Các lực trong tự nhiên v grigôriev, g miakisev; ngô đăng nhân dịch

Chúng ta không nh ữn g chi có t hể nói về một tương tác nao dỏ của các vật thể mà còn có thê đo được nó.. Sô đo định lượng cua tác động giữa các vạt thê voi n ha u trong có học được gọi

V Grigôriev, G.Miakisev

Các lực trong tự lihiên

Người dịch: N G Ô Đ Ặ N G N H Â N

(Tái bản lần th ứ nhất)

NHA XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2002

L Ờ I CÁC TÁC G IẢ

T h o ạt n h ìn , bức tr a n h về các tương tác trong tự n h iên dường n h ư r ấ t phức tạp Song mọi sự đa dạng của chúng đều qui về một sô" không lớn lắm n h ữ n g lực cơ bản

N hững lực cơ b ả n đó là gì? C húng có bao nhiêu? Toàn bộ bức tra n h phức tạ p về n h ữ n g mổì liên hệ tro n g thê giối xung

q u a n h ch ú n g ta được quy về n h ữ n g lực đó bằng" cách nào

C h úng tôi sẽ đề cập tới n h ữ n g v ấn để đó tro n g cuốn sách này.Cuốn sách n ày được x u ấ t b ả n lầ n đ ầu tiên đến nay đã

n h iề u năm Trong suốt k h o ản g thời gian đó nhữ ng q u an niệm chính về các tương tác cơ b ả n nói chung vẫn không th a y đổi Song cũng x u ấ t h iệ n n h iều cái mới Và vấn đê không chỉ

là n h ữ n g h ạ t mối, n h ữ n g hiệu ứng mới, n h ữ n g loại đối tượng

v ậ t lý và th iê n văn mới được k h ám phá, cho dù là mỗi khám

đó bố su n g cho bức tr a n h chung th ể h iện các tương tác cơ b ản

n h ữ n g n é t đặc th ù q u an trọ n g mới Có lẽ ta đã có th ể nói tới

xu hướng đ an g h iện ra rõ rệ t n h ằm đưa vào bức tra n h nàv

n h ữ n g th a y đối m an g tín h nguyên tắc: xem xét một cách

th ô n g n h ấ t h ai (trong bôn) loại tương tác cơ bản - tương tác điện từ và tương tác yếu

Trong lầ n x u ấ t b ả n th ứ n ăm này của cuốn sách chúng tôi

có đưa vào n h ữ n g th à n h tự u mới, q u an trọ n g n h ấ t của v ật lý

V iết cuốn sách này chúng tôi th ấ y th ú vị mặc dù đôi chỗ không p h ả i không có khó k h ăn Có lẽ, đọc nó đôi khi cũng cần

có sự cô" gắng

3

1 "Lực” tra n g ngôn n gữ h à n g ngày

Từ lực say mẽ tới lực hơi nước

Từ "lực" có m ột kỷ lục độc đáo H ầu n h ư trong b ấ t kỳ cuốn

từ điển giải th ích nào củng có m ột chỗ gần như xứng đáng

n h ấ t để giải th ích từ này C hẳng hạn, tro n g cuôh từ điển của V.D all ta có th ể đọc th ấ y rằng, lực “là nguồn gốc, là khởi điểm , là nguyên n h â n cơ b ản (bí ẩn) của một tác động, mọi chuyển động, mọi xu hưống, mọi kích thích, mọi biến chuyển

v ậ t c h ất tro n g không gian, hoặc: là khởi điểm tín h biến đổi của n h ữ n g h iện tượng trong Vũ trụ", Song bằng sự m iêu tả

d ài dòng n ày "bản ch ất của vấn đề" vẫn chưa được đề cập

h ế t M ột đ ịn h nghĩa nữ a về lực của chính V.Dall m à không

b iế t có làm b ạ n thoả m ãn không: "Lực là m ột k h ái niệm trừ u tượng về m ột tín h

đ á n g ngạc n h iên : ỏ đ ây có lực v ậ t lý lực của ý chí, m ã lực, sức(*) th u y ế t phục, lực tự n h iê n , lực say mê, lực hơi nước, vv và v.v Có b iế t b ao câu tụ c ngữ đều b ắ t đ ầ u từ điều

k h ẳ n g đ ịn h rõ rà n g là "đủ sức bẻ gẫy cọng rơm", và rồi k ế t

th ú c bởi sự q u ả q u y ế t hơi k hó h iể u là "sức m ạ n h khô n g p h ải

ỏ chồ con n g ự a cái m à u xám , m à là ở chỗ k h ô n g gặp m ay" m à

đ ịn h n g h ĩa về lực n h ư v ậy cũ n g lạ i có th ể tìm th ấ y tro n g từ

đ iển của V D all

N h ư n g có th ể cuốn từ đ iển của V.D all đã củ C h ú n g ta h ãy

lậ t cuốn từ đ iể n tiế n g N ga do X.I.Ojegov b iên soạn n ă m 1953

c h ẳn g h ạ n Ở đây, nói chung, ch ú n g ta k h ô n g tìm th ấ y m ột

đ ịn h n g h ĩa th ô n g n h ấ t của từ này, song sẽ th ấ y n g ay mười cách giải th íc h k h á c n h a u Và chư a chắc ai đó đã tin là không

th ể cho th ê m vào đ ấy ch ừ n g ấy cách giải th íc h n ữ a, m ặc dù

tầ m bao q u á t ở đ ây cũ n g đã r ấ t rộng: b ắ t đ ầu từ "lực ly tâm "

và "lực th ó i quen" cho đ ến "theo n ă n g lực"

"Tình yêu có lực điện"

Đ ương n h iên , n g ay tro n g th ơ ca từ "lực" cũng được sử

d ụ n g r ấ t phong p h ú Đ iều n ày liên q u a n đến n h ữ n g tác

p h ẩ m của cả các n h à th ơ cổ cũ n g n h ư của các n h à thơ h iện đại C h ủ n g ta chỉ giới h ạ n ơ m ột vài th í dụ, vì chắc b ấ t kỳ

b ạ n đọc nào cũ n g có th ể r ấ t đễ d àn g tă n g lên gấp đôi hoặc gấp b a con số th í dụ này

C him ư ng đ á n h v ịt, n h ư n g sợ đại bàng

Dưối sông cá sấ u doạ n à n g cá m ăng;

(*) Trong tiêng Nga từ "(11 I \" vừầ có nghĩa là lực vừa có nghĩa là sức, sức m ạnh, cường độ, v.v (ND).

8

! 1 ó vo soi che’ nhe r;ìng

Muon (ỉn! dang manh t h a n g dañe' ven hòn

■ A B u s k i n , A hữ i ì u hu í lu' ỉu vại rán

h u n ' , Sư<- m ạ n h ra s ự rau dual".

H o ặ c c o n u i i a :

Sao mạ nh chuñ e Hindi ello sue mạnh

Sac mạ nh c h añ e han gid h áne nhau

Có kim loại hến hon kim loại

(Vi neon lưa ma nil hôn neon lúa

A Tvcirdorxki Vaxih Turk i n "

iạic co thẻ diiọc sù dụne t r o n é thó ca enn nhu' ý nghĩa khoa học:

To mo cò aái ho Ị toi

Vì sao phái đeo nha n và ne

Mồi khi anh đên đón n à n g t h à n h đỏi?

C h à n g ngập ngừng trước lời nà ng hoi

Đó t rá lòi tôi vội nói ngay:

"'rình vêu tích điện cho nguôi

Đè lam dây dan em đi can vàng!

R Burns, "Chiếc nh an rang"

( ’h ú ng tôi không he có ý định giai thích xem tại -ao từ

"lực" lại có nhiều V nghía khác n h a u n h ú vạy vi "không t hế

ôm dom qua nhiêu", nhát là t rong lĩnh vực khoa hoc tự nhiên

"Car lực trong tự n h i ê n ”, nhu' tên gọi cua cuon each nàv la mọt dôi titling nghiên cứu cua vạt ly

9

Chàng Fal taren (*)và máy gia toe

Yật lý Khôn»' p h á i vó cỏ mà nó đ u n » h a n » đa u t ron» rò

n h ũ n » khoa học chính xác Chác các hạ n con nhó tói n hữ n g viện đạp t r u n g (tích kỷ diệu kh i h ã n vào chiee mù dà m a n g lại vinh q u a n g cho người dâ n cua t h à n h phô Tarnsknn

K h u n g ngay ca T a r t a r e n có lẽ cun g t h á y lúng t ú n g neu bị

y ê u chu b ắ n t r ú n g đồng xu cách xa vài chục nghìn cày sô Song chính bai to án t ường t ự lại được các nha vại ly giai

q u y ế t t rê n n h ữ n g m á \ gia tôc h ạ t co' ban kh ôn g lố

C h u y ể n động của n h ũ n g vật t he vù t r ụ lòn quỳ (lạo của các tên lửa các q uá t r ì n h bên t r ong cua nguyên tứ sự phâ n

rã và n h ữ n g biên hoá q u a lại cua các h ạ t cò ha n la toan bộ đại đương bao la của n h ữ n g hiện tượng đ a n g đuọe mò tá và được mô t a định lượng với độ c hí nh xác t uy ệt diệu, b a ng các

đ ịnh l uậ t vạt lý

Vá lại ó t r ì n h độ v à n hoá phô cập b ă t buộc, mọi nguôi đểu

có một khái niệm nào đỏ về n g à n h khoa học này Yạt ly có

t h ê tỏ ra n h ư thỏ nào c ùn g được, t h ậ m chí là buồn te dôi voi một sô người, n h ú n g kh ôn g ai d á m chê t r á c h 1ÌÓ là không

c hính xác khi vấ n đề liên q ua n toi việc xác định n h ữ n g khá i niệm cơ b a n của vạt lv Đương nhiên, t a có thẻ nghĩ r ằ n g chính trong vật lý khái n i ệ m lực có thê dược xác đ ịnh một cách n h ấ t q u á n và c hính xác Ó mức độ đ á n g kế vật !y dà to

ra xứng đ á ng với n h ữ n g hy vọng này n h ư n g n hư c h u ng ta sẽ

t h a y sau đây ván đẻ' lại diễn ra hoan toàn không don gian

n h ư vậy

(•') Ten một n h ã n vạt t r o n g t r u y ẹ n " ( ' l ú mg T u r r a r e n ụ ì h a n h phó T a r a s k o n " (Xỉ)).

10

Tru'oV tiên cluing ta hãy xem khái niệm nay đã đi vào khoa hoe n h ư thê nao va sau (tó đã chịu những thay đổi

gì Từ này không phai (tune nguôi ta mỏi nghĩ ra và cũng khô ng phai láy từ một ngón ngữ chêt như đã xay ra đối voi

p h â n ỉỏn n h u n g t h u ậ t ngừ khoa học: electrón, entrôpi giao thoa V.Y Vo di vào khoa hoc t ừ một -ngôn ngũ sông và bỏi vậy hoan toàn không phai ngay tức khác và tuyệt nhiên không phai không có khó khan khi ngươi ta muôn gạt bo những sác

th ái vỏn có trong cách su dụng thông thường cua nó

Cáí gì dẻ hiểu hơn: sụ rơi cúa hòn đá hay chuvển động của cơn mèo

X h ữ n g cam giác xuất hiện ỏ con người khi n â ng một vật nặng, khi làm chuyên động n h ữ n g vật thê xung quanh vã chính ba n t h â n mình, là có sớ của sự n h ạ n thức về lực trong

cò học N h ú n g "vi tác dộng của ý chí xảy ra tr.ước mói ứng

d ụ n g lực một cách có ý thức của con người, nên ỏ đằng sau

k h á i niệm v ật lý về lực người ta đã đi tìm kiêm một cái gì đó

s áu sắc hơn siêu hình hơn một xu thê hào đây vốn có cứa

càc vật thể: trong tg’ùbng hợp t rọ n g lực chăng' hạn là xu thế kẽt họp với cái tương tự voi nó C h ún g ta khó hiểu hét qua n điểm này" (Laue "Ịụcli sứ vạt lý") Giông nhu - các nha bác học cô xưa đã lạp luận - người đi đường đã mệt càng t ăn g bước đi về gần tới nhà hòn đá rơi bát đầu chuyến dộng ngày

c àng n h a n h dan khi càng gần đất mẹ Dù điều đó la lạ lùng đôi với c hú ng t a đi c hă ng nữa song chuyên động cua động vật c h ắ n g h ạ n như chuyên động của con mèo d thòi đó đường n h ư đơn gian v à ,d ê hiêu hơn rât nhiều so vơi sự rơi của hòn đá

Newton đa nhìn the giới nhu thê nào

Chi !■(') Galilea va Xowton mõi hoan loàn giai thoát dơọr khái niệm lực khui n h ữ n g "xu thê", n h ữ n g "mona niuon" va

n h ũ n g dạc diêm t ươ ng t ự khác vón có cua vật châr soma Co học cỏ (tiến cua Calilci và \ o w t o n tro' t h a n h ctuee nói cua ' ự

Người dường n h ư vdi sức m ạ n h t h â n diệu cua trí tuệ n o n a

L an đ au tiên , nhò' p h u o n y p h á p toán học cua minh

Đ â giói t hích

Chuyên dộng và hình d ạ ng cua các h à n h tinh

Đường di cua các sao chòi, t h u y t r i ề u cua đại dương

On g là người đ ầ u tiên ngh iê n cửu sự da dạ ng của các tia

s áng

Và r ú t ra t ừ đó n h u n g dặc diêm cua m à u sác

Mà íriíoc đó k hô n g ai hô nghi tòi

Là một người giai thích s ang siuVt siêng n ă n g va d u n a dan

vè tụ nhiên, v.ề cô đại và nhùng' hụt tích thiẽĩU' húng.Bàng học t h u y ế t cua mình, ông làm q u a n g vinh cho Đấng sang tạo toan n ă n g

Băng CHỌC doi mình, óng c hứng minh (tiều gián đòn mà kinh t h a n h đòi hoi.

Hhi n h u n g nguôi qua co hãy VUI mừng vi có

Xiém lự hào cua nhún loại sông cùng

Sìììh ngay 23 tháìỉg 12 núm 1642 Mất nựàv 20 thang 3 nam 1727

Bức t r a n h hoàn chinh tuyệt diệu vế Vũ t rụ được xây dựng

t r ê n cò sò n h ữn g cóng t r i n h cua NVvvton dã va dang lam kinh ngạc khùng chi n hữ ng người đường thoi, ma ca nhiều thê hộ bác hoe cho tối ngày nav

Theo Xe\vton ca Vù t rụ gốm "những hạt răn linh động, có

t r ọng lúọng và không bị t h ấ m qua" Những "hạt cơ ¿0 đó là

h o an toàn ran C hú ng r ăn hơn r ât nhiều so VOI nhu n g vật do

c hứng cau tạo nén: c húng rắn toi mức không hao giò' bị hao mòn và bị pha vo t h à n h từng manh" Những hạt này khác

n h a ụ chu yêu ỏ n h ữn g dặc t r ú n g định lượng Tát ca sự phong phú toàn bộ sự đa d ạ ng về chát cua Vũ trụ la kêt quả cua

n h ữn g sự k hác n h a u trong c huyên động cua các hạt Chuvển dộng, là điểu chủ yêu t rong bức t r a n h Vũ t rụ này Ban chất hèn trong cua các h ạ t vạt chát ơ hà ng thư hai: cái chính là

n h u n g h ạt nàv chuyên dộng n h ư thẻ nào.

Nhưng định luật chuyến động của Newton

Co' sò cua bức t r a n h Vù t r ụ th ống n h ấ t nhu' vậy là ò đặc

t ính hao q u á t cua n h ữ n g định l u ậ t chuyên động cua vật thê

do Newton ph át minh ra và đã được ông trình bav chặt chẽ

b a ng toan học Từ n h ữ n g thiên thế khống lồ đèn những hạt cát li ti gió thôi cùng bay đểu t u â n theo nhữn g định luật nay

một cách c h í nh xác t u y ệ t vòi Và ngay ca gió la c h uy ến động cua n h ữ n g h ạ t k hô ng k h í m à m ắ t ta không n h ì n t h ấ y được

Đi ểu n à y có p ha i là đương n h i ê n không'? Hoàn t oà n không

N e w t o n tiếp bước th eo Galilei đã hoà n t o à n vứt bỏ một t rong

n h ữ n g lầm lan s á u xa n h ấ t của n h â n loại vê các định luật

c h u y ê n đ ộng của các vật B ăt đ ầ u t ừ thòi Aristote, gần như

s u ố t h ai mươi t h ê kỷ mọi người đều tin r ă n g c huyên động với tốc độ k h ô n g đối c ần sự tác động t ừ bẽ n ngoài, cần một

n g u y ê n n h â n tích cực nà o đà y để tự duy trì Thi ếu sự hỗ trợ

n h ư t h ê v ậ t t hê n h ấ t đ ị n h d ừ n g lại

Điều n à y h ìn h n h ư được ki nh ng hi ệm h à n g n gà y của

c h ú n g t a xác n h ậ n Thí dụ nê u t á t động co' thì ôtô sẽ dừng lại

n g ay t r ê n con đương h o à n t o à n n à m ngang Tr ong các điểu kiện k hác n h ư n h a u , tố c tộ CHÍ a ôtò c àn g lổn khi công s u ất của động cơ c àng lới* C ũ n g có t h ể nói n h ư t h ế về t hu y ề n , xe đạp t à u thủy V.V C h í n h vì t h ế mà ngay hiện na y t a củng có

t hê gặp n h ữ n g người n h ì n c huy ên động giống n h ư cách n h ì n cua Aristote, t uy b a n t h â n họ cũng' k h ôn g n h ậ n rõ điểu đó

Tr ong thực tế một v ậ t t hè cô lập tức là vật t h è không tương tác với các v ậ t t h ê k há c luôn luôn c huyển động với tôc

độ khôn g đôi Người t a t h ư ờ n g nói hì vật t h ể c h uy ên động theo q u á n tính Chi có sự tác động t ừ p h ía vật t hể khác mới

co t hê t h a y dôi tôc độ c ủa nó Đè giữ cho toe độ cua v ậ t không

] 1

đỏi cân phai rác d ụng lực vào vật chí là vì trong nh ữn g điểu kiện binh thương lucm luôn tun tại sức can chuyên dộng tu phía mật dát không khí hoặc nước Xgubi ta nói r ang cú ma sát Xèii nhu' khùng có nó thì khi t át động cò tóc độ cua òtô

c ùng sè khùng giam đi

Điểu này không t hê nào hiếu được đôi vbi loại người chang

h ạ n n hư vi én đại tá C ra ưs von Sillargut ngư ngóc va ba hoa

kẻ bị a n h lính can đá m Svayc láy cắp mát con chó săn "Khi

x à ng đà hẻt - viên đại tá nói - thì ôtô phai dừng lại Chính ta

đã t hấ y diếu đó hôm qua Vậy mà sau đó thưa các ngài, ngùoi ta lại còn ba hoa về q uá n tính Xó không chạy, nó dừng lại chét dí mọt chỗ Hêt xăng o thê có nực cười không chứ?"Điểu đáng chú V n h ấ t trong những định luật chuyên động cua Xewton là dạng định lượng chính xác cua chúng Chúng

ta không nh ữn g chi có t hể nói về một tương tác nao dỏ của các vật thể mà còn có thê đo được nó Sô đo định lượng cua tác động giữa các vạt thê voi n ha u trong có học được gọi là lực

Cái gì chung giữa lực cơ bắp và lực háp dản

Xhiing chính n h ữ n g tác động vầo vật thê cho trước củng

co t h ể rất đa dạng Ph a i chăn g dường nh ư có cái gi c hung giữa iực h út của Tr ái đ ấ t vào M ặ t tròi và lực t hă ng lực hút buộc tòn lửa chuyên động0 Hay có gì c hung giữa hai lực này

và lực có bắp bình thuong? Ch ính chúng hoàn toàn khác

n h a u vể b a n chất và có nhiều hiện tượng khác nha u â n sau chúng Cơ thê nói về c hún g n h ư nói về một cái gì dó gẩn gùi vỏi n h a u vế mặ t v ật lý chăng? Đúng, có học Xewton tra lời

có t h ế được Và b đây trong cơ học chính la kinh nghiệm

h à n g ngày cua mỗi c h ú ng ta đã dược tông quát hom

Khi k hó ng t h ô n à n g được một vạt n ặ n g lèn người tíi nói:

"Khòng đu sức" Khi đó t hực c h à t có sự so s á nh hai lực hoãn toàn khác n h a u vé ba n chát: lực co' b ã p và lực mà Trái (tat

h ú t vật Mining n éu b ạ n n à n g được v ậ t nặng; lên và gi ủ duọc

nó t r ẽ n tay thì k h ô n g có gì n g ă n cản b ạ n k h ă n g định la 1 Lic­

eo' bắp cua t a y b ạ n vế giá trị b ằ n g t r ọng lực

Vổ thực c h ấ t điều k h a n g định t r ẽ n củn g là đị nh nghĩa về

V

sự b a n g n h a u giữa các lực t r o n g co' học liai lực không p h ụ

t huộc vào b a n t h â t c ủa chúng, được COI là b à ng nh.au và hưb n g nguọc n h a u n ê u tác động đồng thoi cua c hung lẽn vạt

t h ẻ k h ô n g l àm t h a y đôi tôc độ của nó C h í n h điểu cỉo đà mó

ra k ha n a n g đê so s á n h các lực và đè đo c h ún g ne u một lực

t ro n g c h u n g được chọn ra làm chitan mẩu

Ib

th a y đổi V ật th ể n h ậ n được gia tốc, m à theo định lu ậ t chuyển đọng của N ew ton giá tr ị của gia tốc đó tỉ lệ th u ậ n với

giá trị của lực n h ư n g h o àn to àn không p h ụ thuộc vào xuất xứ của lực đó. ở đây có r ấ t nh iều th í dụ C húng ta hãy lấy hú hoạ m ột th í dụ, dù không m ẫu mực lắm n h ư ng cũng không

q u á tẻ n h ạ t: đó là tìn h tiế t lấy cắp quả tạ n ặn g h ai p ú t (*) được mô tả tro n g tru y ệ n "Con bê vàng" của I Ilf và E.Petrov Panikovxki cầm p h ầ n được chia của m ình bằng cả h ai tay,

b ụ n g phưỡn ra và su n g sướng thở phì phò Đôi lúc an h ta khô n g tà i nào rẽ n g an g được vì qu ả tạ theo quán tín h cứ tiếp

tụ c kéo a n h ta về p h ía trước K hi đó B alaganov lấy tay giữ

c h ặ t cổ P anikovxki và xoay người an h ta theo hướng cần thiết"

Trong trư ờ n g hợp này, tác động bên ngoài từ p hía

B alaganov đã tru y ề n cho th â n người Panikovxki một gia tốc cần th iế t để th a y đổi hướng của tốc độ khi an h ta cần p h ải rẽ ngang

C ần p h ải nói rằ n g sự th a y đổi tốíc độ của v ật th ể phụ thuộc khô n g chỉ vào lực m à còn vào chính b ả m th â n v ật thể Không

có q u ả tạ, đôi ch ân m ệt mỏi của Panikovxki cũng có th ể cho

a n h ta m ột gia tốc cần th iế t đủ để rẽ ng an g được

(*) Một pút bằng 16ị38;ỊỊg(NĐ)

17

T ín h c h ấ t củ a v ậ t th ê q u y ế t đ ịn h độ n h a n h ch ậm của sự

th a y đôi tốc độ ch u y ên động củ a nó dưới tác d ụ n g của lực, tro n g cơ học được gọi là kh ô i lượng (hay là khôi lượng q u á n tín h ) T heo đ in h lu ậ t th ứ h a i của N ew ton gia tốc (n g h ĩa là độ

b iế n th iê n tốc độ tro n g m ột đơn vị thời gian) của v ậ t th ể tỉ lệ

th u ậ n với lực tác động lên nó v à tỉ lệ ngh ịch với khôi lượng

c ủ a nó N h ư vậy, tro n g cơ học cố điển người ta đ ã đ ịn h n g h ĩa

m ộ t cách c h ặ t chẽ lực là gì Đ ịn h n g h ĩa n ày chứa đ ự ng tro n g

nó cả cách đo lực Tác động của lực liên h ệ với gia tốc m ột cách đ ịn h lượng ch ín h xác Cơ học là n g à n h kh o a học duy

n h ấ t "tro n g đó người ta b iế t m ộ t cách th ự c sự từ "lực" có

n g h ĩa là gì" (*)

Giá trị của tính vạn năng

T uy n h iê n , cả tro n g cơ học v ấ n đề về các lực ch ư a h ẳ n có

th ể gọi là sá n g sủ a được V ấn đề tạ i sao, do n h ữ n g q u á trìn h

v ậ t lý n ào m à lại x u ấ t h iệ n lực n à y hoặc lực k h ác v ẫ n chưa được lấm sá n g tỏ Có lẽ c h ín h Nevvton cũ n g cảm th ấ y điều này S au đây là n h ữ n g lời ông: "Tôi k h ô n g b iế t tôi là gì đôi với V ũ trụ ; còn tôi tự cảm th ấ y , tôi chỉ n h ư m ột cậu bé đan g chơi tr ê n bò biển, say m ê với n h ữ n g v iên đ á p h a n g p h iu , h ay

n h ữ n g vỏ ốc đẹp k h á c th ư ờ n g m à chốc chốc tôi lạ i tìm th ấy , tro n g k h i đó đ ạ i dương c h â n lý h ù n g vĩ n ằ m ng ay trước m ắ t tôi lạ i h o à n to à n b í ẩn"

T ro n g cơ học, n h ữ n g trở n g ạ i có liên q u a n đến b ả n ch ất của các lực th ư ờ n g được tu y ê n bố" là không q u a n trọ n g chỉ bởi

vì người ta cô' trá n h nói về chúng Q uan điểm n h ư vậy hoàn

(*) F.Engels.~Phép biện chứng tự nhiên, Goxpolitizdat, 1950 tr.56

18

toàn có th ể tồn tại Để tín h toán quỹ đạo chuyển động của v ật

th ế chỉ cần biết về m ặt định lượng lực bằng bao nhiêu Không cần đi sâu vào b ả n ch ất của các lực m à chỉ sử dụng những phương pháp đo chúng cũng có thê biết được giá trị của chúng

và xác định đựợc khi nào chúng sẽ tác động và tác động như thê nào C hính vi thê tro n g cơ học "không cần th iết để định nghĩa

về lực giải thích xem b ản th â n lực là cái gì và lực là nguyên

n h â n hay hệ quả của chuyến động" (H anry Poincaré)

Đ iều cho rằ n g b ả n c h ấ t của lực không qu an trọ n g đối với

cơ học là th iế u sót của cơ học, như ng đồng thời cũng là ưu điểm của nó c.hính vì t h ế cơ học có th ế mô tả th à n h công cả chuyển động của các p h â n tử, lẫ n chuyển động của các vì sao

Đ iều này th ậ t tu y ệ t diệu, n h ư ng dù sao "vết đen" vẫn còn

Vì vậy ch ẳn g có gì đ án g ngạc n h iên khi các n h à bác học cảm

th ấ y còn th iế u sự h iể u b iế t đầy đủ trong n h ậ n thức về lực và luôn cô" gắng vượt q u a n h ữ n g khó k h ă n đó Một sô" người thực

h iệ n điều đó b ằ n g cách chuyển từ chỗ đưa ra các lực m ột cách hơi h ìn h th ứ c sàn g n h ữ n g ý địn h p h ân tích sâu sắc hơn b ản (¡hất của các tương tác; m ột số người khác, chẳng h ạ n n h ư

n h à v ậ t lý nổi tiế n g người Đức G H ertz, đã g ạt bỏ hoàn toàn

k h á i niệm lực ra khỏi cơ học

Cơ học không cần lực và lực không Cần cơ hợc

H ertz đ ã xây dựng th à n h công cơ học, hoàn to àn không

d ù n g tới k h á i niệm lực, n h ư n g hoá ra, ở chừng mực nào đó việc này th ậ t không "bõ công"- Việc loại trừ lực ra khỏi cơ học, m ột m ặ t đã đưa đến sự cần th iế t p h ả i đưa vào n hữ ng giả

th iế t mới, m ặ t k hác làm phức tạp cách diễn đ ạ t nhữ ng

19

n g u y ê n lý cơ b ả n củ a cơ học đ ến mức to à n bộ sơ đồ của H ertz nói c h u n g k h ô n g được công n h ậ n

T h ậ t là th ú vị k h i lư u ý rằ n g sự n h ậ n th ứ c k h ô n g đầy đủ

về b ả n c h ấ t củ a.các lực đ ã làm n ẩy sin h các ý m u ô n loại tr ừ lực ra k hỏi k h o a học, đồng th ò i gây ra tác d ụ n g h o à n to à n ngược lại T h u ậ t ngữ "lực" b ắ t đ ầ u n h ảy từ cơ học vào n h ữ n g lĩn h vực k h á c củ a k h o a học, đồng thời mâ't d ần m ức độ c h ặt chẽ m à nó đ ã tiế p n h ậ n được tro n g p h ạm vi cơ học F E ngels

n h â n c h u y ện n à y đ ã viết: " N ếu người ta gọi m ột ngu y ên

n h â n n ào đó của c h u y ển động là lực, th ì đ iều đó tự nó ho àn

to à n k h ô n g làm tổ n h ạ i tới cơ học; n h ư n g vì th ê người ta

q u e n c h u y ển quy ước đó vào lĩn h vực v ậ t lý, h oá học và sin h

v ậ t học, v à k h i đó th ì k h ô n g tr á n h khỏi sự lầm lẫn Giới h ạ n

ỏ p h ạ m t r ù lực đê đặc trư n g các quá trìn h , có n g h ĩa là các

n h à v ậ t lý đ ã th ể h iệ n sự th iế u h iểu b iế t của m ìn h về th ự c

c h ấ t củ a n h ữ n g q u á tr ìn h này B iết được bao n h iê u cách

tư ơ n g tác củ a các v ậ t th ể th ì người ta cũng xác đ ịn h được bấy

n h iê u lực í t người đ ã q u a n tâ m đến mối liên h ệ giữa chúng"(*) N h iều n ă m đã trô i đi kể từ k h i E n g els v iế t n h ữ n g dòng này Các n h à v ậ t lý về cơ b ả n đã th o á t khỏi n h ữ n g xu hướ ng n h ư vậy N h ư n g cho đ ến n a y tro n g h ệ th ố n g th u ậ t ngữ

v ẫ n còn lư u lạ i dư âm củ a th ờ i kỳ m à E ngels đã nói đến Các

b ạ n h ãy nhớ lạ i c h ẳ n g h ạ n n h ư sức điện động (thực c h ất

k h ô n g p h ả i là lực m à là công), động lực (động nàng), cường

độ á n h sán g , cường độ dòng điện: không có m ột k h á i niệm

n ào tro n g sô' n h ữ n g k h á i n iệm n à y lại liên q u a n đ ến lực th eo

q u a n n iệm th ô n g th ư ờ n g của cơ học

(*) F.Engels, phép biện chứng tự nhiên Goxpo]itizdat 1950 tr.l 59

20

Lòng nhân đạo của Robert Mayer

C húng ta đã nói đến n h ữ n g ý đồ không th à n h công tro n g việc loại tr ừ lực ra khỏi cơ học Song, dù lực vẫn được giữ lại tro n g co’ học cố điển, sự p h á t triể n của v ật lý vê to àn bộ đã chỉ ra rằ n g h o à n to àn không p h ả i mọi tương tác đều có th ể đặc trư n g m ột cách đầy đủ b ằn g các lực cơ học

T h o ạt tiê n r ấ t khó cho rằ n g m ột mối nguy nào đấy lại đe doạ được lực Cơ học của N ew ton vẫn tiếp tục p h á t triển

C ùng với lực, h à n g lo ạ t k h ái niệm khác được đưa vào: động lượng, n ă n g lượng, v.v D ần d ần năn g lượng (*) b ắ t đ ầu có ý

n g h ĩa ngày càn g lớn C ũng n h ư lực, năn g lượng có th ể đặc trư n g m ột cách đ ịnh lượng cho tương tác của các v ậ t thể,

th êm vào đó không chỉ riên g tương tác m à cả trạ n g th á i chuyến động của chúng

Trong cơ học n ă n g lượng được xác định cả bằn g tốc độ của các v ậ t th ể lẫ n b ằn g đặc trư n g của tương tác giữa các v ậ t th ể

đó với n h a u (điều s a u đặc b iệt q u an trọ n g đối với chúng ta) Hơn nữa, h oá ra tấ t cả n h ữ n g lu ậ n điểm căn b ản của cơ học

N ew ton đều có th ể h o àn to àn xếp đ ặ t lại được, nếu có th ể nói được như vậy, th í dụ theo ngôn ngữ n ăn g lượng, c ả h a i cách

mô tả ch u y ển động theo Lực cũng như theo n ăn g lượng đều tương đương vổi n h a u (**): công của lực bằn g độ biến th iê n

(*) Nên nhớ rằng chính từ "năng lượng" thoạt đầu chưa được dùng.

(**) Nếu không tính tới các lực phụ thuộc vào tốc độ chắng hạn như lực '

ma sát.

21

c ủ a n ă n g lượng Có th ể xem c h ín h n ă n g lượng củ a h ệ các v ậ t

th ể n h ư là tr ữ lượng công m à h ệ n ày có th ể thự c h iệ n được

Lư ợng n ă n g lượng cơ học củ a h ệ cô lập nói c h u n g k h ô n g còn

là k h ô n g đổi: k h i có lực m a s á t nó giảm xuôhg

T ìn h h ìn h th a y đổi h o à n to à n vào giữa t h ế kỷ 19 k h i đ ịn h

lu ậ t cơ b ả n của tự n h iê n học h iệ n đại, đ ịn h lu ậ t bảo to à n

n ă n g lượng, đ ã được tr ì n h b ày m ộ t cách ch ín h xác

M ột tro n g n h ữ n g n h à sá n g lập ra đ ịn h lu ậ t này R obert

M ay er, đ ã đ á n h giá ý n g h ĩa củ a nó n h ư sau: "Bây giờ để tiếp

c ậ n với k h o a học về c h u y ển động ch ú n g ta khô n g cần p h ả i

n g a y từ đ ầ u n ắ m được n h ữ n g k iế n th ứ c cao xa của to á n học; ngược lại, c h ín h tự n h iê n sẽ h iệ n ra tro n g vẻ đẹp b ìn h dị của

m ìn h trư ốc cái n h ìn k in h n g ạc củ a c h ú n g ta , và th ậ m ch í m ột người với n h ữ n g k h ả n ă n g ít ỏi cũ n g có th ể th ấ y được tậ p hợp các vârì đề m à đ ến b â y giờ đ ã là b í ẩ n đôi với các n h à bác học

vĩ đ ại n h ấ t"

Đ ịn h lu ậ t bảo toàn k h ẳ n g đ ịn h rằ n g n ă n g lượng, m à tro n g

cơ học đã đề cập đến, tro n g b ấ t k ỳ điều k iệ n nào cũ n g khô n g

b iế n m ấ t tă m Nó chỉ có th ể b iế n đổi từ d ạ n g n à y sa n g d ạn g

k h ác K hi n ă n g lượng m ấ t đi dưối d ạ n g cơ n ă n g th ì m ột lượng

n ă n g lượng đ ú n g n h ư v ậy sẽ x u ấ t h iệ n dưới d ạn g k h á c,

C h ẳn g h ạ n , có th ể d iễ n r a sự n u n g nón g các v ậ t

•’Quả ồ*ứng" "ba hoa thiên địa"

N ă n g lượng đ ã tỏ r a là m ột đặe trư n g đ ịn h lượng v ạ n n ă n g

củ a ch u y ển động v à các tư ơ n g tá c của b ấ t kỳ v ậ t th ể nào từ các đô'i tượng V ũ t r ụ đ ến các h ạ t cơ bản Đ ịnh lu ậ t bảo to àn

v à b iến hoá n ă n g lượng k h ô n g giới h ạ n 0 chuyển động cơ học

và bởi vậy khô n g có gì đ á n g n g ạc n h iên k h i sự mô tả các

22

tương tác th ô n g qua n ă n g lượng đã tỏ ra tổng q u á t hơn so với

sự mô tả q u a lực Chỉ tro n g p h ạm vi cơ học của N ew ton thôi thì không th ể nói m ột cách tu ỳ tiện là cách nào tiệ n hơn tro n g h a i cách mô tả đó

Có th ể so sán h sự chuyển n ăn g lượng từ dạng này san g

d ạn g k h ác vối sự dịch-các từ ngữ thông thường san g n h ũ n g ngôn ngữ k h ác n h au Sự dịch làm th a y đổi "vẻ bên ngoài" của

từ, cách v iế t và cách p h á t âm của nó n h ư n g đồng thời bản

th â n từ ỏ các ngôn ngữ khác n h a u đều chỉ cùng m ột vật Thí

dụ từ "quả trứng" tro n g tiến g Đức là "das Ei", tiế n g A nh là

"the egg", tiế n g P h á p là 'T o eu f', v.v

23

N ếu d ự a vào sự so s á n h n à y th ì các lực, nói đ ú n g hơn giông n h ư các th à n h ngữ (th í dụ, "ba h oa th iê n địa", "nơi kh ỉ

ho cò gáy", v.v ) m à n h ữ n g ý n g h ĩa và n h ữ n g sự s â u sắc đầy

đ ủ chỉ có được tro n g ngôn ngữ n ảy sin h ra c h ú n g (ở đây đó là

ng ô n ngữ cơ học), song c h ú n g sẽ trở th à n h vô n g h ĩa k h i dịch

n g u y ê n từ n g từ sa n g n h ữ n g ngô n ngữ khác Giò đây ta th ấ y

b u ồ n cười là lúc đ ầ u k h i t h u ậ t ngữ "n ăn g lượng" chưa được công n h ậ n để ký h iệ u m ộ t đ ại lượng v ậ t lý m à người ta lạ i cứ

sử d ụ n g từ lực C ông tr ìn h "Về sự bảo to à n lực" là công tr ìn h

c ủ a H elm h o ltz người m à tê n tu ổ i (cùng với M ay er v à Joule) được g ắ n liền với sự p h á t m in h ra đ ịn h lu ậ t b ảo to à n n ă n g lượng M ay er viết: "M ột k h i đ ã cho từ lực có h a i n g h ĩa th ì sau

đó ý đ ịn h p h â n b iệ t c h ú n g tro n g mọi trư ờ n g hợp riêng, sẽ là

vô ích" M ay er h ầ u n h ư cả cuộc đời m ìn h n h ấ t q u y ết cho rằ n g chỉ n ê n d ù n g từ lực để chỉ cái m à b ây giò c h ú n g ta gọi là

n ă n g lượng Dễ d à n g h ìn h d u n g được k h i đó "sự p h a trộ n hỗ n độn các ngôn ngữ" sẽ n h ư t h ế nào

Vì k h á i niệm n ă n g lượng có tín h ph ổ b iến lớn, cho n ê n

k h ô n g th ể k h ô n g xảy ra sự lấ n á t d ầ n d ầ n của cách mô tả

th e o n ă n g lượng đối với cách mô t ả thẹo lực

Khi các định luật của Newton tuyên bô bãi công

C h ín h k h á i n iệm lực có ý n g h ĩa đ ịn h lượng ch ín h xác chỉ tro n g cơ học, còn k h á i n iệm n ă n g lượng lại bao q u á t n h ữ n g

q u á tr ìn h có b ả n c h ấ t b ấ t kỳ: tồ n tạ i n h iệ t n ăn g , n ă n g lượng

đ iệ n từ, n ă n g lượng h ạ t n h â n v.v Cách mô tả ch u y ển động

c ủ a N ew ton th íc h hợp cho các trư ờự g hợp, k h i n h ữ n g lực

tư ơ n g đối đơn g iản gây ra n h ữ n g ch u y ển động có th ể r ấ t phức

tạ p C h ẳn g h ạ n n h ư lực v ạ n v ậ t h ấ p d ẫ n được b iểu h iện k h á đơn giản, n h ư n g lại tạo ra n h ữ n g quỹ đạo r ấ t phức tạp của

24

các h à n h tin h nêu tín h tới không chỉ sức h ú t của các h à n h tin h về p h ía M ật Trời m à tới cả các ả n h hưởng tương hỗ lẵn

n h a u giữa chúng Bây giờ hãy th ử h ìn h dung' rằ n g bạn cần

p h ả i chuyển từ chỗ mô tả chuyển động của một số ít v ậ t th ể san g n g hiên cứu h à n g tră m , nghìn, triệu các h ạ t T ấ t nh iên

có th ể tự a n ủi b ằn g ảo tưởng là "vế nguyên tắc" cơ học

N ew ton có th ể mô tả hoàn to àn chính xác cả n h ữ n g hệ như vậy, n g h ĩa là có th ê xác định được vị tr í và tốc độ của b ấ t kỳ

h ạ t nào tro n g mọi thời điểm Song thực tế, nói chung, ở đây phương p h á p cơ học đã m ất ý nghĩa C hính việc xây dựng bài

m ột tập hợp lớn các h ạ t sẽ không còn có ý nghĩa nữa

Các lực tương tác giữa các cặp h ạ t trong hệ có giá trị như

n h a u và có hướng ngược nhau Bởi vậy tống toàn bộ các lực tăc dụng bên trong hệ, nói chung, bằng không Chỉ có thề nói tối lực tru n g bình m à hệ (khí trong xi lanh chẳng hạn) tác dụng lên một vật th ế nào đó bên ngoài (chẳng hạn lên pittông nén khí)

25

T a h ã y lư u ý th ê m là sự biến đổi tr ạ n g th á i v ậ t c h ấ t dưới

ả n h hư ở ng của các tác động b ên ngoài lu ồ n lu ô n g ắn liền với

sự th a y đổi n ă n g lượng của nó N h ư n g sự th a y đổi n ày không

b ằ n g công của các lực n h ư tro n g cơ học Ảm tr à tr ê n bếp điện sôi r ấ t điềm n h iê n m ặc d ù k h ô n g th ấ y các lực và công cơ học

Về một cuộc tranh luận vĩ đại

R ấ t lâ u , trước k h i tro n g k h o a học x u â t h iệ n n h ữ n g q u an

n iệ m về ch u y ển động p h â n tử và cách mô tả th ô n g kê của nó, tro n g lòng củ a cơ học đã n ả y sin h ra m ột v ấ n đề m à th o ạ t

đ ầ u tư ở n g rằ n g k h ô n g q u a n trọ n g lắm : tư ơ ng tác giữa các v ậ t

th ể có được th ự c h iệ n tức th ờ i h a y không, h a y để th ự c h iện nó

c ần có m ộ t th ờ i g ia n n h ấ t định

T ro n g n h ữ n g chương nói về lực h ấ p d ẫ n và lực điện từ

c h ú n g t a sẽ b à n chi tiế t về cuộc tr a n h cãi giữa n h ữ n g người

ủ n g hộ th u y ế t "tác d ụ n g xa", có n g h ĩa là tư ơ ng tác xảy ra tức

th ờ i trự c tiế p q u a k h ô n g g ian trố n g rỗ n g m à khô n g cần tới

m ôi trư ờ n g tr u n g g ia n nào cả, và n h ữ n g người bảo vệ q u a n

đ iểm của t h u y ế r t á c d ụ n g gần" h o à n to à n đốì lập với th u y ế t

th ứ n h ấ t N h ữ n g b ằ n g ch ứ n g đ á n h d ấ u bước n g o ặt tro n g cuộc tr a n h cãi n à y đ ã x u ấ t h iệ n đồng thời với việc xây dựng

lý th u y ế t về các h iệ n tư ợ n g đ iệ n từ Và n h ữ n g b ằ n g chứng

n à y đ ã ủ n g hộ th u y ế t tác d ụ n g gần ở đây, lầ n đ ầu tiê n người ta đ ã giải th íc h rõ rằ n g tín h iệu về sự có m ặ t của mỗi

đ iện tích hay, môi dòng đ iện k h ô n g được tru y ề n đi tức thời tới

m ọi k h o ả n g cách, tứ c là sự tru y ề n tương tác chỉ xảy ra sau

m ộ t thời g ian n h ấ t đ ịn h Nói cách khác, b ấ t kỳ "tín hiệu" nào

cũ n g la n tru y ề n với m ột tốc độ có th ể là r ấ t lốn n h ư n g v ẫn

k h ô n g p h ả i là vô h ạ n V à n g ay s a u k h i đ iểu đó được chứng

26

m inh th ì m ột vấn đề k h ác lại được đ ặt ra ngay: vậy còn cơ học N ew ton th ì sao? Vì tro n g cơ học tác dụng của các v ật th ể lên n h a u luôn luôn là sự tác dụng qua lại C hảng h ạ n lực m à quyển sách đè xuống bàn b ằn g về độ lốn và có hướng ngược lại với lực tác dụng từ p h ía b àn lên quyển sách Theo định

lu ậ t th ứ ba của N ew ton tác dụng luôn luôn bằn g p h ả n tác dụng

N ếu dịch chuyển th ậ t n h a n h một trong hai điện tích tương tác với n h a u th ì tro n g m ột k h o ản g thòi gian nào đó điện tích

k ia vẫn chưa cảm th ấ y điều này Một lực như trước vẫn tác

d ụ n g lên nó, tro n g kh i đó điện tích th ứ n h á t sau khi chuyến chỗ m ột c h ú t đã cảm th ấ y ngay tác dụng của n h ữ n g lực biến đổi Tác d ụ n g tỏ ra không b ằ n g p h ả n tác dụng!

Đ iều n ày không p h ả i là nhỏ n h ặ t và như chúng ta sẽ th ấ y sau này, cũng không p h ải là m ột chi tiế t ngẫu nhiên T ất cả

v ấn đề là ở chỗ môi trường trung gian có m ặt khi các điện tích tương tác với nhau - điện từ trường- không phải là hệ cơ học, có n g h ĩa là không th ể mô tả được bằng cơ học Newton Người ta không th ể nói về trư ờ n g điện từ n h ư về hệ các ch ất điểm chuyển động theo các đ ịn h lu ậ t cơ học N ew ton B ản

th â n ngôn n g h của cơ học với to à n bộ kho tà n g các mô h ìn h của nó ỏ đây không p h ù hợp để mô tả đối tượng

N ếu có th ể nói về tác dụn g của các lực lên m ột h ạ t từ p hía trường, th ì lại không th ể nói về lực tác dụng lên trư ờng từ

p h ía h ạt Đ iều n ày r ấ t q u an trọng! Nếu cách mô tả bằn g cơ học m ấ t ý n g h ĩa th ì cần p h ả i đưa vào nhữ ng thước đo tương tác k h ác nào đó C h úng ta không cần p hải tìm kiếm lâu vì ỏ' đây ch ín h n ă n g lượng có th ê đảm đương vai trò nàv một cách

x u ấ t sắc

27

T ìn h tr ạ n g các v ấ n đề tro n g lý th u y ê t các h iệ n tư ợ ng điện

từ tu y ệ t n h iê n khô n g p h ả i là đặc biệt B ây giờ quan điểm của thuyết tác d ụ n g g ầ n chiếm ưu thê tuyệt đôi, có nghĩa là các tương tác thôĩĩg qua nhữ ng trường nào đó, đã đ ặt ra những

h ạ n c h ế cho việc sử d ụ n g các lực n h ư nhữ ng công cụ đê mô tả tương tác.

Người ta không đặt được lò xo vào nguyên tử

M ặc d ù có t ấ t cả n h ữ n g phức tạ p g ắn liền với việc đưa ra các trư ờ n g , song cơ học của N ew to n v ẫ n đ an g được sử dụng

n à y của cơ học cũ n g h o à n to à n k h ô n g p h ả i lu ô n lu ô n có được

T ro n g t h ế giới các h ạ t cơ b ản , d ù n g lực ta khô n g th ể mô tả được sự tư ơ n g tác k h ô n g chỉ củ a n h ữ n g tậ p hợp lớn các h ạ t

m à n g ay cả của từ n g h ạ t riê n g rẽ của th ê giới đó

T ro n g cơ học người ta xem rằ n g v ậ t th ể ch u y ển động theo

q u ỹ đạo xác đ ịn h v à ở mỗi điểm của quỹ đạo nó có tốc độ xác

đ ịn h Dưới tác d ụ n g củ a lực tốc độ sẽ th a y đổi từ điểm nàv

s a n g điểm khác, còn tro n g trư ờ n g hợp ch u y ển động của các

h ạ t cơ b ả n th ì tốíc độ ở m ột điểm khô n g có giá trị xác định

K hông th ể xem h ạ t cơ b ả n th í dụ n h ư électron, đơn giản n h ư

m ộ t q u ả cầu có kích thước r ấ t nhỏ Chắc ch ắn là électron

c h u y ển động tro n g k h ô n g g ian theo thời gian, n h ư khô n g th ể

h ìn h d u n g ch u y ển động n ày m ột cách r à n h m ạch n h ư sự dịch

ch u y ên dọc th eo m ột đường nào đó (theo quỹ đạo) và đo lực

28

trự c tiếp b ằ n g cân lò xo tro n g th ế giới vi mô là việc không th ể làm được K hông th ể đ ặ t lò xo vào nguyên tử để đo lực tương tác của êlectrô n với h ạ t n h ân

Toàn bộ cơ học cố điển và cùng với nó là kh ái niệm lực, nói chung, không th ê áp dụ n g được đối với các h ạ t cơ bản K hông

th ế đặc trư n g m ột cách chính xác tương tác của các hạt-fcơ

b ả n tro n g ngu y ên tử và h ạ t n h â n nguyên tử b ằn g các lực Cách mô tả theo n ă n g lượng ở đây trở th à n h k h ả n ăn g duy

n h ấ t N ăng lượng m an g tín h phô biến đên mức đ ịnh lu ậ t bảo

to à n n ăn g lượng mở rộng được tới cả n hữ ng h ạ t cơ b ả n và đương n h iê n kh i đó nó sẽ có dạng phức tạp hơn

Lực là tương tác

Tuy vậy tro n g v ậ t lý nguyên tử người ta vẫn thư ờng nói đến lực Chắc tấ t cả b ạ n đọc đã nghe nói tới lực h ạ t n h â n tác dụn g tro n g h ạ t n h â n nguyên tử, tới lực tương tác điện từ của các êlectrôn v.v Trong các trư ờng hợp đó ch ú n g ta gặp ý

ng h ĩa mối và hy vọng rằ n g đó là ý ng h ĩa cuối cùng của cái từ

tu y ệ t diệu này Đó là n h ữ n g lực không liên q u an tới cơ học

T h u ậ t ngữ "lực" ở đây trở thành đồng nghĩa với từ "tương tác". Nó đã khô n g còn là m ột đại lượng định lượng được xác địn h m ột cách ch ín h xác có th ê đo được, có th ể t h ế được vào phương trìn h mô tả n h ữ n g quá trìn h thực Đây đơn th u ầ n là địn h ng h ĩa đ ịn h tín h của dạn g tương tác là sự chỉ ra b ản

tư ơ n g tá c xác đ ịn h , m à độ do đ ịn h lượng ch ín h xác của nó chỉ

có th ể là n ă n g lượng C h ẳn g h ạ n kh i nói vê lực h ạ t n h â n , cụ

th ể c h ú n g ta n g ụ ý nói tới ý n g h ĩa th ứ h a i của từ này v ề

n g u y ê n tắC' k h ô n g th ể đ ặ t các lực h ạ t n h â n vào k h u ô n khố

củ a cơ học N ew to n được

T ấ t n h iê n có th ể k h ô n g sử d ụ n g lực tro n g ý n g h ĩa mới này

Ó ý n g h ĩa n ào đó th ì đ iều n à y ch ín h là m ột bước lùi N h ư n g

có lẽ vì c h ú n g ta đ ã q u en sử d ụ n g từ n ày v à nó q u á b ám chắc vào ngô n n g ữ củ a c h ú n g ta n ê n nó v ẫn được giữ lạ i về sau này

C ác từ k h ô n g chỉ có m ột cuộc đời riê n g đặc b iệ t tro n g ngôn ngữ th ô n g d ụ n g m à cả tro n g ngôn ngữ khoa-học và không th ể loại bỏ c h ú n g dù d ù n g b ấ t kỳ lu ậ n cứ "hợp lý" nào chống lại

c h ú n g cũ n g n h ư b ằ n g b ấ t kỳ t r ậ t tự p h á p lu ậ t nào

4

Có bao nhiêu lực trong tự nhiên?

C h ú n g tôi q u y ết đ ịn h đ ặ t tê n cuôn sách n ày là "Các lực tro n g tự n h iên " ch ủ y ếu vì ý n g h ĩa th ứ h a i của từ n ày tro n g

k h o a học h iệ n đại N h ư n g tro n g p h ầ n lớn rác trư ờ n g hợp,

n h ữ n g lực sẽ được nói s a u đây, v ẫn có th ể h iểu được tro n g "ý

n g h ĩa cơ học" hẹp hơn

Đ ầu tiê n , câu ch u y ện của c h ú n g ta sẽ nói về b ả n c h ấ t của các lực, có n g h ĩa là về v ấ n đề m à cơ học từ chối khô n g ngh iên

30

cứu ơ đây ngay lập tức nảy ra vấn đề q u an trọ n g bậc n h ấ t:

có bao n h iê u loại lực khác n h au , ng h ĩa là có bao nh iêu loại tương tác tồn tạ i tro n g Vũ trụ ?

H iện nay khi nói đến sự th ô n g n h ấ t của tự n h iên th ì người

ta thư ờng h iếu đó là sự th ô n g n h ấ t tro n g cấu trú c v ậ t chất:

tấ t cả các v ậ t th ể được xây dựng chỉ từ một vài loại h ạ t cơ bản Song cái đó chỉ th ê hiện một m ặt của sự thống n h ấ t đó, còn có m ặt khác n ữ a cũng không kém p h ần q u an trọng

Mặc dầu tương tác giữa các v ậ t th ể với n h au có sự đa dạn g

kỳ lạ song cuối cùng đều đưa vê tương tác giữa các h ạ t cơ bản Trong tự n h iên , theo số’ liệu hiện nay, có bôn loại tương tác: tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác h ạ t n h â n

và tương tác yếu (*) Trong số nhữ ng tương tác kể trê n chỉ có

h ai loại đ ầu có th ể x ét theo ý nghĩa cơ học N ew ton K hi

n g hiên cứu các h iệ n tượng xảy ra trong khoảng không vô tậ n của Vũ trụ trê n h à n h tin h của chúng ta, khi theo dõi một

m ẩu v ậ t ch ất, các cơ th ể sông, các nguyên tử, h ạ t n h ân , các biến đổi q u a lại của các h ạ t cơ bản, chúng ta đều th ấ y x u ấ t

h iện cả bốn loại lực

Về tương tác h ấ p dẫn, tương tác điện từ, tương tác h ạ t

n h â n và tương tác yếu chúng ta biết được nhiều điều

Vậy ta h iểu các lực thuộc bốn loại này là gì? Khi dựa vào các tương tác trê n , tạ i sao chúng ta có th ể giải th ích được m ột sô" khổng lồ các h iệ n tượng và có th ề giải thích n h ư th ê nào?Nội dun g cuốn sách này sẽ giải đáp n h ữ n g câu hỏi đó

(*) Chúng ta không đề cập tới nhưng tương tác được gọi là tương tác' phi lực mà trong cơ học lượng tủ được thể hiện bằng nguyên lý Pauli.

31

Sự th ô n g n h ấ t củ a các lực tro n g tự n h iê n g ắn liền với sự

th ô n g n h ấ t tro n g c ấ u trú c v ậ t c h ất M ột tro n g h a i sự th ố n g

n h ấ t đó k h ô n g ch ỉ k h ô n g th ể xảy ra được nếu không có sự

th ô n g n h ấ t k ia m à đ ú n g hơn có th ể nói rằ n g , cả h a i đều th ể

Cái gì sẽ được đề cập tới trong cuốn sách?

B ây giờ câu c h u y ện củ a c h ú n g ta sẽ nói vê v ấn đê ch ín h

n h ấ t N h ữ n g loại tư ơ n g tác được k ể trê n đây là gì và ch ú n g được p h á t h iệ n ra n h ư t h ế nào? B ằn g cách nào có th ể dù n g

m ộ t số' k h ô n g n h iề u n h ữ n g quy lu ậ t c h u n g để giải th íc h được

sự đ a d ạ n g vô k ể của n h ữ n g b iểu h iệ n tác dụ n g q ua lại giữa các v ật? P h ạ m vi tá c d ụ n g của các lực k h ác n h a u tro n g tự

n h iê n n h ư t h ế nào? C h ú n g đóng v ai trò gì tro n g n h ữ n g quá

tr ìn h k h ác n h a u ? V à cuối cù n g p h ả i kể đến sự tương q u an của các lực; về sự c ân đốì của các lực tro n g tự n h iên , m à sự cân đối đó bảo đ ảm tín h b ển v ữ ng tương đối cũng n h ư sự

p h á t triể n liên tục, sự hồi phục của Vũ trụ nơi m à t ấ t cả các lực đều cần th iế t n h ư n h a u

C h ú n g ta b ắ t đ ầ u từ cái m à từ đó quá trìn h n g h iê n cứu

b ả n c h ấ t của các lực tro n g v ậ t lý được b ắ t đầu C âu chuyện của ch ú n g ta b ắ t đ ầ u về các lực v ạn v ậ t h ấp d ẫn (hoặc các lực

h ấ p dân) Các lực h ấ p d ẫ n đ ứ ng h à n g đ ầu tro n g chuỗi xích đặc b iệ t của n h ữ n g p h á t m in h d ẫ n đến việc th iế t lập sự

th ố n g n h ấ t các lực tro n g tự n h iên

32

1 T ừ A n a x a g o r e đ ế n N e w to n

2 Đ in h l u â t v a n v á t h ấ p d á n

3 K h i lư c h ấ p d â n tá c d ụ n g

4 H ìn h h o c và s ự h ấ p d â n

Sụ rơi vô hạn

Trong cuôn sách "Các nguyên lý toán học của t n ê t học tự nhiên" của Nevvton vĩ đại có h ìn h vẽ 231, rấ t đáng chú V ỏ chỗ với tấ t cả vẻ giản đơn của m ình, nó cho phép hiểu được mối h ên hệ sâu sắc giữa cơ học "trái đất" và cơ học "thiên thế" Trong chú giải cho h ìn h vẽ này có viết: "Một hòn đá được ném đi sẽ lệch khỏi đường th ắ n g dưới tác dụng của trọng.lự c và sau kh i vạch ra m ột quĩ đạo cong, cuối cùng nó

sẽ rơi xuống m ặt đất N êu ném nó V Ớ I tốíc độ lớn thì nó sẽ rơi

xa hơn" Tiếp tục n h ữ n g lập lu ậ n này Nevvton đi đến k ết lu ận

là nêu không c,ó sức cán của không kh í thì khi đ ạ t được tốc độ

đủ lớn quỹ đạo của hòn đá nói chung không bao giờ chạm vào m ặt đ ất mà sẽ bao q u a n h T rái đ ất "tương tự n h ư các

h à n h tin h , vạch ra các quĩ đạo riêng trê n bầu tròi" K hông

th ể không nhớ lại đoạn trích này, đặc biệt là bây giờ, nh iều

n àm sa u k h i ngưòi ta đã phóng th à n h công nh iều n hữ ng vệ tin h n h â n tạo và n hữ ng con tà u vũ trụ

N hư vậy, chuyển động của các h à n h tinh, của M ặt tră n g xung q u a n h T rái đất hay T rái đ ất xung q u an h M ặt tră n g

ch ẳn g h ạ n chính là sự rơi, n h ư n g là sự rơi kéo dài vô h ạn (*)

N guyên n h â n của "sự rơi" đó, ý ta m uốn nói về sự rơi của hòn

đá bình thường xuống m ặ t đ ất, hay sự chuyên động của các

h à n h tin h theo các quỹ đạo của chúng, là lực hấp dẫn

(*) Trong mọi trường hợp khi ta không để ý tới sự chuyển năng lượng sang những dạng "phi cơ học".

35

Viêc đ o án n h ậ n về sự th ô n g n h ấ t n h ữ n g n g u y ê n n h ả n chi

ph ô i c h u y ển động củ a các h à n h tin h và sự rơi của cac vật thó

tr ê n T rá i đ ấ t đă được cẩc n h à bác học đ ư a ra từ lâu trước

N ew ton C h ín h n h à t r i ế t học cổ người H ilạ p A n ax ag o re sinh

ra ở T iểu Á và đã sông ở Alen

V

lẽ, k h ô n g có ả n h hư ở n g thực

g ần 2000 n ă m trư ớc đây là người đ ầ u tiê n dã đưa ra ý

tư ở ng này O ng nói rằ n g M ặt

tr ă n g n ế u khô n g chuyến động, sẽ rơi xuống T rái đ ất

n h ư h òn đ á b ắ n đi khỏi cái

ná P h ả i ch ăn g điều n ày là

đ ú n g n h ấ t là n ế u lưu Ý rằ n g lòi p h á t b iểu ấy đ ã có trước

N ew ton n h ữ n g 20 th ê kỷ.Song đ iểu phỏ n g đoán

th iê n tà i của A naxagore có

ế n ào tới sự p h á t triể n của kh o ahọc Nó đ ã là v ấ n đề k h ô n g th ể h iế u được dối với n h ữ n g người cù n g thời, v à bị các t h ế h ệ con c h áu lã n g quên N hữ ng

n h à ' tư tưở ng cổ đ ại và tr u n g cô có q u a n tâm đến chuyên động của các h à n h tin h n h ư n g lạ i h o àn to à n k h ô n g có một cách giải th íc h đ ú n g đ ắn n ào (dù chỉ c h ú t ít) vế n h ữ n g

n g u y ên ' n h â n của c h u y ển động này C h ín h vì ngay cả K epler

vĩ đại, người đã dám bỏ ra n h iề u công sức để xây dự ng n h ữ n g

đ ịn h lu ậ t to á n học ch ín h xác vê ch u y ến động của các h à n h tin h ,'đ ã cho rằ n g sự q u ay của M ặt trời là n g u y ên n h ả n của

ch u v ển động nàv

Theo n h ữ n g q u a n niệm của K epler, M ặt trời k h i qùay luôn

đ ẩy các h à n h tin h q u ay theo Sự th ậ t, người ta v ẫn không rõ

vì sao thời gian quay cua các h àn h tin h xung quanh M ặt tròi

k hác VỚI chu kỳ quay của M ặt tròi xung quanh trụ c của n ó

K epler đã viết về điều đó: " nếu các h à n h tin h không chịu sức cản tự n h iên thì không thê chỉ ra những nguyên n h â n vì sao chúng không quay theo đúng như M ặt trời Mặc dù thực

tê tấ t cả các h àn h tin h đều chuyển động theo cùng một hướng VỚI hướng quay của M ặt trời nhưng tốc độ của chúng không giống nhau V ân đổ là ớ chỗ: chúng kết hợp, theo

n h ữ n g tỷ lệ n h ấ t định, tín h ỳ do khối lượng riêng V Ớ I tốc độ

chuvên động của chúng"

K epler khóng th ể hiểu được rằ n g sự trù n g hướng chuyền động của các h à n h tin h quay xung quanh M ặt trời vối hướng quay của M ặt trời xung q u an h trục của nó liên quan không

p h ải VỚI các đ in h lu ậ t chuyến động của các hành tinh, m à VỚI nguồn gốc h ìn h thà n h hệ M ặt trời của chúng ta Người ta có

th ê phóng vê tin h n h ân tạo cả theo hướng quay của M ặt trời lẫn theo hướng ngược lại

So với K epler R obert Hooke đã tiến gần hơn tới sự khám

ph á ra địn h lu ậ t h ấp d ẫn của các vật thể Đây là nguvên văn

n h ữ n g lời nói của ông trong tác phẩm "Ý định nghiên cứu chuyển dộng của T rái đất" xu ất bản năm 1674: "Tôi sẽ p h á t triể n lý th u y ê t m à trên mọi phương diện phù hợp với những nguyên lý cơ học đã được mọi người thừ a nhận Lý thuyết này được xây dựng dựa trê n ba giả tlnêt: thứ nhất, tấ t cả các

th iê n th ể không trừ trư ơng hợp nào đều có sức h ú t hay trọng lực hướng về tâm của chúng, nhờ đó chúng h ú t không chỉ

n hữ ng p h ầ n riên g của mình m à đồng thời cả những th iên thê

ỏ tro n g p h ạm V I tác dụng của chúng Theo giả th iê t thứ hai,

tấ t cả các v ậ t th ể chuyển động th ẳn g và đều sẽ chuyển dộng theo đường th ẳ n g cho đến khi chúng bị lệch đi do tác dụng

cua m ột lực nào đó và vạch ra n h ữ n g quĩ đạo tròn, ê] 1 p hay

m ộ t đường cong nào đó phức tạ p hơn Theo giả th u y ê t th ứ b a các lực h ú t càn g lớn k h i n h ữ n g v ật th ê m à ch ú n g tác dụng lên càn g ỏ gần Tôi v ẫn chứa th e xác đ ịn h được b a n g thực

ng h iệm xem các mức độ h ú t k h ác n h a u sẽ n h ư th ê nào

N h ư n g n êu tiếp tụ c mỏ rộng ý tưởng n ày th ì các n h à th iên

v ă n sẽ có th ế xác đ ịn h được qui lu ậ t m à tấ t cả các th iê n th ê

ch u y ên động theo"

T h ậ t d á n g ngạc n h iê n là tạ i sao b ản th â n Hooke không

m uôn p h á t trié n n h ữ n g ý tương này, m à lại lấy cớ là b ận

n h ữ n g công việc khác

Cơ học Newton và lực hấp dân

Người ta đ ã b iế t tương đổi rõ lịch sử k h á m p h á ra định lu ậ t

v ạn v ậ t h ấ p d ẫn của N ew ton Vì vậy có lẽ không cần nhắc lại chi tiế t rằ n g lần đ ầ u tiê n ý nghĩ vê b ản c h ất giông n h a u giữa lực buộc hòn đá rơi và lực quyết địn h chuyển động của các

th iê n th ê n ảỳ sin h ra ỏ N ew ton k h i ông còn là sin h viên, rằ n g

n h ữ n g tín h to á n đ ầ u tiê n chưa cho n h ữ n g k ế t qu ả đúng, vì thòi ấy chưa có n h ữ n g số liệu ch ín h xác về kho ản g cách từ

T rái đ ấ t đ ến M ặ t tră n g , rằ n g 16 năm sa u đã x u ấ t hiện n h ữ ng thông tin mối, đã dược h iệ u ch ín h về k h o ản g cách đó Sau kh i

có n hữ ng tín h to án mới về chuyên động của M ặt trăn g , của tấ t

cả các h à n h tin h k hác tro n g hệ M ặt trời, được k h ám phá ra vào thời kỳ đó, của các sao chổi và của h iện tượng th u ỷ triề u lên xuống, th ì lý th u y ế t mới được công bổ’

Sự k h á m p h á ra đ ịn h lu ậ t v ạn v ậ t h ấp d ẫn thự c sự được xem là m ột tro n g n h ữ n g chiến công vĩ đại n h ấ t của khoa học

V à, k h i g ăn ch iên công này với tê n tu ổ i của N ew ton vô tìn h

ta m uôn hỏi tạ i sao lại ch ín h n h à n g h iên cứu tự n h iên th iê n

tà i nàv đã làm ra p h á t m inh đỏ mà không phai là Galilei, người đã khám phá ra qui lu ậ t rơi tự do của các vật thê (và tiện thể nói th êm rằn g , ông là người đã chú V đến th iên văn học nhiều hơn so với N ewton), không phải là Robert Hooke

h ay b ất kỳ một người nào trong sô các bậc tiến bối hoặc

n h ữ ng ngươi x u ấ t sắc khác cùng thời V Ớ I N ewton9

ơ đâv vấn đề không phải là do s ự ngẫu nhiên đơn gián, không phải do Ö n h ữ n g quả táo rơi và th ậm chí không phải

do mức độ th iê n tài mặc dù điểu này tấ t nh iên r ấ t qu an trọng Đ iểu chủ yêu quyêt định là trong tay N ewton có

n h ữ n g đ ịnh lu ậ t do ông khám phá ra có th ể sử dụng được để

mô tả b ấ t kỳ chuyển động nào Chính những định lu ậ t này cái m à bây giò chúng ta gọi là co' học Newton đã cho phép hiểu một cách r ấ t rõ rà n g rằ n g l ự c l à CỘI nguồn của tấ t cả các hiện tượng, là cơ sở quyết định các đặc tín h của chuyển động

N ew ton là người đầu tiên đã hiểu một cách rấ t rõ xem cần

p h a i tìm cụ thè cái g ì để giải thích chuyển động của các h à n h tin h và ông đã h iểu là cần p h ả i tìm các lực và chỉ có các lực

m à thôi.

Q uĩ đạo của các h à n h tin h thuộc hệ M ặt trời đã được

K epler xác định một cách chính xác và ông đã ph át hiện

39

dược vị trí c ú a các h à n h tin h tro n g khô n g gian biên doi như

th ế nào th eo th ò i gian K hi cho trước quĩ dạo phương trìn h

eh u v ển dộng cho ph ép xác đ ịn h ngay lực gây ra ch u y ên động

đó Bài to á n n ày cũ n g đã được N ew ton giải quyêt

Vậy n h ữ n g lực n ày ỉà gì? Vai trò và vị tr í của ch ú n g tro n g

tự n h iê n n h ư th ế nào? Và cuối cùng nguồn gôe vật lý của

c h ú n g ra sao?

N hư các b ạn th ấ y , có r ấ t n h iề u vấn dể dược đ ặ t ra và ngày

n av c h ú n g ta v ẫn chư a có n h u n g cách giải quyêt trọ n vẹn đói VỚI chung V ật lý ngàv m ai ph ai giai đáp dược n h ữ n g v ấn dể

đó N hư ng n h iề u cái và trước h ê t b ản th â n định lu ậ t hấp d ẫn dược N ew ton p h á t biêu 'một cách rõ rà n g từ lâu đã trở th à n h

v ậ t h ấp d ẫn h ay n h ư người ta thư ờ ng gọi các lực hấp dẫn,

đã được p h ả n á n h ở chính tê n gọi do N ew ton đứa ra: lực vạn

v ậ t h ấ p dẫn N h ữ n g lực n à y là "nhữ ng lực vạn n a n g n hất",

n ếu có th ể nói n h ư vậy tro n g tấ t ca các lực của tự nhiên T ất

cả mọi v ật có khôi lượng mà khôi lượng von có d mọi dạn g của

v ậ t chât đêu p h á i chịu tác d ụ n g hâp dần Ngay cả án h sán g cũng kho n g p hải la ngoại lệ N êu h ìn h du n g lục h ấp dẫn m ột cách rõ rà n g nhờ n h ữ n g sợi chỉ cang lừ v ậ t th ể nàv san g vật