Lịch sử vật lí học

Trên cơ sở trinh bày và phân tích những sự kiện cụ thể\ lịch sử vậì lí học cỏ nhiệm vụ rút ra những quỵ luật của sự phát triển vật lí thọc, nêu lên những bài học kinh nghiệm cho việc ngh

ĐÀO VĂN PHÚC

LỊCH SỬ VẬT LÍ HỌC

(T á i bàn lần I lì ử hai)

Bản quyền thuộc Nhà xuất bản Giáo dục.

11 - 2 0 0 7 / C X B / 3 1 6 - 2 1 1 9/GD Mã số : 7 K 5 7 5 T 7 - D A I

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình ,âLịch sử vật lí h ọ c ” được biên soạn phù hợp với

c tương ỉ rỉnh do Bộ Giáo dục trước đây ban hành tháng 7 năm ỉ 984

và được xuất bản lần đầu năm 1986, được Hội đồng Thẩm định sách cảu Bộ Giáo dục khi đó giới thiệu làm sách dùng chung cho các trường Đại học Sư phạm Trọng tâm của giáo trình là lịch sử vật lí họ: c ổ điển Lịch sử vật lí học hiện đại cho tới những năm 20 của thê , kỉ XX được trình bày ở mức độ vừa phải Cuối cùng, giáo trinh giới

, thiệu vắn tắt sự phát triển vật lí học ở giai đoạn gần đây nhất, cho tới những năm 60.

Trên cơ sở trinh bày và phân tích những sự kiện cụ thể\ lịch sử vậì lí học cỏ nhiệm vụ rút ra những quỵ luật của sự phát triển vật lí thọc, nêu lên những bài học kinh nghiệm cho việc nghiên cứu và giảng idại vật lí học Đ ể tạo thuận tiện cho độc giả, chúng tôi trình bày itihỉng quy luật đó ngay từ đầu giáo trình nhằm giúp độc giả định

í hướng khi đọc các phần sau Trong khi nghiên cứu các giai đoạn cụ íthé của lịch sử vật lí học, độc giả nên đối chiểu lại với các quy luật ( đãtrình bày ỏ phẩn đẩu đ ể củng c ố thêm.

Tác giả đã trình bày lịch sử vật lí học không phải như một bản ỉliệi kê những phát minh đăc sắc của những thiên tài xuất chúng Tác

Ị ậ iả c ố gắng chứng minh rằng đó là một quá trình khó khăn nhưng có cqm luật, trải qua đấu tranh gian kh ổ giữa cái đúng và cái sai, cái

im ớ và cái củf cái tiến bộ và cái phản tiến bộ, là một sự đóng góp tập ỉthểcủa những nhà khoa học chuyên nghiệp và không chuyên, là một ssự nghiệp không phải chỉ dành riêng cho một s ố ít những tài năng đặc Ibiệ Nếu phản tích kĩ quá trình đó, mỗi người đều có thể rút ra ìnhừig bài học b ổ ích cho bản thán mình

Đ ể phù hợp với tình hình hiện nay, năm 2003 sách được tái thán

có chỉnh lí và b ổ sung theo các phương hướng như sau :

- Phần “Mở đầu ” Vớ các chương l - VII vê cơ bản được ịgiữ nguyên như cũ nhưng có giảm bớt một s ổ chi tiết không cần thiết đ ể tăng thêm việc phân tích, đánh giá sự phát triển của vật lí học tron g các giai đoạn cụ thể.

- Chương VIII được viết lại hoàn toàn đ ể giới thiệu đầy đủ Hiơn

và cập nhật hơn sự phát triển của vật lí học trong th ế kỉ XX.

- Phần minh hoạ được làm lại hoàn toàn, nhằm cung cấp tốt Hiơn nhiều tư liệu lịch sử cho người đ ọc, điểu mà khả năng in ấn năm 1986 chưa cho phép làm được.

Tác giả mong nhận được những ý kiến p h ê bình, nhận xét ccủa độc giả.

6-2002

ĐÀO VĂN PHÚC

Mỏ ĐẦU

I ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM v ụ MÔN LỊCH s ử VẬT LÍ HỌC

Nhân loại ngày nay đã đạt tới nhữns tri thức vật lí học khổng lồ

về số lượng cũng như về chất lượng Những tri thức đó không phải

là những- trái cây thơm n s ọt sẵn có trẽn cành mà con người chỉ cần hái lấy để sử dụn£ Tri thức vật lí học, cũng như mọi tri thức khoa học k h á c, khồng phải là một cái gì đã c ó ' s ẵ n , đã hoàn chỉnh Nó được hình thành từng bước trong một quá trình lâu dài và gian khổ,

và hiện nay cũng như trong tương lai vẫn c ò n tiếp tục được hoàn chỉnh hơn lên

Sau khi hình thành được những tri thức ban đầu về cơ học, con người đã phải trải qua hàng nghìn năm để đi đến những định luật Niutơn m à ngày nay mọi học sinh trung học phổ thông đều biết Con người cũng đã phải trải qua hơn hai trăm năm nữa để hiểu được rằng những định luật đó không phải là phổ biến, mà phải được hoàn chỉnh thêm nữa đê áp dụng c h o c á c hạt vi mô và c á c vật chuyển động với vận tốc rất lớn Con người hiện nay lại đã bắt đầu nắm được và hệ thống hoá được những quy luật cùa thế giới hạ nguyên tử và của vũ trụ rộng lớn bao la

Như vậy vật ií học, cung như mọi khoa học khác, là một quá trình tiến lên từ cái chưa biết đến cái đã biết, từ tri thức chưa đầy đủ

và chưa hoàn chỉnh đến tri thức đầy đủ hơn và hoàn chỉnh hơn Nói

c á c h k h á c, tri thức là m ột quá trình c ó tính lịch sử, và mỗi khoa học đều c ó lịch sử của nó

Lịch sử vật lí học nghiên cứu quá trình hình ihành và phát Iiriển của khoa học vật lí, không phải như một- lập hợp của những sự kúện riêng rẽ, rời rạc, mà như một tổng thể thống nhất, như một hiiện tượng xã hội có vị trí và vai trò nhất định trong đời sống của (Con người V ật lí học phải được hiểu là một hộ thống tri thức bắt (đầu xuất hiện và hình thành vào một giai đoạn phát triển nhất định tcủa

xã hội loài người Sự phát triến cùa vật lí học phải được nghicn (.cứu như một quá trình gắn liền với lịch sử phát triển cùa xã hội lloài người V ị trí và vai trò của vật lí học trona, xã hội loài người khíông phải là một cầí gì c ố định, mà nói chung c ũ n c biến đổi tuỳ theo> sự phát triển của nhân loại

Cũng như lịch sử c á c khoa học k h á c, lịch sử vật lí học trước hết

có nhiệm vụ phát hiện và trình bày lại các sự kiện lịch sử một ciách chọn lọc và có hệ thống, nhằm tái hiện toàn bộ quá trình phát t r i ể n của khoa học vật lí L ịc h sử vật lí học cũng c ó nhiệm vụ phân ttích những sự kiện lịch sử đó, nhàm ch ứ n e minh rằng tiến trình pthát triển của khoa học vật lí là một tất yếu lịch sử, và giải thích tại ssao

tử xưa kia ch o tới nay, khoa học vật lí đã phát triển đúng như nó dã phát triển, chứ không thể đi theo một con đường nào khác thế Ciuối cùng, lịch sử vật lí học còn có một nhiệm vụ quan trọng bậc nhấit là tìm ra những quy luật tổng quát của sự phát iriển vật lí học, nh ữn g quy luật mà sự phát triển vật lí học đã tuân theo trong quá khứ vàt sẽ

• còn tiếp tục tuân theo trong tương lai Thực hiện tốt nhiệm vụ riíày, lịch sử vật lí học xứng đáng được co i là một khoa h ọ c , và có !tác dụng hướng dẫn hành động của nhân loại, nếu k hông, nó sẽ chỉ c ò n

là một bản liệt kê nhạt nhẽo những thành tựu to lớn của những trí

tuệ thiên tài

Những quy luật của sự phát triển vật lí học, cũng như nhũỉng quy luật của m ọi hiện tượng xã hội k hác, c ó những đặc thù khố>ng giông như những quy luật cùa c á c hiện tượng tự nhiên Khi nghsiên

6

cửu lịch sứ phát triến c ủ a vật lí học, hoặc của một hiện tượng xã hội nàọ đó, hay cứa toàn thể xã hội nór chung, nhà nghiên cứu xác lập được ưhững quy luật ch u n g mà sự phát triển đó đà tuân theo trong quá khứ, và giả định rằng những quy luật đó cũng sẽ đúng trong quá trình phát triển tương lai Như vậy, trên c ơ s ở nghiên cứu sự phát triể n quá khứ, con người c ó thể dự đoán được sự phát triển tương lai

c ủ a vật lí h ọ c , và do đó c ó khả năng điều khiển được sự phát triển

đó một cá c h có ý thức, bằng cá c h vận dụng những quy luật mà mình

đã xác lập được

Lẽ tất nhiên, con người không thể tiên đoán được ngày nào Niutơn ra đời, và ngày nào Anhxtanh phát minh ra thuyết tương đối, như con người đã báo trước hết sức chính x á c thời điểm của cá c kì nhật thực và nguyệt thực Con người cũng khỏng thế điều khiên được

tư duy và hoạt động sán g tạo của c á c nhà khoa học một cách chính

x á c như khi điều khiển sự hoạt động của c á c vệ tinh nhân tạo, cá c con tàu vũ trụ Quy luật c ủ a sự phát triển vật lí học không giống như những định luật vật lí học c ổ điển, c h o phép x á c định một cách chính

x á c và đơn giá mọi hệ quả sẽ phải xảy ra khi cá c nguyên nhân đã được biết rõ Các quy luật của lịch sử vật lí học chỉ vạch ra xu hướng

và tính chất chung của sự pháĩ triển vật lí học Tuy nhiên, chúng vản

là những quy luật khách quan, tác động một c á c h khách quan vào sự phát triển cùa vật lí học V à khi nắm được những quy luật đó, con người c ó thể tiên đoán được nhiều đậc điểm quan trọng của sự phát triển đó trong tương lai, và vận dụng quy luật một cách chủ động để

sự phát triển đó phục vụ tốt nhất lợi ích của nhân loại

Khái niệm quy luật phát triển cùa khoa họe nói chung và của Vật lí học nói riêng là một khái niệm rất rộng rãi Trước hết, đó là những quy luật tổng quát nhất, c ơ bản nhất, quy định bởi vai trò xã

h ộ i và kinh tế của môn k h o a học đó trong đời sống con người Sau

n ữ a, đó là những quy luật xác định b ải đối tượng nghiên cứu của

môn khoa học, bởi những đặc điếm cứa sự nhận thức của con ngĩười trong quá trình nghiên cứu đôi tượne đó Những quy luật này ciung

c ó khi được gọi là lôgic nội tại của sự phát triển bộ môn khoa hiọc

T iế p theo, đó là những quy luật chi phối quá trình sáng tạo cúat cá nhân nhà bác học,, cũng g ọ i là những quy luật tam lí học sáng ítạo khoa học Cuối cùng, đó là nhữne quy luật về sự tổ ch ứ c khoa hiọc,

k ế hoạch hoá ngh-iên cứu khoa học, thông tin khoa h ọc, tức là những quy luật chi phối hoạt động tập thể của c á c nhà khoa tíiọc trong quá trình sáng tạo

Dưới đây chúng ta sẽ xét quy luật cơ bản và những quy luật mỏi tại của sự phát triển vật ií học

Sự hiểu biết lịch sử vật lí học có một ý nghĩa đáng kê đối wới nhà nghiên cứu, người học và người dạy vật lí học

Có người ch o rằng nhà vật lí học phải nghiên cứu và phát miinh

c h o hiện tại và tương lai, không nên mất thì g iờ vào việc nghiên C'ứu

lịch sử vật lí h ọ c , vì đó ch ỉ là nhiệm vụ của c á c nhà sử học Thực tra, khi bắt đầu một côn g ĩrình nghiên cứu, nhà khoa h ọ c nào cũng plhải điểm lại xem trước kia vấn đề đó đã được những ai nghiên cíứu, nghiên cứu bằng những phương pháp nào, theo những tư tương cìhủ đạo riào, và đã đạt những kết quả nào Nhà khoa học cũ n g phải đáinh giá m ột cá c h phê phán những tư tưởng chỉ đạo, những phưưng pháíp, những kết quả đó, rút ra bài học ch o mình và xác định con đườnig mình sẽ đi, cái đích mình nhằm đạt tới Như vậy, nhà khoa học cũing phải làm nhiệm vụ của nhà nghiên cứu lịch sử khoa học ờ một miức

độ nào đó Cũng chính vì vậy mà nhiều nhà khoa học đã đích thỉân nghiên cứu lịch sử khoa h ọ c Đ ơ Brơi nói : " nhà khoa học thiực

n g h iệm tìm thấy trong lịch sử khoa học rất nhiều bài h ọ c , và dưcớc

vũ trang bằng kinh nghiệm của bản thân m ình, nhà khoa học íhiựe nghiệm c ó thê lí giải được c á c bài học lịch sử một c á c h thành t h ạ o hơn bất kì ai hết" H a ix e n b e c cũng ch o rằng muốn đánh giá đúmg

Ệt

8

được tình hình hiện nay cùa vật lí imuyên tứ, cần điểm lại toàn bộ

b ư ớ c đi lịch sử của sự phát triển siá thuyết nguyên tử từ thời cổ đại

Đ ố i với việc dạy và học vặ! lí, lịch sứ vật lí học cũng c ó một ý

n gh ĩa to lớn L ịc h sử vật lí học, cũng như lịch sử cá c khoa học khác,

n g h iên cứu quá trình tiến lén từ cái chưa biết đến cái đã biết, quá trình nhận thức thiên nhiên cùa con người L í luận nhận thức của chủ nghĩa duy vật biện chứng được xây dưng; dựa trên c ơ sờ những thành tựu của c á c khoa học, dựa trên sự phân tích và khái quát hoá quá trình nhận thức thiên nhiên và xà hội c ủ a con người Nhiều khái niệm và phạm trù của chú nghĩa duy vật biện chứng xuất phát từ những khái niệm có ý nghĩa vật lí : vật chất, không gian, thời gian,

c h u y ể n đ ộ n s L ịc h sử vật lí học vì vạy có vai trò lớn lao trong việc xây dựng th ế giới quan duy vạt biện chứng

Phương pháp truyền đạt kiến thức dựa theo con đường phát triển lịc h sử của nó nhiều khi có hiệu quả rất c a o Trong một số* lĩnh vực, quá trình nhận thức của từng con người hầu như lập lại quá trình nhận thức của nhân loại, vì vậy việc dẫn dắt người học đi lại những bước đi lớn mà nhân loại đã trải qua để đạt tới Iri thức như hiện nay là một con đường lô g ic , giúp ch o việc nắm kiến thức sâu sắc hơn và vững c h ắ c hơn

Q ua những bài học lịch sử, môn lịch sử vật lí học có tác dụng xây dựng lòng yêu mến và kính trọng đối với khoa h ọ c và c á c nhà khoa h ọ c , g iáo dục phẩm chất và đạo đức con người, mở rồng nhãn quan khoa học và văn hoá, ch ống chủ nghĩa giáo điều và hình thức trong v iệc dạy học

Như vậy, việc hiểu biết lịch sử vặt lí học sẽ giúp nâng c a o trình

độ k h o a học và trình độ nghiệp vụ của người g iáo vicn vát lí học tương lai

II QUY LUẬT C ơ BẢN CỦA s ự PHÁT TRIỂN VẬT LÍ H í p c

Ọuy luật, c ơ bản của sự phát triển vật lí h ọ c , cung như của Ikhoa học nói chung, c ó thể được phát biếu như sau : sự phát triển củcỉi vật

lí học do nhu cầu của thực tiền xà hội vù trước hết là của sản xuất quyết'định. Th ực tiễn xã hội ớ đây phài được xét trong quá ttrình phát triển lịch sử c ủ a xã hội, vì trong mỗi bước phát triển của xaỉ hội thì nhu cầu của thực tiễn xã hội lại có những đặc thù riêng củaì nó Như vậy động lực c ơ bản của sự phát triển vạt lí học là sản xuấít, và

sự phát triển của vật lí học được quyết định bời mối quan hệ giữa vật lí học với sản xuất cũng như với các khía cạnh vật chất và tinh thần khác của đời sống xã hội luôn luôn phát triển

Đ ể hiểu rõ quy luật c ơ bản này, chúng ta sẽ xét những đặc đ i ể m của c á c mối quan hệ nói trên

1 Vật lí học và sản xuất

Sản xuất quyết định sự phát triển cùa mọi khoa học, nhưng mối quan hệ giữa sản xuất với từng ngành khoa học là khống gìiống nhau Vật lí h ọ c , cũng như c á c ngành khoa học tự nhiên khác:, có mối quan hệ với sản xuất trực tiếp hơn c á c ngành khoa học xãĩ hội

k hác Những kết quả nghiên cứu cùa vật lí học được vận dụng trực tiếp trong sản xuất, trong kĩ thuật, và sán xuất cũng trực tiếp "(điều

k h iển " sự phát triển của vật lí học Enghen đã nói : "Nếu như tirong

xã hội xuất hiện một nhu cấu kĩ thuật, nó sẽ thúc đẩy khoa học tiến lên nhiềụ hơn là một c h ụ c trường đại học"

Trong suốt quá trình phát triển lịch sử của vật lí h ọ c , ch ỗ rùào ta

cũ n g c ó thể thấy được m ối quan hệ trực tiếp giữa vật lí học vài sản xuất Nhu cẩu c h ế tạo c á c đồng hồ chính xác để phục vụ c á c chiuyến

đi biển đà khiến H u y gh en x ơ xâv dựng được lí thuyết c o n lắc, 'Và lí thuyết đó đã g óp phần xây dựng c ơ học c ò điển Nhu cầu cài tiến

c á c m áy hơi nước nhàm tiết kiệm nhiên liệu đă là khởi điểm cùat các

10

định lí Cacnỏ và đã thúc đáy sự phát triển nhiệt động lực học Vật lí hạt nhân chí thực sự phát triển mạnh mẽ từ khi năng lượng hạt nhân được ứng dụng trong thực tế.

Mối quan hệ trực tiếp giữa vật lí học và kĩ thuật biến đổi tùy

th e o sự phát triển của sán xuất Một mặt, mối quan hệ đó ngày càng được củng c ố và mờ rộng hơn, mặt khác tính chất của nó cũng có biến đổi

Cho tới giữa thế kỷ X I X , kĩ thuật luôn luôn phát triển trước, và vật lí học phát triển sau, mối quan hệ giữa vật lí học và kĩ thuật ờ thài c ổ đại và trung đại còn lỏng lẻo, nhưng từ th ế kỉ X V I - X V I I đã trờ nên ngày càn g chặt chẽ hơn Có thể lấy sự phát triển nhiệt động lực học làm một thí dụ Lúc đầu, do nhu cầu của sản xuất, người ta phát minh ra máy hơi nước bằng kinh nghiệm kĩ thuật, bằng cách

m ày mò M áy hơi nước thô sơ lúc ban đáu có hiệu suất rất thấp Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất cùa máy hơi nước, C acnô đã phái minh ra c á c định lí C a c n ô , trên c ơ sờ đó nhiệt động lực học bắt đầu phát triển

T ừ giữa th ế kỉ X I X trở đi, khoảng cách giữa sự phát triển của kĩ thuật và của vật lí học ngày càn g rút ngắn và dắn dần vật lí học tiến lètt trước, nhiều ngành kĩ thuật xuất hiện và pháĩ triển sau khi đã có nhưng phát minh trong vật lí học Chẳng hạn như những phát minh trong lĩnh vực điện động lực học đã dẫn đến kĩ thuật sử dụng dòng điện trong thông tin, và sử dụng điện nãng trong sản xuất Tính chất mới của mối quan hệ này ngày càn g được củng c ố , và hiện nay không thế tìm được một ngành kĩ thuật nào xuất hiện và phát triển

mà không c ó c ơ sở khoa học đã được phát minh từ trước

Trong giai đoạn gần đây, song song với sự củng c ố mối quan hệ giữa vật lí học và kĩ thuật càn g ngày lại càng nổi rõ một tính chất

m ô i : tính độc lập tương đối của sự phát triển vật lí học Càng ngày càdg c ó nhiều phát minh vật lí học và khoa học nói chung không c ó

quan hệ trực tiếp với kĩ thuật (thường sọị ỉà những phát minh k h o a học "thuán tuý"), thí dụ như sự phát minh ra thuyết tương dối Anhxtanh vào đáu thế kỉ X X Thực ra thì những phát minh khoa h ọ c lúc đầu có vẻ "thuần tuý", tách rời sân xuất như vạy, cuối cùng, sau một thời gian ngắn hay dài, nhất thiết sẽ dược ứng dụng trong kĩ thuật Chỉ khi đó chúng mới được còn g nhận là một chân lí khoa học đã qua thứ thách, và mới được phát triển một cá c h mạnh m ẽ Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh lúc đầu bị coi là một lí thuyết g iả tạo, khó hiếu, bị nhiều người phủ nhận, nhưng hiện nay nó đã là kiến thức c ơ bản không thể thiếu đối với c á c kĩ sư thuộc nhiều ngành khác nhau.

Cần phải hiểu một c á c h đúng đắn tính độc lập tương đối của sự phát triẽn vật lí học để khỏi m ắc phai sai lám thực dụng chủ nghĩa, đòi hòi rằng sự nghiên cứu trong vạt lí học và trong khoa học nóichung phải nhằm mục đích được áp dụng ngay trong kĩ thuật Ý nghĩa thực tiễn cuả vật lí học chủ yếu là ở c h ỗ trong lúc trình độ kĩ thuật ngày càng được nâng cao, thì mỗi tiến bộ kĩ thuật đều phải được khoa học dẫn đường, đều là sự vạn dụng những lí thuyết khoa học nhất định, và nếu chỉ dựa vào kinh nghiệm , chì dùng trí thông minh để lần mò như trước đây vài thế ki thì không thế c ó bất kì tiến

bộ kĩ thuật nào Vai trò của khoa học trong sán xuất ngày càng tâng cường mạch m ẽ, đến mức hiện nay khoa học đã thưc sự trở thành một lực lượng sản xuất trực tiếp, tiến bộ khoa học và tiến bộ kĩ thuật đã thực sự gắn với nhau làm một, không thế tách rời

2 Vật lí học và triết học

Giữa vật lí học và triết học c ó mồi quan hệ rất một thiết Triết học luôn luỏn phải dựa vào những thành tựu cùa khoa học, đặc biệt của vật lí học Nhiều khái niệm c ơ bán của triết học phát triển song song với những khái niệm tương ứng của vật lí học : vật chất,

12