng hồ quan sát chúng điểm nằm hai đồng hồ Như thế, tín hiệu truyền hình phát đồng thời, chúng truyền đến thời điểm Nếu hai đồng hồ, quan sát từ trung điểm khoảng cách chúng, thời gian chúng thích hợp cho việc xác định thời gian biến cố hai điểm cách xa Trong học, dùng đồng hồ Nhưng điều không thật phù hợp cần phải thực việc đo đạc vùng lân cận đồng hồ Khi xem đồng hồ từ xa, ví dụ qua máy truyền hình, ln phải nhớ kiện mà quan sát xảy thời điểm trước đó, giống quan sát buổi hồng hôn, nhận ánh sáng phút sau phát từ Mặt Trời lặn Cả xem giờ, cần phải hiệu chỉnh thời gian tương ứng với khoảng cách đồng hồ Do vậy, thật bất tiện dùng đồng hồ Tuy nhiên, biết cách đánh giá liệu 208 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý hai hay nhiều đồng hồ có hoạt động với nguyên lý đồng thời hay khơng, nên tưởng tượng số lượng đồng hồ tùy thích HTTĐ Mỗi đồng hồ giúp ta xác định thời gian biến cố xảy vùng lân cận Chúng nằm yên tương HTTĐ Những đồng hồ đồng hồ “tốt” chạy đồng với nhau, điều có nghĩa chúng thị thời gian Khơng có đặc biệt bật hay xếp đồng hồ Hiện dùng không một, mà nhiều đồng hồ chạy đồng với nhau, ta xét đốn tính đồng thời hai kiện cách xa HTTĐ Các kiện xảy đồng thời đồng hồ đồng gần chúng thị thời gian vào thời điểm xảy kiện Đối với hai kiện cách xa nhau, nói hai kiện xảy trước kiện kia, điều có ý nghĩa xác định Điều đánh giá đồng hồ đồng hóa giữ cố định HTTĐ Mọi lập luận phù hợp với vật lý cổ điển, chưa xuất mâu thuẫn phép biến đổi cổ điển Để xác định kiện đồng thời, đồng hồ đồng hóa tín hiệu Hệ thống thí nghiệm khả dụng tín hiệu truyền với vận tốc ánh sáng, vận tốc đóng vai trị thuyết tương đối Bởi muốn giải vấn đề quan trọng hai HTTĐ chuyển động tương nhau, TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 209 quan sát hai rắn, lần chúng trang bị với hai đồng hồ Người quan sát HTTĐ chuyển động tương có rắn đồng hồ riêng gắn chặt lên rắn Khi thảo luận vấn đề đo đạc học cổ điển, dùng đồng hồ cho HTTĐ Còn trường hợp này, có nhiều đồng hồ cho HTTĐ Sự khác biệt không quan trọng Dùng đồng hồ đủ, không phản đối việc dùng nhiều đồng hồ chúng hoạt động cách đáng tin cậy đồng hồ tốt, đồng hóa với Bây tiến đến điểm yếu cho thấy điểm mâu thuẫn phép biến đổi cổ điển thuyết tương đối Điều xảy hai đồng hồ chuyển động tương nhau? Nhà vật lý học cổ điển trả lời rằng: Chẳng có cả, đồng hồ chạy với nhịp sử dụng đồng hồ di chuyển đứng yên để xác định thời gian Theo vật lý cổ điển, hai biến cố xảy đồng thời HTTĐ xảy đồng thời HTTĐ khác Nhưng đáp án Chúng ta hình dung đồng hồ chuyển động có nhịp chậm hay nhanh so với đồng hồ đứng yên Bây giờ, thử bàn khả tạm gác lại việc đồng hồ di chuyển có thật chạy khác hay khơng Một đồng hồ chạy khác di chuyển, điều có ý nghĩa gì? Để đơn giản hóa vấn đề, giả định có đồng hồ HTTĐ nhiều đồng hồ HTTĐ Tất đồng hồ hai HTTĐ có cấu trúc 210 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý học giống đồng hồ nằm bên chạy đồng với nhau, có nghĩa chúng thời gian Hình vẽ bao gồm ba hình vẽ mơ tả ba vị trí liên tiếp hai HTTĐ chuyển động tương Trong hình đầu tiên, vị trí kim đồng hồ HTTĐ quy ước giống đặt Tất đồng hồ thị thời điểm giống Hình thứ hai mơ tả vị trí tương đối hai HTTĐ sau khoảng thời gian Tất đồng hồ HTTĐ bên TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 211 thời điểm, đồng hồ HTTĐ sai nhịp Chiếc đồng hồ chạy khác thời điểm khác biệt di chuyển tương HTTĐ Trong hình vẽ thứ ba, nhận thấy khác biệt vị trí kim đồng hồ gia tăng với thời gian Một người quan sát ngồi yên HTTĐ nhận thấy đồng hồ di chuyển thay đổi nhịp hoạt động Chúng ta chắn có kết đồng hồ di chuyển tương người quan sát ngồi HTTĐ bên Trong trường hợp này, có nhiều đồng hồ HTTĐ đồng hồ HTTĐ Trong hai HTTĐ chuyển động tương nhau, định luật tự nhiên phải giống Trong học cổ điển, người ta giả định ngầm đồng hồ di chuyển không thay đổi nhịp độ hoạt động Điều dường hiển nhiên khiến người ta phải ý đến Nhưng khơng có xem q hiển nhiên thật cẩn thận, phải phân tích, thẩm tra giả định đến xem điều hiển nhiên vật lý học Chúng ta không nên xem giả định vơ lý khơng phù hợp với vật lý cổ điển Chúng ta hồn tồn hình dung đồng hồ chuyển động thay đổi nhịp điệu nó, với điều kiện định luật thay đổi HTTĐ quán tính Hãy xét thí dụ Chúng ta xét thước có chiều dài 1 thước Anh (1 yard = 0,9144 mét); điều có nghĩa thước ln dài 1 thước Anh, miễn cịn 212 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý nằm yên HTTĐ Bây chuyển động đều, trượt cứng tượng trưng cho HTTĐ Liệu chiều dài 1 thước Anh? Chúng ta phải biết trước cách xác định chiều dài Khi thước nằm yên, đầu trùng với vạch cách 1 thước Anh, đánh dấu HTTĐ Điều dẫn đến kết luận: Chiều dài thước nằm yên 1 thước Anh Chúng ta đo thước chuyển động nào? Có thể thực sau: Vào thời điểm định, hai người quan sát chụp đồng thời hai ảnh, chụp gốc thước thước Anh lại chụp đầu lại thước Vì ảnh chụp đồng thời, so sánh vạch HTTĐ với gốc thước 1 thước Anh Như thế, xác định chiều dài thước Chúng ta cần hai người quan sát để ghi nhận hai kiện xảy thời điểm phần khác HTTĐ Chúng ta khơng có lý lẽ để tin kết đo đạc vừa giống trường hợp thước nằm yên Vì hình ảnh phải chụp đồng thời với nhau, biết, đồng thời khái niệm tương đối tùy thuộc vào HTTĐ, hồn tồn có khả kết việc đo đạc khác HTTĐ khác chuyển động tương Chúng ta hồn tồn tưởng tượng không đồng hồ di chuyển hoạt động khác đi, mà thước chuyển động thay đổi chiều dài nó, với điều kiện định luật phép biến đổi giống tất HTTĐ quán tính Chúng ta thảo luận khả vài giả thuyết chưa chứng minh tính đắn chúng TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 213 Chúng ta nhớ lại rằng: Ánh sáng có vận tốc HTTĐ qn tính Điều khơng thể phù hợp với phép biến đổi cổ điển Hãy tìm cách khỏi tình khó xử Liệu thực điều bây giờ? Liệu khơng giả định thay đổi nhịp hoạt động đồng hồ di chuyển hay chiều dài thước di chuyển để trực tiếp kết luận tính bất biến vận tốc ánh sáng từ giả định này? Quả thực có thể! Đây giai đoạn mà thuyết tương đối học cổ điển có khác biệt triệt để Lập luận đảo ngược sau: Nếu vận tốc ánh sáng bất biến HTTĐ chuyển động thước làm thay đổi chiều dài nó, chuyển động đồng hồ làm hoạt động khác định luật chi phối thay đổi xác định cách nghiêm ngặt, xác Tất điều hồn tồn khơng có vô lý Trong vật lý cổ điển, người ta cho đồng hồ hoạt động nhau, chuyển động đứng yên, chiều dài thước không thay đổi dù chuyển động hay đứng yên Nếu vận tốc ánh sáng HTTĐ thuyết tương đối đúng, phải từ bỏ giả định Thật khó khăn để loại bỏ thành kiến thâm cố đế này, khơng thể tìm cách khác Từ quan điểm thuyết tương đối, thấy khái niệm cũ tỏ tùy tiện Điều khiến phải tin thời gian tuyệt đối trôi HTTĐ, tin vài trang trước đây? Tại phải tin khoảng cách không thay đổi? Thời gian đo đạc 214 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý đồng hồ, tọa độ khơng gian xác định thước đo hồn tồn có khả kết đo đạc phụ thuộc trạng thái đồng hồ thước chuyển động Khơng có lý để tin trạng thái chúng phải trạng thái mà mong muốn Những quan sát gián tiếp tượng điện từ trường cho thấy di chuyển, đồng hồ chạy khác chiều dài thước thay đổi Đây điều xảy dựa vào tượng học Chúng ta buộc phải chấp nhận khái niệm thời gian tương đối HTTĐ, cách tốt để khỏi khó khăn Những tiến khoa học phát triển từ thuyết tương đối cho thấy khía cạnh khơng thể xem tai họa cần thiết – malum necessarium – giá trị vơ ấn tượng thuyết tương đối Cho đến nay, trình bày ý tưởng dẫn dắt đến giả định cho thuyết tương đối Và làm lý thuyết buộc phải xem xét lại thay đổi phép biến đổi cổ điển cách nghiên cứu thời gian không gian theo cách thức Mục đích trình bày ý tưởng tảng tư vật lý triết học Những ý tưởng đơn giản, theo cách thức mà chúng xây dựng chúng khơng đủ khả dẫn đến kết luận định tính lẫn định lượng Chúng ta phải quay lại với phương pháp cũ: Chỉ giải thích nguyên tắc đưa số vấn đề khác khuôn khổ trình bày khơng cần minh chứng cụ thể Để phân biệt rõ quan điểm nhà vật lý cổ điển, chúng TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 215 ta gọi ông ta ông CĐ, người tin vào phép biến đổi cổ điển quan điểm nhà vật lý đại, gọi ông ta ông HĐ, người hiểu biết thuyết tương đối Chúng ta tưởng tượng đối thoại hai nhà vật lý CĐ Tôi tin vào nguyên lý tương đối Galileo học, tơi biết định luật học hai HTTĐ chuyển động tương nhau, hay nói cách khác, định luật bất biến theo ý nghĩa phép biến đổi cổ điển HĐ Nhưng nguyên lý tương đối phải áp dụng cho tất tượng xảy giới vật chất Không định luật học mà tất định luật tự nhiên phải giống HTTĐ chuyển động đều, tương CĐ Nhưng tất định luật tự nhiên giống tất HTTĐ chuyển động tương nhau? Các phương trình trường, hay cịn gọi phương trình Maxwell, khơng bất biến theo phép biến đổi cổ điển Điều mơ tả rõ ràng thí dụ với vận tốc ánh sáng Theo phép biến đổi cổ điển, vận tốc ánh sáng khơng có trị số hai HTTĐ chuyển động tương HĐ Điều cho thấy ta áp dụng phép biến đổi cổ điển cho trường hợp này, liên hệ hai HTTĐ phải thực với cách thức khác, không nên kết nối tọa độ vận tốc phép biến đổi cổ điển Chúng ta phải thay định luật suy từ giả thuyết thuyết tương đối Chúng ta khơng cần quan tâm đến biểu thức tốn học dùng cho phép biến đổi cần biết khác biệt so với phép biến đổi cổ điển Chúng ta gọi ngắn gọn phép biến đổi 216 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Lorentz(23a) Chúng ta chứng minh phương trình Maxwell định luật trường bất biến phép biến đổi Lorentz, giống định luật học, bất biến phép biến đổi cổ điển Hãy nhớ lại mối tương quan vật lý cổ điển Chúng ta có phép biến đổi cho tọa độ, phép biến đổi cho vận tốc, định luật học có giá trị cho hai HTTĐ chuyển động đều, tương Chúng ta có phép biến đổi cho khơng gian khơng có phép biến đổi cho thời gian, thời gian trôi HTTĐ Tuy nhiên, điều khơng cịn thuyết tương đối Khác với phép biến đổi cổ điển, có phép biến đổi cho không gian, thời gian vận tốc Vẫn giống trước đây, định luật tự nhiên giống tất HTTĐ chuyển động tương Các định luật tự nhiên khơng cịn bất biến phép biến đổi cổ điển trước mà bất biến phép biến đổi gọi phép biến đổi Lorentz Trong HTTĐ quán tính, định luật tự nhiên chuyển đổi từ HTTĐ sang HTTĐ khác phải tuân theo phép biến đổi Lorentz CĐ Tơi tạm tin ơng nói, muốn biết khác biệt phép biến đổi cổ điển phép biến đổi Lorentz HĐ Câu hỏi ông tốt trả lời sau: Ông đưa vài tính chất đặc trưng phép biến đổi cổ điển tơi tìm cách giải thích cho ơng biết tính chất thay đổi hay giữ nguyên theo phép biến đổi Lorentz CĐ Nếu có kiện xảy điểm vào thời điểm HTTĐ tơi, người quan sát đứng TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 217 HTTĐ khác chuyển động đều, tương HTTĐ tôi, quan sát thấy kiện xảy vị trí khác dĩ nhiên vào thời điểm Chúng ta dùng đồng hồ cho HTTĐ dù có di chuyển hay khơng, khơng phải điều quan trọng Điều có với phép biến đổi ơng khơng? HĐ Khơng, dứt khốt khơng Mỗi HTTĐ phải trang bị với đồng hồ riêng cho chuyển động làm đồng hồ thay đổi nhịp hoạt động Hai người quan sát hai HTTĐ khác không nhận thấy trị số khác cho tọa độ mà trị số khác cho thời điểm xảy kiện CĐ Điều có nghĩa thời gian khơng cịn đại lượng bất biến Trong phép biến đổi cổ điển, thời gian trôi qua tất HTTĐ Còn theo phép biến đổi Lorentz thời gian thay đổi giống thay đổi tọa độ phép biến đổi cổ điển Tơi muốn biết điều xảy với khoảng cách? Theo học cổ điển, gậy giữ nguyên chiều dài chuyển động hay đứng yên Điều phép biến đổi ông phải không? HĐ Chắc chắn không! Theo phép biến đổi Lorentz, chiều dài gậy chuyển động co lại theo hướng chuyển động co rút gia tăng vận tốc gia tăng Cây gậy chuyển động nhanh, ngắn lại Nhưng điều xảy theo hướng chuyển động Theo hình vẽ sau, ơng nhận thấy gậy co lại cịn phân nửa di chuyển với vận tốc khoảng chừng 90% vận tốc ánh sáng Tuy nhiên, 218 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý cố gắng biểu diễn hình vẽ, gậy khơng co rút theo hướng vng góc với hướng di chuyển CĐ Điều có ý nghĩa chuyển động, đồng hồ chạy khác chiều dài thước thay đổi tùy theo vận tốc Nhưng tùy thuộc nào? HĐ Sự thay đổi trở nên rõ ràng vận tốc gia tăng Theo phép biến đổi Lorentz, chiều dài thước co lại khơng biến đạt tới vận tốc ánh sáng Tương tự thế, nhịp hoạt động đồng hồ trở nên chậm di chuyển so với đồng hồ nằm yên cứng mà lướt qua Đồng hồ ngừng hẳn di chuyển với vận tốc ánh sáng, với điều kiện đồng hồ “tốt” TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 219 CĐ Điều dường trái ngược lại với tất kinh nghiệm Chúng ta thấy xe trở nên ngắn di chuyển biết người lái xe so sánh đồng hồ “tốt” với đồng hồ hai bên đường, thấy tất đồng hồ thời gian, tất điều trái ngược với phát biểu ơng HĐ Điều hồn tồn Nhưng vận tốc học lại vô nhỏ so với vận tốc ánh sáng vậy, thực nực cười áp dụng thuyết tương đối vào tượng Mỗi người lái xe hồn tồn an tâm áp dụng vật lý cổ điển, gia tăng vận tốc xe gấp trăm ngàn lần Chúng ta trơng chờ khác biệt, thực nghiệm phép biến đổi cổ điển, với vận tốc gần với vận tốc ánh sáng Tính đắn phép biến đổi Lorentz đánh giá vận tốc vơ lớn CĐ Nhưng cịn khó khăn khác Theo học, tơi tưởng tượng đến vật thể có vận tốc cịn lớn vận tốc ánh sáng Nếu vật thể di chuyển tương tàu với vận tốc vận tốc ánh sáng, vật thể chuyển động tương bờ biển với vận tốc lớn vận tốc ánh sáng Điều xảy với thước có chiều dài co lại khơng di chuyển với vận tốc ánh sáng? Thật khó hình dung chiều dài âm (nhỏ khơng) vận tốc vượt q vận tốc ánh sáng HĐ Thật khơng có lý để ông mỉa mai Từ quan điểm thuyết tương đối, vật thể vật chất có vận tốc lớn vận tốc ánh sáng Vận tốc ánh sáng 220 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý giới hạn lớn vận tốc vật thể vật chất Khi vật thể chuyển động tương tàu với vận tốc ánh sáng, chuyển động tương bờ biển với vận tốc ánh sáng Định luật học đơn giản cho việc cộng trừ vận tốc khơng cịn hiệu lực đây, hay nói xác có hiệu lực cách tương đối cho vận tốc bé áp dụng cho vận tốc gần vận tốc ánh sáng Trị số vận tốc ánh sáng xuất rõ ràng phép biến đổi Lorentz đóng vai trị trị số giới hạn, giống vận tốc vô cực học cổ điển Lý thuyết cho ta khái qt hóa rộng khơng mâu thuẫn với phép biến đổi cổ điển học cổ điển Ngược lại, nên xem khái niệm cũ trường hợp giới hạn vận tốc có trị số nhỏ Từ quan điểm lý thuyết mới, ta phân biệt rõ ràng trường hợp mà vật lý cổ điển có hiệu lực đâu giới hạn Thực buồn cười muốn ứng dụng thuyết tương đối vào chuyển động xe hơi, xe lửa, tàu thủy, giống người cần sử dụng đến máy tính cần dùng phép cộng trừ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI VÀ CƠ HỌC Thuyết tương đối sinh từ nhu cầu tất yếu, từ mâu thuẫn sâu sắc lý thuyết cũ tưởng chừng khơng lối Sức mạnh lý thuyết đến từ tính hợp lý thuyết tương đối giải tất khó khăn với giả định thuyết phục TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 221 Mặc dù thuyết tương đối sinh từ vấn đề trường, cần phải bao trùm tất định luật vật lý Dường khó khăn lại vừa xuất Các định luật trường, mặt này, định luật học, mặt khác, thể loại hoàn tồn khác biệt Các phương trình điện từ trường bất biến phép biến đổi Lorentz, phương trình học lại bất biến phép biến đổi cổ điển Nhưng thuyết tương đối đòi hỏi tất định luật tự nhiên phải bất biến phép biến đổi Lorentz, không bất biến phép biến đổi cổ điển Phép biến đổi cổ điển trường hợp đặc biệt giới hạn phép biến đổi Lorentz vận tốc tương đối hai HTTĐ nhỏ Nếu thế, học cổ điển phải thay đổi để thích nghi với địi hỏi tính bất biến phép biến đổi Lorentz Hay nói cách khác, học cổ điển khơng thể hiệu lực vận tốc đạt tới vận tốc ánh sáng Chỉ phép biến đổi từ HTTĐ sang HTTĐ khác tồn tại, phép biến đổi Lorentz Thật đơn giản để thay đổi học cổ điển theo cách thức để khơng mâu thuẫn với thuyết tương đối không mâu thuẫn với kết thu từ quan sát giải thích học cổ điển Cơ học cổ điển có hiệu lực vận tốc bé hình thành trường hợp giới hạn lý thuyết Điều thú vị việc xem xét vài thí dụ cụ thể thay đổi học cổ điển thuyết tương đối Có lẽ việc dẫn dắt đến kết luận chứng minh hay bị bác bỏ thực nghiệm Chúng ta giả sử có vật thể có khối lượng xác định 222 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý di chuyển dọc theo đường thẳng chịu tác động ngoại lực theo hướng chuyển động Như biết, lực tỷ lệ với thay đổi vận tốc Một cách rõ ràng: Tỷ lệ tồn dù vật thể gia tăng vận tốc từ 100 đến 101 bộ giây, từ 100 đến 101 dặm giây, hay từ 180.000 đến 180.001 dặm giây Lực tác động lên vật thể không đổi vật thể có thay đổi vận tốc khoảng thời gian Phát biểu có hay không theo quan điểm thuyết tương đối? Khơng thể được! Định luật có hiệu lực vận tốc nhỏ Theo thuyết tương đối, định luật sử dụng vận tốc đạt tới vận tốc ánh sáng? Đối với vận tốc lớn, cần lực vô lớn để làm tăng thêm vận tốc này! Việc tăng thêm giây cho vận tốc khoảng 100 giây hoàn toàn khác biệt cho vận tốc gần vận tốc ánh sáng Càng tiếp cận vận tốc ánh sáng, vận tốc khó gia tăng Khi vận tốc vận tốc ánh sáng ta khơng thể gia tăng thêm Chúng ta ngạc nhiên thay đổi đến từ thuyết tương đối Vận tốc ánh sáng giới hạn cho vận tốc Không lực nào, dù lớn đến đâu, gia tăng vận tốc vượt qua giới hạn Ta có định luật khác phức tạp thay cho định luật học cũ mối liên hệ lực thay đổi vận tốc Từ quan điểm chúng ta, học cổ điển tỏ đơn giản gần tất kiện mà quan sát, vận tốc nhỏ so với vận tốc ánh sáng Một vật thể đứng yên có khối lượng xác định, gọi khối lượng tĩnh (hay khối lượng nghỉ) Trong học, biết vật thể chống lại thay đổi chuyển động TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 223 nó; khối lượng lớn, sức ì lớn ngược lại Nhưng thuyết tương đối, cịn có thêm nhiều điều khác Vật thể chống lại thay đổi chuyển động mạnh mẽ khơng khối lượng tĩnh lớn hơn, mà cịn có vận tốc lớn Các vật thể có vận tốc gần vận tốc ánh sáng có sức ì lớn ngoại lực Trong học cổ điển, sức ì vật thể không đổi xác định khối lượng Trong thuyết tương đối, sức ì tùy thuộc đồng thời vào khối lượng tĩnh vận tốc Do đó, sức ì trở nên lớn tiến đến vô cực, vận tốc tiến gần đến vận tốc ánh sáng Những kết vừa đạt cho phép kiểm chứng lại lý thuyết thực nghiệm Liệu viên đạn bắn với vận tốc gần vận tốc ánh sáng chống lại tác động ngoại lực theo cách thức mà thuyết tương đối tiên đốn? Vì thân phát biểu thuyết tương đối có tính định lượng, nên chứng minh hay bác bỏ lý thuyết bắn viên đạn với vận tốc gần vận tốc ánh sáng Thực vậy, tìm thấy tự nhiên vật thể phóng thích với vận tốc Ngun tử chất phóng xạ, ví dụ radium, giống đội pháo binh bắn viên đạn với vận tốc vô lớn Chúng ta không sâu vào chi tiết mà trích dẫn luận thuyết quan trọng vật lý học hóa học đại Mọi vật chất vũ trụ cấu tạo từ số loại hạt Giống thành phố, tòa nhà dù khác kích cỡ, cấu tạo, kiến trúc, từ ngơi nhà bình thường đến tịa nhà chọc trời xây dựng số 224 - S Ự TI ẾN H Ĩ A C Ủ A V ẬT L Ý loại gạch khác Những nguyên tố biết đến giới vật chất chúng ta, từ nguyên tố nhẹ hydro (Hydrogen) nguyên tố nặng urani (Uranium) cấu tạo từ số loại “gạch” hay xác từ số loại hạt Các nguyên tố nặng nhất, có cấu trúc phức tạp nhất, khơng bền vững từ từ bị phân hủy hay thường nói chúng có tính phóng xạ Đơi vài “viên gạch”, hay hạt cấu tạo nên nguyên tử phóng xạ, bị bắn với vận tốc vô lớn, gần vận tốc ánh sáng Theo quan điểm chúng ta, khẳng định nhiều thí nghiệm, nguyên tử nguyên tố, chẳng hạn radium, có cấu trúc phức tạp phân hủy phóng xạ tượng giúp biết nguyên tử cấu tạo từ “viên gạch” đơn giản nhiều, hạt Với thí nghiệm tinh vi phức tạp, biết hạt chống lại tác dụng ngoại lực Các thí nghiệm cho thấy sức ì hạt tùy thuộc vào vận tốc, theo cách thức mà thuyết tương đối tiên đoán Trong trường hợp khác, phát phụ thuộc sức ì vào vận tốc ta chứng minh tính quán lý thuyết thực nghiệm Chúng ta lại thấy chức việc sáng tạo khoa học: Tiên đoán việc lý thuyết sau chứng minh thực nghiệm Kết gợi lên khái niệm tổng quát quan trọng Một vật thể đứng yên có khối lượng khơng có động năng, nghĩa lượng chuyển động Một vật thể chuyển động có khối lượng lẫn động Vật thể TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 225 chuyển động chống lại thay đổi vận tốc mạnh mẽ so với vật thể đứng yên Dường động vật thể chuyển động làm tăng sức ì vật thể Nếu hai vật thể có khối lượng tĩnh vật thể có động lớn chống lại tác động ngoại lực mạnh Hãy tưởng tượng có hộp chứa viên bi; hộp lẫn viên bi nằm yên HTTĐ Chúng ta cần tác động lực để di chuyển hay gia tăng vận tốc chúng Nhưng liệu lực làm gia tăng vận tốc với trị số thời gian cho viên bi chuyển động nhanh chóng theo hướng bên hộp, phân tử khí, liệu chúng đạt đến vận tốc trung bình tiếp cận với vận tốc ánh sáng? Chúng ta phải cần lực lớn nữa, động viên bi gia tăng sức ì hộp tăng theo Năng lượng, dạng động mức độ nào, chống lại chuyển động theo cách thức giống khối lượng tĩnh Liệu điều cho loại lượng khác? Qua giả định bản, thuyết tương đối tìm đáp án rõ ràng thuyết phục cho câu hỏi Một đáp án, lại lần nữa, mang tính định lượng: Mọi loại lượng chống lại thay đổi chuyển động; loại lượng có trạng thái vật chất; sắt nóng đỏ cân nặng so với nguội; tia xạ lan truyền không gian phóng thích từ Mặt Trời chứa đựng lượng phải có khối lượng; Mặt Trời tất phát xạ dần khối lượng chúng phóng thích xạ 226 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Kết luận có tính tổng quát thành tựu quan trọng thuyết tương đối phù hợp với thử nghiệm thực Vật lý cổ điển đưa hai loại chất: Vật chất lượng Chất thứ có khối lượng chất cịn lại khơng Trong vật lý cổ điển, có hai định luật bảo tồn, cho vật chất cho lượng Chúng ta hỏi: Liệu vật lý đại giữ hai khái niệm chất hai định luật bảo toàn hay không? Câu trả lời “không”! Theo thuyết tương đối ta khơng có khác biệt khối lượng lượng Năng lượng có khối lượng khối lượng tượng trưng cho lượng Thay hai định luật bảo tồn, có một, định luật bảo tồn “khối lượng – lượng” Nhận thức tỏ thành công gặt hái nhiều kết trình phát triển vật lý Người ta phải tự hỏi việc lượng chứa đựng khối lượng khối lượng tượng trưng cho lượng bị che lấp thời gian dài thế? Có phải trọng lượng miếng sắt nung đỏ lớn trọng lượng nguội? Tại thời điểm này, câu trả lời “đúng” trang cuối phần “Có phải nhiệt khối chất” câu trả lời “khơng” Dù có nhiều trang sách hai câu trả lời chúng không đủ che lấp điểm mâu thuẫn Điều mà phải đối đầu tương tự với khó khăn mà gặp trước Sự thay đổi khối lượng, tiên đoán thuyết tương đối, vơ nhỏ để cân đo cách trực tiếp, dù với cân tối tân TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 227 Việc lượng khơng phải khơng có trọng lượng chứng minh rõ ràng nhiều phương pháp, dù phương pháp gián tiếp Chính tỷ lệ trao đổi vật chất lượng vô nhỏ nên người ta chứng minh cách trực tiếp Việc so sánh lượng với khối lượng giống việc so sánh loại tiền tệ giá với loại tiền tệ có giá trị cao Một thí dụ cụ thể giúp hiểu rõ điều Lượng nhiệt để làm bốc ba mươi nghìn nước cân nặng gam! Sở dĩ lượng coi không trọng lượng thời gian dài khối lượng tượng trưng cho vơ nhỏ Khái niệm cổ điển khối chất – lượng trở thành nạn nhân thứ hai thuyết tương đối Nạn nhân môi trường lan truyền ánh sáng, e _r Tầm ảnh hưởng thuyết tương đối vượt khỏi vấn đề sinh Thuyết tương đối giúp loại bỏ khó khăn mâu thuẫn lý thuyết trường, thiết lập định luật học có tính tổng qt hơn, thay hai định luật bảo toàn định luật bảo toàn, thay đổi khái niệm cổ điển thời gian tuyệt đối Hiệu lực khơng bị hạn chế lĩnh vực vật lý, mà nữa, cịn xây dựng hệ thống nguyên lý bao trùm tất tượng tự nhiên MIỀN LIÊN TỤC KHÔNG - THỜI GIAN “Cách mạng Pháp bắt đầu Paris vào ngày 14 tháng năm 1789” Trong câu văn trên, ta biết địa điểm thời điểm xảy kiện Một người lần nghe câu văn 228 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý trên, “Paris” có nghĩa giúp người hiểu sau: Paris thành phố Trái Đất, nằm 2 độ kinh đông 49 độ vĩ bắc Hai số xác định vị trí “ngày 14 tháng năm 1789” xác định thời điểm xảy biến cố Trong vật lý học, việc xác định xác kiện xảy lúc đâu quan trọng nhiều so với lịch sử, kiện hình thành tảng cho mơ tả mang tính định lượng Để cho đơn giản, đến tìm hiểu chuyển động dọc theo đường thẳng HTTĐ thước có điểm đầu khơng có điểm cuối (điểm cuối kéo dài đến vô tận) Chúng ta giữ lấy giới hạn Vạch điểm khác đo, vị trí vạch xác định số nhất, gọi tọa độ điểm Khi ta nói điểm có tọa độ 7,586 bộ có nghĩa điểm cách điểm đầu đo 7,586 bộ Ngược lại, cho số đơn vị, tơi tìm điểm thước tương ứng với số Chúng ta phát biểu sau: Mỗi số tương ứng với điểm xác định đo điểm đo tương ứng với số xác định Những nhà toán học diễn đạt điều câu sau: Tất điểm đo hình thành miền liên tục chiều Một điểm đo có điểm khác nằm gần Chúng ta nối hai điểm cách xa đo phân đoạn ngắn có độ nhỏ lựa chọn cách tùy thích Do đó, phân đoạn nối liền hai điểm xa có độ nhỏ tùy ý đặc tính miền liên tục (continuum) TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 229 Bây xét thí dụ khác Chúng ta có mặt phẳng, hay bạn thích hình ảnh cụ thể tưởng tượng đến mặt bàn hình chữ nhật Vị trí điểm mặt bàn phải xác định hai số, không số trước Hai số hai khoảng cách từ hai cạnh bàn vng góc với Mỗi điểm mặt bàn tương ứng với cặp số xác định cặp số tương ứng với điểm xác định Hay nói cách khác: Mặt phẳng miền liên tục hai chiều Mỗi điểm mặt phẳng có điểm gần Chúng ta nối hai điểm cách đường cong chia thành nhiều đoạn nhỏ tùy ý Như vậy, đặc tính miền liên tục hai chiều phân đoạn có độ nhỏ tùy ý nối liền hai điểm cách nhau, điểm mơ tả hai số Hãy xét thêm thí dụ Hãy tưởng tượng bạn muốn xem phịng HTTĐ Điều có nghĩa bạn muốn mơ tả tất điểm ứng với vách tường phịng Vị trí đèn treo lơ lửng nằm yên diễn tả ba số: Hai chúng xác định khoảng cách đèn đến hai tường vng góc với số thứ ba xác định khoảng cách từ đèn đến nhà hay trần nhà 230 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Mỗi điểm không gian tương ứng với ba số xác định ba số tương ứng với điểm xác định Điều diễn tả sau: Không gian miền liên tục ba chiều Mỗi điểm khơng gian có điểm khác nằm gần điểm Một lần nữa, phân đoạn có độ nhỏ tùy ý nối liền điểm xa điểm thể ba số, đặc tính miền liên tục ba chiều Những vừa thảo luận khơng liên quan đến vật lý Để trở lại vấn đề vật lý, phải tìm hiểu chuyển động chất điểm Để quan sát dự đoán kiện tự nhiên, phải xem xét không nơi chốn mà thời điểm xảy kiện vật lý Một lần xét ví dụ đơn giản Một hịn đá nhỏ, coi hạt, rơi từ tháp có độ cao 256 Từ thời Galileo, dự đốn tọa độ hịn đá rơi thời điểm Sau “bảng thời gian” mơ tả vị trí viên đá sau 0, 1, 2, giây TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 231 Thời gian [giây] Khoảng cách từ mặt đất [bộ] 256 240 192 112 Có năm kiện ghi nhận “bảng thời gian” chúng ta, kiện thể hai số: Thời điểm tọa độ không gian Sự kiện viên đá rơi từ độ cao 256 vào lúc giây Sự kiện thứ hai lúc viên đá trùng với vạch khắc “thanh đo” (cái tháp), có độ cao 240 tính từ mặt đất Sự kiện xảy sau giây Sự kiện cuối xảy viên đá chạm mặt đất Chúng ta trình bày liệu “bảng thời gian” theo cách khác Chúng ta trình bày năm cặp số bảng thời gian năm điểm mặt phẳng Đầu tiên, phải thống với tỷ lệ Một phân đoạn tương ứng với phân đoạn khác tương ứng với giây Thí dụ như: 100 giây Sau đó, vẽ hai đường vng góc với nhau, đường nằm ngang gọi trục thời gian đường thẳng đứng gọi trục không gian Ngay tức khắc nhận thấy 232 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý "bảng thời gian" trình bày năm điểm mặt phẳng khơng gian – thời gian Khoảng cách từ điểm đến trục không gian tượng trưng cho tọa độ thời gian, cột bảng thời gian, khoảng cách từ điểm đến trục thời gian tượng trưng cho tọa độ không gian Trục không gian Bộ Trục thời gian Giây Cùng vấn đề diễn đạt xác hai phương pháp khác nhau: Bằng bảng thời gian điểm mặt phẳng Khi biết phương pháp này, ta suy phương pháp Sự chọn lựa hai phương pháp tùy ý chúng thật có giá trị Chúng ta tiến thêm bước Hãy tưởng tượng có bảng thời gian tốt hơn, biểu diễn không vị trí cách giây mà cách phần trăm hay phần ngàn giây Và có nhiều điểm mặt phẳng không gian – thời gian Cuối cùng, xác định vị trí cho TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 233 thời điểm, hay theo cách nói nhà tốn học, trục khơng gian hàm số thời gian chuỗi điểm trở thành đường liên tục Do đó, hình vẽ biểu diễn phân đoạn trước mà đường liên tục tồn chuyển động Trục khơng gian Bộ Giây Trục thời gian Chuyển động dọc theo thước đo (cái tháp) chuyển động không gian chiều biểu diễn đường cong miền liên tục không gian – thời gian hai chiều Mỗi điểm miền liên tục không gian – thời gian tương ứng với cặp số, số biểu thị tọa độ thời gian số biểu thị tọa độ không gian Ngược lại, điểm xác định mặt phẳng thời gian – không gian tương ứng với hai số đặc trưng cho kiện Hai điểm liền kề tương ứng với hai kiện xảy hai vị trí liền kề hai thời điểm khác Bạn biện luận chống lại cách trình bày chúng 234 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý sau: Việc biểu diễn đơn vị thời gian phân đoạn, ghép thời gian theo cách thức học với khơng gian, hình thành miền liên tục hai chiều từ hai miền liên tục chiều thật khơng có nhiều ý nghĩa Nhưng bạn phải phản đối tất đồ thị biểu diễn, thay đổi nhiệt độ thành phố New York mùa hè vừa qua, hay phải phản đối cách trình bày thay đổi chi phí sinh hoạt vài năm qua, trường hợp biểu diễn phương pháp Trong đồ thị nhiệt độ, miền liên tục chiều nhiệt độ kết hợp với miền liên tục chiều thời gian để hình thành miền liên tục hai chiều nhiệt độ – thời gian Chúng ta trở việc đá rơi từ tháp có độ cao 256 Việc diễn đạt chuyển động đồ thị quy ước hữu ích cho ta biết rõ vị trí viên đá vào thời điểm Khi biết rõ viên đá chuyển động nào, mơ tả chuyển động cách sinh động Chúng ta thực công việc hai cách khác Chúng ta nhớ lại hình ảnh viên đá thay đổi vị trí theo thời gian không gian chiều Chuyển động chuỗi liên tiếp kiện miền liên tục không gian chiều Chúng ta không trộn lẫn thời gian không gian vào mà dùng hình ảnh động, vị trí thay đổi theo thời gian Nhưng mơ tả chuyển động theo cách khác Chúng ta tạo hình ảnh tĩnh đường miền liên tục hai chiều thời gian – không gian Bây chuyển động diễn đạt tồn miền liên tục hai chiều không – thời gian không TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 235 thay đổi miền liên tục khơng gian chiều Cả hai hình ảnh hồn toàn giống việc lựa chọn hai phương pháp đơn quy ước sở thích Tất nói hai hình ảnh chuyển động hồn tồn khơng dính líu đến thuyết tương đối Cả hai cách trình bày có giá trị nhau, vật lý cổ điển ln thiên việc dùng hình ảnh động để diễn tả chuyển động chuỗi kiện khơng gian khơng nhìn nhận chuyển động không – thời gian Nhưng thuyết tương đối làm thay đổi cách nhìn Thuyết tương đối nghiêng hình ảnh tĩnh lý thuyết xem chuyển động hữu khơng gian – thời gian, hình ảnh thuận tiện thực tế Chúng ta phải tìm đáp án cho câu hỏi: Tại hai hình ảnh tĩnh động có giá trị theo quan điểm vật lý cổ điển, không giá trị thuyết tương đối? Nếu lại ý đến hai HTTĐ chuyển động đều, tương đáp án trở nên rõ ràng Theo vật lý cổ điển, người quan sát bên hai HTTĐ chuyển động đều, tương gán kiện xảy cho tọa độ khơng gian khác có tọa độ thời gian Trong ví dụ chúng ta, kiện viên đá chạm mặt đất xác định HTTĐ mốc thời gian “4 giây” tọa độ không gian “0 bộ” Theo học cổ điển, viên đá chạm mặt đất sau bốn giây người quan sát chuyển động đều, tương HTTĐ chọn Tuy nhiên, vào thời điểm viên đá chạm mặt đất, người quan sát 236 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý có tọa độ khơng gian hồn tồn khác phải quy khoảng cách theo HTTĐ anh ta, tọa độ thời gian cho biến cố không đổi người quan sát này, hay tất người quan sát khác chuyển động tương Trong vật lý cổ điển người ta biết có thời gian “tuyệt đối”, trơi tất người quan sát Đối với HTTĐ, miền liên tục hai chiều tách thành hai miền liên tục chiều: Thời gian khơng gian Vì thời gian có tính “tuyệt đối” nên việc chuyển đổi từ hình ảnh “tĩnh” sang “động” chuyển động có ý nghĩa khách quan vật lý cổ điển Nhưng biết, phép biến đổi cổ điển ứng dụng cho tất tượng vật lý Từ quan điểm thực tiễn, phép biến đổi cổ điển dùng vận tốc nhỏ, khơng thể giải vấn đề vật lý Theo thuyết tương đối, thời điểm chạm đất viên đá đất không giống tất người quan sát Tọa độ thời gian tọa độ không gian khác biệt hai HTTĐ khác vận tốc tương đối tiến gần đến vận tốc ánh sáng, tọa độ thời gian có khác biệt lớn Bây miền liên tục hai chiều tách thành hai miền liên tục chiều vật lý cổ điển Chúng ta hoàn toàn khảo sát thời gian không gian cách độc lập việc xác định tọa độ không gian – thời gian cho HTTĐ khác với HTTĐ Từ quan điểm thuyết tương đối, việc tách miền liên tục hai chiều thành hai miền liên tục chiều việc làm tùy tiện khơng có ý nghĩa khách quan TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 237 Mọi việc trở nên đơn giản để khái quát hóa tất điều vừa thảo luận cho trường hợp chuyển động khác, khơng cịn bị giới hạn chuyển động thẳng Chúng ta thật cần không hai số mà đến bốn số để mô tả tượng tự nhiên Không gian thực, thiết lập vật thể chuyển động chúng, không gian ba chiều vị trí vật thể xác định ba số Thời điểm xảy kiện số thứ tư Vì vậy, kiện xác định tương ứng với bốn số, bốn số xác định tương ứng với kiện Như vậy, giới kiện hình thành nên miền liên tục bốn chiều Vấn đề không phát biểu có giá trị cho vật lý cổ điển cho thuyết tương đối Nhưng hai HTTĐ chuyển động cách tương nhau, lại có khác biệt Khi phòng chuyển động người ngồi bên bên ngồi phịng phải tìm cách xác định tọa độ không – thời gian biến cố Nhà vật lý cổ điển lại tách miền liên tục bốn chiều thành không gian ba chiều miền liên tục thời gian chiều Nhà vật lý cổ điển quan tâm tới việc biến đổi không gian, cịn thời gian ơng ta tuyệt đối Ông ta nhận thấy việc tách giới tạo liên tục bốn chiều thành không gian thời gian chuyện đương nhiên thuận tiện Nhưng theo quan điểm thuyết tương đối, thời gian không gian phải thay đổi chuyển từ HTTĐ sang HTTĐ khác, phép biến đổi Lorentz xét đến tính chất phép biến đổi miền liên tục bốn chiều không gian – thời gian kiện giới bốn chiều Thế giới kiện diễn đạt theo cách thức “động” 238 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý hình ảnh thay đổi theo thời gian “ném” vào không gian ba chiều Nhưng chúng diễn đạt hình ảnh “tĩnh” “ném” vào liên tục bốn chiều không – thời gian Theo tư vật lý cổ điển, hai hình ảnh động tĩnh Nhưng thuyết tương đối, hình ảnh tĩnh có nhiều lợi điểm khách quan Ngay thuyết tương đối, cần thiết dùng hình ảnh động Nhưng phải nhớ việc phân tách thời gian không gian khơng mang ý nghĩa khách quan thời gian khơng “tuyệt đối” Trong trang sau, dùng cách diễn đạt “động” không dùng cách diễn đạt “tĩnh”, nhiên cần để ý đến giới hạn cách diễn đạt THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG Vẫn có điểm sót lại cần làm sáng tỏ Một câu hỏi quan trọng mà chưa giải được: Hệ qn tính có tồn khơng? Chúng ta học vài điều định luật tự nhiên, bất biến chúng phép biến đổi Lorentz hiệu lực chúng hệ quán tính chuyển động đều, tương Chúng ta có định luật khơng biết phải quy chiếu định luật vào hệ tọa độ Để nhận thức rõ khó khăn này, vấn nhà vật lý cổ điển đặt vài câu hỏi đơn giản: “Một hệ quán tính gì?” TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 239 “Đó HTTĐ mà định luật học có hiệu lực Một vật thể khơng chịu tác động ngoại lực chuyển động HTTĐ Tính chất giúp phân biệt HTTĐ quán tính với HTTĐ khác” “Nhưng có ý nghĩa nói khơng có lực tác động lên vật thể?” “Điều có ý nghĩa đơn giản vật thể chuyển động HTTĐ quán tính.” Đến đặt lại câu hỏi lần nữa: “Một hệ qn tính gì?” Vì có hy vọng để nhận câu trả lời khác, cố gắng thay đổi câu hỏi để có vài giải thích cụ thể hơn: “Có phải HTTĐ gắn chặt với Trái Đất HTTĐ qn tính?” “Khơng, xoay trịn Trái Đất nên định luật học khơng có hiệu lực tuyệt đối Một HTTĐ gắn chặt với Mặt Trời coi HTTĐ quán tính cho nhiều vấn đề; nhiên, để ý đến xoay vịng Mặt Trời lần hiểu HTTĐ gắn chặt với Mặt Trời khơng thể coi HTTĐ qn tính thật sự” “Như hệ qn tính ơng cụ thể hệ thống nào? Và nên chọn trạng thái chuyển động nào?” “Đơn hư cấu hữu ích tơi khơng biết phải thực nào? Chỉ cách xa tất vật thể vật chất hồn tồn khơng chịu ảnh hưởng ngoại lực, HTTĐ tơi HTTĐ qn tính.” 240 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý “Nhưng ý ơng muốn nói HTTĐ hồn tồn khơng bị ảnh hưởng ngoại lực?” “Tơi muốn nói HTTĐ qn tính” Một lần lại quay trở lại câu hỏi Cuộc nói chuyện làm lộ rõ khó khăn nghiêm trọng vật lý cổ điển Chúng ta có định luật, khơng biết khung tọa độ dùng để quy chiếu dường toàn lâu đài vật lý xây dựng cát Chúng ta tiếp cận với vấn đề hóc búa từ quan điểm khác Hãy tưởng tượng vũ trụ có vật thể vật thể HTTĐ Vật thể bắt đầu quay tròn Theo học cổ điển, định luật vật lý cho vật thể quay tròn khác với định luật cho vật thể khơng quay trịn Trong đó, ngun tắc qn tính có hiệu lực cho trường hợp khơng thể có hiệu lực cho trường hợp Nhưng điều thực đáng ngờ Liệu có quyền xem xét chuyển động vật thể vũ trụ hay khơng? Vì nói đến chuyển động vật thể ln hàm ý thay đổi vị trí vật thể vật thể khác Như thế, nói chuyển động vật thể mâu thuẫn với nhận định thông thường người Cơ học cổ điển tri giác thơng thường người có bất đồng gay gắt điểm Theo Newton: Nguyên tắc quán tính có hiệu lực HTTĐ HTTĐ đứng yên chuyển động Nếu ngun tắc qn tính khơng cịn hiệu lực vật thể chuyển động không Như vậy, việc nhận định vật thể chuyển động hay đứng yên phụ thuộc vào việc tất TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 241 định luật vật lý có hiệu lực HTTĐ gắn chặt vào vật thể hay khơng? Hãy lấy thí dụ hai vật thể: Mặt Trời Trái Đất Chúng ta lại quan sát chuyển động tương đối Chuyển động diễn đạt cách gắn chặt HTTĐ với Mặt Trời hay với Trái Đất Thành tựu to lớn Copernicus ông chuyển đổi HTTĐ từ Trái Đất lên Mặt Trời Tuy nhiên, chuyển động tương đối người ta sử dụng khung tọa độ nào, nên khơng có lý phải chọn hệ mà khơng chọn hệ khác Một lần vật lý học lại can thiệp làm thay đổi quan niệm thông thường HTTĐ gắn liền với Mặt Trời giống hệ thống quán tính HTTĐ gắn với Trái Đất Do định luật vật lý nên dựa vào HTTĐ Copernicus dựa vào HTTĐ Ptolemy(24) Chỉ từ quan điểm vật lý đánh giá mức vĩ đại khám phá Copernicus Người ta có nhiều thuận lợi dùng HTTĐ gắn chặt vào Mặt Trời để mô tả chuyển động hành tinh Trong vật lý cổ điển, khơng có chuyển động tuyệt đối Khi hai HTTĐ chuyển động đều, tương nhau, thật hồn tồn vơ nghĩa nói: HTTĐ đứng yên HTTĐ chuyển động Tuy nhiên hai HTTĐ chuyển động không đều, tương nhau, thật hợp lý nói rằng: Vật thể chuyển động vật thể đứng yên (hay chuyển động đều) Chuyển động tuyệt đối có ý nghĩa thật xác định Điểm thật vực thẳm ngăn cách ý nghĩa thơng thường vật lý cổ điển Những khó khăn cho ta thấy liên kết chặt chẽ hệ quán tính chuyển 242 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý động tuyệt đối Chuyển động tuyệt đối tồn ý tưởng hệ qn tính mà định luật tự nhiên có hiệu lực Dường khơng có lối cho khó khăn này, dường khơng có lý thuyết vật lý lẩn tránh chúng Trọng tâm vấn đề việc định luật tự nhiên có hiệu lực cho loại HTTĐ đặc biệt, HTTĐ qn tính Khả giải khó khăn tùy thuộc vào lời giải đáp cho câu hỏi sau Liệu thành lập định luật vật lý có hiệu lực cho HTTĐ, khơng riêng cho HTTĐ chuyển động mà cịn cho HTTĐ chuyển động bất kỳ, tương nhau? Nếu thực điều này, vượt qua tất khó khăn Và thế, ứng dụng định luật tự nhiên vào HTTĐ Sự tranh cãi vô gay gắt vào thuở ban đầu khoa học, quan điểm Ptolemy quan điểm Copernicus, mà trở nên hồn tồn vơ nghĩa Người ta dùng HTTĐ nào, chúng Cả hai câu “Mặt Trời xoay quanh Trái Đất đứng yên” hay “Trái Đất xoay quanh, Mặt Trời đứng yên” có ý nghĩa đơn giản hai quy ước khác cho hai HTTĐ khác Liệu thật xây dựng lý thuyết vật lý tương đối có hiệu lực cho HTTĐ, lý thuyết vật lý mà khơng tồn chuyển động tuyệt đối mà có chuyển động tương đối? Việc thực có thể! Tối thiểu có điểm tựa, dù mong manh, để tìm cách xây dựng lý thuyết vật lý Một lý thuyết vật lý tương đối thật phải ứng dụng cho tất HTTĐ dĩ TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 243 nhiên cho trường hợp đặc biệt HTTĐ quán tính Chúng ta biết định luật cho HTTĐ quán tính Các định luật tổng quát có hiệu lực cho HTTĐ trường hợp đặc biệt HTTĐ qn tính, chúng phải quy định luật cũ biết Việc thiết lập định luật vật lý cho HTTĐ giải đáp lý thuyết gọi thuyết tương đối rộng (general relativity theory) Lý thuyết trước đây, ứng dụng hệ quán tính, gọi thuyết tương đối hẹp (special relativity theory.) Dĩ nhiên hai lý thuyết mâu thuẫn với định luật cũ thuyết tương đối hẹp phải bao hàm định luật tổng quát cho hệ quán tính Tất định luật trước thiết lập cho HTTĐ quán tính, trở thành trường hợp giới hạn đặc biệt định luật có hiệu lực cho tất HTTĐ có chuyển động bất kỳ, tương Như có kế hoạch cho thuyết tương đối rộng Nhưng phác thảo đường để thực kế hoạch này, cảm thấy mơ hồ tất trải qua Những khó khăn nảy sinh q trình phát triển khoa học khiến cho lý thuyết ngày trở nên trừu tượng Những phiêu lưu bất ngờ ln chờ đón Nhưng mục đích cuối có nhìn rõ ràng thực Những mắt xích dần thêm vào chuỗi logic nối liền lý thuyết quan sát Để dọn giả định khơng cần thiết, có tính giả tạo đường từ lý thuyết đến thực nghiệm để quy kết phạm vi rộng lớn quy luật, cần phải ngày mở rộng chuỗi 244 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý mắt xích Nếu giả định đơn giản hơn, cơng cụ tốn học dùng để biện luận chứng minh trở nên phức tạp đường dẫn từ lý thuyết đến quan sát dài hơn, tinh tế phức tạp Mặc dù nghịch lý nói: Vật lý đại đơn giản vật lý cổ điển vậy, dường khó khăn phức tạp Nếu nhận định giới tự nhiên đơn giản hơn, bao quát nhiều quy luật hơn, hài hịa vũ trụ phản ảnh mạnh mẽ vào tâm trí Ý tưởng thật đơn giản: Xây dựng vật lý học có hiệu lực cho HTTĐ Việc hoàn thành ý tưởng địi hỏi nhiều phức tạp mặt hình thức ép buộc phải dùng công cụ tốn học khác hẳn với dùng đến vật lý Ở trình bày mối liên hệ việc thực kế hoạch hai vấn đề chính: Hiện tượng hấp dẫn hình học BÊN NGỒI VÀ BÊN TRONG THANG MÁY Định luật quán tính đánh dấu bước tiến vĩ đại vật lý học, hay đánh dấu đời thật vật lý học Định luật quán tính kết bắt nguồn từ suy nghĩ sâu sắc thí nghiệm lý tưởng: Vật thể chuyển động mãi không bị tác động lực ma sát hay ngoại lực khác Từ thí dụ thí dụ khác nữa, thấy tầm quan trọng thí nghiệm lý tưởng sáng tạo từ suy nghĩ TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 245 người Một lần nữa, thảo luận thí nghiệm lý tưởng Mặc dù điều kỳ lạ, khơng tưởng, giúp lúc hiểu rõ thuyết tương đối qua thực nghiệm đơn giản Trước đây, thảo luận thí nghiệm lý tưởng cho phòng chuyển động Bây thay đổi chút nói buồng thang máy rơi Hãy tưởng tượng buồng thang máy treo đỉnh tòa nhà chọc trời, cao tòa nhà khác Bất ngờ dây treo bị đứt thang máy rơi tự xuống đất Những người quan sát bên thang máy thực thí nghiệm thang máy rơi Ta không cần phải ý tới lực ma sát lực cản khơng khí thí nghiệm lý tưởng Một người quan sát lấy khăn tay, đồng hồ thả chúng Điều xảy với hai vật này? Đối với người quan sát bên ngồi nhìn vào cửa sổ buồng thang máy khăn tay lẫn đồng hồ rơi xuống đất theo cách thức hoàn toàn giống với gia tốc Chúng ta nhớ gia tốc vật thể rơi không phụ thuộc vào khối lượng nó, điều khám phá đồng khối lượng hấp dẫn khối lượng quán tính (Xem chương “Manh mối cịn sót lại”) Chúng ta nhớ tương đồng khối lượng hấp dẫn khối lượng quán tính theo quan điểm học cổ điển hồn tồn ngẫu nhiên khơng đóng vai trò học cổ điển Tuy nhiên, tương đồng trường hợp này, phản ánh qua đồng gia tốc vật rơi, lại yếu tố để thiết lập toàn lập luận 246 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Chúng ta trở lại với khăn tay đồng hồ rơi Đối với người quan sát bên thang máy, hai vật rơi với gia tốc Điều tương tự xảy vách, trần, sàn, tồn buồng thang máy Chính thế: Khoảng cách hai vật thể sàn thang máy không đổi Đối với người quan sát bên thang máy, hai vật thể đứng yên vị trí mà chúng thả Người bên thang máy khơng cần quan tâm đến trường hấp dẫn, nguồn trường lại nằm bên ngồi HTTĐ ơng ta Ơng ta nhận thấy khơng có lực tác động lên hai vật thể chúng đứng yên bên HTTĐ quán tính Những việc xảy bên thang máy! Nếu thời điểm người quan sát đẩy vật thể hướng nào, ví dụ phía hay phía dưới, vật thể ln chuyển động va vào trần hay sàn thang máy Nói cách ngắn gọn, định luật học cổ điển có hiệu lực người ngồi bên thang máy Tất vật thể ứng xử theo dự đoán định luật quán tính HTTĐ chúng ta, gắn chặt vào thang máy rơi, có điểm khác biệt so với HTTĐ quán tính: Trong HTTĐ quán tính, vật thể chuyển động, khơng chịu ảnh hưởng ngoại lực chuyển động vĩnh viễn Trong vật lý cổ điển, HTTĐ quán tính khơng bị hạn chế thời gian không gian Tuy nhiên, trường hợp người quan sát bên thang máy khác biệt Tính chất qn tính HTTĐ bị giới hạn không gian thời gian Sớm muộn vật thể chuyển động va chạm vào vách thang máy phá hủy chuyển động Sớm muộn thang máy TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 247 chạm đất, người quan sát thí nghiệm ơng ta bị phá hủy HTTĐ “phiên bỏ túi” HTTĐ quán tính thật Tính chất cục HTTĐ điều kiện tiên cần thiết Nếu thang máy tưởng tượng có kích thước kéo dài từ bắc cực đến xích đạo, khăn tay rơi từ bắc cực đồng hồ rơi từ xích đạo, người quan sát bên thang máy, hai vật có gia tốc khác nhau; chúng khơng đứng yên tương Mọi lập luận hồn tồn sai lầm Do đó, kích thước thang máy phải giới hạn cho người quan sát bên ngoài, tất vật thể có gia tốc so với bên ngồi Với giới hạn thế, HTTĐ người quan sát bên thang máy hệ quán tính Chúng ta hình dung HTTĐ tuân theo tất định luật vật lý, hệ thống bị giới hạn thời gian không gian Nếu tưởng tượng HTTĐ khác, ví dụ buồng thang máy khác di chuyển đều, tương buồng thang máy rơi tự hai HTTĐ hai HTTĐ quán tính cục Mọi định luật hoàn toàn giống hai HTTĐ Mọi chuyển đổi từ hệ thống sang hệ thống thực phép biến đổi Lorentz Chúng ta xem thử người quan sát bên bên thang máy mơ tả xảy thang máy Người quan sát bên ghi nhận chuyển động buồng thang máy vật thể bên tuân theo định luật hấp dẫn Newton Đối với ông ta, khơng phải 248 - S Ự TI ẾN H Ĩ A C Ủ A V ẬT L Ý chuyển động mà chuyển động tăng tốc sức hút trường hấp dẫn (trọng lực) Trái Đất Tuy nhiên, hệ nhà vật lý sinh lớn lên thang máy suy luận theo cách khác Những người tin họ sống hệ quán tính quy tất định luật tự nhiên cho thang máy họ có quyền nói định luật có hình thức đặc biệt đơn giản HTTĐ họ Đối với họ, thật hiển nhiên để kết luận buồng thang máy đứng yên HTTĐ họ HTTĐ quán tính Chúng ta giải bất đồng người quan sát bên bên thang máy Mỗi người có quyền địi hỏi tất tượng phải quy chiếu theo HTTĐ mô tả hai người kiện hợp lý Thí dụ cho ta nhận thức tượng vật lý quy hai HTTĐ khác cách hợp lý, cho dù hai HTTĐ không chuyển động đều, tương Nhưng phải cần xét đến vai trò lực hấp dẫn việc xây nên “cây cầu” chuyển đổi từ HTTĐ sang HTTĐ khác Trường hấp dẫn tồn người quan sát bên ngồi khơng tồn người bên thang máy Chuyển động tăng tốc thang máy trường hấp dẫn tồn người quan sát bên ngồi, cịn người quan sát bên thang máy đứng yên vắng mặt trường hấp dẫn Để giúp diễn đạt kiện hai HTTĐ, “cái cầu” hay trường hấp dẫn dựa trụ cột quan trọng: Sự tương đồng khối lượng hấp dẫn khối lượng quán tính Dù không ý học cổ điển TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 249 khơng có nhận thức lập luận hồn tồn sụp đổ Bây dùng thí nghiệm lý tưởng khác để làm sáng tỏ vấn đề Giả định có HTTĐ qn tính định luật qn tính có hiệu lực bên hệ Chúng ta vừa mơ tả xảy bên thang máy, xem HTTĐ quán tính Bây thay đổi chút Người quan sát bên cột sợi dây vào buồng thang máy kéo lên với lực không đổi theo hướng mũi tên hình vẽ Chúng ta không quan tâm đến việc điều thực Vì định luật học có hiệu lực HTTĐ này, nên tồn buồng thang máy chuyển động với gia tốc không đổi theo hướng chuyển động Một lần nghe hai người quan sát bên bên thang máy giải thích tượng xảy bên thang máy Người quan sát bên ngoài: HTTĐ tơi HTTĐ qn tính Buồng thang máy chuyển động với gia tốc không đổi 250 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý tác động lực không đổi Những người bên thang máy chuyển động tuyệt đối, họ, định luật học khơng cịn hiệu lực Họ khơng thể nhận thấy vật thể đứng yên không chịu tác động ngoại lực Nếu vật thả rơi tự do, nhanh chóng chạm vào mặt sàn thang máy thang máy chuyển động lên tiến gần đến vật Điều xảy theo cách thức khăn tay đồng hồ Đối với tôi, dường thật người quan sát bên thang máy bị gắn chặt sàn thang máy, ơng ta nhảy lên khỏi mặt sàn, thang máy lại bắt kịp ông ta Người quan sát bên trong: Tôi không tìm lý để tin thang máy trạng thái chuyển động tuyệt đối Tôi đồng ý HTTĐ tôi, gắn chặt vào thang máy, không thật HTTĐ qn tính, tơi khơng tin có liên quan đến chuyển động tuyệt đối Đồng hồ, khăn tay vật rơi xuống tồn thang máy trường hấp dẫn Tôi nhận thấy chuyển động tương tự với chuyển động người Trái Đất Anh ta giải thích đơn giản chuyển động tác động trường hấp dẫn Trái Đất, Hai mô tả, người bên người bên thang máy, hoàn toàn hợp lý ta định mô tả Chúng ta dùng mô tả để diễn đạt tượng bên thang máy: Hoặc chuyển động không vắng mặt trường hấp dẫn người quan sát bên ngoài, đứng yên diện trường hấp dẫn người bên thang máy TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 251 Người quan sát bên ngồi thừa nhận thang máy trạng thái chuyển động không tuyệt đối Nhưng trọng trường khơng cịn tác nhân gây nên chuyển động chuyển động khơng thể coi chuyển động tuyệt đối Chúng ta tìm lối cho mơ hồ hai cách mơ tả định nghiêng lời giải thích Chúng ta tưởng tượng có tia sáng chiếu vào thang máy qua cửa sổ theo hướng nằm ngang đến vách thang máy đối diện cửa sổ sau thời gian ngắn Một lần thử xem hai người quan sát dự đoán đường tia sáng Người quan sát bên ngoài: Anh ta tin tưởng với chuyển động tăng tốc thang máy lập luận sau: Tia sáng vào cửa sổ thang máy di chuyển nằm ngang, theo đường thẳng với vận tốc không đổi, đến tường đối diện Tuy nhiên, thang máy chuyển động hướng lên nên thời gian tia sáng di chuyển từ cửa sổ đến vách tường đối diện, thang máy thay đổi vị trí Do vậy, tia sáng chạm đến điểm khơng hồn tồn xác điểm đối diện với điểm mà tia sáng vào, điểm dịch phía Dù khác biệt nhỏ tồn Do đó, tia sáng lan truyền, tương thang máy, không theo đường thẳng mà theo đường cong Sự khác biệt phụ thuộc vào quãng đường dịch chuyển thang máy thời gian cần thiết để ánh sáng xuyên qua buồng thang máy 252 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Người quan sát bên trong: Vì tin tưởng trường hấp dẫn tác động lên vật bên thang máy nên phát biểu: Khơng có chuyển động tăng tốc thang máy, có tác động trường hấp dẫn Tia sáng khơng có khối lượng nên trường hấp dẫn khơng ảnh hưởng đến Nếu tia sáng phóng theo đường thẳng nằm ngang, đến tường đối diện điểm đối diện cách xác với điểm mà vào thang máy Cuộc thảo luận giúp ta tìm khả để chọn hai quan điểm đối nghịch Cùng tượng hai người quan sát diễn giải khác Nếu không tìm điểm bất hợp lý hai diễn giải trên, phải từ bỏ tất lập luận trước diễn đạt tất tượng theo hai quan điểm hợp lý: Có khơng có trường hấp dẫn Nhưng may mắn thay, suy luận người quan sát bên thang máy vấp phải lỗi nặng thế, lập luận giữ ngun Anh ta nói: “Tia sáng khơng có khối lượng nên trường hấp dẫn khơng ảnh hưởng đến TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 253 nó” Điều không đúng! Một tia sáng mang theo lượng thân lượng lại khối lượng Vì khối lượng quán tính tương đồng với khối lượng hấp dẫn nên khối lượng quán tính bị hút trường hấp dẫn Một tia sáng bị bẻ cong trường hấp dẫn, hoàn toàn tương tự với chuyển động vật thể ném theo đường nằm ngang với vận tốc ánh sáng Nếu người quan sát bên thang máy lập luận ý đến độ lệch tia sáng tác dụng trường hấp dẫn kết tiên đốn giống người quan sát từ bên Trường hấp dẫn Trái Đất dĩ nhiên yếu để chứng minh độ lệch tia sáng thí nghiệm trực tiếp Tuy nhiên, thí nghiệm tiếng thực thời điểm nhật thực chứng minh, cách thuyết phục dù gián tiếp, ảnh hưởng trường hấp dẫn đường tia sáng Những thí nghiệm đem đến hy vọng để thiết lập vật lý học theo thuyết tương đối Nhưng để thực mục đích này, việc mà cần làm phải giải cách triệt để câu hỏi tượng hấp dẫn Từ thí dụ thang máy, thấy tính thuyết phục hai cách mơ tả Chúng ta cần không cần phải đưa giả định chuyển động khơng Chúng ta loại bỏ chuyển động “tuyệt đối” thí dụ sử dụng trường hấp dẫn Nhưng chuyển động khơng khơng cịn tuyệt đối trường hấp dẫn loại bỏ hồn tồn điều 254 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Chúng ta loại bỏ bóng ma chuyển động tuyệt đối HTTĐ quán tính vật lý để xây dựng ngành vật lý theo thuyết tương đối Những thí nghiệm lý tưởng cho ta thấy liên hệ chặt chẽ thuyết tương đối rộng tượng hấp dẫn tương đương khối lượng quán tính khối lượng hấp dẫn lại yếu tố mối liên hệ Điều rõ ràng đáp án cho hấp dẫn đưa thuyết tương đối rộng phải khác với lý thuyết Newton Tương tự định luật tự nhiên khác, định luật hấp dẫn phải thành lập có giá trị cho nhiều HTTĐ tốt, đó, định luật học cổ điển Newton thành lập có giá trị cho HTTĐ qn tính HÌNH HỌC VÀ THÍ NGHIỆM Thí dụ tới cịn kì lạ thí dụ với buồng thang máy rơi Chúng ta phải tiếp cận vấn đề mới: Sự liên hệ thuyết tương đối rộng hình học Chúng ta bắt đầu mơ tả giới có hai chiều, khác với giới chúng ta, nơi sinh sống sinh vật “ba chiều” Ngành điện ảnh làm quen thuộc với sinh vật hai chiều chuyển động ảnh hai chiều Bây tưởng tượng hình bóng này, diễn viên ảnh, thật tồn tại, có khả suy luận, xây dựng khoa học riêng chúng, ảnh hai chiều khơng gian hình học Các sinh vật khơng có khả tưởng tượng cách cụ thể tồn không gian TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 255 ba chiều, tưởng tượng giới bốn chiều Các sinh vật làm lệch đường thẳng, biết vịng trịn khơng thể kiến tạo cầu, điều có nghĩa sinh vật phải từ bỏ ảnh hai chiều chúng Chúng ta tình Chúng ta làm lệch đường thẳng uốn cong mặt phẳng, khơng thể hình dung không gian ba chiều bị làm lệch hay bị uốn cong Khi hình bóng thật sống, suy nghĩ làm thí nghiệm, chúng cuối sử dụng thành thạo kiến thức hình học Euclid khơng gian hai chiều Thí dụ chúng chứng minh tổng góc tam giác 180 độ Chúng xây dựng hai vòng tròn đồng tâm, nhỏ cịn lại lớn Chúng tìm thấy tỷ lệ chu vi hai vòng tròn với tỷ lệ bán kính, kết đặc trưng hình học Euclid Nếu ảnh trở nên rộng lớn vô tận, hình bóng nhận thấy chúng bắt đầu hành trình thẳng tới phía trước, chúng khơng quay trở lại điểm khởi hành Bây tưởng tượng sinh vật hai chiều sống điều kiện Hãy tưởng tượng người từ bên ngồi, từ khơng gian “ba chiều”, dời chúng từ ảnh sang bề mặt cầu có bán kính vơ lớn Nếu bóng hình vơ nhỏ so với toàn bề mặt cầu, chúng khơng có phương tiện giao thơng liên lạc khơng thể di chuyển thật xa, chúng cảm nhận thay đổi Tổng số góc tam giác 180 độ Hai vòng tròn nhỏ đồng tâm cho thấy tỷ lệ bán kính với tỷ 256 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý lệ chu vi Một du hành dọc theo đường thẳng không đưa chúng trở lại điểm xuất phát Nhưng sinh vật có thời gian để phát triển kiến thức lý thuyết kỹ thuật Chúng ta giả định chúng tìm phương tiện giao thơng liên lạc để nhanh chóng vượt qua khoảng cách xa xơi Chúng nhận thấy du hành thẳng tới phía trước cuối chúng quay lại điểm khởi hành “Thẳng tới phía trước” có ý nghĩa dọc theo vòng tròn lớn cầu Chúng thấy tỷ lệ chu vi hai vòng tròn đồng tâm khác với tỷ lệ bán kính chúng, bán kính nhỏ bán kính lớn Nếu sinh vật hai chiều bảo thủ, chúng học phương pháp hình học Euclid từ nhiều hệ từ lúc mà chúng du hành xa tượng quan sát phù hợp với hình học Euclid, chắn sinh vật cố gắng với khả để giữ nguyên cách suy nghĩ trước, bất chấp chứng từ kết đo đạc Chúng đưa nguyên nhân vật lý để bào chữa cho khơng qn này, ví dụ khác biệt nhiệt độ làm biến dạng đường thẳng gây sai lệch hình học Euclid Nhưng sớm hay muộn chúng tìm cách thức logic hơn, thuyết phục để mô tả cố Rồi cuối chúng hiểu giới chúng giới có giới hạn với ngun tắc hình học, khác với mà chúng học hỏi Chúng hiểu giới chúng bề mặt hai chiều hình cầu chúng khơng có khả tưởng tượng hình cầu Chúng tiếp thu nhanh chóng nguyên tắc hình học khác biệt TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 257 với hình học Euclid Tuy nhiên, loại hình học thiết lập theo cách thức logic quán với giới hai chiều chúng Đối với hệ tiếp thu kiến thức hình học hình cầu, hình học Euclid dường phức tạp giả tạo khơng phù hợp với kiện quan sát Chúng ta trở lại với sinh vật ba chiều giới Khi nói khơng gian ba chiều có đặc tính Euclid, điều ngày có ý nghĩa gì? Khơng khác tất diễn đạt cơng thức hình học Euclid chứng minh cách logic xác minh thí nghiệm thực tế Chúng ta kiến tạo vật thể tương ứng với vật thể lý tưởng hình học Euclid vật cứng hay tia sáng Cạnh thước hay tia sáng tương ứng với đường thẳng, tổng góc tam giác làm từ cứng mỏng 180 độ, tỷ lệ hai bán kính hai vòng tròn đồng tâm tạo thành từ sợi dây mỏng với tỷ lệ chu vi chúng Khi trình bày theo cách này, hình học Euclid chương vật lý học, chương đơn giản Nhưng hình dung có điểm khơng thống tìm thấy, thí dụ tổng góc tam giác lớn kiến tạo từ mà nhiều lý coi cứng rắn, khơng cịn 180 độ Do chấp nhận ý tưởng cho diễn đạt cụ thể vật thể hình học Euclid vật rắn, có lẽ phải tìm vài lực vật lý để lý giải kết bất ngờ Chúng ta cố gắng tìm chất vật lý lực ảnh hưởng 258 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý lên tượng khác Để cứu vãn hình học Euclid, nên quy lỗi cho vật thể khơng thật rắn khơng hồn tồn tương thích với khái niệm hình học Euclid Chúng ta có lẽ nên cố gắng tìm kiếm phương pháp tốt để biểu diễn vật thể nhằm đáp ứng địi hỏi hình học Euclid Tuy nhiên, không thành công việc phối hợp hình học Euclid vật lý học để hình thành tranh đơn giản hài hòa, nên từ bỏ ý tưởng cho không gian không gian Euclid nên tìm kiếm tranh thuyết phục thực, với giả định tổng quát tính chất hình học khơng gian Sự cần thiết cho vấn đề làm sáng tỏ thí nghiệm lý tưởng, thấy vật lý thực theo thuyết tương đối khơng thể dựa tảng hình học Euclid Những luận chứng dựa kinh nghiệm có từ HTTĐ qn tính thuyết tương đối đặc biệt (thuyết tương đối hẹp) Hãy tưởng tượng đĩa thật lớn, ta vẽ hai vòng tròn đồng tâm đĩa ấy, nhỏ lớn TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 259 Cái đĩa quay nhanh, tương người quan sát bên ngồi, cịn người quan sát bên đĩa Ta giả định thêm HTTĐ người quan sát bên hệ qn tính Người quan sát bên ngồi vẽ HTTĐ qn tính ơng ta hai vịng trịn, nhỏ lớn, hai vòng tròn trùng lắp với hai vịng trịn đĩa quay Hình học Euclid có hiệu lực HTTĐ ơng ta HTTĐ qn tính, đó, ơng ta nhận thấy tỷ lệ chu vi hai vịng trịn với tỷ lệ hai bán kính Nhưng điều người quan sát ngồi đĩa? Từ quan điểm vật lý cổ điển thuyết tương đối hẹp, HTTĐ ông ta HTTĐ bị cấm Tuy nhiên, có ý định xem lại đổi định luật vật lý để chúng có hiệu lực HTTĐ nào, phải có thái độ nghiêm túc người quan sát đĩa người quan sát bên Khi quan sát từ bên ngoài, thấy người đĩa cố gắng đo đạc bán kính chu vi vịng trịn đĩa quay Ơng ta dùng thước đo giống hệt thước đo người quan sát bên ngồi “Giống hệt” có nghĩa người bên đưa cho người bên đĩa thước hai thước có chiều dài chúng nằm yên HTTĐ Người quan sát đĩa bắt đầu đo bán kính chu vi vịng trịn nhỏ Ơng ta bắt buộc phải tìm kết với người quan sát bên Trục quay đĩa xuyên qua tâm vòng tròn Những phần khác gần tâm đĩa có vận tốc nhỏ Nếu vịng trịn đủ nhỏ áp dụng học cổ điển cách an tồn mà khơng cần đến thuyết tương đối hẹp Điều có nghĩa thước có chiều dài người 260 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý quan sát bên bên vậy, kết hai lần đo đạc hai người Bây người quan sát đĩa đo bán kính vịng trịn lớn Đối với người quan sát bên ngoài, thước chuyển động đặt bán kính vịng trịn lớn Tuy nhiên, chiều dài thước không co lại có chiều dài hai người quan sát hướng chuyển động đĩa vng góc với thước Như thế, ba phép đo có kết hai người quan sát: Hai bán kính chu vi vịng trịn nhỏ Nhưng điều lại khơng phép đo thứ tư! Chiều dài chu vi vòng trịn lớn có khác biệt hai người quan sát Đối với người quan sát bên ngoài, thước đặt chu vi vòng tròn theo hướng chuyển động đĩa co lại trở nên ngắn so với nằm yên Vận tốc lớn nhiều so với vòng tròn bên co lại phải tính đến Vì thế, áp dụng kết thuyết tương đối hẹp kết luận là: Chiều dài chu vi vòng tròn lớn khác đo đạc hai người quan sát Vì bốn chiều dài đo đạc hai người quan sát không giống hai người, tỷ lệ hai bán kính khơng thể với tỷ lệ hai chu vi người quan sát bên trong, lại người quan sát bên ngồi Điều có nghĩa người quan sát đĩa xác minh hiệu lực hình học Euclid HTTĐ ơng ta Sau có kết này, người quan sát đĩa nói ơng ta khơng muốn xem xét HTTĐ hình học Euclid khơng có hiệu lực HTTĐ Sự sụp đổ hình học Euclid chuyển động quay tuyệt đối, HTTĐ ông TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 261 ta HTTĐ tồi bị cấm Nhưng suy luận theo cách này, ông ta từ bỏ ý tưởng thuyết tương đối rộng Mặt khác, muốn từ bỏ chuyển động tuyệt đối giữ lại ý tưởng thuyết tương đối rộng, vật lý học phải xây dựng tảng hình học có tính tổng qt hình học Euclid Chúng ta khơng thể tránh khỏi kết luận tất HTTĐ có giá trị Những đổi thay đến từ thuyết tương đối rộng bị giới hạn không gian Trong thuyết tương đối hẹp, có đồng hồ nằm yên HTTĐ, chúng chạy nhịp đồng với nhau, có nghĩa chúng thời điểm Điều xảy đồng hồ HTTĐ khơng qn tính? Chúng ta dùng lần thí nghiệm lý tưởng với đĩa Bên HTTĐ qn tính mình, người quan sát bên ngồi có đồng hồ hồn hảo chạy nhịp đồng Người quan sát bên lấy hai đồng hồ giống hệt đặt vòng tròn nhỏ, vòng tròn lớn Đồng hồ vịng trịn nhỏ có vận tốc tương người quan sát bên nhỏ Vì thế, kết luận cách an tồn đồng hồ có nhịp hoạt động với đồng hồ bên Nhưng đồng hồ đặt vịng trịn lớn có vận tốc đáng kể có nhịp hoạt động thay đổi so với đồng hồ người quan sát bên ngồi, Vì thế, thay đổi so với đồng hồ đặt vòng tròn nhỏ Như vậy, hai đồng hồ chuyển động tròn chạy khác nhịp Do đó, áp dụng kết thuyết tương đối hẹp HTTĐ có chuyển động quay, khơng có kiểu mẫu tương tự HTTĐ quán tính 262 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Để làm rõ kết luận rút từ điều từ thí nghiệm lý tưởng trước đây, trích dẫn thảo luận nhà vật lý cổ điển CĐ tin vào vật lý cổ điển nhà vật lý đại HĐ hiểu thuyết tương đối rộng CĐ người quan sát bên ngoài, HTTĐ quán tính, HĐ người quan sát đĩa quay CĐ Trong HTTĐ ơng, hình học Euclid khơng cịn hiệu lực Tơi quan sát phép đo ông đồng ý HTTĐ ông, tỷ lệ hai chu vi không tỷ lệ hai bán kính Điều cho thấy HTTĐ ơng HTTĐ bị cấm Cịn HTTĐ tơi HTTĐ qn tính nên tơi ứng dụng hình học Euclid cách an tồn Cái đĩa ơng trạng thái chuyển động tuyệt đối theo lập trường vật lý cổ điển, HTTĐ bị cấm Do đó, định luật vật lý khơng có hiệu lực HĐ Tôi không quan tâm đến chuyển động tuyệt đối HTTĐ tốt HTTĐ ông Điều mà nhận thấy ông quay tương đối xung quanh đĩa tơi Khơng ngăn cấm quy chiếu chuyển động đĩa tơi CĐ Nhưng ơng có cảm nhận lực kỳ lạ liên tục đẩy ông khỏi tâm đĩa? Nếu đĩa ông vòng đu quay xoay tròn nhanh, hai kiện mà ông quan sát chắn khơng xảy Ơng khơng nhận thấy lực ln đẩy ơng bên ngồi khơng nhận thấy hình học Euclid khơng thể áp dụng cho HTTĐ ông Liệu kiện đủ để thuyết phục ông nhận thấy HTTĐ ông chuyển động tuyệt đối hay khơng? HĐ Hồn tồn không! Dĩ nhiên ý đến hai kiện TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 263 mà ông đề cập đến, cho trường hấp dẫn lạ kỳ tác động lên đĩa tơi nguyên nhân gây hai kiện Trường hấp dẫn hướng bên đĩa làm biến dạng thước thay đổi nhịp hoạt động đồng hồ Đối với tôi, trường hấp dẫn, hình học phi – Euclid đồng hồ có nhịp hoạt động khác biệt liên hệ với cách chặt chẽ Một thừa nhận tất HTTĐ có giá trị nhau, tức khắc phải giả định trường hấp dẫn thích hợp có ảnh hưởng lên cứng đồng hồ CĐ Nhưng ơng có nhận thấy khó khăn nảy sinh từ thuyết tương đối rộng ông hay không? Tôi làm rõ quan điểm thí dụ đơn giản không liên quan đến vật lý Chúng ta tưởng tượng thành phố lý tưởng Mỹ có đường song song tạo thành góc vng với đại lộ song song Khoảng cách đường hay đại lộ không đổi Với giả định này, khối nhà có kích cỡ Và thế, tơi định vị khối nhà cách dễ dàng Cấu trúc khơng thể thiết lập khơng có hình học Euclid Cho nên khơng thể bao phủ cấu trúc lên toàn Trái Đất Chỉ cần nhìn vào Trái Đất ơng bị thuyết phục Và bao phủ đĩa ông “cấu trúc Mỹ” Ông cho thước ông bị trường hấp dẫn làm cong Việc mà ông xác minh định lý Euclid, qua tỷ lệ bán kính chu vi, cho thấy rõ ông sử dụng cấu trúc lưới đặn với đường phố đại lộ dù sớm hay muộn ơng gặp phải nhiều khó khăn thấy nhận thấy thực 264 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý việc đĩa ơng Hệ thống hình học đĩa xoay ông giống mặt phẳng bị uốn cong mà người ta hiển nhiên xây dựng hệ thống đường – đại lộ phần có diện tích đủ lớn mặt phẳng Bây xét thí dụ có tính chất vật lý Chúng ta có mặt phẳng làm nóng khơng đồng với nhiệt độ khác phần khác bề mặt Liệu ơng thực cấu trúc “song song – vng góc” hình vẽ với que sắt co giãn theo nhiệt độ hay không? Dĩ nhiên không! Chắc “trường hấp dẫn” ông nguyên nhân gây nên thay đổi nhiệt độ que sắt làm biến dạng thước ơng HĐ Tơi hồn tồn khơng lo lắng tất điều Cấu trúc đường– đại lộ cần thiết để xác định vị trí điểm, đồng hồ để xác định trình tự kiện Chúng ta không thiết phải theo khuôn mẫu thành phố Mỹ, hệ thống đường phố Âu châu cổ kính giúp theo đuổi so sánh Hãy tưởng tượng thành phố lý tưởng ơng làm chất dẻo sau ông làm biến dạng Tôi đếm khu phố nhận TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 265 đường đại lộ, chúng khơng cịn thẳng khơng cịn cách Cũng giống thế, định vị điểm Trái Đất theo vĩ độ kinh độ cho dù cấu trúc lưới theo kiểu mẫu đường phố Mỹ CĐ Tơi cịn thấy khó khăn Ông bắt buộc phải dùng đến “cấu trúc thành phố Âu châu” Tơi đồng ý ơng đặt cách có hệ thống điểm hay thời điểm, cấu trúc làm xáo trộn đo đạc khoảng cách Cấu trúc ơng khơng có tính chất hệ mét khơng gian tơi Chúng ta lấy thí dụ Tại thành phố Mỹ, biết để đoạn xa mười khối nhà, phải qua hai đoạn đường dài năm khối nhà Do biết tất khối nhà có chiều dài nhau, tơi xác định khoảng cách HĐ Hoàn toàn Trong cấu trúc “thành phố Âu châu”, trực tiếp đo đạc khoảng cách việc đếm khối nhà bị biến dạng Tôi cần phải thêm số điều nữa; tơi phải biết tính chất hình học mặt phẳng Cũng 266 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý người biết khoảng cách từ 0 độ đến 10 độ kinh độ đường xích đạo khơng giống khoảng cách từ 0 độ đến 10 độ kinh độ gần bắc cực Nhưng thủy thủ tính khoảng cách hai điểm Trái Đất họ hiểu tính chất hình học Trái Đất Họ tính tốn dựa kiến thức lượng giác cầu, dựa vào thực nghiệm để điều khiển thuyền hai khoảng cách với vận tốc Trong trường hợp ông – thành phố Mỹ – vấn đề trở nên đơn giản tất đường đại lộ xếp cách Trong trường hợp Trái Đất vấn đề phức tạp nhiều hai kinh tuyến 0 độ 10 độ gặp cực Trái Đất, cách xa xích đạo Cũng giống vậy, để xác định khoảng cách, với cấu trúc thành phố Âu châu, tơi cần có nhiều kiện so với “cấu trúc thành phố Mỹ” ông Tôi có kiện nghiên cứu tính chất hình học miền liên tục tơi trường hợp đặc biệt CĐ Nhưng thật tất điều chứng tỏ cho phức tạp bất lợi từ bỏ đơn giản hình học Euclid thay mơ hình phức tạp mà ông dự định sử dụng Điều có thực cần thiết hay khơng? HĐ Tơi lo lắng rằng, điều thật cần thiết muốn áp dụng định luật vật lý vào HTTĐ mà không cần tới HTTĐ qn tính khó hiểu Tơi đồng ý cơng cụ tốn học tơi phức tạp ông, giả định vật lý đơn giản tự nhiên Cuộc thảo luận giới hạn miền liên tục hai chiều Việc tranh cãi thuyết tương đối rộng phức tạp nhiều, TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 267 miền liên tục không gian – thời gian bốn chiều không hai chiều Nhưng ý tưởng tương tự với trường hợp miền liên tục hai chiều Trong thuyết tương đối rộng, dùng khung học tạo thành từ song song, vng góc đồng hồ chạy đồng thuyết tương đối hẹp Trong HTTĐ bất kỳ, xác định vị trí thời điểm xảy kiện cách dùng thẳng cứng rắn, đồng hồ nhịp đồng HTTĐ quán tính thuyết tương đối hẹp Chúng ta xếp kiện phi– Euclid đồng hồ hoạt động không nhịp Nhưng phép đo thật cần đến rắn đồng hồ nhịp đồng thực HTTĐ qn tính cục Tồn thuyết tương đối hẹp có hiệu lực cho hệ thống thế; HTTĐ “tốt” HTTĐ cục tính chất qn tính bị hạn chế không gian thời gian Ngay HTTĐ bất kỳ, dự đốn kết đo đạc thực HTTĐ quán tính cục Nhưng muốn thế, phải biết tính chất hình học miền liên tục khơng gian - thời gian Các thí nghiệm lý tưởng nêu lên tính tổng quát quan điểm vật lý theo thuyết tương đối Chúng cho thấy vấn đề hấp dẫn Chúng cho thấy thuyết tương đối rộng dẫn đến tổng quát khái niệm thời gian không gian 268 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý THUYẾT TƯƠNG ĐỐI RỘNG VÀ SỰ XÁC MINH Thuyết tương đối rộng cố gắng thiết lập định luật vật lý có hiệu lực cho HTTĐ Vấn đề lý thuyết tượng hấp dẫn Kể từ thời Newton đến nay, lần mà lý thuyết cố gắng cách nghiêm túc việc thiết lập lại định luật hấp dẫn Điều có thật cần thiết hay khơng? Chúng ta biết đến thành tựu lý thuyết Newton, biết đến bước tiến vĩ đại ngành thiên văn học dựa vào lý thuyết Cho đến nay, lý thuyết Newton tảng cho việc tính tốn ngành thiên văn học Nhưng biết đến ý kiến phản đối lý thuyết xưa cũ Định luật Newton có giá trị HTTĐ qn tính vật lý cổ điển Hãy nhớ HTTĐ xác định với điều kiện định luật học phải có hiệu lực HTTĐ Lực tương tác hai khối lượng tùy thuộc vào khoảng cách chúng Như biết, liên hệ lực khoảng cách không đổi phép biến đổi cổ điển Nhưng định luật lại khơng thích hợp cho khn khổ thuyết tương đối hẹp Khoảng cách khơng cịn bất biến phép biến đổi Lorentz Tương tự thành công định luật chuyển động, cố gắng tổng quát hóa định luật hấp dẫn để phù hợp với thuyết tương đối hẹp Hay nói cách khác, phải thiết lập lại định luật hấp dẫn cho phải bất biến phép biến đổi Lorentz phép biến đổi cổ điển Tuy TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 269 nhiên, định luật hấp dẫn Newton ngoan cố chống lại cố gắng để đơn giản hóa làm cho phù hợp với khuôn khổ thuyết tương đối hẹp Ngay thành công, cần bước Đó bước chuyển đổi từ HTTĐ quán tính thuyết tương đối hẹp sang HTTĐ thuyết tương đối rộng Mặt khác, qua thí nghiệm lý tưởng buồng thang máy rơi tự do, thấy khơng thể thiết lập thuyết tương đối rộng chưa giải đề tượng hấp dẫn Từ lập luận chúng ta, thấy rõ lời giải đáp cho vấn đề hấp dẫn phải có khác biệt vật lý cổ điển thuyết tương đối rộng Chúng ta cố gắng đường dẫn đến thuyết tương đối rộng lý buộc phải thay đổi quan điểm xưa cũ Không cần sâu vào cấu trúc hình thức lý thuyết này, mô tả số điểm đặc trưng thuyết hấp dẫn để so sánh với thuyết hấp dẫn cũ Sẽ khơng q khó để hiểu thấu đáo chất khác biệt qua thảo luận trước Các phương trình hấp dẫn thuyết tương đối rộng áp dụng cho HTTĐ Nếu chọn HTTĐ đặc thù cho trường hợp đặc biệt, tiện lợi mà Về mặt lý thuyết, HTTĐ phép Khi khơng có tượng hấp dẫn, tự động quay lại trường hợp HTTĐ quán tính thuyết tương đối hẹp Định luật hấp dẫn Newton liên kết chuyển động vật thể với tác động thời điểm vật thể khác xa Định luật hình thành 270 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý chuẩn mực cho toàn tư học Nhưng tư học sụp đổ Trong phương trình Maxwell, thiết lập chuẩn mực cho định luật tự nhiên Các phương trình Maxwell định luật cấu trúc Các phương trình liên kết biến cố xảy với biến cố xảy sau vùng lân cận gần Chúng định luật diễn tả thay đổi trường điện từ Các phương trình hấp dẫn định luật cấu trúc diễn tả thay đổi trường hấp dẫn Chúng ta nói cách đơn giản là: Sự chuyển đổi từ định luật hấp dẫn Newton qua thuyết tương đối rộng có phần tương tự với chuyển đổi từ lý thuyết lưu chất điện định luật Coulomb đến lý thuyết Maxwell Thế giới khơng có tính chất giới Euclid Bản chất hình học giới định dạng khối lượng vận tốc chúng Các phương trình hấp dẫn thuyết tương đối rộng cố gắng tìm hiểu tính chất hình học giới Hãy giả sử thời điểm này, thành công việc thực cách triệt để kế hoạch thuyết tương đối rộng Liệu có nguy hiểm khơng suy đốn q xa rời thực tế? Chúng ta biết lý thuyết cũ giải thích tốt quan sát thiên văn Liệu có khả xây dựng cầu nối lý thuyết quan sát? Mỗi suy đoán phải kiểm tra thực nghiệm kết quả, dù hấp dẫn đến đâu, phải bị loại bỏ chúng không phù hợp với thực tế Làm lý thuyết cho tượng hấp dẫn đứng vững qua thử nghiệm? Câu hỏi TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 271 trả lời câu: Lý thuyết cũ trường hợp giới hạn đặc biệt lý thuyết Nếu lực hấp dẫn tương đối yếu, định luật Newton trở nên gần định luật hấp dẫn Như quan sát minh chứng cho tính đắn lý thuyết cổ điển minh chứng cho tính đắn thuyết tương đối rộng Chúng ta có lại lý thuyết cũ từ lý thuyết mức độ cao Ngay chưa có thêm quan sát để củng cố cho lý thuyết mới, lý giải tốt tương đương với lý thuyết cũ, phải chọn hai, nên ưu tiên cho lý thuyết Về mặt hình thức, phương trình lý thuyết phức tạp nhiều; từ quan điểm nguyên tắc bản, giả định chúng lại đơn giản nhiều Hai bóng ma đáng sợ thời gian tuyệt đối HTTĐ quán tính khơng cịn xuất Manh mối tương đương khối lượng hấp dẫn khối lượng quán tính ý đến Các giả định cho lực hấp dẫn cho phụ thuộc chúng vào khoảng cách không cần thiết Các phương trình trường hấp dẫn mang hình thức cấu trúc, hình thức bắt buộc định luật vật lý kể từ xuất lý thuyết trường thành tựu to lớn Một vài suy diễn rút từ định luật hấp dẫn mà trước suy từ định luật hấp dẫn Newton Đầu tiên uốn cong tia sáng trường hấp dẫn mà đề cập tới Cịn có hai hệ nói đến sau Nếu định luật cũ dẫn xuất từ định luật trường hấp dẫn yếu, chờ đợi sai lệch 272 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý định luật Newton trường hấp dẫn lực hấp dẫn trở nên mạnh Chúng ta quan sát hành tinh thái dương hệ Các hành tinh này, kể Trái Đất chúng ta, chuyển động theo quỹ đạo elip quanh Mặt Trời Sao Thủy hành tinh gần Mặt Trời nhất, lực hút Mặt Trời Thủy mạnh so với lực hút Mặt Trời tất hành tinh khác Cơ may lớn để tìm thấy sai lệch định luật Newton mà có trường hợp Thủy Theo lý thuyết cổ điển, quỹ đạo Thủy tương tự quỹ đạo hành tinh khác, điểm khác biệt gần Mặt Trời Theo thuyết tương đối rộng, chuyển động Thủy phải khác so với chuyển động hành tinh khác Sao Thủy chuyển động không xung quanh Mặt Trời, mà quỹ đạo elip vẽ nên xoay quanh Mặt Trời cách chậm chạp, tương HTTĐ gắn liền với Mặt Trời TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 273 Sự quay tròn quỹ đạo elip biểu lộ hiệu ứng thuyết tương đối rộng Lý thuyết tiên đoán độ lớn hiệu ứng Quỹ đạo elip Thủy hoàn tất chu kỳ xoay quanh Mặt Trời ba triệu năm! Chúng ta thấy hiệu ứng bé nhỏ thật vơ vọng để tìm thấy hiệu ứng cho hành tinh xa Mặt Trời Thật ra, chuyển động lệch khỏi quỹ đạo elip Thủy biết đến trước thuyết tương đối rộng thành lập, nhiên điều chưa giải thích Mặt khác, thuyết tương đối rộng phát triển vấn đề đặc biệt Chỉ sau thiết lập phương trình hấp dẫn mới, người ta đưa kết luận quỹ đạo hình elip hành tinh quay quanh Mặt Trời Trong trường hợp Thủy, lý thuyết giải thích thành cơng lệch chuyển động định luật Newton Nhưng kết luận khác rút từ thuyết tương đối rộng xác minh thực nghiệm Chúng ta nhận thấy đồng hồ đặt vòng tròn lớn đĩa quay trịn có nhịp hoạt động khác với đồng hồ đặt vòng tròn nhỏ Tương tự thế, theo thuyết tương đối rộng, đồng hồ đặt Mặt Trời, hoạt động khác nhịp so với đặt Trái Đất, trường hấp dẫn Mặt Trời có ảnh hưởng mạnh nhiều so với Trái Đất Chúng ta nhớ lại chương “Điều bí ẩn màu sắc”, nóng sáng, kim loại natri (Na) phóng thích ánh sáng vàng đơn sắc có bước sóng xác định Trong trình xạ này, nguyên tử natri bộc lộ nhịp hoạt động Ta coi nguyên tử natri đồng hồ 274 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý bước sóng ánh sáng phát nhịp hoạt động Theo thuyết tương đối rộng, bước sóng ánh sáng phóng thích từ nguyên tử natri Mặt Trời dài so với bước sóng ánh sáng phóng thích từ ngun tử natri Trái Đất Vấn đề xác minh thực nghiệm kết luận thuyết tương đối rộng quan sát vấn đề phức tạp, khó khăn không phép xem giải triệt để Vì quan tâm đến ý tưởng nên không sâu vào vấn đề nói rằng, nay, phán có từ thí nghiệm khẳng định đắn kết luận rút từ thuyết tương đối rộng TRƯỜNG VÀ VẬT CHẤT Chúng ta thấy nguyên nhân trình sụp đổ tư học Người ta khơng thể giải thích tất tượng tự nhiên cách quy chúng tương tác lực đơn giản hạt cố định Cố gắng phá vỡ khuôn khổ hạn hẹp tư học đưa vào khái niệm trường, điều đem đến kết hữu ích cho tượng điện từ trường Các định luật cấu trúc cho trường điện từ thiết lập, định luật cho phép liên kết việc xảy gần với không gian thời gian Các định luật phù hợp với khuôn khổ thuyết tương đối hẹp chúng bất biến phép biến đổi Lorentz Sau TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 275 đó, thuyết tương đối rộng thiết lập định luật hấp dẫn Các định luật cấu trúc diễn tả trường hấp dẫn hạt vật chất Chúng ta không gặp khó khăn tổng quát hóa định luật Maxwell để chúng áp dụng vào HTTĐ, giống định luật hấp dẫn thuyết tương đối rộng Chúng ta có hai thực tại: vật chất trường Bây giờ, hồn tồn khơng thể nghĩ toàn vật lý xây dựng khái niệm vật chất nhà vật lý đầu kỷ thứ mười chín Trước mắt, phải chấp nhận hai khái niệm Liệu nghĩ vật chất trường hai thực thể riêng biệt khác nhau? Khi xét hạt vật chất, hình dung – dù với hình ảnh thật thơ sơ – hạt có bề mặt xác định Bề mặt chấm dứt hữu vật chất nơi khởi đầu trường hấp dẫn Trong tranh chúng ta, phạm vi hiệu lực định luật trường bị chia cắt cách đột ngột với phạm vi diện vật chất Nhưng tiêu chuẩn vật lý cho phép ta phân biệt vật chất trường? Trước biết đến thuyết tương đối, có lẽ trả lời theo cách sau: Vật chất có khối lượng cịn trường khơng Trường tượng trưng cho lượng, vật chất tượng trưng cho khối lượng Nhưng biết câu trả lời hạn chế theo quan điểm kiến thức thu thập sau Từ thuyết tương đối, biết vật chất tượng trưng cho tích trữ lượng lượng vô lớn lượng tượng trưng cho vật chất Theo đó, phân biệt vật chất trường mặt định tính, phân biệt khối lượng lượng khơng mang tính định tính Hầu hết lượng tập 276 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý trung bên vật chất; nhiên trường bao quanh phần tử vật chất chứa đựng lượng, dù với lượng nhỏ Do nói rằng: Vật chất nơi tập trung nhiều lượng trường nơi tập trung lượng Tuy nhiên, khác biệt vật chất trường có chất định lượng định tính Sẽ hồn tồn vơ nghĩa xem vật chất trường hai đại lượng hoàn toàn khác Chúng ta khơng thể hình dung bề mặt ngăn cách rõ ràng trường vật chất Chúng ta có khó khăn điện tích trường Dường khơng có khả tìm tiêu chuẩn rõ ràng mặt định tính để phân biệt vật chất trường hay điện tích trường Những định luật cấu trúc chúng ta, định luật Maxwell định luật hấp dẫn, khơng cịn hiệu lực nơi có tập trung lớn lượng, hay nói cách khác, nơi diện nguồn phát trường, nơi diện điện tích hay vật chất Nhưng liệu thật sửa đổi chút phương trình để chúng có hiệu lực khắp nơi, vùng tập trung lượng vô lớn hay sao? Chúng ta xây dựng vật lý học mà dựa tảng khái niệm vật chất Nhưng ta có nhận thức tương đồng khối lượng lượng, phân biệt vật chất trường trở nên điều mang tính giả tạo khơng rõ ràng Liệu từ bỏ ý niệm vật chất xây dựng vật lý trường túy? Chúng ta có ấn tượng vật chất thật tập trung lượng lớn TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 277 khơng gian tương đối nhỏ Chúng ta coi vật chất vùng không gian, nơi mà trường trở nên vô mạnh Theo cách này, bối cảnh triết học hình thành Mục đích cuối giải đáp tất kiện tự nhiên định luật cấu trúc ln có hiệu lực nơi Từ quan điểm này, đá ném trường thay đổi, nơi mà trạng thái cường độ trường lớn chuyển động không gian với vận tốc với vận tốc đá Trong vật lý khơng có chỗ cho hai khái niệm trường vật chất; trường coi thực thể Quan điểm đề xuất thành tựu to lớn vật lý trường, thành công việc diễn đạt định luật điện, từ, tượng hấp dẫn theo hình thức định luật cấu trúc cuối tương đương khối lượng lượng Mục đích tối cao tìm cách sửa đổi định luật trường để định luật không sụp đổ vùng có tập trung lượng vô to lớn Nhưng nay, chưa thành công việc thực dự định cách thuyết phục quán Việc định khả có thực hay khơng cịn thuộc tương lai Trước mắt, phải chấp nhận giả định hai thực thể cho tất khái niệm lý thuyết là: trường vật chất Những vấn đề cịn nằm phía trước Chúng ta biết tất vật chất có cấu tạo từ vài loại hạt Làm mà nhiều hình thái vật chất lại tạo thành từ hạt này? Các hạt tương tác với trường nào? Trong trình cố gắng tìm kiếm lời giải đáp cho 278 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý câu hỏi này, nhiều ý tưởng đưa vào vật lý, kết tinh ý tưởng thuyết lượng tử Chúng ta tóm tắt: Một khái niệm xuất vật lý, phát minh quan trọng kể từ thời Newton: Trường Chúng ta phải cần đến trí tưởng tượng khoa học vơ phong phú để nhận thức điều cần thiết để diễn đạt tượng vật lý điện tích hay hạt mà trường nằm khoảng cách điện tích hạt Khái niệm trường chứng tỏ có thành cơng lớn, dẫn đến việc thiết lập phương trình Maxwell nhằm diễn đạt cấu trúc trường điện từ, bao gồm tượng quang học điện học Thuyết tương đối phát sinh từ khó khăn khái niệm trường Sự mâu thuẫn không quán lý thuyết cũ buộc phải quy thêm số tính chất cho miền liên tục không gian – thời gian cho tất kiện xảy giới vật chất Thuyết tương đối kết tinh hai giai đoạn Giai đoạn dẫn dắt đến với thuyết tương đối hẹp ứng dụng cho hệ quán tính, hệ mà định luật qn tính Newton có hiệu lực Thuyết tương đối hẹp dựa hai giả định bản: Các định luật vật lý có hiệu lực tất hệ trục tọa độ chuyển động đều, tương nhau; vận tốc ánh sáng số Những giả định cho phép suy tính chất đo đồng hồ di chuyển Đó thay đổi chiều dài nhịp hoạt động tùy thuộc vào vận tốc Thuyết tương đối thay đổi định luật học Các định luật cũ khơng cịn hiệu lực vận tốc vật thể tiến TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 279 tới vận tốc ánh sáng Các định luật hình thành từ thuyết tương đối cho vật thể chuyển động xác minh cách hoàn hảo thực nghiệm Hệ thuyết tương đối (hẹp) liên hệ khối lượng lượng Khối lượng lượng lượng mang khối lượng Hai định luật bảo toàn lượng khối lượng thuyết tương đối sáp nhập thành định luật nhất: Định luật bảo toàn khối lượng – lượng Thuyết tương đối rộng đem đến cho phân tích sâu sắc miền liên tục không gian – thời gian Hiệu lực thuyết tương đối rộng khơng cịn bị giới hạn hệ qn tính Lý thuyết cơng kích tượng hấp dẫn hình thành định luật cấu trúc cho trường hấp dẫn Nó buộc phải phân tích vai trị hình học việc mô tả giới vật chất Lý thuyết xem đồng khối lượng hấp dẫn khối lượng qn tính tối cần thiết, khơng tình cờ học cổ điển Những hệ thực nghiệm từ thuyết tương đối rộng có khác biệt nhỏ so với hệ thực nghiệm từ học cổ điển Chúng đứng vững qua thử thách thực nghiệm nơi so sánh Tuy nhiên, sức mạnh lý thuyết nằm tính logic nội đơn giản giả định Ý nghĩa vật lý khái niệm trường đánh giá cao khuôn khổ thuyết tương đối rộng Nhưng nay, chưa thành công việc thiết lập vật lý trường túy Hiện phải chấp nhận hai thực thể: Trường vật chất 280 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý IV LƯỢNG TỬ LƯỢNG TỬ Sự liên tục - gián đoạn Lượng tử sơ cấp vật chất điện Lượng tử ánh sáng Quang phổ Sóng vật chất Sóng xác suất Vật lý thực SỰ LIÊN TỤC - SỰ GIÁN ĐOẠN Trước mặt đồ thành phố New York vùng phụ cận Chúng ta hỏi rằng: Chúng ta đến điểm đồ xe lửa? Sau tìm điểm thời gian biểu ga xe lửa, đánh dấu chúng đồ Bây thay đổi câu hỏi: Chúng ta đến điểm xe hơi? Nếu vẽ lên đồ đường New York, thực đến điểm đường xe Trong hai trường hợp, có tập hợp điểm Trong trường hợp đầu tiên, điểm bị phân cách với tượng trưng cho ga xe lửa Trong trường hợp thứ hai, điểm nằm đường kẻ tượng trưng cho đường Câu hỏi là: Khoảng cách từ điểm 282 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý đến thành phố New York hay xác đến nơi thành phố bao nhiêu? Trong trường hợp thứ nhất, số số tương ứng với điểm đồ Những số thay đổi không theo quy tắc hữu hạn, lúc lớn lúc nhỏ Chúng ta nói: Những khoảng cách thành phố New York nơi đến xe lửa thay đổi cách khơng liên tục Cịn khoảng cách từ New York đến nơi đến xe thay đổi đoạn ngắn tùy ý, khoảng cách thay đổi cách liên tục Sự thay đổi khoảng cách lớn nhỏ tùy ý trường hợp xe thực trường hợp xe lửa Sản lượng mỏ than thay đổi cách liên tục Số lượng than đá sản xuất tăng hay giảm với lượng nhỏ tùy ý, số công nhân làm việc mỏ than thay đổi cách khơng liên tục Hồn tồn vơ nghĩa người ta nói rằng: “Kể từ hôm qua, số công nhân tăng thêm 3,783 người” Khi hỏi bạn tiền túi, bạn đưa số với hai phân số thập phân Một số tiền thay đổi theo cách nhảy bậc cách không liên tục Ở Mỹ, thay đổi nhỏ phép tiền tệ xu, gọi “lượng tử sơ cấp” đồng tiền Mỹ Lượng tử sơ cấp đồng tiền Anh farthing, có giá trị nửa lượng tử sơ cấp đồng tiền Mỹ Ở đây, có thí dụ hai lượng tử sơ cấp, giá trị chúng so sánh với Tỷ số giá trị chúng có ý nghĩa xác định hai trị số có giá trị gấp hai lần trị số LƯỢNG TỬ - 283 Chúng ta nói rằng: Một vài đại lượng thay đổi cách liên tục vài đại lượng khác thay đổi cách không liên tục, nghĩa thay đổi theo nấc, lượng nhỏ chia nhỏ Những nấc chia nhỏ gọi lượng tử sơ cấp đại lượng đặc trưng Chúng ta cân số lượng lớn cát cho khối lượng liên tục, tạo thành từ hạt cát rời rạc Nhưng lý mà cát trở nên đắt phải cân cân nhạy, phải xét đến thay đổi liên tục khối lượng cát đến từ giá trị đo khác hạt cát Khối lượng hạt cát coi lượng tử sơ cấp Thí dụ cho thấy đại lượng xem liên tục, cân với độ xác cao ta nhận thấy tính chất khơng liên tục Nếu muốn phác thảo ý tưởng thuyết lượng tử câu, nói: Chúng ta phải giả định có vài đại lượng vật lý dù đến xem liên tục, chúng lại cấu thành từ lượng tử sơ cấp Thuyết lượng tử bao trùm kiện có phạm vi vơ to lớn Những kiện khám phá thí nghiệm đại với cơng nghệ cao cấp Vì khơng thể trình bày mơ tả thí nghiệm này, dù bản, nên thường trích dẫn kết cách giáo điều Mục đích giải thích ý tưởng 284 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý LƯỢNG TỬ SƠ CẤP CỦA VẬT CHẤT VÀ ĐIỆN Theo lý thuyết động học, nguyên tố cấu tạo từ phân tử Chúng ta lấy trường hợp đơn giản nguyên tố nhẹ nhất, hydro Trong chương “Thuyết động học vật chất” biết trình nghiên cứu chuyển động Brown dẫn đến việc xác định khối lượng phân tử hydro trị số là: 0,000 000 000 000 000 000 000 0033 gam Điều cho ta thấy khối lượng không liên tục Do khối lượng lượng khí hydro thay đổi số nguyên bước nhỏ bước ứng với khối lượng phân tử hydro Nhưng trình hóa học, người ta thấy phân tử hydro phân làm hai phần, hay nói cách khác, phân tử hydro bao gồm hai nguyên tử Trong q trình hóa học, ngun tử, khơng phải phân tử, có vai trị lượng tử sơ cấp Nếu chia hai số trên, có khối lượng nguyên tử hydro khoảng chừng: 0,000 000 000 000 000 000 000 0017 gam Khối lượng đại lượng không liên tục Tuy nhiên, cân khối lượng vật thể, thường lo lắng điều Vì cân nhạy khơng đủ nhạy để phát tính khơng liên tục thay đổi khối lượng LƯỢNG TỬ - 285 Chúng ta trở lại tượng quen thuộc Một dây điện nối với nguồn điện Dịng điện “chảy” dây điện từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp Chúng ta nhớ lại nhiều kết thực nghiệm giải thích lý thuyết lưu chất điện chảy dây điện Chúng ta nhớ lại lựa chọn chúng ta, lưu chất dương chảy từ điện cao sang điện thấp lưu chất âm chảy từ điện thấp sang điện cao, hoàn toàn quy ước chung Trước mắt tạm gác lại kết đạt với khái niệm trường Ngay nghĩ lưu chất điện, câu hỏi chưa tìm đáp án Như tên “lưu chất” gợi ý, điện coi đại lượng liên tục Theo quan điểm cũ, số lượng điện tích thay đổi theo lượng nhỏ tùy ý Ta khơng cần phải có giả định lượng tử sơ cấp điện Các thành tựu thuyết động học vật chất dẫn đến câu hỏi khác: Liệu lượng tử sơ cấp lưu chất điện có thật tồn tại? Và câu hỏi khác đặt là: Dịng điện gồm có lưu chất dương, lưu chất âm hai? Ý tưởng tất thí nghiệm nhằm trả lời câu hỏi tìm cách tách rời lưu chất điện khỏi dây điện cố gắng dẫn vào khơng gian trống rỗng, giải phóng khỏi ràng buộc vật chất để nghiên cứu tính chất nó, tính chất phải xuất thật rõ ràng điều kiện Nhiều thí nghiệm thực cuối kỷ thứ mười chín Trước giải thích ý tưởng thí nghiệm này, trích dẫn kết thí nghiệm điển hình Lưu chất điện chảy qua sợi dây điện lưu chất âm, nên hướng từ điện thấp sang điện 286 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý cao Nếu biết điều từ đầu, mà lý thuyết lưu chất điện thiết lập, chắn thay đổi cách đặt tên gọi điện tích cao su dương, cịn thủy tinh âm Và thuận tiện cho đặt tên cho lưu chất điện chảy lưu chất điện dương Vì đoán ban đầu sai, nên phải chấp nhận bất tiện Câu hỏi quan trọng là: Có phải lưu chất âm có cấu trúc “hạt rời rạc”, có phải lưu chất âm cấu tạo lượng tử điện hay khơng? Một loạt thí nghiệm độc lập cho thấy hữu lượng tử sơ cấp điện âm khơng cịn nghi ngờ Lưu chất điện âm cấu tạo từ hạt nhỏ bãi biển hình thành từ hạt cát hay nhà xây nhiều viên gạch Kết J J Thomson(25) trình bày cách rõ ràng cách khoảng chừng bốn mươi năm Các lượng tử sơ cấp điện âm gọi electron Như vậy, điện tích âm hình thành từ nhiều điện tích sơ cấp gọi electron Giống khối lượng, điện tích âm thay đổi cách khơng liên tục Tuy nhiên, điện tích sơ cấp q nhỏ nên để thuận tiện nhiều thí nghiệm, người ta xem điện tích đại lượng liên tục Như vậy, lý thuyết nguyên tử electron đưa vào khoa học đại lượng vật lý không liên tục thay đổi bước nhảy Hãy tưởng tượng hai kim loại song song đặt nơi khơng có khơng khí Một có điện tích dương, cịn lại có điện tích âm Một vật thử nghiệm có điện tích dương đặt hai kim loại, bị đẩy có điện tích dương hút có điện tích âm Như đường sức LƯỢNG TỬ - 287 điện trường hướng từ kim loại có điện tích dương đến kim loại có điện tích âm Lực tác động lên vật thể mang điện tích âm có hướng ngược lại Nếu hai kim loại đủ lớn mật độ đường sức khắp nơi bên chúng Vị trí vật thử nghiệm khơng quan trọng lực mật độ đường sức giống Các electron đặt nơi hai kim loại giống hạt mưa rơi trường hấp dẫn Trái Đất Chúng chuyển động song song với hướng từ kim loại nạp điện tích âm tới kim loại nạp điện tích dương Người ta có nhiều phương pháp thực nghiệm để đem mưa electron vào điện trường điện trường hướng electron với cách thức Một cách đơn giản đặt dây điện nung nóng hai kim loại có tích điện Dây điện phóng thích electron, sau chúng bị định hướng đường sức trường bên ngồi Thí dụ bóng đèn điện tử quen thuộc dùng máy radio hoạt động dựa theo nguyên tắc 288 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Nhiều thí nghiệm với chùm electron thực cách khéo léo Sự thay đổi đường chúng điện trường từ trường khảo sát kỹ lưỡng Thậm chí người ta cách ly electron để xác định điện tích sơ cấp khối lượng nó, khối lượng electron qn tính chống lại tác động ngoại lực Ở đây, trích dẫn trị số khối lượng electron Nó nhỏ hai ngàn lần so với khối lượng nguyên tử hydro Như thế, khối lượng vô nhỏ nguyên tử hydro lại trở nên lớn so với khối lượng electron Từ quan điểm lý thuyết trường qn, tồn khối lượng - toàn lượng - electron lượng trường electron Phần lớn lực trường tập trung khơng gian hình cầu nhỏ trở nên yếu xa “tâm” electron Trước nói nguyên tử nguyên tố lượng tử sơ cấp nhỏ nguyên tố Người ta tin tưởng điều thời gian dài, ngày khơng cịn tin điều nữa! Khoa học hình thành quan điểm cho thấy hạn chế quan điểm cũ Hầu khơng có luận dựa kiện xảy lại chắn luận cấu trúc phức tạp nguyên tử Đầu tiên người ta nhận thức electron, lượng tử sơ cấp lưu chất điện âm, thành phần tử nguyên tử, viên gạch sơ cấp cấu thành vật chất Thí dụ trước sợi dây điện phóng thích electron bị nung nóng vơ số thí dụ việc tách phần tử khỏi vật chất Kết cho thấy LƯỢNG TỬ - 289 mối liên hệ mật thiết vấn đề cấu trúc vật chất vấn đề điện Nhận thức củng cố hoàn toàn loạt thí nghiệm độc lập với Việc tách vài electron từ nguyên tử cấu thành vật chất tương đối đơn giản Chúng ta thực điều nhiệt, thí dụ với dây điện nung nóng, hay cách khác, bắn phá nguyên tử với electron khác Giả sử sợi dây kim loại mảnh, nóng đỏ đưa vào khí hydro lỗng, dây kim loại phóng thích electron theo hướng Dưới tác dụng điện trường ngoài, electron đạt tới vận tốc định tăng tốc đá rơi trọng trường Với phương pháp này, tạo nên chùm tia electron di chuyển với vận tốc xác định theo hướng xác định Hiện đạt vận tốc gần vận tốc ánh sáng để electron tác dụng trường mạnh Điều xảy chùm tia electron có vận tốc xác định va chạm với phân tử khí hydro lỗng? Khi electron có vận tốc đủ lớn, va chạm khơng phá vỡ phân tử hydro thành hai nguyên tử mà tách electron khỏi hai nguyên tử Chúng ta chấp nhận electron phần tử vật chất Như nguyên tử bị electron khơng cịn trung tính điện Nếu trước trung tính, khơng thể thiếu điện tích sơ cấp Cho nên phần cịn lại ngun tử phải có điện tích dương Hơn nữa, khối lượng electron nhỏ nhiều so với nguyên tử nhẹ nhất, kết luận phần lớn khối lượng nguyên tử đến từ electron mà từ hạt 290 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý sơ cấp lại, chúng nặng electron nhiều Chúng ta gọi phần nặng nguyên tử hạt nhân nguyên tử Vật lý thực nghiệm đại phát triển nhiều phương pháp nhằm phá vỡ hạt nhân nguyên tử, thay đổi nguyên tử nguyên tố thành nguyên tử nguyên tố khác tách hạt sơ cấp nặng từ nhân nguyên tử Trong vật lý học, lĩnh vực gọi “Vật lý hạt nhân”, Rutherford(26) đóng góp nhiều lĩnh vực thú vị theo quan điểm thực nghiệm Tuy nhiên, ta chưa tìm thấy lý thuyết dựa ý tưởng đơn giản liên kết kiện phong phú phạm vi vật lý hạt nhân Vì trang sách quan tâm đến ý tưởng vật lý tổng quát nên quên vấn đề quan trọng vật lý đại LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG Chúng ta xét tường dọc theo bờ biển Sóng biển đánh liên tục vào tường, làm trôi số thứ bề mặt tường, lại rút để dọn đường cho đợt sóng Khối lượng tường giảm đặt nhiều câu hỏi, ví dụ năm khối lượng tường bị Bây hình dung trình khác Chúng ta muốn làm giảm khối lượng tường cách khác Chúng ta bắn vào tường làm sứt mẻ tường điểm va chạm với viên đạn Chúng ta hoàn tồn tưởng tượng làm cho tường khối lượng LƯỢNG TỬ - 291 hai trường hợp Nhưng quan sát bề mặt tường, phân biệt cách dễ dàng khối lượng tường tác động liên tục sóng biển hay bắn phá khơng liên tục mưa đạn Việc ghi nhớ khác biệt sóng biển mưa đạn hữu ích việc tìm hiểu tượng mà mô tả sau Trước đây, nói dây điện nung nóng phóng thích electron Chúng ta trình bày cách khác để tách electron khỏi kim loại Như biết, ánh sáng đơn sắc, ví dụ ánh sáng màu tím có bước sóng xác định, va chạm lên bề mặt kim loại làm electron bị bắn khỏi kim loại Một trận mưa electron hình thành chúng di chuyển với vận tốc khơng gian Theo nguyên tắc lượng, nói phần lượng ánh sáng biến đổi thành động electron bị bắn khỏi kim loại Kỹ thuật thực nghiệm đại giúp có khả ghi nhận dấu vết “viên đạn” electron này, xác định vận tốc chúng suy lượng chúng Việc tách electron ánh sáng chiếu lên kim loại gọi hiệu ứng quang điện Điểm xuất phát tác động ánh sáng đơn sắc có cường độ xác định Cũng thí nghiệm khác, phải thay đổi điều kiện thí nghiệm nhằm khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng vừa quan sát Chúng ta bắt đầu việc thay đổi cường độ ánh sáng đơn sắc màu tím chiếu lên bề mặt kim loại ghi nhận mức độ phụ thuộc lượng electron vào cường độ ánh sáng Chúng ta tìm câu trả lời lý luận thay 292 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý thực nghiệm Ta lập luận sau: Trong hiệu ứng quang điện, phần lượng lượng xạ biến đổi thành động electron Nếu chiếu sáng kim loại ánh sáng có bước sóng trước, từ nguồn sáng mạnh hơn, lượng electron phóng thích phải lớn xạ có nhiều lượng Do vậy, nghĩ vận tốc electron phóng thích gia tăng cường độ ánh sáng gia tăng Nhưng thực nghiệm lại cho ta kết trái ngược với dự đoán Một lần nhận thấy định luật tự nhiên không tuân theo mong muốn chúng ta, lại lần kết thí nghiệm khơng trùng hợp với dự đoán làm sụp đổ lý thuyết mà chúng phải dựa Từ quan điểm lý thuyết sóng, kết thí nghiệm vơ bất ngờ Tất electron có vận tốc, lượng dù lượng ánh sáng gia tăng Lý thuyết sóng khơng thể tiên đốn kết thực nghiệm Ở đây, lần lý thuyết lại khai sinh từ xung đột lý thuyết cũ thực nghiệm Bây cố ý phê phán lý thuyết sóng cách chủ quan, quên thành tựu to lớn nó, giải thích thật tuyệt vời uốn cong ánh sáng quanh vật thể nhỏ Chúng ta tập trung hiệu ứng quang điện đòi hỏi lý thuyết giải thích thỏa đáng hiệu ứng quang điện Hiển nhiên suy từ lý thuyết sóng việc lượng electron không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng làm electron bắn khỏi kim loại Do phải tìm đến lý thuyết khác Hãy LƯỢNG TỬ - 293 nhớ lại lý thuyết hạt Newton, lý thuyết giải thích nhiều tượng quan sát ánh sáng, lại thất bại việc giải thích uốn cong ánh sáng Bây cố ý quên khuyết điểm Trong thời đại Newton, người ta chưa biết đến khái niệm lượng Theo Newton, hạt ánh sáng khơng có trọng lượng, màu sắc thể khối chất riêng Sau khái niệm lượng xuất người ta nhận thấy ánh sáng mang theo lượng, không nghĩ đến việc ứng dụng khái niệm vào lý thuyết hạt ánh sáng Lý thuyết Newton coi chết, kỷ chúng ta, chưa quan tâm cách nghiêm túc đến hồi sinh Để hướng theo ý tưởng lý thuyết Newton, phải giả định ánh sáng đơn sắc gồm hạt lượng phải thay hạt ánh sáng cũ lượng tử ánh sáng mà gọi photon Đó phần lượng nhỏ, không gian trống rỗng với vận tốc ánh sáng Sự hồi sinh hình thức lý thuyết Newton dẫn đến với thuyết lượng tử ánh sáng Không vật chất điện tích, mà lượng xạ có cấu trúc hạt rời rạc, nghĩa chúng cấu thành từ lượng tử ánh sáng Ngoài lượng tử vật chất lượng tử điện, ta có lượng tử lượng Planck(27) trình bày ý tưởng lượng tử lượng vào đầu kỷ để giải thích vài hiệu ứng phức tạp nhiều so với hiệu ứng quang điện Nhưng hiệu ứng quang điện lại cho thấy cách rõ ràng, đơn giản cần thiết phải thay đổi khái niệm cũ 294 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Chúng ta thấy lý thuyết lượng tử ánh sáng giải thích hiệu ứng quang điện Một trận mưa photon chiếu lên bề mặt kim loại Sự tương tác xạ vật liệu tổng hợp nhiều q trình đơn lẻ mà photon va chạm với nguyên tử rứt khỏi nguyên tử electron Những trình đơn lẻ giống electron bị rứt có lượng tất trường hợp Theo ngôn ngữ chúng ta, phải hiểu gia tăng cường độ ánh sáng có nghĩa gia tăng số lượng photon chiếu lên bề mặt kim loại Trong trường hợp ấy, ta có số lượng electron bị rứt khỏi bề mặt kim loại nhiều lượng photon lại không đổi Như thấy thuyết lượng tử ánh sáng hoàn toàn phù hợp với quan sát Điều xảy tia sáng đơn sắc – ví dụ màu đỏ thay ánh sáng màu tím – chiếu lên bề mặt kim loại? Chúng ta để thực nghiệm trả lời câu hỏi Năng lượng electron bị ánh sáng đỏ rứt ra, đo so sánh với lượng electron bị rứt ánh sáng màu tím Năng lượng electron bị rứt với ánh sáng đỏ lại nhỏ so với lượng electron với ánh sáng tím Điều có nghĩa lượng lượng tử ánh sáng khác màu sắc khác Năng lượng photon thuộc ánh sáng màu đỏ phân nửa lượng photon thuộc ánh sáng màu tím Hay nói xác hơn: Năng lượng lượng tử ánh sáng đơn sắc giảm với tỷ lệ định bước sóng ánh sáng tăng lên Chúng ta có khác biệt lượng tử lượng lượng tử điện Mỗi bước sóng ánh sáng có lượng tử ánh sáng khác nhau, lượng LƯỢNG TỬ - 295 tử điện Nếu làm phép so sánh tương tự lần trước, so sánh lượng tử ánh sáng với lượng tử nhỏ tiền tệ, lượng tử khác nước khác Chúng ta tiếp tục loại bỏ lý thuyết sóng cho ánh sáng giả định ánh sáng có cấu trúc rời rạc tạo lượng tử ánh sáng, hay photon không gian với vận tốc ánh sáng Như theo nhận thức chúng ta, ánh sáng trận mưa photon photon lượng tử sơ cấp lượng ánh sáng Tuy nhiên, loại bỏ lý thuyết sóng khái niệm “bước sóng” biến Khái niệm thay cho khái niệm sóng? Đó lượng lượng tử ánh sáng! Sự diễn đạt theo thuật ngữ lý thuyết sóng chuyển đổi diễn đạt với thuyết lượng tử xạ Thí dụ như: THUẬT NGỮ CỦA LÝ THUYẾT SÓNG THUẬT NGỮ CỦA THUYẾT LƯỢNG TỬ Ánh sáng đơn sắc có bước sóng xác định Bước sóng vạch đỏ cuối quang phổ lớn gấp hai lần bước sóng vạch tím cuối quang phổ Ánh sáng đơn sắc bao gồm photon có lượng xác định Năng lượng photon vạch đỏ cuối quang phổ phân nửa lượng photon vạch tím quang phổ Vấn đề tóm tắt sau: Có tượng giải thích thuyết lượng tử khơng thể lý thuyết sóng Hiệu ứng quang điện 296 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý thí dụ điển hình, ngồi người ta cịn biết đến nhiều tượng tương tự Có tượng giải thích với lý thuyết sóng khơng thể với thuyết lượng tử Một thí dụ điển hình uốn cong ánh sáng xung quanh vật cản Và cuối có tượng, lan truyền ánh sáng, lại giải thích thuyết lượng tử lẫn lý thuyết sóng ánh sáng Nhưng ánh sáng thật gì? Nó sóng mưa photon? Trước lần đặt câu hỏi tương tự hỏi: Bản chất ánh sáng sóng hay bao gồm nhiều hạt ánh sáng? Vào thời đó, người ta có lý lẽ để bác bỏ lý thuyết hạt chấp nhận lý thuyết sóng lý thuyết sóng đủ để giải thích tượng biết đến Tuy nhiên, vấn đề trở nên phức tạp Chúng ta dường khơng có nhiều khả để mơ tả tượng ánh sáng cách hợp lý chọn hai lý thuyết Dường lúc phải chọn lý thuyết này, lúc phải chọn lý thuyết lúc phải sử dụng hai lý thuyết Chúng ta phải đương đầu với khó khăn mới: Hai quan điểm trái ngược cho thực tế Với hai lý thuyết, khơng thể giải thích tất tượng quang học, điều lại khả thi với lúc hai lý thuyết! Làm để phối hợp hai nhận thức với nhau? Chúng ta hiểu hai khía cạnh hồn tồn khác ánh sáng nào? Thật không đơn giản để giải khó khăn Chúng ta lại lần phải đối mặt với vấn đề Trước mắt, chấp nhận lý thuyết photon ánh sáng cố gắng vận dụng lý thuyết để tìm hiểu kiện LƯỢNG TỬ - 297 giải thích lý thuyết sóng Theo cách này, nhấn mạnh vào điểm khó khăn hai lý thuyết dường khơng thể hịa hợp với từ ban đầu Chúng ta nhớ rằng: Một tia sáng đơn sắc xuyên qua lỗ kim nhỏ cho ta vòng sáng tối Chúng ta hiểu tượng với thuyết lượng tử mà khơng cần đến lý thuyết sóng? Một photon xuyên qua lỗ Chúng ta nghĩ sáng lên có photon qua lỗ chắn ngược lại, chắn tối khơng có photon qua Nhưng thực tế lại quan sát vịng sáng tối Chúng ta giải thích tượng theo cách sau: Có lẽ vài tương tác viền lỗ với photon nguyên nhân gây xuất vịng nhiễu xạ Phỏng đốn hiển nhiên khơng thể coi giải thích Tốt phác thảo kế hoạch cho tương lai với hy vọng, dù mong manh, giải thích nhiễu xạ đến từ tương tác vật chất photon Nhưng hy vọng mong manh tiêu tan thảo luận trước thí nghiệm khác Hãy xét hai lỗ kim nhỏ, ánh sáng đơn sắc qua hai lỗ kim tạo nên vạch sáng tối ảnh Hiệu ứng hiểu với thuyết lượng tử ánh sáng? Chúng ta lập luận sau: Một photon xuyên qua hai lỗ Nếu photon ánh sáng đơn sắc hạt sơ cấp ánh sáng, thật khó mà tưởng tượng cịn chia làm hai hai qua hai lỗ thời điểm Nếu photon qua lỗ kim ta phải có hiệu ứng giống trường hợp 298 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý với vịng sáng tối khơng phải vạch sáng tối Điều tạo nên hiệu ứng hồn tồn khác biệt ta có thêm lỗ kim khác? Cũng diện lỗ kim mà photon không qua, dù cách xa lỗ kim ban đầu, biến vòng thành vạch Nếu photon có tính chất giống hạt vật lý cổ điển, buộc phải qua hai lỗ kim Nhưng trường hợp này, dường hồn tồn khơng thể hiểu tượng nhiễu xạ Khoa học buộc phải tạo nên ý tưởng mới, lý thuyết để phá vỡ mâu thuẫn, tường thường xuyên ngăn chặn đường phát triển khoa học Tất ý tưởng tảng khoa học sinh xung đột độ thực cố gắng để hiểu thực Ở đây, vấn đề cần giải thích lại lần phải cần đến nguyên lý Trước thử trình bày cố gắng vật lý đại việc giải thích mâu thuẫn tính chất lượng tử tính chất sóng ánh sáng, nêu lên khó khăn tương tự làm việc với lượng tử vật chất thay với lượng tử ánh sáng QUANG PHỔ Như biết, toàn vật chất cấu tạo số loại hạt Electron hạt sơ cấp phát Tuy nhiên, electron lượng tử sơ cấp điện âm Ngoài ra, biết vài tượng khác ép buộc phải giả định ánh sáng LƯỢNG TỬ - 299 bao gồm lượng tử ánh sáng sơ cấp có bước sóng khác Trước tiếp tục, thảo luận vai trò vật chất xạ vài tượng vật lý Bức xạ Mặt Trời tách thành nhiều phần khác lăng kính Do đó, có quang phổ liên tục ánh sáng với bước sóng nằm hai giới hạn quang phổ nhìn thấy Chúng ta lấy thí dụ khác Trước đây, nhắc đến việc ánh sáng đơn sắc phóng thích kim loại natri nóng sáng, ánh sáng có màu hay có bước sóng Nếu natri nóng sáng đặt trước lăng kính, có vạch sáng màu vàng Nhìn chung, vật thể phát xạ đặt trước lăng kính ánh sáng phát tách thành nhiều thành phần hình thành quang phổ đặc trưng cho vật thể Sự phóng điện ống chứa khí tạo nên nguồn ánh sáng giống đèn neon dùng cho bảng quảng cáo Giả sử ống chiếu sáng đặt trước kính quang phổ Kính quang phổ dụng cụ hoạt động lăng kính, xác nhạy nhiều Nó phân chia ánh sáng thành nhiều thành phần, có nghĩa phân tích ánh sáng Ánh sáng Mặt Trời qua kính quang phổ cho ta quang phổ liên tục; tất bước sóng có mặt quang phổ Tuy nhiên, với nguồn sáng phát dòng điện qua chất khí quang phổ thu có tính chất khác hẳn Thay quang phổ có màu sắc rực rỡ liên tục, ta có vạch sáng riêng biệt tối liên tục Nếu vạch sáng mảnh, tương ứng với màu 300 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý hay theo thuật ngữ lý thuyết sóng, tương ứng với bước sóng Thí dụ ta có hai mươi vạch hiển thị quang phổ, vạch định hai mươi số ứng với bước sóng định Hơi nguyên tố khác có hệ thống vạch khác đó, tùy theo bước sóng quang phổ mà ta có tổ hợp số khác Khơng có hai ngun tố có hai hệ thống vạch giống hệt quang phổ đặc trưng chúng, giống khơng có hai người có dấu vân tay Trong q trình tiến hành việc phân loại liệt kê vạch, nhà vật lý dần nhận thấy vạch quang phổ tuân theo quy luật định Và ta thay chuỗi trị số bước sóng, dường khơng liên quan đến nhau, cơng thức tốn học đơn giản Những vừa nói chuyển sang ngơn ngữ photon Các vạch tương ứng với bước sóng xác định hay nói cách khác chúng tương ứng với photon có lượng xác định Vì thế, khí phát sáng khơng phóng thích photon với tồn lượng có mà phóng thích photon đặc trưng cho chất khí Một lần nữa, thực lại giới hạn phong phú khả Nguyên tử nguyên tố, ví dụ hydro, phóng thích photon với trị số lượng tử lượng định, tất lượng tử lượng khác bị cấm Để đơn giản hơn, tưởng tượng nguyên tố cho ta vạch quang phổ, điều có nghĩa nguyên tố phóng thích photon với trị số lượng Nguyên tử có nhiều lượng trước phóng thích photon có lượng sau Theo nguyên tắc LƯỢNG TỬ - 301 lượng, mức lượng nguyên tử phải mức cao trước phát xạ rơi xuống mức thấp sau Hiệu số hai mức lượng phải với lượng photon phóng thích Như vậy, ngun tử nguyên tố phát xạ có bước sóng nghĩa phóng thích photon có trị số lượng định Điều diễn đạt theo cách khác: Chỉ có hai mức lượng cho phép nguyên tử nguyên tố này; phóng thích photon đồng nghĩa với việc ngun tử chuyển biến từ mức lượng cao sang mức lượng thấp Nhưng thơng thường ta có nhiều vạch xuất quang phổ nguyên tố Các photon phóng thích từ ngun tố tương ứng với nhiều mức lượng khác không mức Hay nói cách khác, phải giả định nguyên tử có nhiều mức lượng cho phép Việc phóng thích photon tương ứng với việc nguyên tử chuyển từ mức lượng cao sang mức lượng thấp Nhưng điều phải thấy tất mức lượng cho phép ngun tử, khơng phải tất bước sóng, tất giá trị lượng photon xuất quang phổ nguyên tố Thay nói quang phổ ngun tử bao gồm vạch xác định, bước sóng xác định, nói nguyên tử có vài mức lượng xác định phóng thích lượng tử ánh sáng ứng việc nguyên tử chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác Các mức lượng nguyên tử không liên tục, mà gián 302 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý đoạn Một lần lại thấy thực giới hạn lựa chọn khả phong phú tự nhiên Bohr(28) người giải thích số vạch đặc trưng, mà không vạch khác, xuất quang phổ Hai mươi lăm năm trước đây, ông ta đưa lý thuyết cấu trúc nguyên tử để tính tốn quang phổ ngun tố, dù trường hợp đơn giản Và với xuất lý thuyết này, số dường không liên hệ với vô nghĩa lại trở nên có ý nghĩa Lý thuyết Bohr nhịp cầu dẫn đến lý thuyết tổng quát hơn, sâu sắc hơn, học lượng tử hay cịn gọi học sóng Mục đích trang cuối sách nêu lên ý tưởng yếu lý thuyết Nhưng trước đó, cần phải làm sáng tỏ trường hợp đặc biệt mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm Quang phổ nhìn thấy bắt đầu với bước sóng màu tím chấm dứt với bước sóng màu đỏ Hay nói cách khác lượng photon quang phổ thấy nằm giới hạn trị số lượng photon ánh sáng đỏ tím Dĩ nhiên giới hạn đến từ đặc tính mắt người Nếu hiệu số lượng hai mức lượng tương đối lớn, photon cực tím phóng thích tạo nên vạch nằm ngồi quang phổ nhìn thấy Mắt khơng thể nhận thấy xạ cực tím mà phải cần đến kính ảnh Các tia X (tia Roentgen) cấu tạo photon có lượng lớn nhiều so với lượng LƯỢNG TỬ - 303 photon ánh sáng thấy hay nói cách khác bước sóng chúng phải nhỏ hàng ngàn lần so với bước sóng ánh sáng thấy Chúng ta xác định bước sóng ngắn thực nghiệm hay khơng? Điều khó khăn ánh sáng thơng thường Chúng ta cần phải có vật cản nhỏ hay khe sáng nhỏ Hai lỗ kim phải sát để có hiệu ứng nhiễu xạ ánh sáng thông thường Nhưng tia X hai lỗ kim phải nhỏ gần hàng ngàn lần để ta có hiệu ứng nhiễu xạ tia X Vậy đo bước sóng xạ này? Chính tự nhiên giúp Tinh thể khối kết nguyên tử sát theo trật tự hồn hảo mặt phẳng Hình vẽ trình bày mơ hình đơn giản cấu trúc tinh thể Thay khe sáng nhỏ, có vật cản nhỏ nguyên tử nguyên tố, chúng xếp sát theo trật tự hoàn hảo 304 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Theo lý thuyết cấu trúc tinh thể, khoảng cách nguyên tử nhỏ chúng tạo nên hiệu ứng nhiễu xạ tia X Thực nghiệm chứng minh thực làm nhiễu xạ tia X vật cản nằm gần cách trật tự không gian ba chiều bên tinh thể Nếu chùm tia X xuyên qua tinh thể sau chiếu lên kính ảnh, ta thu hình ảnh nhiễu xạ Người ta nghiên cứu quang phổ tia X nhiều phương pháp khác để suy kiện có liên quan đến bước sóng tia X từ hình ảnh nhiễu xạ Những mà nhắc đến qua vài dòng chữ lấp đầy nhiều sách tiếp tục trình bày chi tiết vấn đề lý thuyết lẫn thực nghiệm Trong trang ảnh III, chúng tơi trình bày ảnh nhiễu xạ thu số nhiều phương pháp khác Chúng ta nhận thấy vòng sáng tối đặc trưng cho lý thuyết sóng Ở giữa, có hình ảnh tia X khơng nhiễu xạ Nếu tinh thể không đặt tia X kính ảnh, thu vệt sáng Từ ảnh chụp loại người ta tính bước sóng quang phổ tia X ngược lại, biết bước sóng, người ta rút nhiều kết luận cấu trúc tinh thể LƯỢNG TỬ - 305 TRANG ẢNH III Các vạch quang phổ (chụp A G Shenstone) Sự nhiễu xạ tia Roentgen (chụp Lastowiecki Gregor) Nhiễu xạ sóng electron (chụp Loria Klinger) 306 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý SĨNG VẬT CHẤT Làm giải thích bước sóng đặc trưng xuất quang phổ nguyên tố khác nhau? Trong vật lý học, thường đạt tiến tảng dùng suy luận để tìm điểm tương đồng tượng dường khơng có mối liên hệ với Trong sách này, thường thấy ý tưởng sáng tạo phát triển lĩnh vực khoa học sau ứng dụng thành cơng vào lĩnh vực khoa học khác Sự phát triển học trường cho ta nhiều thí dụ việc kết hợp vấn đề giải với vấn đề chưa giải đem đến quan điểm ý tưởng cho khó khăn trước mắt Thật dễ dàng để tìm thấy tương đồng nơng cạn vô nghĩa Nhưng ta khám phá vài đường nét chung ẩn dấu bên khác biệt bên ngồi để thành cơng việc hình thành nên lý thuyết dựa tảng cơng việc đầy sáng tạo Khoảng mười lăm năm trước, học sóng de Broglie(29) Schrödinger(30) phát triển Đây thí dụ điển hình thành tựu lý thuyết khơi nguồn từ tương đồng sâu sắc vô may mắn Chúng ta bắt đầu với thí dụ cổ điển khơng liên quan đến vật lý đại Chúng ta nắm lấy đầu cuối ống cao LƯỢNG TỬ - 307 su dài dẻo, hay lị xo dài, sau cố gắng đưa lên xuống nhịp nhàng để làm dao động đầu ống cao su hay lò xo Như thấy nhiều thí dụ, sóng tạo nên dao động lan truyền toàn ống cao su với vận tốc xác định Nếu ống cao su có chiều dài vơ hạn, hình thành, sóng tiếp tục lan truyền mãi mà không gặp trở ngại Bây có trường hợp khác Hai đầu ống cao su giữ chặt Nếu muốn, dùng dây đàn vĩ cầm thay ống cao su Điều xảy sóng tạo đầu ống cao su hay dây đàn? Sóng bắt đầu lan truyền thí dụ trước, sớm bị phản xạ đầu ống Chúng ta có hai loại sóng khác nhau: Sóng tạo dao động sóng đến từ phản xạ Hai sóng lan truyền theo hướng đối nghịch giao thoa lẫn Chúng ta dễ dàng theo dõi giao thoa hai sóng để tìm sóng tạo nên từ chồng chập hai sóng ban đầu, cịn gọi sóng đứng Dù hai từ “sóng” “đứng” dường đối lập nhau, kết hợp với thành khái niệm thống khái niệm dùng để diễn tả kết chồng chập hai sóng Thí dụ đơn giản sóng đứng chuyển động lên xuống đoạn dây có hai đầu giữ chặt hình vẽ 308 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Chuyển động kết thu hai sóng lan truyền theo hướng đối nghịch chồng chập lên Chuyển động sóng đứng có đặc tính hai đầu cuối đoạn dây đứng yên, gọi nút sóng Ta nói sóng đứng yên hai nút tất điểm đoạn dây đạt tới độ lệch cực đại độ lệch cực tiểu chúng cách đồng thời Nhưng loại sóng đứng đơn giản nhất, cịn có nhiều loại khác Thí dụ sóng đứng có ba nút sóng, hai hai đầu Trong trường hợp ta có ba điểm ln nằm n Trên hình sau, ta thấy bước sóng cịn phân nửa so với sóng đứng có hai nút Cũng tương tự thế, sóng đứng khác có đến bốn, năm hay nhiều nút sóng Bước sóng trường hợp tùy thuộc vào số lượng nút sóng Số nút sóng số nguyên thay đổi theo bậc LƯỢNG TỬ - 309 Câu nói “số nút sóng đứng 3,576” hồn tồn vơ nghĩa Như bước sóng thay đổi cách không liên tục Trong vấn đề cổ điển này, lại nhận nét tương đồng với thuyết lượng tử Thật ra, sóng đứng tạo nên người chơi đàn vĩ cầm cịn phức tạp nhiều hịa trộn từ nhiều sóng với hai, ba, bốn, năm hay nhiều nút sóng nữa, ta có hịa trộn nhiều bước sóng khác Vật lý học phân tích hịa trộn thành nhiều sóng đứng đơn giản Hay với thuật ngữ trước đây, nói dao động dây đàn vĩ cầm chứa đựng phổ giống nguyên tố phát xạ Và quang phổ nguyên tố, có số bước sóng phép, cịn tất bước sóng khác bị cấm Như khám phá vài điểm tương đồng sợi dây đàn dao động nguyên tử phát xạ Dù tương đồng tỏ lạ lùng, cố tìm thêm kết luận từ tương đồng tiếp tục cố gắng thực việc so sánh Các nguyên tử nguyên tố cấu tạo từ hạt bản, hạt nặng tạo thành hạt nhân hạt nhẹ electron Một hệ thống hạt hoạt động dụng cụ âm tí hon phát sóng đứng Sóng đứng kết giao thoa hai hay chí nhiều sóng lan truyền Nếu tương đồng có phần phải có thực thể cịn đơn giản 310 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý nguyên tử để tương ứng với sóng lan truyền Vậy thực thể đơn giản gì? Trong giới vật chất chúng ta, khơng có đơn giản electron, hạt sơ cấp không chịu tác dụng lực nào, có nghĩa đứng yên chuyển động Chúng ta dự đốn thêm liên kết chuỗi mắt xích tương đồng: Electron chuyển động → Sóng có bước sóng xác định Đây ý tưởng táo bạo de Broglie Trước thấy tượng tính chất sóng ánh sáng tượng khác tính chất hạt ánh sáng Sau thích nghi với ý tưởng cho chất ánh sáng sóng, lại vơ ngạc nhiên thấy ánh sáng hoạt động mưa photon vài trường hợp khác, ví dụ hiệu ứng quang điện Hiện nay, lại tình trạng đối nghịch vấn đề electron Chúng ta quen thuộc với ý tưởng cho electron hạt, lượng tử sơ cấp điện vật chất Điện tích khối lượng nghiên cứu kỹ lưỡng Nếu ý tưởng de Broglie có phần thật phải có vài tượng biểu lộ chất tương tự sóng vật chất Đầu tiên, kết luận đến từ tương đồng với âm thanh, kết luận dường khó hiểu Làm để hạt chuyển động lại liên quan đến sóng? Nhưng khơng phải lần mà phải đối diện với khó khăn vật lý Chúng ta gặp vấn đề lĩnh vực tượng ánh sáng Các ý tưởng đóng vai trị thiết yếu việc hình thành lý thuyết vật lý Các sách vật lý đầy ắp LƯỢNG TỬ - 311 cơng thức tốn học phức tạp Nhưng khởi nguồn lý thuyết vật lý đến suy tư, từ ý tưởng khơng phải từ cơng thức Sau đó, ý tưởng phải diễn đạt hình thức tốn học lý thuyết có tính định lượng để so sánh với thực nghiệm Điều giải thích thí dụ vấn đề mà quan tâm Phỏng đốn cho electron chuyển động biểu lộ tính chất sóng vài tượng Chúng ta giả định electron hay mưa electron tất electron chuyển động với vận tốc Khối lượng, điện tích vận tốc electron biết Nếu muốn liên kết theo cách thức khái niệm sóng với hay nhiều electron chuyển động đều, câu hỏi phải là: Bước sóng electron gì? Đây câu hỏi định lượng, lý thuyết mang nhiều tính định lượng cần thiết lập để trả lời câu hỏi Đây việc đơn giản Cơng trình de Broglie đưa lời giải đáp cho câu hỏi Sự đơn giản khía cạnh tốn học cơng trình làm phải ngạc nhiên Khi so sánh với phương pháp toán học phức tạp lý thuyết vật lý thời, công thức de Broglie thật đơn giản Phương pháp toán học cho lời giải vấn đề sóng vật chất thật đơn giản, ý tưởng tảng lại sâu sắc có ảnh hưởng lớn Trước đây, trường hợp sóng ánh sáng photon, tất luận thiết lập theo ngôn ngữ sóng chuyển đổi thành ngơn ngữ photon hay hạt ánh sáng Điều sóng electron Đối với electron 312 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý chuyển động đều, biết đến ngôn ngữ hạt Nhưng ý tưởng diễn đạt ngơn ngữ hạt lại chuyển đổi sang ngơn ngữ sóng, giống trường hợp photon Chúng ta có hai manh mối cho việc thiết lập quy tắc chuyển đổi Một tương tự sóng ánh sáng sóng electron hay photon electron: Chúng ta cố gắng sử dụng phương pháp chuyển đổi cho vật chất cho ánh sáng Hai có thuyết tương đối hẹp: Các định luật tự nhiên phải bất biến phép biến đổi Lorentz không phép biến đổi cổ điển Sự kết hợp hai manh mối dẫn đến việc xác định bước sóng electron chuyển động Lý thuyết tính cách đơn giản bước sóng electron chuyển động Với vận tốc chuyển động electron khoảng 16.000 km giây, ta có bước sóng electron nằm khoảng bước sóng tia X Do kết luận thêm muốn phát chất sóng vật chất, phải có điều kiện thực nghiệm tương tự theo cách thức tia X Chúng ta tưởng tượng có tia electron chuyển động với vận tốc xác định, hay theo thuật ngữ sóng, ta có sóng electron đơn sắc Chúng ta tưởng tượng thêm sóng electron bắn lên lớp tinh thể mỏng có vai trị mạng lưới nhiễu xạ Khoảng cách vật cản tinh thể vơ nhỏ để gây nên tượng nhiễu xạ tia X Ta chờ đợi hiệu ứng tương tự đến từ sóng electron có bước sóng gần giống với tia X Chúng ta dùng kính ảnh để ghi lại nhiễu xạ sóng electron sau qua lớp tinh thể mỏng Thí nghiệm thật đem đến cho LƯỢNG TỬ - 313 ta thành tựu vĩ đại nghi ngờ lý thuyết này: Hiện tượng nhiễu xạ sóng electron Sự tương tự tượng nhiễu xạ tia X sóng electron nhận thấy rõ ràng ta so sánh ảnh trang ảnh III Chúng ta thấy ảnh giúp xác định bước sóng tia X Ta có điều tương tự sóng electron Ảnh nhiễu xạ cho ta thấy bước sóng sóng vật chất cho ta phù hợp hồn hảo tính định lượng lý thuyết thực nghiệm Điều khẳng định chuỗi lập luận cách tuyệt vời Tuy thế, thành nới rộng đào sâu thêm khó khăn trước Chúng ta thấy điều rõ ràng với thí dụ giống trường hợp với sóng ánh sáng Một electron bắn vào lỗ kim nhỏ uốn cong sóng ánh sáng tạo nên vịng sáng tối kính ảnh Chúng ta có lẽ cịn vài hy vọng để giải thích tượng tương tác electron mép lỗ kim, giải thích dường khơng có nhiều hứa hẹn Nhưng điều xảy có đến hai lỗ kim? Những vạch sáng tối xuất thay vịng sáng tối Điều làm thay đổi hồn toàn hiệu ứng xuất lỗ kim thứ hai? Electron chia nhỏ xuyên qua hai lỗ kim Làm electron xuyên qua lỗ kim lại “biết đến” tồn lỗ kim khác cách quãng? Trước hỏi: Ánh sáng gì? Ánh sáng mưa hạt sóng? Bây lại hỏi: Vật chất gì, electron gì? Electron hạt sóng? Khi chuyển động 314 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý điện trường hay từ trường, electron có tính chất hạt lại biểu lộ chất sóng nhiễu xạ với tinh thể Khi nghiên cứu lượng tử sơ cấp vật chất, gặp phải khó khăn trường hợp lượng tử ánh sáng Một câu hỏi xuất tiến gần khoa học kết hợp hai quan điểm trái ngược vật chất sóng Đây khó khăn cốt yếu khoa học, đặt ra, dù sớm hay muộn đem đến tiến to lớn cho phát triển khoa học Những nhà vật lý cố gắng giải vấn đề Tuy nhiên, tương lai định liệu giải pháp đưa vật lý học đại bền vững tạm thời SÓNG XÁC SUẤT Trong học cổ điển, biết vị trí, vận tốc chất điểm dĩ nhiên tác động ngoại lực, tiên đốn tồn quỹ đạo chất điểm Câu nói: “Chất điểm có vị trí vận tốc vào thời điểm đó” có ý nghĩa rõ ràng học cổ điển Nếu điều khẳng định ý nghĩa dự đoán kiện tương lại trở nên vô nghĩa Trong đầu kỷ thứ mười chín, nhà khoa học cố gắng quy tượng vật lý lực đơn giản tác động lên chất điểm có vị trí vận tốc xác định thời điểm Chúng ta nhắc lại trình mô tả chuyển động vừa bắt đầu chuyến du hành vào giới LƯỢNG TỬ - 315 vấn đề vật lý Chúng ta vẽ nhiều điểm dọc theo đường di chuyển, điểm vị trí xác vật thể vào thời điểm vectơ tiếp tuyến điểm cho biết hướng cường độ vận tốc vật thể điểm Đây phương pháp đơn giản có tính thuyết phục, nhiên lại áp dụng cho lượng tử sơ cấp vật chất electron hay cho lượng tử lượng photon Chúng ta mô tả quỹ đạo electron hay photon theo cách mà mô tả chuyển động học cổ điển Thí dụ hai lỗ kim cho thấy rõ ràng điều Dường electron photon xuyên qua hai lỗ kim Chúng ta khơng thể giải thích tượng mô tả đường electron hay photon theo phương pháp cổ điển Dĩ nhiên phải giả định có mặt tác động sơ cấp việc electron hay photon xuyên qua lỗ kim Khơng thể nghi ngờ tồn lượng tử sơ cấp vật chất lượng Tuy nhiên, lại thiết lập định luật sơ cấp cách thức đơn giản học cổ điển để xác định vị trí vận tốc vào thời điểm Vì thử nghiệm theo cách khác Chúng ta liên tục lặp lại trình sơ cấp Từng electron bắn theo hướng hai lỗ kim Chúng ta nói electron để đơn giản hóa vấn đề, lập luận có giá trị cho photon Cùng thí nghiệm lặp lặp lại theo cách thức xác; electron có vận tốc di chuyển theo hướng hai lỗ kim Chúng ta phải ý 316 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý thí nghiệm lý tưởng, dù khơng thể thực tưởng tượng Chúng ta bắn photon hay electron vào thời điểm định giống bắn viên đạn từ súng Kết thí nghiệm lặp lại xuất vòng sáng tối với lỗ kim vạch sáng tối với hai lỗ kim Tuy nhiên, có khác biệt Kết thực nghiệm cho trường hợp với electron lại khó hiểu Thí nghiệm tỏ dễ hiểu chúng lặp lại nhiều lần Giờ nói vạch sáng xuất vị trí có nhiều electron bắn đến, vạch sáng trở nên tối vị trí có electron bắn đến Một điểm đen hồn tồn có nghĩa khơng có electron bắn đến Dĩ nhiên phép giả định tất electron qua lỗ kim Nếu điều thật việc che hay khơng che lỗ kim cịn lại không đem lại khác biệt dù nhỏ Nhưng biết che lỗ thứ hai, có kết khác Vì hạt khơng thể chia làm hai nên tưởng tượng lúc xuyên qua hai lỗ kim Việc lặp lại nhiều lần thí nghiệm cho phép có cách giải thích khác Có thể có vài electron qua lỗ kim thứ số electron khác qua lỗ kim thứ hai Quả thật khơng thể giải thích electron riêng biệt lại chọn lỗ kim riêng biệt Tuy nhiên kết cuối thí nghiệm lặp lại cho thấy hai lỗ kim góp phần việc chuyển tải electron từ nguồn phát đến ảnh Nếu quan tâm đến xảy nhóm electron thí nghiệm lặp lại LƯỢNG TỬ - 317 bỏ qua ảnh hưởng electron riêng biệt, hiểu nguyên nhân gây xuất lúc vạch, lúc vịng sáng tối Việc quan sát chuỗi thí nghiệm đem đến ý tưởng việc nhóm hạt riêng biệt biểu lộ theo tính chất khơng thể biết trước Chúng ta khơng thể tiên đốn đường electron, tiên đoán kết cuối ảnh có vạch tối sáng Bây tạm rời bỏ vật lý lượng tử chốc lát Như biết học cổ điển, ta biết vị trí vận tốc chất điểm thời điểm định lực tác dụng lên nó, tiên đốn quỹ đạo di chuyển chất điểm tương lai Chúng ta nhận thấy quan điểm học áp dụng vào lý thuyết động học vật chất Nhưng lý thuyết lại làm nảy sinh ý tưởng từ lập luận Để hiểu dễ dàng lập luận kế tiếp, cần phải hiểu thông suốt ý tưởng Chúng ta có bình chứa khí Nếu muốn nghiên cứu chuyển động hạt, phải biết trạng thái ban đầu, vị trí vận tốc ban đầu tất hạt khí Dù cho thực điều này, đời người để ghi chép kết số lượng phần tử khí thật vơ khổng lồ Nếu người cố gắng dùng phương pháp biết học cổ điển để tính tốn vị trí cuối hạt khí, ơng ta gặp phải khó khăn khơng thể vượt qua Trên nguyên tắc, người ta dùng phương pháp áp dụng để xác định quỹ đạo hành tinh, thực tế, điều vô nghĩa phải nhường chỗ cho phương 318 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý pháp thống kê Phương pháp khơng cần biết cách xác trạng thái ban đầu Chúng ta có thơng tin trạng thái hệ thống vào thời điểm xác định khơng thể phán đốn xác khứ hay tương lai Chúng ta khơng quan tâm đến số phận hạt khí Vấn đề có chất khác hẳn Thí dụ: Chúng ta khơng hỏi “Vận tốc hạt thời bao nhiêu?”, hỏi “Có hạt đạt tới vận tốc khoảng 1000 bộ 1100 bộ giây?” Chúng ta không quan tâm đến hạt riêng biệt Điều mà muốn xác định trị số trung bình điển hình cho tập hợp Phương pháp thống kê dĩ nhiên cho ta kết hữu ích hệ thống xét bao gồm nhiều phần tử riêng biệt Khi ứng dụng phương pháp thống kê, khơng thể tiên đốn diễn biến phần tử riêng lẻ tập hợp Chúng ta nói trước khả năng, hay cịn gọi xác suất, điều diễn biến theo cách thức đặc biệt Nếu định luật thống kê cho biết phần ba số hạt có vận tốc khoảng 1000 bộ 1100 bộ giây, điều có nghĩa lặp lại quan sát nhiều hạt, thật có kết trung bình, hay nói cách khác, xác xuất để tìm thấy phần tử nằm bên hai giới hạn phần ba Tương tự thế, biết tỷ lệ sinh đẻ cộng đồng lớn khơng có nghĩa biết gia đình may mắn có đứa trẻ Điều có nghĩa số kết thống kê góp phần cá thể hồn tồn khơng có ý nghĩa LƯỢNG TỬ - 319 Khi quan sát biển số xe số lượng lớn xe hơi, thấy phần ba số chia hết cho ba Nhưng khơng thể đốn xe chạy qua có số xe chia hết cho ba hay không Các định luật thống kê áp dụng cho tập hợp lớn cho thành phần riêng lẻ tập hợp Bây trở lại với vấn đề lượng tử Các định luật vật lý lượng tử mang tính chất thống kê Điều có nghĩa là: Các định luật không liên quan đến hệ đơn lẻ mà liên quan đến tập hợp hệ đồng Chúng kiểm chứng phép đo cho phần tử riêng biệt mà phải chuỗi lặp lại phép đo Sự phân rã phóng xạ kiện mà vật lý lượng tử cố gắng thiết lập định luật chi phối chuyển đổi tự phát từ nguyên tố thành nguyên tố khác Thí dụ sau khoảng 1600 năm, gam radium có nửa gam bị phân rã cịn lại nửa gam Chúng ta dự đoán số nguyên tử bị phân rã nửa tới, lại biết được, với mô tả lý thuyết, nguyên tử bị phân rã Với kiến thức tại, chưa có khả rõ nguyên tử riêng biệt bị phân rã Số phận nguyên tử không tùy thuộc tuổi tác Chúng ta chưa có dấu vết nào, dù nhỏ nhất, định luật chi phối diễn biến nguyên tử Người ta thiết lập định luật thống kê chi phối tập hợp lớn nguyên tử Chúng ta lấy thí dụ khác Một khí phát sáng nguyên tố đặt trước kính quang phổ cho 320 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý ta vạch sáng có bước sóng xác định Sự xuất nhóm bước sóng xác định khơng liên tục đặc trưng tượng thuộc nguyên tử bộc lộ tồn lượng tử sơ cấp Tuy nhiên, cịn có khía cạnh khác vấn đề Một vài vạch quang phổ rõ ràng, sắc nét vài vạch khác lại mờ nhạt Một vạch sắc nét ứng với phóng thích lượng tương đối lớn photon ứng với bước sóng đặc thù đó, vạch mờ nhạt ứng với phóng thích lượng tương đối photon có bước sóng tương ứng Lý thuyết cung cấp cho kiện mang tính thống kê Mỗi vạch ứng với chuyển đổi từ mức lượng cao sang mức lượng thấp Lý thuyết cho biết xác suất xảy chuyển đổi này, lại xác định chuyển đổi thật nguyên tử riêng biệt Lý thuyết có hiệu lực tốt tượng xảy tập hợp lớn phần tử riêng lẻ Dường vật lý lượng tử đại có phần tương tự với thuyết động học vật chất, hai lý thuyết có chất mang tính thống kê liên quan đến tập hợp lớn Nhưng thật thế! Trong tương tự này, điều quan trọng hiểu điểm tương đồng mà phải hiểu điểm khác biệt Sự tương đồng thuyết động học vật lý lượng tử tính chất thống kê Nhưng đâu điểm khác biệt? Nếu muốn biết có nam nữ hai mươi tuổi sống thành phố, phải yêu cầu người dân thành phố điền vào mục “nam”, “nữ” “tuổi” LƯỢNG TỬ - 321 phiếu vấn Khi câu trả lời đúng, có kết thống kê sau đếm tách riêng câu trả lời Chúng ta không cần quan tâm đến tên địa người Tuy nhiên, lại có kết thống kê từ hiểu biết trường hợp Cũng giống thế, thuyết động học vật chất, có định luật có hiệu lực cho tập hợp, định luật dựa định luật riêng lẻ Nhưng tình hoàn toàn khác hẳn vật lý lượng tử Ở định luật thống kê thiết lập mà không cần đến định luật riêng lẻ Trong thí dụ photon hay electron hai lỗ kim, thấy khơng thể mơ tả chuyển động hạt sơ cấp không gian thời gian tương tự vật lý cổ điển Vật lý lượng tử từ bỏ hoàn toàn định luật riêng lẻ cho hạt sơ cấp thiết lập cách trực tiếp định luật thống kê có hiệu lực cho tập hợp Không vật lý cổ điển, vật lý lượng tử mô tả vị trí vận tốc hạt sơ cấp hay tiên đốn quỹ đạo Vật lý lượng tử làm việc với tập hợp, định luật có hiệu lực số đông không cho trường hợp riêng lẻ Sự cần thiết thay đổi tư cổ điển xuất phát từ nhu cầu thật quan trọng khơng phải đến từ ức đốn hay địi hỏi điều lạ Hiện tượng nhiễu xạ thí dụ điển hình khó khăn việc ứng dụng lý thuyết cũ Tuy nhiên, người ta cịn đưa nhiều trường hợp khác đáng thuyết phục Việc liên tục thay đổi tư nhân tố thiếu nỗ lực tìm hiểu thật.Tuy nhiên, 322 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý có tương lai định liệu thật chọn lối hay khơng liệu tìm giải pháp tốt cho khó khăn hay khơng Chúng ta phải từ bỏ việc mô tả trường hợp riêng biệt kiện xảy cách khách quan, độc lập không gian thời gian, thay vào đấy, phải đưa vào định luật có tính thống kê Đây đặc điểm vật lý lượng tử đại Trước đây, đưa vào thực vật lý mới, trường điện từ trường hấp dẫn, phác thảo nét đặc trưng chung phương trình theo hình thức tổng qt mà thơng qua ý tưởng trình bày toán học Chúng ta thực điều với vật lý lượng tử dựa trích dẫn ngắn gọn cơng trình Bohr, de Broglie, Schrưdinger, Heisenberg(31), Dirac(32) Born(33) Chúng ta xét trường hợp electron Electron chịu ảnh hưởng trường điện từ bên ngồi khơng chịu ảnh hưởng đến từ bên ngồi Nó chuyển động trường nhân nguyên tử, hay nhiễu xạ tinh thể Vật lý lượng tử dạy cho cách thiết lập phương trình tốn học cho trường hợp vấn đề Chúng ta nhận thấy tương đồng mặt nguyên tử phát xạ mặt khác dây đàn rung động, màng trống, nhạc khí thổi hay thiết bị âm khác Chúng ta có vài điểm tương đồng phương trình tốn học có hiệu lực cho vấn đề âm LƯỢNG TỬ - 323 vấn đề vật lý lượng tử Nhưng mô tả vật lý cho đại lượng xác định hai trường hợp hoàn toàn khác Những đại lượng vật lý mô tả dây đàn dao động đại lượng vật lý mơ tả ngun tử phát xạ có ý nghĩa hoàn toàn khác nhau, phương trình tốn học chúng có vài hình thức giống Trong trường hợp sợi dây đàn, quan tâm đến lệch điểm dây đàn khỏi vị trí bình thường thời điểm Nếu biết hình dạng dây đàn dao động vào thời điểm xác định, biết tất cần biết Từ phương trình tốn học dây đàn dao động, tính độ lệch khỏi vị trí bình thường vào thời điểm Sự lệch từ vị trí bình thường sợi dây đàn tương ứng với tất điểm dây đàn trình bày cách xác sau: Vào thời điểm nào, lệch khỏi trị số bình thường hàm số tọa độ dây đàn Tất điểm dây đàn hình thành miền liên tục chiều lệch hàm số xác định miền liên tục chiều tính tốn phương trình dây đàn dao động Tương tự cho trường hợp electron, điểm không gian thời điểm nào, ta có hàm số xác định Chúng ta gọi hàm số sóng xác suất Tương tự, có sóng xác suất tương ứng với lệch khỏi vị trí bình thường vấn đề âm học Vào thời điểm định, sóng xác suất hàm số miền liên tục ba chiều, trong trường hợp dây đàn, lệch dây đàn vào thời điểm định hàm số 324 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý miền liên tục chiều Sóng xác suất hình thành danh mục chứa đựng tất hiểu biết hệ thống lượng tử xem xét, giúp trả lời câu hỏi có tính thống kê cụ thể liên quan đến hệ thống Sóng xác suất khơng cho biết vị trí vận tốc electron vào thời điểm bất kỳ, câu hỏi hồn tồn vơ nghĩa vật lí lượng tử Nhưng cho biết xác suất để gặp electron vị trí đặc biệt hay nơi có hội nhiều để gặp electron Kết tham khảo không từ mà từ việc lặp lại nhiều phép đo Như thế, phương trình vật lý lượng tử xác định sóng xác suất, phương trình Maxwell xác định trường điện từ hay phương trình hấp dẫn xác định trường hấp dẫn Các định luật vật lý lượng tử định luật cấu trúc Ý nghĩa khái niệm vật lý xác định từ phương trình vật lý lượng tử trừu tượng nhiều so với trường hợp trường điện từ trường hấp dẫn Các khái niệm phương tiện toán học dùng để trả lời vấn đề có tính thống kê Cho đến bây giờ, thảo luận electron tác dụng trường bên Nếu thay electron này, điện tích nhỏ mà ta có, ta có số lượng điện tích đáng kể gồm hàng tỉ electron, quên vật lý lượng tử giải vấn đề phương pháp vật lý thông thường có trước đời vật lý lượng tử Khi nói dịng điện dây điện, vật dẫn nạp điện, sóng điện từ, ứng dụng ý tưởng vật lý cũ chứa đựng phương trình Maxwell Nhưng LƯỢNG TỬ - 325 khơng thể làm tượng mang tính lượng tử vật chất lượng, ví dụ hiệu ứng quang điện, cường độ vạch quang phổ, tượng phóng xạ, nhiễu xạ sóng electron nhiều tượng khác Vì ta nói rằng, phải bước lên nấc cao Trước vật lý cổ điển, tìm hiểu vị trí vận tốc hạt, phải xem xét vấn đề hạt sóng xác suất miền liên tục ba chiều Vật lý lượng tử có quy định riêng để giải vấn đề, quy định có tính chất hồn tồn khác với quy định mà biết để giải vấn đề tương tự quan điểm vật lý cổ điển Đối với hạt sơ cấp electron hay photon, có sóng xác suất miền liên tục ba chiều Những sóng xác suất mơ tả tính chất thống kê hệ thống thực nghiệm lặp lại nhiều lần Nhưng điều xảy khơng có mà đến hai hạt tương tác lẫn nhau, thí dụ hai electron, electron photon hay electron nhân nguyên tử Do tương tác lẫn nhau, xem hai hạt cách độc lập mô tả hạt sóng xác suất ba chiều Thật khơng q khó để đốn phương pháp mô tả hệ gồm hai phần tử tương tác vật lý lượng tử Bây bước xuống nấc trở với vật lý cổ điển chốc lát Vị trí hai chất điểm không gian vào thời điểm xác định sáu số điểm xác định ba số Tất vị trí có hai chất điểm hình thành miền liên tục sáu chiều khơng cịn ba chiều trường 326 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý hợp chất điểm Bây bước trở lên nấc để trở với vật lý lượng tử Chúng ta có sóng xác suất miền liên tục sáu chiều miền liên tục ba chiều trường hợp hạt Cũng tương tự ba, bốn nhiều phần tử nữa, sóng xác suất hàm số miền liên tục chín chiều, mười hai chiều hay nhiều Điều cho thấy sóng xác suất trừu tượng so với tồn trải dài trường điện từ trường hấp dẫn không gian ba chiều Miền liên tục nhiều chiều hình thành tảng cho sóng xác suất, ta xét hạt số chiều sóng xác xuất với số chiều không gian vật chất Đặc điểm vật lý sóng xác suất giúp trả lời câu hỏi cụ thể có tính chất thống kê cho trường hợp nhiều hạt trường hợp có hạt Như electron, hỏi xác suất để bắt gặp electron vài vùng đặc thù Đối với hai electron, đặt câu hỏi: Xác suất để bắt gặp hai electron hai vùng xác định vào thời điểm bao nhiêu? Khi từ bỏ việc mô tả trường hợp đơn lẻ kiện khách quan khơng gian thời gian, bước mà tách rời khỏi vật lý cổ điển Chúng ta bắt buộc phải áp dụng phương pháp thống kê có từ sóng xác suất Một chọn đường này, bị bắt buộc phải tiến sâu vào trừu tượng Như buộc phải sử dụng sóng xác suất nhiều chiều để giải đáp vấn đề nhiều hạt LƯỢNG TỬ - 327 Để đơn giản hơn, gọi vấn đề không thuộc vật lý lượng tử vật lý cổ điển Vật lý cổ điển vật lý lượng tử hai khái niệm hoàn toàn khác biệt Vật lý cổ điển hướng vào mô tả vật thể tồn không gian, vào việc thiết lập định luật chi phối thay đổi vật thể theo thời gian Tuy nhiên, buộc phải từ bỏ tư với tượng biểu lộ chất hạt sóng vật chất xạ, với tính chất thống kê biến cố sơ cấp phân rã có tính phóng xạ, nhiễu xạ, phóng thích vạch quang phổ nhiều tượng khác Vật lý lượng tử khơng nhằm mục đích mơ tả vật thể đơn lẻ không gian hay thay đổi chúng theo thời gian Trong vật lý lượng tử, khơng có chỗ đứng cho phát biểu như: “Vật thể này, hay có tính chất kia” Thay nói rằng: “Có xác suất cho biết vật thể riêng lẻ có đặc tính kia” Trong vật lý lượng tử, khơng có chỗ đứng cho định luật chi phối thay đổi theo thời gian vật thể riêng lẻ Thay vào đó, có định luật chi phối thay đổi theo thời gian xác suất Thuyết lượng tử đem đến cho vật lý thay đổi này, cho giải thích đắn tính chất thống kê tính khơng liên tục kiện giới tượng có biểu lộ tồn lượng tử sơ cấp vật chất xạ Vấn đề vừa xuất khó khăn chưa có giải pháp hoàn chỉnh Chúng ta đề cập đến vài vấn đề chưa giải Khoa học tự nhiên không không sách khép kín Mỗi bước tiến quan 328 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý trọng lại đem đến câu hỏi Mỗi phát triển lại làm lộ khó khăn nặng nề Chúng ta biết trường hợp đơn giản với hay nhiều hạt, từ mơ tả theo vật lý cổ điển đến mô tả theo thuyết lượng tử, từ mô tả khách quan biến cố không gian thời gian đến sóng xác suất Nhưng ghi nhớ khái niệm trường, khái niệm quan trọng vật lý cổ điển Làm mô tả tương tác lượng tử sơ cấp vật chất trường? Nếu ta cần sóng xác suất với ba mươi chiều để mơ tả mười hạt, để mơ tả trường theo cách thức thuyết lượng tử, cần sóng xác suất có số chiều vơ cực Sự chuyển đổi từ khái niệm trường vật lý cổ điển sang vấn đề tương ứng sóng xác suất vật lý lượng tử bước vơ khó khăn Cho đến nay, tất cố gắng để giải vấn đề coi thất bại Chúng ta cịn có vấn đề khác Trong tất lập luận chuyển đổi từ vật lý cổ điển sang vật lý lượng tử, dùng phương pháp mơ tả cũ có trước thuyết tương đối, không gian thời gian xử lý theo cách khác Tuy nhiên, cố gắng đặt tảng nhận thức cổ điển theo chiều hướng thuyết tương đối việc tiếp cận vấn đề lượng tử trở nên phức tạp Đây vấn đề khác mà nhà vật lý đại muốn khắc phục, tới nay, giải pháp trọn vẹn làm hài lịng xa vời Chúng ta khó khăn xây dựng phát triển cách đắn, logic cho vật lý hạt nặng kiến tạo nên nhân nguyên tử Dù thu thập nhiều liệu thực nghiệm LƯỢNG TỬ - 329 cố gắng làm sáng tỏ vấn đề hạt nhân, mờ mịt câu hỏi lĩnh vực Khơng cịn để nghi ngờ vật lý lượng tử giải thích nhiều kiện đa dạng đạt phù hợp lý thuyết quan sát Vật lý lượng tử đại ngày tách xa khỏi tư học cũ việc quay vị trí cũ điều khơng thể Nhưng điều khơng thể nghi ngờ vật lý lượng tử phải dựa hai khái niệm vật chất trường Do đó, vật lý lượng tử lý thuyết kép, hay gọi thuyết nhị ngun Nó khơng giúp đến gần thực cho vấn đề cũ, mà muốn quy trình, vật khái niệm trường Liệu phát triển theo đường mà vật lý lượng tử chọn hay có nhiều khả xuất ý tưởng mang tính cách mạng vật lý? Liệu đường phát triển có bước ngoặc lớn trước đây? Trong vài năm qua, khó khăn vật lý lượng tử tập trung quanh vài điểm Các nhà vật lý chờ đợi lời giải đáp vấn đề cách thiếu kiên nhẫn Nhưng không tiên đốn đâu khó khăn làm sáng tỏ VẬT LÝ VÀ HIỆN THỰC Đâu kết luận tổng quát rút từ phát triển vật lý từ ý tưởng đề cập đến sách này? 330 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Khoa học tự nhiên sưu tầm định luật, danh mục liệt kê kiện khơng liên hệ với Nó sáng tạo trí tuệ người với khái niệm tư tưởng phát minh cách tự Các lý thuyết vật lý cố gắng kiến tạo hình ảnh thực xây dựng mối liên hệ với giới rộng mở tri giác Do vậy, đánh giá cho cơng trình tinh thần việc lý thuyết có tạo mối liên hệ hay khơng có theo cách Chúng ta thấy tiến vật lý tạo nên thực Theo chuỗi mắt xích sáng tạo này, trở nơi xa khởi điểm vật lý học Một khái niệm nguyên thủy vật thể Những khái niệm “cây cối”, “con ngựa” hay vật thể vật chất sáng tạo mà người có dựa tảng kinh nghiệm, ấn tượng mà sáng tạo đặt làm tảng cịn thơ sơ so sánh với giới tượng vật lý Khi mèo đùa giỡn với chuột, thu lượm thực sơ khởi suy nghĩ Việc mà mèo ln có phản ứng gặp chuột chứng tỏ tự hình thành cho khái niệm lý thuyết tạo nên phương hướng giới trực giác “Ba cây” khác với “hai cây” “hai cây” khác với “hai cục đá” Những khái niệm số túy 2, 3, thai từ những vật thể sáng tạo trí tuệ giúp mô tả thực giới LƯỢNG TỬ - 331 Cảm giác chủ quan tâm lý thời gian giúp thiết lập thứ tự ấn tượng chúng ta, để nói việc xảy trước việc Nhưng sáng tạo việc dùng đồng hồ để đánh số thời điểm dòng chảy thời gian, coi thời gian miền liên tục chiều Cho nên khái niệm hình học Euclid phi–Euclid khơng gian hiểu liên tục ba chiều Vật lý học thật bắt đầu với sáng tạo khối lượng, lực hệ quán tính Các khái niệm sáng tạo tự Chúng dẫn đến hình thành tư học Đối với nhà vật lý vào đầu kỷ thứ mười chín, thực giới bên bao gồm phần tử lực tương tác đơn giản chúng, lực tùy thuộc vào khoảng cách Ơng ta ln cố gắng giữ lâu tốt niềm tin ông ta thành công việc giải thích tất kiện tự nhiên với khái niệm thực Mãi đến khó khăn liên quan đến lệch kim nam châm, liên quan đến cấu trúc ether làm phải sáng tạo thực tinh tế Sự khám phá quan trọng trường điện từ xuất Sự tưởng tượng phong phú đầy sáng tạo táo bạo khoa học điều vơ cần thiết để ta nhận thức rõ điều việc xếp tìm hiểu kiện tự nhiên khơng phải trạng thái vật thể mà trạng thái nằm vật thể này, trường Những phát triển khoa học hủy bỏ khái niệm cũ tạo nên khái niệm Trong thuyết tương 332 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý đối, người ta từ bỏ thời gian tuyệt đối hệ trục tọa độ quán tính Nền tảng cho tất biến cố tự nhiên khơng cịn miền liên tục thời gian chiều miền liên tục không gian ba chiều mà miền liên tục không – thời gian bốn chiều Đây sáng tạo tự với tính chất phép biến đổi Hệ trục tọa độ qn tính khơng cịn cần thiết hệ trục tọa độ thích hợp việc mơ tả kiện tự nhiên Thuyết lượng tử lại tạo nên đường nét giới thực Sự gián đoạn thay cho liên tục Những định luật chi phối phần tử riêng biệt thay định luật xác suất chi phối tập hợp Vật lý đại tạo nên thực mới, ngày xa rời thực ngày xa xưa Nhưng mục đích lý thuyết vật lý giữ nguyên cũ Với giúp đỡ lý thuyết vật lý, cố gắng tìm kiếm phương hướng mê trận kiện mà quan sát được, cố gắng xếp tìm hiểu cảm nhận qua tri giác Chúng ta muốn kiện quan sát phải tuân theo cách logic khái niệm thực Nếu khơng có tin tưởng hiểu thực kiến tạo lý thuyết, tin tưởng hài hịa bên giới chúng ta, khơng thể có khoa học Sự tin tưởng giữ vững động lực cho tất sáng tạo khoa học Xuyên suốt tất cố gắng chúng ta, tất đấu tranh đầy cam go nhận thức cũ, ln nhận thấy lịng khao khát LƯỢNG TỬ - 333 mn thuở cho hiểu biết lịng tin tuyệt đối vào hài hòa vũ trụ Lịng khao khát mn thuở tin tưởng ngày củng cố thêm trở ngại cho nhận thức ngày gia tăng Chúng ta tóm tắt: Sự đa dạng kiện giới tượng nguyên tử buộc phải sáng tạo khái niệm vật lý Vật chất có cấu trúc “hạt” hình thành từ hạt sơ cấp gọi lượng tử sơ cấp vật chất Như thế, điện tích có cấu trúc hạt điện tích có lượng, điều quan trọng theo quan điểm thuyết lượng tử Ánh sáng hình thành từ photon, photon lượng tử lượng Ánh sáng sóng mưa photon? Một chùm tia electron mưa hạt sơ cấp sóng? Những vấn đề cốt yếu bắt nguồn từ thí nghiệm vật lý Trong trình tìm kiếm lời giải đáp cho vấn đề này, phải từ bỏ việc mơ tả q trình thuộc ngun tử biến cố xảy không gian thời gian, cần phải tách xa khỏi tư học cũ Vật lý lượng tử thiết lập định luật chi phối số đông, tập hợp không chi phối phần tử riêng biệt Khơng phải tính chất mà xác suất mô tả, định luật cho biết tương lai hệ thống thiết lập, mà định luật chi phối thay đổi xác suất theo thời gian định luật có hiệu lực cho tập hợp lớn phần tử riêng lẻ 334 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý CHÚ THÍCH Galilée Galileo, 1564-1642, nhà thiên văn vật lý người Ý, coi nhà sáng lập học cổ điển Lần ơng phát biểu ngun lý qn tính năm 1609 ơng chế tạo kính thiên văn Từ kết quan sát hành tinh, ông khẳng định đắn lý thuyết Copernic – Trái Đất quay quanh mặt trời - ngược lại quan điểm Nhà thờ Kinh Thánh, năm 1641 ông nghĩ việc dùng chu kỳ lắc để đo thời gian Isaac Newton, 1642 – 1727, nhà vật lý, toán học thiên văn học người Anh, ơng thiết lập phép tính vi tích phân, định luật hấp dẫn, học Newton, ông nghiên cứu tán sắc ánh sáng… 2.a Aristotle, 384 – 322 trước C.N, nhà triết học, nhà sinh học người Hy Lạp, ơng thực nhiều cơng trình, để lại nhiều tác phẩm triết học (Bàn triết học…), khoa học tự nhiên ( Historia Animalium, De Plantis, Physica, De Mundo, Mechanica…), trị kinh tế ( Politica, Oeconomica…)… Vis inertiac – vis mortua: lực quán tính, lực chết hay khơng có lực trái với vis viva: lực sống (= khối lượng × bình phương vận tốc) 3.a Gottfried Wilhelm Leibnitz, 1646-1716, nhà triết học toán học người Đức, ông đưa khái niệm vi phân, tích phân vào tốn học, phát minh phép tính vi phân Joseph Black, 1728-1799, nhà vật lý hóa học người Anh, năm 1760 ơng người phân biệt rõ nhiệt lượng nhiệt độ Benjamin Thompson Rumford, 1753-1814, nhà vật lý học hóa học người Mỹ, năm 1798 ông phá tan lý thuyết nhiệt khối chất, ông chứng minh kim loại tỏa nhiệt có ma sát, nhiệt dung riêng kim loại không thay đổi Robert von Mayer, 1814-1878, nhà vật lý thầy thuốc người Đức, năm 1842 ông đưa đương lượng đơn vị nhiệt lượng CHÚ THÍCH - 335 James Prescott Joule, 1818-1889, nhà vật lý người Anh, ông từ bỏ chức giám đốc nhà máy bia Salford để nghiên cứu khoa học, năm 1841 ông phát biểu định luật tỏa nhiệt dòng điện, gọi hiệu ứng Joule Vào năm kế tiếp, ông xác định đương lượng calorie Democritus, 460-361 trước công nguyên, nhà triết học khoa học người Hy Lạp Ông có đóng góp quan trọng cho triết học thuyết nguyên tử vũ trụ Hermann von Helmholtz, 1821-1894, nhà vật lý sinh học người Đức, giáo sư vật lý Đại học Berlin, năm 1847 báo cáo khoa học ông khẳng định tượng vật lý thay đổi dạng lượng, ông đưa vào khái niệm định luật bảo toàn lượng 10 Charles de Coulomb, 1736-1806, nhà vật lý người Pháp, ông khám phá định luật Coulomb cho biết lực tương tác hai điện tích điểm 11 Galvani Luigi, nhà vật lý thầy thuốc người Ý, 1737 – 1798, năm 1786 ơng tình cờ nhận thấy chân ếch bị co giật dùng điện kích thích dây thần kinh chúng, Galvani gọi tượng điện sinh vật 12 Volta Alessandro, nhà vật lý người Ý, 1745 – 1827, khám phá pin điện năm 1800 13 Oersted Hans Christian, 1777 – 1851, nhà vật lý người Đan Mạch Năm 1820 Oersted khám phá tượng điện từ mô tả sách 14 Rowland Henry Angustus, nhà vật lý học người Mỹ, 1848 – 1901, ông nghiên cứu vật lý Berlin với hướng dẫn Helmholtz, năm 1876 ơng chứng minh điện tích chuyển động tạo từ trường 15 Fizeau Hippolyte, 1819 – 1896, nhà vật lý người Pháp, vào năm 1849 Fizeau đo vận tốc ánh sáng 315.300 km/s 15a.Rưmer Olẵs; 1644-1710, nhà thiên văn học người Đan Mạch Năm 1676 ông người xác định vận tốc ánh sáng quan sát thiên văn Ông người phát triển thang nhiệt độ 16 Michelson, Albert Abraham; 1852 – 1931 nhà vật lý người Mỹ, năm 1881 với cộng tác E W Morley, ông tiến hành nhiều thí nghiệm tiếng vận tốc ánh sáng Berlin 16a.Ole Christensen Roemer; 1644-1710, nhà thiên văn học người Đan Mạch, người xác định vận tốc ánh sáng vào năm 1676 quan sát thiên văn Ông người phát triển thang nhiệt độ đầu tiên, hệ thống đèn chiếu sáng (bằng đèn dầu) cho thành phố (Copenhagen) 336 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý 17 Huygens Christiaan, 1629 – 1695, nhà toán học thiên văn học người Hà Lan, tác phẩm “Khảo luận ánh sáng” năm 1678, Huygens đưa lý thuyết sóng cho ánh sáng 18 Thomas Young, 1773-1829, nhà khoa học người Anh, thông thạo 10 ngôn ngữ lúc 14 tuổi Năm 1796, ông xong tiến sĩ vật lý đại học Goettingen (Đức) Năm 1802 qua thí nghiệm khe kép (Double-slit experiment), Young chứng minh chất ánh sáng sóng với tượng giao thoa nhiễu xạ 19 Fresnel Augustin, 1788-1827, nhà vật lý người Pháp, năm 1819 ông đưa khảo luận nhiễu xạ ánh sáng 20 Faraday Michael, 1791-1867, nhà hóa học vật lý học người Anh, năm 1831 ông phát tượng cảm ứng điện từ 21 Maxwell James Clerk, 1831-1879, nhà vật lý người Anh, năm 1873 phương trình Maxwell trình bày tác phẩm “Treatise on Electricity and Magnetism” 22 Hertz Heinrich, 1857-1894, nhà vật lý người Đức, năm 1887 Hertz lần tạo sóng điện từ dao động 23 Copernicus Nicolas, 1473-1543, nhà thiên văn học người Ba Lan, năm 1543 ông cho in chuyên luận tiếng quan trọng “De revolutionibus orbium coelestium libri VI”, theo ông Mặt Trời trung tâm Trái Đất quay xung quanh Đây khám phá quan trọng người tự nhiên 23a Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928, nhà vật lý người Hà Lan, ông suy công thức biến đổi Lorentz Để giải thích kết thí nghiệm MichelsonMorley, ơng đưa ý kiến co giãn vật thể theo hướng chuyển động (Fitz Gerald-Lorentz Contraction) 24 Ptolemy (Claudius Ptolemaeus), 100-178, nhà thiên văn, tốn học địa lí người Ai Cập Tác phẩm vĩ đại ông Almagest, ơng phát triển lý thuyết cho Trái Đất trung tâm vũ trụ, Mặt Trăng, Mặt Trời tinh tú khác xoay quanh Trái Đất 25 Thomson Joseph John, 1856-1940, nhà vật lý người Anh Năm 1894 ông xác định tỉ số e/m electron năm sau ông xác định trị số tuyệt đối điện tích electron 26 Rutherford of Nelson, 1871-1937, nhà vật lý học người Anh, lãnh đạo phịng thí nghiệm Cavendish, năm 1925 chủ tịch Hội Hồng Gia Ln Đơn, năm 1911 ơng đưa mẫu nguyên tử giống hệ mặt trời Nobel hóa học 1908 CHÚ THÍCH - 337 27 Max Planck, 1858-1947, nhà vật lý người Đức Ngày 14-12-1900 Max Planck trình bày lý thuyết lượng tử ông Hội Vật lý Đức Berlin Ông nhận giải Nobel vật lý năm 1918 28 Niels Bohr, 1885-1962, nhà vật lý người Đan Mạch Năm 1913 ông xây dựng lý thuyết cấu trúc nguyên tử Nobel vật lý năm 1922 29 Louis De Broglie, 1892-1987, nhà vật lý người Pháp De Broglie đưa giả thuyết sóng hạt với biểu thức p = h×k biểu thức tốn học tính chất sóng hạt vật chất 30 Schrưdinger Erwin, 1887-1961, nhà vật lý người Áo Phương trình Schrưdinger sở phép tính quang phổ học Nobel vật lý năm 1933 31 Werner Karl Heisenberg, 1901-1976, nhà vật lý người Đức, nhà sáng lập học lượng tử, Nobel vật lý năm 1932 32 Paul Dirac, 1902-1984, nhà vật lý người Anh, tiên đoán tồn positron, phản vật chất, thiết lập lý thuyết thống kê Fermi-Dirac, Nobel vật lý năm 1933 33 Max Born, 1882-1970, nhà vật lý người Đức, ơng có nhiều đóng góp việc xây dựng lý thuyết lượng tử, Nobel vật lý năm 1954 338 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Bảng dẫn từ vựng Việt-Anh Ánh sáng, bị uốn cong trọng trường Light, bending in gravitational field 252, 270 Ánh sáng đơn sắc Homogeneous light 119, 134-135, 292-296, 298, 300 Ánh sáng / chất Light / substance 118-120 Ánh sáng trắng White light 118-120, 133 Ẩn nhiệt Latent heat 57, 60 Bất biến Invariant 187 Biểu diễn trường Field representation 148 Black 54, 55, 66 Bohr 303, 323 Bối cảnh Background 69 Born 323 Brown 78 Bước sóng (chiều dài sóng) Wave – Length 122, 132 Cấu trúc trường Structure of field 166, 172 Copernicus 178, 242-243 Cơ học lượng tử Quantum mechanics 303 Cơ học sóng Wave mechanics 303, 307 Cơ Mechanical Energy 65 Chân không Vacuum, Vacuo 113-114, 127-129, 133, 189, 204 Bảng dẫn từ vựng Việt-Anh - 339 Chất, vật chất Substance Chất điện 52-56 86 Chất điểm Material point 71 Chất khơng có trọng lượng Weightless substances 58, 95, 128 Chất nhiệt Caloric 58 Chất phóng xạ Radioactive matter 224 Chuyển động Brown Brownian movement 78-83, 285 Chuyển động thẳng Rectilinear motion 20, 114, 184, 238 Chuyển động tương đối Relative uniform motion 181-188, 197 Coulomb 94, 102 Cực từ Magnetic pole 100 De Broglie 307, 311, 312, 323 Democritus 70 Dirac 323 Dòng điện Electric current 103 Dòng điện cảm ứng Induced current 159 Đồng hồ chạy đồng Synchronized clocks 209, 268 Động Kinetic energy 63 Điện Electric potential 95-97 Điện tích Electric charge 95-97 Điện tích sơ cấp Elementary charge 287 Định luật biến đổi Transformation laws 187 Định luật (vạn vật) hấp dẫn Law of gravitation 44-45, 94, 102, 195 Định luật quán tính Law of inertia 22, 27, 35, 49, 177-179, 197, 245, 247, 250 Định luật chuyển động Law of motion 22, 177-179, 245 Đương lượng học nhiệt Mechanical equivalent of heat 68 340 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Đường sức Lines of force 148 Electron Electron 287 Ether 127,128, 131, 133, 137, 138, 140-143, 173, 189, 192-202 Faraday 146, 159 Fizeau 112 Fresnel 134 Galileo 19, 20, 22-24, 27, 35, 37, 39, 42, 51, 54, 71, 109-112, 177, 180, 183-184, 192, 197-198, 203, 231, Galvani 103 Hai khoa lĩnh vực học Two new sciences 24, 109 Hằng số chuyển động Constant of the motion 64 Hạt particle 35 Hạt ánh sáng Corpuscles of light 115, 116, 120, 128, 142, 294, 297, 312 Hạt Elementary particle 224 Hạt nhân Nucleus 291 Heisenberg 323 Helmholtz 72, 73 Hertz 146, 173 Huygens 126, 127, 138 Hệ thống (trục) tọa độ, hệ thống qui chiếu Co–ordinate system, frame of reference 177 Hệ (thống) quán tính Inertial system 183, 242 Hệ (thống) quán tính cục Local inertial system 248 Hiệu ứng quang điện Photoelectric effect 292 Hình ảnh động chuyển động Dynamic picture of motion 235, 236, 239 Bảng dẫn từ vựng Việt-Anh - 341 Hình ảnh tĩnh chuyển động Static picture of motion Joule Khối lượng 233, 236, 239 66-68 Mass 48 Khối lượng electron Mass of one electron 289, 290 Khối lượng nguyên tử hydro Mass of one hydrogen atom 285 Khối lượng phân tử hydro Mass of one hydrogen molecule 83, 285 Khối lượng hấp dẫn Gravitational mass 50-52, 142, 246, 242, 254, 255, 272 Khối lượng quán tính Inertial mass 50-52, 142, 246, 249, 254255, 272 Khối lượng / Năng lượng Mass / Energy Khối lượng tĩnh (nghỉ) Rest mass 227 Không gian trống rỗng Empty space 115 Khúc xạ Refraction 114, 116-118, 130-132, 137 Kính quang phổ Spectroscope 300, 320 Lan truyền ánh sáng Propagation of light 110, 113, 138, 140, 205, 229, 297 Lan truyền thẳng ánh sáng Rectilinear propagation of light 113, 135 Leibnitz 39 Lực Force 20, 22-28, 32, 36-38 Lực từ Magnetic force 102, 103, 107, 151, 153, 169 Lực vật chất Force and matter 71-72 Lưỡng cực điện Electric dipole 100 Lưỡng cực từ Magnetic dipole 100-102, 107, 150, 160 Lưỡng cực từ sơ cấp Elementary magnetic dipole 101, 107 342 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Lượng tử (lý thuyết) Quantum (theory) 281 Lượng tử ánh sáng Light quanta 291, 294-296, 299, 302, 315 Lượng tử sơ cấp Elementary quantum 283-287, 289, 296, 299, 311, 315, 316, 321, 329 (Lý) thuyết động lực học Kinetic theory 73-83 Lý thuyết sóng ánh sáng The wave theory of light 126, 129, 132, 137, 297 Lý thuyết trường điện từ Electromagnetic theory ánh sáng of light 172 Lý thuyết tương đối hẹp (đặc biệt) Special relativity theory 244, 259-262, 268-270, 275, 313 Lý thuyết tương đối rộng (tổng quát) General Relativity Theory 48, 239, 244, 255, 262-264, 267-276 Maxwell 146 Mayer 65-66 Mặt đầu sóng Wave front 131 Mét hệ (tính chất) Metric (property) 266 Michelson 112, 200, 201 (Miền) liên tục Continuum 228 (Miền) liên tục chiều one-dimensional continuum 229, 235, 237, 324, 325, 332 (Miền) liên tục hai chiều two-dimensional continuum 230, 235, 237, 267, 268 (Miền) liên tục ba chiều three-dimensional continuum 231, 324, 326, 327, 332 (Miền) liên tục bốn chiều four-dimensional continuum 238-239 Morley 200, 201 Mức lượng Energy level 302, 303, 321 Natri (Na) Sodium 119, Natri nóng sáng Incandescent sodium 120, 274-275, 300 Bảng dẫn từ vựng Việt-Anh - 343 Nguyên lý tương đối Galileo Galilean relativity principle 189, 192, 197, 198, 201, 203 Nhiệt Heat 52-68, Nhiệt dung Heat capacity 55 Nhiệt dung riêng Specific heat 55, 56, 59, 67 Nhiệt độ Temperature 53-61, 67, 68, 74-77, 96, 96, 235, 257, 265 Nhiệt / lượng Heat / Energy 65-58 Nhiệt / Chất Heat / Substance 56-58 Newton 19, 22-25, 39, 44-46, 94, 102, 108, 116-118, 126, 127, 133, 149, 156, 165, 169, 170, 188, 195, 241, 248, 255, 269-274, 294 Nhiễu xạ Diffraction 135, 136, 173, 298, 299, 304-306, 313-315, 322, 323, 326, 328 Nhiễu xạ ánh sáng Diffraction of light 135, 136, 173, 304 Nhiễu xạ sóng electron Diffraction of electronic wave 306, 314, 326 Nhiễu xạ tia X (tia Roentgen) Diffraction of X rays 314 Nút (sóng) Node(s) 309-310 Oersted 106, 158, 163, 166, 168, 170, 172 Phản chiếu ánh sáng Reflection of light 112, 115 Phân tử Molecule(s) 74-83 Phép biến đổi cổ điển Classical transformation 189, 192, 194, 203, 205, 209, 210, 214-218, 220-222, 237, 269, 313 Phép biến đổi Lorentz Lorentz transformation 217-222, 238, 239, 248, 269, 275, 313 Photon Photon 294-204, 311-317, 321-322, 326 344 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Photon cực tím (tử ngoại) Ultraviolet photon 303 Phương trình Maxwell Maxwell’s equations 165-175, 216, 217, 271, 325 Pin Volta Voltaic battery 103-106, 164 Planck 294 Principia 25 Ptolemy 242-243 Phân rã phóng xạ Radioactive disintegration 320 Quang phổ Spectrum 118-119, 128, 233, 235, 296, 300-307, 310, 321, 326, 328 Quang phổ nhìn thấy Visible spectrum 300, 303 Radium 224-225, 302 Roemer 112 Rowland 108-109, 149, 158-159, 168 Rumford 59-61, 66 Rutherford 291 Sao Thủy Mercury 273-274 Schrưdinger 307-323 Solenoid Solenoid 153-155, 159-161 Sóng dọc Longitudinal wave 123-125, 137-140, 171 Sóng điện từ Electromagnetic wave 171-176, 189, 202, 208, 325 Sóng electron Electronic wave 306, 312-304, 314, 326 Sóng mặt cầu Spherical wave 125 Sóng đứng Standing wave 308-310 Sóng ngang Transverse wave 124-125, 137-138, 171-173 Sóng phẳng Plane wave 125, 131 Sóng xác suất Probability wave 324-329 Tán sắc (của ánh sáng) Dispersion (of light) 118, 133 Bảng dẫn từ vựng Việt-Anh - 345 Thay đổi vận tốc Change of velocity 24-27, 32-38, 40-42, 46, 62, 187-189, 205, 223, 226 Thế Potential Energie 63-68 Mứt Jelly 124, 138, 140-141, 171 Thí nghiệm định Crucial experiment 59, 196 Thomson, J.J., 287 Thống kê (học) Statistics 319-328 Thuyết tương đối Relativity 50, 189, 204, 206, Thuyết tương đối rộng (tổng General relativity quát) 50, 244, 255, 262-264, 267276 Thuyết tương đối hẹp (đặc biệt) Special relativity 244, 259-262, 268-270, 275, 280, 313, Tỷ số trao đổi Rate of exchange 66 Tia X ( Roentgen ) X-rays Tinh thể Crystal 301, 304 Sức ì , tính chống lại Resistance, Inertia 224-226 Tĩnh điện Electrostatic Tĩnh điện nghiệm Electroscope 87, 90, 104 Tĩnh từ Magnetostatic 157-158, 160 Tọa độ điểm Co-ordinate of a point 185 Tổng quát hóa Generalization 34-39, 65, 70, 89, 203, 269, 276 Trường, trường lực Field 146 Trường điện từ Electromagnetic field 168-171, 175, 189, 215, 222, 271, 275, 279, 323, 325, 327, 332 Trường tĩnh, trường không đổi Static field 157 Trường hấp dẫn Gravitational field 148, 156, 158, 247, 249, 251, 253-254, 264-265, 271-276, 288, 323, 325, 327 346 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý Tư học Mechanical view 73-75, 98, 102-103, 106, 107, 115-116, 128, 140-143, 146, 149, 159, 174-106, 202, 271, 275, 330, 332 Vạch quang phổ Spectral lines 301, 306, 321, 326, 328 Vận tốc sóng Wave velocity 122, 172 Vận tốc sóng điện từ Velocity of electromagnetic wave 173 Vận tốc ánh sáng Velocity of light 109-112, 173, 189, 194-196, 200-204, 208, 214, 221 Vật cách điện Insulators 87, 90-91, 100 Vật chất – Năng lượng Matter – Energy 69 Vật chất trường Matter and field 275-280, 329-330 Vật dẫn điện Conductor 90-91, 95-97, 100, 104-105, 156 Vật lý học Physics 20 Vật lý hạt nhân Nuclear physics 291 Vật thử nghiệm Test body 147-148, 156, 287-288 Vectơ Vector 27 Vectơ vận tốc Velocity vectors 36-41 Volta 103 Vùng tối Shadow 113, 134 Xác suất Probability 319 Young 134 Bảng dẫn từ vựng Việt-Anh - 347 SỰ TIẾN HÓA CỦA VẬT LÝ ALBERT EINSTEIN - LEOPOLD INFELD Dương Minh Trí dịch Chịu trách nhiệm xuất bản: Giám đốc - Tổng biên tập NGUYỄN MINH NHỰT Chịu trách nhiệm nội dung: Phó Giám đốc - Phó Tổng biên tập NGUYỄN THẾ TRUẬT Biên tập & sửa in: PHẠM TRỌNG LIÊM CHÂU NGUYỄN PHAN NAM AN Bìa: BÙI NAM Kỹ thuật vi tính: NGUYỄN MAI KHANH NHÀ XUẤT BẢN TRẺ 161B Lý Chính Thắng - Quận - Thành phố Hồ Chí Minh ĐT: 39316289 - 39316211 - 38465595 - 38465596 - 39350973 Fax: 84.8.38437450 - E-mail: hopthubandoc@nxbtre.com.vn Website: http://www.nxbtre.com.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN TRẺ TẠI HÀ NỘI Số 21, dãy A11, khu Đầm Trấu, p Bạch Đằng, q Hai Bà Trưng, Hà Nội ĐT: (04)37734544 - Fax: (04)35123395 E-mail: chinhanh@nxbtre.com.vn CÔNG TY TNHH SÁCH ĐIỆN TỬ TRẺ (YBOOK) 161B Lý Chính Thắng, P.7, Q.3, Tp HCM ĐT: 08 35261001 – Fax: 08 38437450 Email: info@ybook.vn Website: www.ybook.vn