NHỮNG VẤN ĐỀ ĐỐI NGƯỢC TRONG VẬT LÝ HỌC

NHỮNG VẤN ĐỀ ĐỐI NGƯỢC TRONG VẬT LÝ HỌC

MỤC LỤC –—

Trang

Mục lục 1

Lời nói đầu 2

Phần nội dung 4

Chương 1: Sóng và hạt 4

Chương 2: Nhanh và chậm 12

Chương 3: Cá thể và tập thể 18

Chương 4: Xa và gần 21

Chương 5: Có hay không có 26

Bài 1: Chất lỏng điện 26

Bài 2: Chất lỏng nhiệt 29

Bài 3: Ête vũ trụ 31

Chương 6: Thuyết Địa tâm và thuyết Nhật tâm 34

Chương 7: Liên tục và gián đoạn 39

Chương 8: Phát minh và đời sống 43

Bài 1: Cơ sở của mọi phát minh 43

Bài 2: Ý nghĩa của phát minh đối với đời sống 48

Bài 3: Mâu thuẫn – Đấu tranh – Tiến bộ 50

Kết luận chung 52

Phụ lục 54

Phụ lục 1: Vẫn chưa kết thúc 54

Phụ lục 2: Niên biểu 76

Phụ lục 3: Bảng tên người 79

Phụ lục 4: Những sự kiện chính trong quá trình ngiên cứu và chinh phục vũ trụ 80

Tài liệu tham khảo 84

LỜI NÓI ĐẦU

&&&

1 Lí do chọn đề tài:

Thông thường trong các sách phổ biến khoa học Vật lý, người ta chỉ

quen thông báo cho bạn đọc “những chân lý” không còn phải tranh cãi

nữa Nhưng, để đi đến chân lý đó, các nhà Vật lý phải trải qua những cuộc tranh đấu rất dài, dài hàng chục, hàng trăm năm hoặc hơn thế nữa Chẳng

hạn, để:” Chận Mặt Trời lại và thúc Trái Đất quay” cũng mất hơn

1.300 năm Trong khoảng thời gian ấy các nhà Vật lý học đáng kính đã đấu tranh không ngừng cho sự tiến bộ của vật lý học Đó là những cuộc đấu tranh âm thầm hay trực diện với các thế lực phản tiến bộ Tiến bộ của khoa học được đánh đổi bằng mồ hôi, nước mắt, thậm chí cả máu và mạng sống của người tìm ra nó

Tôi thấy việc nghiên cứu tiến trình hình thành các tri thức Vật lý

cũng không kém phần quan trọng Nó sẽ hình thành cách tư duy, làm việc của các nhà khoa học Đó cũng chính là lí do để tôi chọn đề tài này

Trong luận văn, tôi chọn ra một số tri thức Vật lý tiêu biểu để

nghiên cứu về tiến trình hình thành Cụ thể là:

• Từ vấn đề nhanh và chậm để đi đến chân lý cuối cùng là thuyết tương đối của Anhxtanh

• Từ vấn đề đối ngược giữa hai quan điểm sóng và hạt, các nhà khoa học đã tìm tòi nghiên cứu Kết quả là sự ra đời của Cơ học lượng tử với các phương trình Schrơđinger, hệ thức bất định Hâyxenbec, thay thế cho các công thức, định luật trong cơ học cổ điển khi nghiên cứu các hạt vi mô

Đó là những câu chuyện đầy kịch tính của khoa học Vật lý Nó sẽ được trình bày trong luận văn này với một mức độ nào đó

2 Các giả thuyết của đề tài:

Tìm hiểu mối quan hệ giữa Vật lý và Triết học, ta đã khẳng định

Nội dung luận văn này, minh chứng quy luật đấu tranh và thống

nhất các mặt đối lập của Triết học duy vật Ta sẽ dùng các sự kiện và tri

thức Vật lý minh chứng rằng: Thế giới tự nhiên không là bất khả tri, đúng

như triết học duy vật đã khẳng định

Tuy nhiên, để đạt đến chân lý khách quan khoa học, Vật lý học đã

trải qua rất nhiều lý thuyết khác nhau, ban đầu: nông cạn, phi lí; để giải

thích các vấn đề không biết, đôi khi họ lại nhờ vào cái không biết khác

Biết là sai mà vẫn nói liều Đó là những điều đối ngược mà Vật lý học đã

tiếp cận, sử dụng và vượt qua Để vượt qua những những khó khăn chướng

ngại và đi đến vinh quang như hiện nay, Vật lý học đã khẳng định một

điều: Tri thức mới có thể phủ nhận hoàn toàn cái cũ, đó là cuộc cách

mạng tri thức Tri thức mới bao hàm luôn tri thức cũ, và coi đó là

trường hợp riêng của mình, đó là nguyên lí tương ứng

Vấn đề luận văn đề cập là một phạm trù đòi hỏi rộng và sâu Đây

chỉ là những ý niệm sơ đẳng bước đầu Mong rằng sau này có cơ hội mở

rộng tầm nghiên cứu, bao quát nhiều lĩnh vực và phân tích sâu hơn ở mỗi

phạm trù Để làm được điều đó cần tìm tòi nghiên cứu, học hỏi thêm nhiều

từ Quý Thầy Cô và các bạn

Mặc dù có nhiều cố rắng nhưng chắc chắn đề tài không tránh khỏi

sai lầm thiếu sót, mong rằng sẽ nhận được ý kiến đóng góp quý báu từ

Quý Thầy Cô cùng Bạn đọc

M

Hình1

Phần NỘI DUNG

&&&

Chương 1: SÓNG & HẠT

˜˜˜

1 Hai quan điểm đối ngược:

Vật lý học nghiên cứu thế giới vật chất gồm hai đối tượng: Hạt và trường Các tính chất và các quá trình vận động mà chúng trải qua thể hiện bản chất của hai đối tượng ấy Đó là tính sóng và tính hạt, đối ngược

nhau!

“Những tư tưởng vĩ đại thường đơn giản” Câu nói đó không biết có

thật đúng hay không, nhưng những tư tưởng về hạt và trường của Louis De

Broglie quả thực rất đơn giản, một sự đơn giản đến táo bạo Louis De

Broglie đưa ra một giả thiết cho rằng: mọi vật chất chuyển động đều có lưỡng tính sóng hạt chứ không riêng gì ở ánh sáng

Ánh sáng, vào đầu và giữa thế kỷ 20, mang lưỡng tính sóng hạt rõ

ràng, không thể phủ nhận Để giải thích một số hiện tượng điển hình do ánh sáng gây ra: giao thoa và nhiễu xạ, thì phải xem ánh sáng là sóng Để giải thích hiện tượng phân cực do ánh sáng gây ra, Măcxoen bảo rằng: ánh sáng là sóng điện từ Ta không thể giải thích các hiện tượng trên, nếu xem

ánh sáng là hạt bay trong không gian; mà nhất thiết phải xem bản chất

ánh sáng là sóng lan truyền trong không gian, theo thời gian (t )

Thế nhưng, ánh sáng lại còn gây ra một số hiện tượng khác; đó là:

hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Cômptông Để giải thích hai hiện

tượng này, ta phải xem ánh sáng là hạt phôton va chạm với electron, chứ

không thể xem ánh sáng là sóng điện từ được

Sóng và hạt là hai hình tượng đối ngược nhau về mặt Vật lý học Ta sẽ xét kỹ hơn về hai hình tượng này để thấy rõ tính đối ngược của chúng

2 Là sóng hay là hạt ?

2.1 Là hạt:

Cơ học, nghiên cứu quá trình vận

động của các hạt vật chất Hạt này bao

gồm cả các hạt đơn lẻ và ta có thể toán

học hoá bằng một chất điểm không có

kích thước (chiều rộng, chiều dài, thể

tích) Học hình học, ta đã biết điểm là

chỗ giao nhau của hai đường ( điểm M )

Mặc dù hạt vật chất này không có kích thước, nhưng nó vẫn có khối

Đây là khối lượng quán tính (mqt)hay khối lượng hấp dẫn (mhd) Hai

loại khối lượng này là đại lượng cơ học đặt trưng cho hạt Chúng liên quan

đến hai sự kiện khác nhau ở hạt Đó là quán tính và tương tác hấp dẫn

Giá trị đo được của mqt và mhd bằng nhau (theo " nguyên lý tương đương"

mà Anhxtanh đã phát biểu trong thuyết tương đối rộng)

Các vật thể vĩ mô, cấu thành từ một hệ, gồm nhiều hạt liên kết với

nhau, nên thường gọi là vật rắn Vật rắn có kích thước xác định (giới nội),

tức là thể tích (V) khác không: V≠0 Vật rắn có khối lượng M bằng tổng

khối lượng của các chất điểm (hạt) cấu thành vật rắn đó: M = ∑

Thể tích của vật (cơ hệ) có thể thay đổi; Còn khối lượng người ta

vốn cho rằng nó là không đổi, là bất biến ( khi vật chuyển động cũng thế,

không chuyển động cũng thế ) Quan niệm này ngự trị suốt hằng mấy thế

kỷ (khi mà vật lý học hiện đại chưa ra đời) Đến khi, thuyết tương đối hẹp

của Anhxtanh ra đời, quan điểm này được điều chỉnh lại Anhxtanh nói

rằng khối lượng của vật tăng theo vận tốc, với biểu thức:

2 2 0

1

c v

−

=

Trong đó: v là vận tốc của hạt

m 0 là khối lượng nghỉ của hạt

c là vận tốc ánh sáng trong chân không

Một hạt hay một vật (cơ hệ), sẽ có các hình thức vận động cơ học

sau:

+ Tịnh tiến

+ Quay

+ Dao động

Trong các hình thức trên, ta quan tâm đặt biệt đến hình thức dao

động Ở đây, ta chỉ xét hạt “dao động điều hòa”, ly độ dao động x biến

thiên tuần hoàn theo thời gian (t ) Điều này sẽ được diễn tả toán học bằng

công thức lượng giác sau:

α + ω

= ASin t

t

x

hoặc:

• Vật lý học hiện đại, cụ thể hơn là thuyết tương đối hẹp của Anhxtanh đã xác lập mối liên hệ giữa khối lượng (m) của vật với năng lượng toàn phần ( Etp ) mà vật mang trong nó Biểu thức:

Etp= m.c2

Đó chính là tiêu chuẩn quan trọng nhất để nhận biết một đối tượng bất kỳ

trong tự nhiên, xem xem nó có phải là vật chất hay không Đã là vật chất thì phải có năng lượng, nghĩa là trong tự nhiên không tồn tại vật chất

không trọng lượng (ta sẽ xét vấn đề này cụ thể hơn ở chương 5)

• Đã là một vật thể (vĩ mô) ở dạng hạt thì trạng thái vật lý tại mỗi thời điểm phải được đặt trưng bởi ba đại lượng: m, V và Etp Gía trị của các đại lượng này đều đo được và có giá trị giới nội (đặc biệt là đại lượng V)

nguồn sáng (S) Sóng lan truyền phủ khắp không gian bao quanh nguồn

sáng (S) Khảo sát nó chỉ quan tâm đến vị trí điểm M ( nơi sóng đã lan tới ), tại một thời điểm (t ) nào đó, của toàn bộ không gian mà sóng tồn tại Thế thì không thể nói đến thể tích V của sóng tại điểm M đó được Vấn đề

có tồn tại thể tích V hay không có tồn tại thể tích V cũng chính là điểm đối – ngược giữa hạt (vật thể) và sóng Hạt (vật thể) nào cũng mang một khối

lượng ( m≠ 0 ) Nguồn sáng (vốn là một vật) có kích thước và khối lượng; nhưng tại mỗi nơi mà sóng lan tới, chỉ là dao động điều hoà thực hiện ở nơi

ấy Ta không nói đến thể tích và khối lượng của sóng Vật lý học xem tập hợp sóng tồn tại trong một vùng không gian nào đó là một thực thể vật

chất ở dạng trường

Vậy, bằng so sánh hình thức hai thực thể vật chất mà Vật lý học

nghiên cứu: sóng và hạt mang những đặc trưng đối ngược nhau:

@ Một là: có thể tích ( V ≠ 0) hay không có thể tích (V=0)

@ Hai là: có khối lượng ( m≠ 0) hay không có khối lượng (m=0)

* Ta lại xét thêm hình tượng sóng tại một điểm của không gian, nơi

sóng lan tới Sóng là dao động điều hoà Sóng cơ thì tồn tại trong không

gian có chứa môi trường vật chất như: không khí, nước, dầu,… (nói chung

cần môi trường làm giá đỡ cho sóng lan truyền Còn đối với sóng điện từ

(sóng ánh sáng) thì có thể tồn tại cả trong không gian có mặt môi trường

vật chất, cả trong chân không Sóng tại mỗi thời điểm trong chân không,

hay trong môi trường vật chất được đặc trưng bằng tần số góc dao động

(ω ) hay tần số dao động (f ), với: ω =2.π f và bước sóng( λ); với: λ =v T

Trong đó: v là vận tốc truyền sóng

T là chu kỳ dao động gây nên sóng

Vì vậy, cần có đại lượng Vật lý đặc trưng tổng hợp cho mỗi sóng lan

truyền, đó là đại lượng kρ

v n

λ

nρ là vectơ đơn vị dọc theo phương truyền sóng

Nếu hạt (vật vĩ mô) chuyển động (tịnh tiến, quay hay dao động tại chỗ) thì

chẳng cần có các đại lượng đặc trưng là λ và kρ

3 Lưỡng tính sóng hạt:

Xét một đối tượng cụ thể Với cách phân tích hai hình tượng sóng và

hạt ở trên, ta thử vận dụng cho ánh sáng Khi đó, ta thấy:

+ Nếu ánh sáng là sóng, thì đại lượng đặc trưng cho nó sẽ là λ và kρ

+ Nếu ánh sáng là hạt, thì đại lượng đặc trưng cho nó sẽ là m và V

(vì phôton là hạt vi mô nên V = 0) Hạt chuyển động cơ học (tịnh tiến) nên

về phương diện động lực học nó được đặc trưng bằng vectơ xung lượng:

Tóm lại, sóng và hạt là hai hình tượng đối ngược trong vật lý học

Ta phải thừa nhận hình tượng nào đây, hay chấp nhận cả hai ?!

a Nếu dùng hình tượng hạt phôton thì không thể giải thích được hai

hiện tượng vật lý điển hình do ánh sáng gây ra, đó là: hiện tượng

giao thao và nhiễu xạ ánh sáng

b Nếu dùng hiện tượng sóng điện từ, thì không thể giải thích được hai hiện tượng Vật lý điển hình cũng do ánh sáng gây ra là hiện tượng quang điện và tán xạ Cômptông

Cùng một đối tượng vật chất là ánh sáng, mà có thể gây ra các hiện tượng nêu trên, thoạt nhìn tưởng như là mâu thuẫn, nhưng khi nghiên cứu kỹ lại hoá ra không Để có kết quả đó, trong lập luận phải thừa nhận rằng:

ánh sáng mang lưỡng tính sóng hạt Đó là kết luận của Louis De Broglie

Không dừng lại ở đó, Louis De Broglie còn mở rộng giả thuyết này cho

mọi đối tượng vật chất có trong tự nhiên: “ Mọi thực thể vật chất trong tự nhiên (cả vi mô lẫn vĩ mô) điều mang lưỡng tính sóng hạt, chứ không riêng gì ánh sáng”

Thiên nhiên không dành lưỡng tính sóng hạt cho riêng ánh sáng,

mà còn dành cho mọi đối tượng vật chất trong tự nhiên Thế thì:

+ Qủa đất vốn là một vật vĩ mô, nhưng trong không gian vô tận ta có thể coi nó như một vật thể có lưỡng tính: là một hạt đang chuyển động, và cũng là một sóng lan truyền

+ Hạt electron (e) là một hạt vi mô, và cũng là một sóng lan truyền

Louis De Broglie nói thêm rằng: “tuỳ theo hiện tượng Vật lý cụ thể ở đối tượng vật chất mà tính sóng, hoặc tính hạt, thể hiện dạng này rõ hơn dạng kia mà thôi” Vậy trong những điều mâu thuẫn, đối ngược vẫn có

điều thống nhất Tính thống nhất ở đây, là tiêu chuẩn dành cho vật chất Đối tượng nghiên cứu của Vật lý học là thế giới vật chất, không phải thế

giới tâm linh Do đó, năng lượng chính là tiêu chuẩn để xem coi đối tượng

đang nghiên cứu, có được công nhận là vật chất hay không

- Hạt vật chất tự do chuyển động có mang năng lượng Etp và có xung lượng là P mv

→

→

= . ; Hạt này sinh ra một sóng lan truyền, sóng này có mang năng lượng Etpvà có bước sóng λ, tạo bởi dao động điều hoà có tần

số f Hiển nhiên phải có một mối quan hệ nào đó giữa sóng và hạt Thật

vậy, vì chúng đều là thuộc tính của cùng một đối tượng vật chất, mang lưỡng tính

E

ρη

h

=

η là hằng số Plăng thu gọn

Đến đây, ta thấy rằng: hằng số vật lý h chính là cầu nối giữa hai

hình tượng đối ngược sóng và hạt Ta cũng có thể dùng hình tượng này làm

minh chứng cho một quy luật của thuyết duy vật biện chứng: “ quy luật

đấu tranh và thống nhất giữa các mặt đối lập”

Theo cơ học cổ điển, trạng thái chuyển động của hai đối tượng vật

chất này, tuân theo “quyết định luận”, được mô tả đầy đủ bằng hai đại

lượng Vật lý:

+ Vectơ định vị r ( )t

→

tại thời điểm t

+ Vectơ vận tốcv ( )t

→

tại vị trí và thời điểm t ấy

Phương trình chuyển động cụ thể như sau:

+ Đối với hạt:

( )

F r

dt

t

m dt

p d

v p

ρ.

+ Đối với sóng:

( ), 1 ( ), 0

2 2 2 2

t r

(2) Trong đó: A ,ρ( )rρt diễn tả dao động điều hoà gây nên sóng

v→ là vận tốc lan truyền sóng

Nếu là sóng điện từ cấu thành từ hai loại dao động cùng tồn tại và cùng chuyển hoá lẫn nhau:E→( )rρ,t

là điện trường biến thiên và ( )r t

.,

0

,

.,

2 2 2

2

2 2 2

2

t

t r H r

t r H

t

t r E r

t r E

ρρρ

ρ

ρρρ

ρ

µ ε

t r E E

,

,

ρρρ

ρρ

ρ

Với:

µ ε µ

1

=

⇒

=v v ; v là vận tốc lan truyền trong môi trường

vật chất (có các hằng số đặc trưng làε và µ)

- Giải phương trình (1) ta sẽ có: v ( )t

→

vàr ( )t

→

với các điều kiện đầu

cho trước: Tại t 0 =0, ta có: 

=

=r0r

ρ ρ

ρ ρ

- Giải phương trình (2) và (3) cho sóng cơ học hoặc sóng điện từ, ta sẽ có các nghiệm ở dạng chung là:

( t k r)

Cos A

cho biết vận tốc lan truyền của sóng ở thời điểm t tại

điểm quan sát; λ =v T

Năng lượng Etp mà mỗi đối tượng ấy mang theo, được tính theo khối lượng và vân tốc của hạt, hoặc theo biên độ A của sóng

Do sự phân biệt hai đối tượng đối ngược: sóng và hạt, cho nên ở hạt

vi mô ( lấy electron làm ví dụ ) là một đối tượng vật chất, thì tuỳ hoàn cảnh mà phải xem nó là sóng hay là hạt Cụ thể là:

• Electron chuyển động tịnh tiến trong môi trường, hay trong chân không được xem là hạt electron

• Cũng là electron đó, nhưng khi nó chuyển động trong lòng nguyên tử thì nó là một sóng Trạng thái chuyển động của nó được mô tả bằng một hàm sóng: ψ =ψ( )r ,ρt Để cụ thể hơn ta biễu

diễn nó ở dạng hàm mũ phức: ( )

e E t k r

i tp

A

ρ ρ

Ta có thể theo dõi quỹ đạo của hạt electron trong buồng Uynxơn

Ngược lại, ta không thể theo dõi quỹ đạo của electron khi nó là một sóng vật chất lan truyền (khi electron chuyển động trong lòng nguyên tử); Ta

chỉ có thể nói đến xác suất tìm thấy nó ở thời điểm t, tại vị trí rρ( )t nào đó

lớn hay bé mà thôi

Sở dĩ có như vậy là vì:

a Đã là hạt vật chất thì, chuyển động của hạt tuân theo cơ học

Niutơn Nghĩa là tại mỗi thời điểm quan sát t, ta có thể dựa vào

phương trình chuyển động của nó là các phương trình định luật II

F dt

r d m F

đồng thời cả toạ độ và vận tốc của nó Do đó, quỹ đạo là xác

định và có thực

b Nếu là sóng, đặc biệt là sóng vật chất ( sóng De Broglie ) thì phải

sử dụng phương trình truyền sóng vật chất là phương trình

Schrơđinger với nghiệm là: ψ =ψ( )r ,ρt

Qúa trình chuyển động này không tuân theo các quy luật cơ học cổ

điển thông thường, mà tuân theo nguyên lí bất định Hây xen bec:

h

p

x ∆ x ≥

∆

tức là không thể xác định chính xác đồng thời cả vận tốc và toạ độ của

hạt tại mỗi thời điểm ( xem quyển “ Cơ Học Lượng Tử là gì?” )

Ø Tóm lại: sóng và hạt trong Vật lý học là hai khái niệm đối ngược

Và trong quá trình đi tìm hướng giải quyết mâu thuẫn này, đã có nhiều

kiến thức Vật lý mới được hình thành, điển hình là sự ra đời của lý thuyết

Lượng tử và Cơ học lượng tử; Các lý thuyết này là cơ sở vững chắc cho sự

ra đời của Vật lý hiện đại Sóng & hạt là hai quan điểm mâu thuẫn nhưng

không triệt tiêu nhau mà lại bổ sung cho nhau Điều đó cũng dễ hiểu thôi,

vì hai hình tượng ấy cùng thuộc về một đối tượng vật chất nào đó Và cố

nhiên, ta cần phân biệt: sóng cơ học (D'alembert) với sóng vật chất (sóng

Đơbrơi ) Ta có bảng:

Sóng cơ học ( D'alembert ) Sóng vật chất ( sóng Đơbrơi )

Tuân theo phương trình Schrôđinger

Không mang ý nghĩa Vật lý trực tiếp

Chương 2: NHANH & CHẬM

˜˜˜

Khi tìm hiểu chuyển động của đối tượng vật chất, diễn ra trong

không gian, theo thời gian Ngoài ý niệm không gian đối ngược: xa với

gần; ta còn có ý niệm đối ngược về sự nhanh và chậm Ở đây ta chỉ xét

vấn đề xoay quanh đại lượng vận tốc (v)

Sau đây ta tìm hiểu tính đối ngược của vận tốc chuyển động: chậm

và nhanh ( tức v lớn hay bé ) ở chuyển động tịnh tiến

+ Vật lý học khẳng định rằng, dù là sóng hay hạt cũng thế, vận tốc

chuyển động, tại mỗi thời điểm trong môi trường, ở từng vị trí sẽ có v lớn

hay bé phụ thuộc vào bản chất của môi trường Kể cả chân không là

không gian không chứa một thứ vật chất nào Môi trường sẽ cản trở

chuyển động của vật chất chứa trong nó Cụ thể là: môi trường sẽ gây lực

ma sát cản trở chuyển động của hạt và gây lực cản ngăn cản dao động

sóng Thật vậy, công thức vận tốc v được xác định ở Điện động lực là:

m

0 0

10 3

1

µ

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng trong chân không

+ Trong thuyết tương đối hẹp, Anhxtanh có phát biểu một tiên đề

nói rằng:“ vận tốc ánh sáng trong chân không là một hằng số: c = const” Tiên đề ấy hàm ý rằng: “ vận tốc ánh sáng trong chân không không phụ thuộc vào hệ quy chiếu quán tính dùng để đo, không phụ thuộc vào nguồn phát sáng đang chuyển động hay nằm yên; cũng không phụ thuộc vào máy thu ánh sáng đứng yên hay chuyển động” Đây là một sự thật vật lý

học Còn hơn thế, c không những là một hằng số mà nó còn là vận tốc truyền tín hiệu cực đại Không có vật thể nào, tín hiệu nào có vận tốc

chuyển động vượt quá c Tức là: v ≤ c

+ Nhanh hay chậm là hai mức độ của chuyển động Chúng đối ngược

nhau Khi ta bảo một vật nào đó chuyển động nhanh hay chậm, thì trong

câu nói đó đã bao hàm một sự so sánh vận tốc của vật Nhưng đã so sánh

thì cần phải có mốc so sánh Vậy thì chọn vận tốc của vật nào, của đối tượng vật lý nào làm mốc cho phép so sánh nhanh chậm này đây? Mốc mà

ta chọn để so sánh đó là vận tốc ánh sáng c; thế thì:

1 Đối với chuyển động chậm, ta có: v << c

2 Đối với chuyển động nhanh, ta có:v ≈ c

3 Không có trường hợp nào v > c

( Hiện tại, Vật lý học cũng có suy tưởng rằng có thể có những đối

tượng chuyển động nhanh hơn c và đặt tên chúng là các”Tachion” nhưng

do giới hạn của đề tài ta không xét vấn đề này Nếu bạn đọc muốn tìm hiểu vấn đề này, xin hãy tìm xem quyển “Vũ trụ nhìn thấy và không nhìn thấy” )

Nội dung tiên đề trên lại đối ngược ngay với một tiên đề khác của

Anhxtanh; đó là nguyên lý tương đối mang tên ông:” mọi hệ quy chiếu quán tính điều tương đương nhau, đối với mọi hiện tượng vật lý” Tiên đề

này là sự mở rộng nguyên lý tương đối Galilê Công thức cộng vận tốc

Hình 2

khi chuyển từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính

khác, đòi hỏi c ( vốn là vận tốc) phải mang tính tương đối, c ≠ const

Anhxtanh buộc chúng ta phải tuân theo hai điều đối ngược, từ cửa

miệng của một người nói ra(Anhxtanh) Thế thái nhân tình không cho phép

như vậy Song thuyết tương đối hẹp Anhxtanh muốn như vậy Hai tiên đề

đối ngược ấy lại cùng là chân lý khoa học hiện đại, là cơ sở của thuyết

tương đối hẹp Anhxtanh Ta đã biết rằng, khi tìm hiểu các tính chất của

không gian và thời gian Galilê đã xây dựng các công thức biến đổi tọa độ,

khi chuyển từ hệ quy chiếu quán tính k giả định đứng yên sang một hệ quy

chiếu quán tính k’ khác chuyển động thẳng đều so với k, với vận tốc v→

z z

y y

vt x

x

(I)

Hệ (I) đã dẫn đến phép

cộng vận tốc cổ điển Galilê: u ρ = u ρ ′ + v ρ

Các công thức này đảm bảo quan sát viên đứng ở bất cứ hệ quy

chiếu quán tính nào để quan sát một hiện tượng cơ học, đều thấy hiện

tượng ấy diễn ra trước mắt mình như nhau Phương trình diễn tả quá trình

vận động ấy sẽ phải có dạng như nhau Ta bảo rằng: ” chúng bất biến

Galilê” Đó là câu chuyện của thế kỷ 17 Gần ba trăm năm sau, ở thế kỷ

20 Anhxtanh dùng một cách biến đổi toạ độ mới: ”phép biến đổi tọa độ

lorentz”

Bảng công thức:

2 2

11

c v

x c

v t

t

z z

y y

c v

vt x

x

(II)

Từ (II) ta có thể suy ra các công thức cộng vận tốc, Anhxtanh đã làm

và thu được kết quả sau:

2

2 ,

z

z

, x 2

2

2 ,

y y

, x 2

, x x

uc

v1

c

v1uu

uc

v1

c

v1uu

uc

v1

vu

b Hiện tượng dãn thời gian khi xem đồng hồ

Galilê nói rằng các khoảng cách không gian đều bất biến Anhxtanh bảo rằng không

Galilê nói rằng mọi đồng hồ chỉ giờ như nhau Anhxtanh bảo rằng không phải như vậy

Chuyện cổ tích xưa có kể rằng: một du khách đi và về chỉ trong một vài năm; lúc ra đi còn trẻ mái tóc còn xanh Khi về quê cũ tuổi mới thay

,

, ,

z ,

, ,

y ,

, ,

x

dt

dz u

, dt

dy u

, dt dx

đổi một ít Ngở rằng mái tóc, vẽ mặt vẫn thanh xuân Thế nhưng, lúc trở

về mới hay rằng những bà con cùng thế hệ đã chết lâu rồi, những người

mà ông ta gặp lại là cháu mấy đời của ông ta, nhìn qua gương mới biết

mình quá già Điển tích này cho thấy ý niệm về sự nhanh chậm cũng từng

được nhắc đến từ rất lâu (từ xưa); ở Việt Nam ta điều này cũng được nhắc

đến trong các vỡ cải lương, trong các câu chuyện thần thoại, ví dụ như câu

nói: “một ngày trên trời bằng một năm ở hạ giới” … Đáng tiếc là thời đó

không có những Anhxtanh như thế kỷ 20

Ý niệm không gian và thời gian còn đâu là tuyệt đối! Tại sao,

không gian và thời gian lại không mang tính khách quan, tuyệt đối; quá

trình vận động của các vật thể trong hệ dính dáng với nhau, còn không

thời - gian thì dính dáng cả với quá trình vận động của hệ Hoá ra sự việc

này có nguồn gốc từ vận tốc chuyển động của vật thể (v): nhanh hay

chậm Tức là phải quan tâm đến các bất đẳng thức so sánh (xem trang 13)

Triết học khẳng định vật thể luôn vận động, thuyết động học phân tử

cũng công nhận thế Do đó, vật thể sẽ mặt nhiên thừa nhận vận tốc là một

thuộc tính của mình Vậy mối quan hệ của vật với vận tốc của nó ra sao?

Theo định nghĩa của vận tốc: ( )

dt

t r d v

ρ

ρ = với r ρ ( ) t

là vectơ định vị của vật thể Vật thể chuyển động với vận tốc nào, là việc riêng của vật, với yêu

cầu riêng của nó Người quan sát nó, lấy mắt nhìn vật Vật phát sóng điện

từ; mắt người thu nhận ở mưcù độ nào, chẳng hề dính dáng đến vật; Thế

nhưng thực tế cuộc sống cho thấy kết quả nhìn của mắt lại khác nhau, tuỳ

thuộc người quan sát đứng ở hệ quy chiếu quán tính nào Tại sao lại có sự

mâu thuẩn giữa lý thuyết và thực tế?!

Chưa hết, Cơ học cổ điển coi khối lượng(m) là một thuộc tính

không thể thiếu của mọi đối tượng vật chất Niutơn cho rằng: lúc đứng yên

vật có khối lượng bao nhiêu, thì trong suốt quá trình vận động khối lượng

vẫn không đổi (m = const) Ta có: m = m 0 ( m là khối lượng vật lúc chuyển

động, m0 là khối lượng vật khi đứng yên ) Xuất phát từ quan điểm này,

người ta đã đưa ra định nghĩa khối lượng: “khối lượng là lượng vật chất

có trong vật ”

Nhưng rồi, quan niệm này không còn phù hợp đối với các vật có vận

tốc chuyển động lớn (v ≈ c) Khi đó khối lượng sẽ thay đổi, thuyết tương

= Đến đây ta cần điều chỉnh lại ý nghĩa Vật lý của từ khối

lượng Khối lượng không phải là vật chất cấu thành vật Khi vật chuyển

động với vận tốc khá lớn (gần bằng vận tốc ánh sáng) nó không hề nhặt

thêm vật chất mà khối lượng của nó vẫn tăng Điều đó cho thấy yếu tố nhanh chậm cũng ảnh hưởng đến khối lượng Thực tế là vậy Với công nghệ hiện nay, các máy gia tốc đã tăng tốc cho chùm hạt lên gấp nhiều lần, khi đó khối lượng của nó tăng đúng theo công thức:

2 2 0

1

c v

m m

−

=

Có thể nói chậm và nhanh là hai khía cạnh của một vấn đề Niutơn chỉ làm việc với hạt chậm, Anhxtanh lại tiếp cận tới các hạt chuyển động nhanh Do đó các kết quả nghiên cứu của họ không giống nhau: Cơ học kinh điển Niutơn là tri thức Vật lý của các hạt chậm Cơ học tương đối tính Anhxtanh là tri thức Vật lý của các hạt nhanh Tuy nhiên, ở hai lý thuyết đó cũng có sự tương đồng Các công thức Cơ học tương đối tính Anhxtanh bao hàm cả các công thức Cơ học kinh điển Niutơn; nó thừa nhận cơ học kinh điển là trường hợp riêng của mình khi áp dụng cho các hạt chậm Thật vậy, áp dụng công thức

2 2 0

c

v1

mm

011

m m

c v

tính khối lượng theo Cơ học tương đối tính Anhxtanh vẫn đúng cho các hạt chuyển động chậm

Trước đó Mincôpxki, thầy học của Anhxtanh đã xây dựng phần hình

học không gian bốn chiều, với hệ toạ độ bốn chiều Anhxtanh đã vận

dụng hình học này để toán học hoá thuyết tương đối hẹp để cho ra đời các

công thức tương đối tính đẹp đẽ như ngày nay (Xem “hình học vũ trụ” và

“lực làm thế giới chuyển động” )

Nhờ thắng lợi trong việc giải thích nghịch lý nhanh & chậm, cơ học

tương đối tính lại có thêm một đứa em lớn tuổi cơ học cổ điển

Trong quá trình chuyển đổi nhằm hiện đại hoá Vật lý học, vận tốc ánh

sáng trong chân không (c) đã đóng vai trò như một chiếc cầu, kết nối chậm

với nhanh Qua chiếc cầu c ấy, hay ý niệm chậm và nhanh sẽ không cò

cách biệt Trong nhanh có chứa chậm

Chiếc cầu thứ hai gắn cơ học tương đối tính với cơ học kinh điển là hệ

β Hai chiếc cầu nối ấy thực ra chỉ là một

Chính những cố gắng tìm cách giải quyết vấn đề nhanh – chậm đã

khiến một loạt quan niệm cơ học mới được hình thành, làm rộng thêm tri

thức vật lý Ví dụ: khối lượng không là bất biến, khoảng cách thời gian và

không gian không phải bất biến…

Chöông 3: CAÙ THEƠ & TAÔP THEƠ

˜˜˜

Vaôt lyù hóc quan tađm ñeân caù theơ vaø taôp theơ vì nhieău lyù lẹ, vôùi noôi

dung khaùc haún

Khi baĩt ñaău tìm hieơu caâu truùc “vi mođ” cụa giôùi töï nhieđn, Vaôt lyù hóc noùi raỉng, mói vaôt theơ (vi mođ) ñeău caâu thaønh töø caùc “phađn töû” (molicule), soâ löôïng phađn töû caẫu thaønh heô vi mođ laø raât lôùn Ñeâm döôïc soâ löôïng naøy laø cạ moôt vaân ñeă cam go cụa vaôt lyù hóc thöïc nghieôm Thaôt khoù, song roăi cuõng ñeâm ñöôïc

+ Ví dú: moôt löôïng khí chöùa trong moôt theơ tích V =22.4 lít, aùp suaât 1 atmotphe (moôt mol khí ) coù chöùa NA = 6,023.1023 hát Soâ naøy do Avođgadrođ

tìm ra neđn ñöôïc gói laø soâ Avođgadrođ, soâ naøy tuy giôùi noôi nhöng khaù lôùn

Cô hóc NiuTôn khạo saùt chuyeơn ñoông cô hóc cụa caùc chaât ñieơm vaø

caùc cô heô coù lieđn keât Moêi cô heô coù soâ baôc töï do s = 3N - k ; k laø soâ moâi

lieđn keât coù maịt trong heô cô Cô hóc cho raỉng soâ baôc töï do ôû cô heô toâi ña laø

s = 6 Moêi chaât ñieơm töï do, rieđng lẹ coù soâ baôc töï do laø 3

Neâu trong loøng cô heô khođng coù moâi lieđn keât naøo (k=0) thì soâ baôc töï

do cụa cô heô laø s = 3N - k = 3N + 0 = 3N

Khạo saùt moôt soâ heô cô hoaøn toaøn töï do aây phại bieât thieât laôp 3N phöông trình cho töøng chaât ñieơm cụa cô heôVeă nguyeđn taĩc thì coù theơ thöïc hieôn Nhöng thöïc teâ, thì baât löïc Krođnic noùi ñuøa “ phại caăn ñeân bao nhieđu giaây möïc, bao nhieđu cođng söùc, moă hođi ñeơ thieât laôp caùc phöông trình dieên tạ hình thaùi söï vaôt ñađy ”

Tuy nhieđn, xaõ hoôi ñaõ yeđu caău, khoa hóc khođng theơ töø nan Caăn tìm ra moôt phöông phaùp cho caùc heô phöùc táp aây Ngöôøi ta ñaõ nghó ñeân caùc giaù trò trung bình: Naíng löôïng trung bình ( )E tp ; vaôn toâc trung bình ( )v ; ñoông naíng trung bình ( )E d … cụa moêi hát Muoân coù giaù trò tung bình cụa caùc ñái löôïng aây (ñeơ mođ tạ tráng thaùi cụa heô), phại duøng ñeân phöông phaùp thoâng keđ, lyù

thuyeât xaùc suaât .trong toaùn hóc

Chư baỉng caùch vaôn dúng “phöông phaùp thoâng keđ” môùi coù theơ mođ tạ

ñöôïc hình thaùi söï vaôt Heô nhieău hát coù nhöõng tính chaât caăn phại nhôø ñeân

lyù thuyeât taôp hôïp môùi coù theơ dieên tạ noơi Caùch mođ tạ caù theơ ñeơ coù caùi nhìn

veă taôp theơ khođng aùp dúng ñöôïc

Haỉng soâ Bođnzôman k B ra ñôøi töø ñoù Tröôùc tieđn, noù ñöôïc duøng ñeơ mođ

tạ moâi quan heô giöõa nhieôt ñoô tuyeôt ñoâi T vôùi ñoông naíng trung bình ( )E ñ cụa

moêi phađn töû trong heô Sau ñoù, noù xuaât hieôn trong caùc pheùp tính thoâng keđ

ñeơ phạn aùnh tính chaât thoâng keđ cụa caùc quy luaôt töï nhieđn Caùc quaù trình

nhieôt ñoông nghieôm ñuùng nguyeđn lyù II nhieôt ñoông löïc hóc do Bođnzôman

phaùt bieơu Döïa vaøo heô thöùc ñònh nghóa:

N

R

k B=

Trong ñoù k B = 1,38066.10-23 J/ ñoô laø haỉng soâ Bođnzôman

R laø haỉng soâ khí tính cho moôt phađn töû

* Coù hai loái thoâng keđ: Thoâng keđ coơ ñieơn vaø thoẫng keđ löôïng töû :

a Thoâng keđ hóc coơ ñieơn: ñöôïc phaùt bieơu trong caùc cođng trình cụa

Clao-di-uùyt, Maícxoen, Bonzôman vaø moôt soâ nhaø vaôt lyù khaùc

W = (theo keât quạ chöùng minh cụa Vaôt Lyù Lyù thuyeât)

Trong ñoù: N laø soâ hát coù trong heô

Chư soâ i chư soâ nhoùm naíng löôïng vôùi caùc giaù trò ε1,ε2,ε3, ,ε n

ni laø soâ hát toăn tái ôû nhoùm thöù i

W laø xaùc suaât tìm thaây hát ôû moêi nhoùm

Vì raỉng Entropi S cụa heô nhieôt ñoông vaø xaùc suaât W ( theo Bođnzôman

) chuùng lieđn heô vôùi nhau theo heô thöùc:

S = k B Lnw

Hay

!

! ln

i i

B

n

N k S

π

=

Trong ñoù: π laø kyù hieôu laây tích

Neâu nhö soâ hát N trong heô raât lôùn, vaø soâ hát trong moêi nhoùm cuõng

( n)

i n n n n

i n n

e n n

n

e N

2 1 2

1 Vì: n1+n2+….+nn= N nên ta có:

i

i

N n

i N

N N

n

N n

e

e N W

π

=

Một cách gần đúng ta có:

B n i

N

n

N ln k S

b Thống kê lượng tử: Các kết quả nghiên cứu của Vật lý thống

kê cho ta: Các Fecmion tuân theo nguyên lý Paoli; Các Bozon không tuân theo nguyên lý Paoli Nhưng cả hai đều tuân theo thống kê học lượng tử: Fecmi-Đirăc hoặc Bozơ-Anhxtanh

Xem chương IV Giáo trình Vật lý thống kê của Ths Trần Minh Quý

* Tóm lại: Trong công cuộc đấu tranh giải quyết hai vấn đề đối ngược của vật lý: cá thể và tập hợp (tập thể) Vật lý học cổ điển đã dần

dần bộc lộ nhược điểm của mình; càng đi sâu vào cấu trúc bên trong

nguyên tử nó càng bộc lộ nhiều sai sót Lúc này, Cơ học cổ điển không còn đúng đối với hệ nhiều hạt (một tập hợp); mà phải nhờ đến vật lý

thống kê Điều này cũng dễ hiểu thôi, vì tập hợp có nhiều đặc tính không có ở hạt đơn lẻ Hằng số Bônzơman k B là cái cầu nối đơn lẻ với tập hợp

Chương 4: XA & GẦN

˜˜˜

Trong đời sống hằng ngay, có vô số các hiện tượng Vật lý quen thuộc đang diễn ra dưới mắt con người, nhưng hầu như không ai chú ý đến,

họ cho rằng đó là chuyện bình thường trong cuộc sống Thế nhưng, cũng

có một số người cho rằng các hiện tượng đó không bình thường chút nào

Họ lao vào nghiên cứu các hiện tượng đó Đây là điểm khác biệt cơ bản

của người bình thường và các nhà khoa học Nhờ vậy, các hiện tượng tự

nhiên không còn là hiện tượng kỳ bí Nó sẽ được khoa học soi sáng, vấn đề

là sớm hay muộn mà thôi Tuy nhiên để đưa một hiện tượng kỳ bí nào đó

của tự nhiên ra ánh sáng khoa học, cũng gặp không ít khó khăn Đôi khi là

cả một cuộc tranh luận kéo dài hàng thế kỷ Thật vậy, quá trình hình thành

khái niệm tương tác đã minh chứng cụ thể Đó là cuộc đấu tranh xoay

quanh vấn đề tương tác giữa các vật trong tự nhiên ( tương tác xa hay

tương tác gần? ) Ta hãy đi tìm hiểu vấn đề này

Nói đến tương tác, ta cần đặt biệt chú ý đến thời gian xảy ra tương

tác và tầm tác dụng của tương tác đó

1 Thời gian tương tác:

Vì phải tiếp xúc với tự nhiên hằng ngày, nên con người sớm thấy

được hiện tượng tương tác gần Có hai loại hình tương tác gần: tương tác

trực tiếp không thông qua vật trung gian truyền tương tác hay gián tiếp qua

vật trung gian (gọi chung là tương tác gần)

Trong quyển “Lược sử vật lý tiềm nguyên tử”, có trình bày những

điều cơ bản, liên quan đến tương tác “xa” hay “tức thời”, tương tác hấp

dẫn của Niutơn ( tương tác hút ); tương tác tức thời của hạt mang điện với

lực tương tác là lực Culông ( lực hút hoặc lực đẩy tĩnh điện, tĩnh từ ) Các

lực tương tác này đều tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách ( r ) giữa

chúng (các vật tương tác) Và được truyền tức thời từ vật gây tương tác

đến vật chịu tương tác Đó chính là tương tác xa hay tương tác tức thời Vật

lý học vẫn đinh ninh như vậy (thực ra vẫn có một số ít người không đồng ý

nhưng họ không làm sao lý giải nổi cơ chế các tương tác hấp dẫn, tương tác

điện; từ, do đó họ đành chịu )

Trải qua hàng mấy thế kỷ; mọi người vẫn chung sống với hai quan

niệm đối ngược: tác dụng xa và tác dụng gần

* Mãi về sau, cho đến khi Quang học đo dược vận tốc ánh sáng: trong

chân không ánh sáng có vận tốc là v = c = 3.108m/s; còn trong môi trường

có chiết suất n thì:

không sao thực hiện tức thời được Nó cần có một khoảng thời gian nhất định để lan truyền Kết quả nầy hết sức bất lợi cho quan điểm cho rằng: tồn tại tương tác xa

* Để đo khoảng cách thời gian ta dùng đến đồng hồ Chế tạo đồng hồ

chính xác là vấn đề kỹ thuật, và nó đã được cải tiến dần theo thời gian

Tuy nhiên, số chỉ của đồng hồ lại không thật sự khách quan Thật vậy,

theo thuyết tương đối hẹp, cụ thể là phép biến đổi Lorentz thì:

2 2 2

, 0 0

c

v1

'xc

vtt

−

+

2 2 2 ,

c

v1

'xc

vtt

chuyển động (υ) của người sử dụng đồng hồ mà nó có thể đi nhanh hoặc

chậm

Điện động lực Măcxoen, tuy được coi là một phần đại diện của “vật

lý kinh điển” cũng đã nói c là giới nội:

Do đó không thể tồn tại “tương tác tức thời được”

Con người quan sát được mọi vật là nhờ ánh sáng (sóng điện từ) từ vật

lan truyền qua không gian đến mắt người hoặc một máy thu sóng (hồng

ngoại) Nếu chỉ xét trong phạm vi nhỏ hẹp trên mặt đất này, thì ta sẽ có

cảm giác như thấy tức thời vật mình quan sát (nhìn là thấy liền) Thế

nhưng Vật lý học đâu chịu dừng lại ở dó; ngoài nhìn gần, nhìn sâu, nó còn

phóng tầm mắt vào trong vũ trụ, với các thiên hà xa xăm

Tầm xa xăm này dường như không có điểm cuối ( vũ trụ là bao la )

Thật vậy, Thái dương hệ với Mặt Trời, Sao Kim, Sao Thuỷ… tưởng là rất

xa Trái Đất, hoá ra cũng khá gần Ánh sáng phát ra từ Mặt Trời đi đến

Quả đất cần 8 phút thời gian Khi đó ta có thể coi gần đúng ∆ t ≈ 0(tức thời

) Nhưng với các vì sao trong thiên hà cách Quả đất thiên vạn dặm Thời

gian lan truyền từ đó đến quả đất phải đo bằng đơn vị năm ánh sáng ( là

khoảng đường ánh sáng đi được trong một năm thời gian ) Do đó, con

người nhìn vào vũ trụ xa xăm, chỉ nhìn được những gì thuộc về quá khứ

Qúa trình này rõ ràng là không tức thời Đây lại là một kết quả bất lợi cho

khái niệm tức thời Nó nói lên sự không phù hợp của khái niệm đó

2 Tầm tác dụng:

Ở phần trên ta nói đến đối ngược: “xa- gần” thông qua tương tác Để

hiểu thêm vấn đề này ta xét thêm một sự kiện liên quan đến tương tác;

ngoài “thời gian” gây tác dụng ( )∆ t ta nghiên cứu ở trên còn có vấn đề thứ

hai là “tầm” tác dụng Theo ý nghĩ thông thường ta tưởng rằng lực tương

tác mạnh (cường độ lớn) thì tầm tác dụng của lực ấy sẽ rộng hơn là hẹp

Mô hình: Quỹ đạo chuyển động của các hành tinh dưới

tác dụng của lực hấp dẫn

Mô hình: Hạt nhân nguyên tử

Thế nhưng, tính chất này lại mang tính chất đối ngược: lực yếu lại toả rộng, còn lực mạnh lại có tầm tác dụng hạn hẹp Ta nói cụ thể thêm:

a Lực hấp dẫn vũ trụ Niutơn là loại lực

tương tác phổ biến ở mọi vật thể vì nguồn gốc

của lực là khối lượng hấp dẫn (mhd) Ở thế

giới vi mô, lực hấp dẫn ( )f hd vẫn tồn tại nhưng

nhỏ coi như không đáng kể

b Lực điện (lực hút

giữa hạt nhân mang điện

dương và các electron mang điện âm) tuy tồn tại đấy nhưng không đáng

kể.Nói không đáng kể là có sự so sánh: so sánh giữa hai lực tương tác này

với một loại lực tương tác thứ ba: “lực hút hạt

nhân” Cường độ loại lực này rất dữ dội, nó lại

có tính độc lập điện tích Nhờ có nó mà các hạt

proton (cùng tích điện dương) có thể nằm khá

gần nhau (trong phạm vi 10-13cm); bất chấp sự

có mặt của lực Culông, chúng vẫn không tung

toé ra ngoài!

Thế nhưng cách hạt nhân chẳng bao xa (10-8cm) là vỏ electron của nguyên tử Lực hạt nhân lại chẳng có tác dụng gì Điều này chứng tỏ tầm tác dụng của lực hạt nhân quá ngắn Nếu không như vậy thì nguyên tử sẽ không còn là nguyên tử nữa tất cả sẽ nhập lại thành một khối cỏn con Thực tế nguyên tử vẫn bền vững, tồn tại

Lại nói đến tương tác yếu thể hiện trong lòng hạt nhân trong các

hiện tượng rã β ± Quá trình làm chuyển đổi n thành p và ngược lại Số Nuclêon vẫn bảo toàn để đảm bảo sự tồn tại của nguyên tử nhưng lại làm

xuất hiện một loại hạt lefton: e- hoặc e+ và nơtrino e ( 0 )

0γ e hoặc phản Nơtrino e-

0 Tương tác tưởng là “yếu” lại có khả năng đẩy hạt Nơtrino e bay xa vô cùng, với khả năng xuyên sâu kỳ lạ Nắm bắt nó

chẳng dễ dàng gì, khiến một thời gian khá dài, tưởng như không có nó thì

định luật bảo toàn năng lượng lâu nay vốn coi là phổ biến trong mọi quá

trình, sẽ bị vi phạm

Vì tư tưởng cho rằng định luật bảo toàn năng lượng này nhất thiết

không thể bị vi phạm nên Paoli ( nhà Vật lý Áo) mới giả định rằng trong

phân rã β ±có một hạt (một tên trộm) đánh cắp một phần năng lượng bay

đi xa Thực tế là như vậy

Thế thì loại tương tác này có còn gọi là “yếu” hay không? Rõ ràng

mạnh và yếu chỉ mang tính chất tương đối và nó được thống nhất một cách

kì lạ trong một thực thể vật chất

Tóm lại: Vật lý học lại tiếp cận với vấn đề đối ngược trong tương

tác và đi đến kết luận: Không thể tồn tại tương tác tức thời; tầm tương tác

có thể rộng hay hẹp, hai phạm trù ấy thống nhất trong cùng một thực thể

vật chất, đáng lẽ phải là rộng mà hoá ra hẹp, tưởng rằng hẹp mà hoá ra

rộng

Chương 5: CÓ HAY KHÔNG CÓ

˜˜˜

Vật lý học là một ngành khoa học, phản ánh trung thực thế giới vật chất

- "Có" thì nói rằng "có"; khi đó đòi hỏi đối tượng phải có thực

- "Không có" thì bảo rằng "không", đã không có thì không thể dùng

cái không có ấy lý giải vấn đề

Thế nhưng, lịch sử vật lý học đã trải qua nhiều sự kiện, khi cần giải thích, các nhà vật lý đã từng nói "liều", bất chấp quy luật đã được thừa nhận , không phải "phủ nhận" vì tính hiển nhiên!

Cụ thể là câu chuyện về "chất lỏng không trọng lượng"

Bất cứ vật thể nào, trong phạm vi ảnh hưởng của trường "trọng lực",

do sức hút của quả đất gây ra, vật thể đều có mang “ trọng lượng P “

Ta có: P = m.g, với: m là khối lượng hấp dẫn của vật; g là gia tốc trọng trường nơi đặt vật

Thừa nhận định luật hấp dẫn vũ trụ, mặc nhiên là thừa nhận sự kiện này: mọi vật thể đều có trọng lượng, trọng lượng vật chỉ có thể thay đổi khi g thay đổi Trọng lượng không thể triệt tiêu, trừ trường hợp g = 0, là lúc vật thể đã rời xa quả đất, đi vào khoảng không vũ trụ

Thế nhưng, khi giải thích nhiều hiện tượng Vật lý, để tránh bế tắc

nhà vật lý học nói liều: trong tự nhiên có:

a "Chất lỏng điện" là chất lỏng không trọng lượng ( để giải thích hiện tượng lan truyền của điện tích )

b Chất lỏng nhiệt: là chất lỏng không trọng lượng ( để giải thích quá trình truyền nhiệt )

c Ête vũ trụ là chất lỏng không trọng lượng ( giải thích cơ chế hấp dẫn )

Ta lần lượt tìm hiểu về quan niệm "đối – ngược" này: có hay không có trọng lượng ở các đối tượng vật chất kể trên

§1: CHẤT LỎNG ĐIỆN

λ là độ dẫn điện của môi trường dẫn

+ Ở môi trường rắn, cấu trúc theo kiểu "liên kết kim loại", các

electron ở xa hạt nhân Do đó, trong nguyên tử, một số electron bị hạt nhân

hút rất yếu; nó có thể dễ dàng rời bỏ nguyên tử thành "electron tự do",

chuyển động hỗn loạn

+ Chà xát thanh điện môi êbônit bằng khăn lụa, làm cho êbônic hút

được mạt sắt Một số electron là hạt mang điện tích nguyên tố, e=1,6.10

-19 (Culông); đã rời thanh êbônit làm cho điện môi này tích điện

Đó là một sự thật đã được chứng nghiệm và lý giải

Thế nhưng, trước đó để giải thích hiện tượng nhiễm điện, sự truyền

điện, Vật lý học đã từng bảo rằng vật thể nhiễm điện là do trong vật thể

có tồn tại một chất lỏng không có trọng lượng: "chất lỏng điện" Chất lỏng

này sẽ quyết định loại điện tích của vật: khi chất lỏng này chiếm đầy trong

lòng vật mang điện thì vật trung hoà về điện; nếu không đầy vì mất bớt thì

đó là vật mang điện dương; nếu nó đầy thừa thì vật đó mang điện âm

Thêm hay bớt chất lỏng này trọng lượng vật không bị ảnh hưởng: nhẹ đi

hay nặng hơn

Khi để hai thanh kim loại nhiễm điện tiếp xúc nhau thì chất lỏng

điện không có trọng lượng ấy sẽ chảy từ vật này sang vật kia; vì có hai thứ

chất lỏng mang điện âm (-) và dương (+), nên sự tiếp nhận chất lỏng điện

có thể làm cho vật mất đi điện tích (từ nhiễm điện trở thành trung hoà)

hoặc điện tích dấu này, hay dấu kia được tăng cường

Vật thể được tích điện không hề mất bớt hay tăng thêm trọng lượng,

vì chất lỏng điện không có trọng lượng Suốt một thời gian dài, quan niệm

này có tác dụng cụ thể, nó làm cho thiên hạ yên trí, chỉ cần lo giải thích

các hệ qủa do các điện tích nằm yên hay dịch chuyển gây ra Ví dụ: sự toả

nhiệt, sự cảm ứng.v.v sự thật là thế nào? Không một tài liệu chính thức

nào dám công nhận có hoặc không môi trường này, mặc dầu mọi người

đều biết rằng, Vật lý học đang phải thừa nhận, sử dụng quan điểm sai trái:

Đã là vật chất mà lại không có khối lượng hấp dẫn (mhd=0); Thật vô lí,

đã là vật nằm trong trường trọng lực thì phải chịu lực hấp dẫn của quả đất

Chính cường độ trường trọng lực tác dụng vào vật gây ra gia tốc g Vì thế

vật nào cũng phải có trọng lượng:

mg g m

Pρ= ρ =

Trong đó m là đặc trưng không thể thiếu của mọi đối tượng vật chất

Nghĩa là đã là vật chất, thì phải có khối lượng: m ≠ 0 Tuy nhiên đó cũng

chỉ là lý luận suông, chưa được thực nghiệm xác nhận Tiếc là kỹ thuật cân

đo thời đó chưa được cải tiến Chưa hề dùng những phương tiện tinh vi vào

việc tìm kiếm chất lỏng không trọng lượng Từ đó có thể đưa ra kết luận chính xác về vấn đề này: nếu tìm thấy thì kết luận có và ngược lại

Sau này nhờ cải tiến phương tiện phép đo lường, Milikan đã cân

được electron bằng cân xoắn ( năm 1909 ): m = 9,1.10-31kg là một hằng số vật lý

Hạt electron là hạtcơ bản, cùng với proton (z = + e) và nơtron trung hoà (q = 0), tạo nên nguyên tử cũng trung hòa về điện, khi một vài electron tách rời nguyên tử thì nguyên tử không còn là trung hoà nữa mà biến thành một ion dương (+)

Trong trường hợp ion hoá bậc 1, ion ấy có điện tích:

q = + e

Trong trường hợp ion hoá bậc 2:

q = + 2 e

Các electron rời nguyên tử sẽ tạo nên dòng điện dẫn trong môi

trường dẫn hoặc bám vào nguyên tử khác của vật khác tiếp xúc, làm cho các nguyên tử trung hoà có thêm một vài electron ngoài z hạt electron sẵn

có Khi đó, nguyên tử sẽ biến thành ion âm Được thêm hoặc bớt electron, hiển nhiên làm cho nguyên tử, vật thể hoặc bị giảm bớt trọng lượng hoặc được tăng thêm trọng lượng

Nếu cho rằng dòng điện tích trao đổi trong cơ chế nhiễm điện (dương

hay âm) ở vật thể, và dòng điện dẫn chảy qua các phần khác nhau của vật

môi trường vật chất là do ion và electron thì "chất lỏng điện" phải có trọng lượng

Dùng "chất lỏng điện", ta có thể giải thích hợp lý hiện tượng nhiễm điện và truyền điện Thực nghiệm thời bấy giờ, chưa phát hiện được sự thay đổi trọng lượng quá nhỏ bé

Chất lỏng điện có trọng lượng mà lại bảo rằng không, đối - ngược

này đã được khắc phục Vật lý học ngày nay khẳng định rằng: trong trường trọng lực của quả đất không một vật thể nào không có trọng lượng

Thuyết electron cổ điển và lý thuyết miền năng lượng đã giải

thích hợp lý về sự nhiễm điện và bản chất dòng điện dẫn

Sau đây ta khảo sát xem có hay không có chất lỏng nhiệt

§2: CHẤT LỎNG NHIỆT

–—

Sờ vào một vật thể, ta có thể thấy các phần khác nhau của nó có độ nóng, lạnh khác nhau Sờ vào hai vật khác nhau ta cũng có cảm giác như

vậy Để hai vật nóng, lạnh khác nhau tiếp xúc nhau; sau một khoảng thời

gian nào đó, hai vật sẽ cân bằng mức độ nóng lạnh:”cân bằng nhiệt"

Tại sao vậy? Có một thời Vật lý học đã bảo rằng: Trong mỗi vật có

chứa một thứ "chất lỏng không trọng lượng" gọi là "chất lỏng nhiệt"

Vật nào chứa nhiều chất lỏng nhiệt thì nhiệt độ cao (nóng), chứa ít

thì nhiệt độ thấp (lạnh)

Phần nào của vật tích tụ nhiều thì phần ấy (chổ ấy) có nhiệt độ cao

(nóng) và ngược lại

Chắc chắn trạng thái cân bằng nhiệt rồi, sớm hay muộn, sẽ xảy ra ở

vật có chênh lệch nhiệt độ giữa các phần Và sớm hay muộn không ai biết,

nhưng có một điều chắc chắn rằng: nhiệt giữa hai vật chênh lệch nhiệt độ

đặt tiếp xúc nhau, sẽ đạt tới trạng thái cân bằng

Chất lỏng nhiệt giảm hay tăng thêm, đều không làm thay đổi trọng

lượng vật Chấp nhận giả thiết tồn tại chất lỏng nhiệt, ta sẽ giải thích cơ

chế truyền nhiệt dễ dàng Nhưng, đã là chất mà không có trọng lượng là

quá không hợp lí Các nhà khoa học chân chính làm sao có thể chấp nhận

một nghịch lý như thế!

Lại một lần nữa vật lý học bí thế nói liều! Chứ làm gì có chất lỏng

nhiệt (chất lỏng không trọnglượng nhưng truyền nhiệt được) tồn tại trong

trường trọng lực

Nói liều mà được việc Nhiệt học, nhiệt động lực học, với các

nguyên lý I và II đã được lý giải căn nguyên nhờ giả thuyết này Chất lỏng

nhiệt còn có vai trò tích cực hơn là chất lỏng điện nữa kia!

Thế thì bản chất của "nhiệt" đã truyền là gì?

Phải tốn bao nhiêu trí tuệ, qua bao nhiêu cuộc tranh cải trong lịch sử

"nhiệt học và vật lý phân tử" mới dần dà tìm ra được chân lý

Hoá ra có một nhằm lẫn không thể tha thứ: nhiệt nào có phải là vật

chất đâu, do đó cần gì phải cực khổ đi tìm trọng lượng cho nó? Các đặt

trưng khối lượng m, trọng lượng p = mg là thuộc tính cơ bản của mọi đối

tượng vật chất Chất lỏng nhiệt không phải vật chất, do đó không cần có

thuộc tính này

Nhiệt chỉ là một hình thức vận động, là chuyển động cơ học của các

hạt vi mô (phân tử) cấu thành hệ vĩ mô (vật thể), bao gồm: tịnh tiến, quay

và dao động

Dạng chuyển động của các hạt ấy phụ thuộc vào môi trường mà nó là thành viên; môi trường này quyết định thực hiện chuyển động nào là chủ yếu.Ví dụ:

a/ "Khí" trong bình: phân tử chuyển động tịnh tiến

b/ Chất lỏng trong bình: phân tử vừa chuyển động tịnh tiến, vừa dao động, vừa quay

c/ Ở vật rắn kết tinh, các hạt cấu thành chỉ thực hiện dao động quanh vị trí cân bằng (nút mạng)

Tất cả các hình thức chuyển động cơ học ấy của các phân tử gọi

chung là chuyển động nhiệt với mức độ hỗn độn và trật tự khác nhau

Vật lý phân tử nói rằng, năng lượng chuyển động nhiệt được phân bố đều theo số bậc tự do ( theo Bônzơman )

Nếu i là số bậc tự do của phân tử các loại ( phân tử đơn nguyên tử, lưỡng nguyên tử, đa nguyên tử ) thì năng lượng trung bình chuyển động nhiệt là: k T

2

i

Eđ = B , kB là hằng số Bônzơman

Trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn ấy, các phân tử có thể

va chạm nhau, truyền động năng cho nhau; phân tử có động năng bé thì

nhận thêm Hệ quả là nhiệt độ toàn hệ sẽ được cân bằng; giữa hai vật nhờ

sự trao đổi động năng, cả hai sẽ đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt động tại

một nhiệt độ T

Tóm lại: Quá trình truyền nhiệt là truyền một phần năng lượng dưới

dạng động năng Qúa trình truyền nhiệt không hề liên quan gì đến một

"chất lỏng nhiệt" Các nhà khoa học bí thế phải nhờ đến một dạng vật chất đặt biệt: chất lỏng nhiệt để rồi gán cho nó thuuộc tính không trọng

lượng; khiến nó vi phạm chân lý vĩnh hằng: đã là vật chất thì phải có

trọng lượng Điều này đã làm xôn xao dư luận suốt một thời gian dài Đến

khi nhà bác học Nga Lômônôxôp đề xướng thuyết động học phân tử và

vận dụng nó giải thích thành công quá trình truyền nhiệt: nhiệt lượng chính

là phần năng lượng đã được truyền thông qua động năng của các phân tử,

thì vấn đề có hay không có chất lỏng không trọng lượng đã được giải

quyết thỏa đáng Dù sao thuyết ấy cũng có vai trò tích cực một thời gian dài trong lịch sử vật lý học

§3: ÊTE VŨ TRỤ

–—

Ta đã nói rằng: vật chất ngoài dạng hạt, còn ở dạng trường Một loại

trường có ứng dụng kỹ thuật đặc biệt là trường điện từ Lý thuyết về trường điện từ đã được Măcxoen tổng kết và xây dựng hoàn chỉnh với hệ

các phương trình Măcxoen ở dạng vi phân, mà ta đã nói ở phần sóng hạt

Theo Măcxoen, sóng điện từ là trường điện từ tự do lan truyền trong không

gian với vận tốc

εµ

1

=

v Các hằng số điện môi ε và độ từ thẩm µ đặc

trưng cho môi trường làm giá đỡ để sóng lan truyền

Thế nhưng, sóng điện từ khác sóng cơ học ( ví dụ: sóng âm ); sóng

điện từ có thể lan truyền được cả trong chân không, với vận tốc

truyền:v c 1 3.108m/s

0 0

=

=

=

µ

ε mà ta đã nói ở vấn đề đối ngược giữa

nhanh và chậm Sóng cơ không lan truyền được trong chân không

Một vấn đề quan trọng mới nảy sinh: sóng điện từ lấy gì làm "giá

đỡ", để lan truyền được trong chân không? Đây là một câu hỏi thời sự vật

lý rất khó trả lời Để gỡ bế tắc, các nhà vật lý lại đưa ra giả thuyết về sự

tồn tại của một môi trường vật chất đàn hồi, xâm nhập khắp nơi, kể cả

chân không (gọi là ête vũ trụ)

Ête vũ trụ tồn tại khắp nơi, lại là chất đàn hồi, không có trọng lượng

Mọi vật chất trong không gian đều thấm nhuần ête Khi vật chuyển động

sẽ kéo theo hoặc không hề kéo theo ête Nếu có kéo theo thì có thể: hoặc

kéo theo toàn bộ hay chỉ một phần Giả thuyết này đã tháo gỡ ngay vấn

đề: giá đỡ giúp cho sóng điện từ lan truyền được trong chân không Chất

lỏng này có những thuộc tính đặt biệt kì lạ, kì lạ đến mức khiến nhiều

người nghi hoặc: "có ête hay không có ête vũ trụ"? Một vấn đề đối ngược

mới lại nảy sinh: nếu không chấp nhận sự có mặt của ête thì không sao

giải thích được sự lan truyền sóng điện từ trong chân không; còn công nhận

sự có mặt của ête thì phép cộng vận tốc Galilê ( Khi chuyển từ hệ quán

tính K’ chuyển động thẳng đều so với hệ quy chiếu quán tính K đang nằm

yên thì ta có phép cộng vận tốc: Uρ=Uρ′ +Vρ⇒U =U′ ±V) bị vi phạm, điều

này không thể chấp nhận được (vì công thức này lâu nay vẫn được áp dụng

rộng rãi và luôn cho kết quả đúng)

Để kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết ête, Măcxoen đã đề nghị

tiến hành một thí nghiệm về giao thoa ánh sáng ( vốn được coi là sóng

điện từ ) nhằm khẳng định sự tồn tại của ête, vì ête bị quả đất bị kéo theo

hoàn toàn, trong quá trình quả đất chuyển động trên quỹ đạo quanh mặt

trời Moocly cùng Maikensơn đã thực hiện thí nghiệm quan trọng đó

Theo dự đoán ban đầu thì các vân giao thoa phải dịch chuyển một đoạn

nghiệm hoàn toàn không đúng như mong đợi, các vân giao thoa hoàn

không dịch chuyển Kết quả này như một bản án tử hình cho diễn viên vật

chất thần bí ête Nhưng có ai dám chấp nhận kết quả âm vĩ đại này, vì nếu

thế có nghĩa là Măcxoen nói sai, thế thì lý thuyết trường điện từ do ông ta

xây dựng cũng có vấn đề chăng Mọi người đều tin ở Măcxoen Không

chấp nhận thì phải làm lại, Maikensơn quyết tâm tìm cho được tên diễn viên đang lẫn trốn- ête

Hình 5: Sơ đồ thí nghiệm Maikensơn - Moocly

Mặc dù kiên trì thực hiện, cải tiến nhiều phen, thế nhưng kết quả thí nghiệm của Maikensơn trước sau vẫn như một: Vân giao thoa không hề

dịch chuyển; nghĩa là: không thể phát hiện sự có mặt của ête Cơ sở lý

thuyết của thí nghiệm hoàn toàn chính xác! Công việc thí nghiệm được tiến hành cẩn thận tối đa; giao thoa kế rất hoàn hảo, nhưng kết quả thí

nghiệm vẫn âm

Vì sao vậy?! Vật lý học đương thời đành chịu bí Nhưng đó chỉ là

tạm thời, như người ta thường nói ”nhu cầu vĩ đại sản sinh ra con người vĩ

đại” Anbe Anhxtanh chính là con người vĩ đại đó; từ một số sự kiện vật

lý đơn lẽ, ông đã khái quát lên thành một tiên đề khá ngắn gọn cho quang

học, nhưng khả năng công phá của nó đối với lý thuyết cũ thật to lớn: vận tốc ánh sáng trong chân không là một hằng số vũ trụ Đây là một trong hai tiên đề làm cơ sở cho thuyết tương đối hẹp Anhxtanh Với phép cộng

vận tốc Anhxtanh (thay cho phép cộng vận tốc Galilê) dùng cho trường hợp vật có vận tốc nhanh; nhanh nhất chính là vận tốc của sóng điện từ lan

truyền trong chân không (c) Anhxtanh đã giải thích vì sao hiệu quang trình

∆ giữa hai tia sáng giao thoa này, dẫu đi theo hai đường khác nhau, khi qua giao thoa kế, luôn luôn triệt tiêu: ∆ = 0 điều này giải thích hiện tượng vân giao thoa không dịch chuyển trong thí nghiệm Maikensơn

Sóng điện từ lan truyền được trong chân không là một thực tế, ai cũng công nhận; khả năng đó là đặc tính vốn có của sóng điện từ; do đó khi lan truyền nó không cần đến giá đỡ Các nghiên cứu của nhiều nhà vật

lý (tiêu biểu nhất là Lômônôxôp với thuyết động học phân tử ) đã đi đến

khẳng định: “Vận động là thuộc tính vốn có của vật chất, nằm yên chỉ là

trường hợp riêng khi vật vận động với vận tốc v=0” Thực ra, dao động

điện từ là tổ hợp của dao đôïng điện và dao động từ Hai dao động này tự

chuyển hoá lẫn nhau và tự dịch chuyển Dao động hoàn toàn tự lực, không

cần giá đở Nếu dao động điện từ thực hiện trong môi trường thì chính môi

trường hấp thụ bớt năng lượng dao động nên v<c

Đến đây mọi ý tưởng về sự tồn tại ête vũ trụ đã không còn nữa Ête

vũ trụ chẳng có vai trò gì cả, việc gì phải tranh cải nhau rằng nó có hay

không? đó là một điều vô bổ Đã không cần đến nó thì không cần bàn xem

nó là chất gì? Đàn hồi không? có trọng lượng không? Tất cả những việc

đó là hảo huyền, vô ích

Giá như các nhà khoa học sớm biết trước được rằng: cùng là sóng

nhưng sóng cơ khác sóng điện từ và không nhất thiết sóng nào cũng cần

giá đỡ để lan truyền, thì thật là diễm phúc cho khoa học Vật lý biết bao;

nếu thế, chắc hẳn khoa học không chỉ như hiện tại mà có lẽ nó đã…

Tóm lại: Trong toàn vũ trụ không hề có chất lỏng không trọng

lượng Sự góp mặt của nó một thời gian trong làng khoa học đã sớm trở

thành chuyện viễn tưởng Câu chuyện khởi nguồn từ một số nhà khoa học,

họ nghĩ đến chất lỏng không trọng lượng và nhờ nó để giải quyết một số

khó khăn nhất thời vượt khỏi khả năng của họ Đến khi khó khăn được giải

quyết thì cũng là lúc các giả thuyết đó phải ra đi vĩnh viễn

Tuy nhiên, cũng phải nhìn nhận rằng sự góp mặt của chất lỏng đặt

biệt này đã góp phần làm tăng thêm sự phong phú của Vật lý, nhờ tìm hiểu

nó mà một số phát kiến mới ra đời Tiêu biểu là giao thoa kế của

Maikensơn, cách vẽ đới cầu của Huyghen và một số khái niệm-định luật

vật lý khác

Chương 6: THUYẾT ĐỊA TÂM & THUYẾT NHẬT TÂM

˜˜˜

Trong quyển “ lịch sử vật lí ” của Đào Văn Phúc có đề cập khá tỉ mỉ

về hai thuyết đối ngược thiên văn vật lí Đó là Thuyết Địa tâm của

Ptôlêmê và thuyết nhật tâm của Côpécnic Ở đây ta không nhắc lại tỉ mỉ

về nguồn gốc nảy sinh, nội dung hai Thuyết Thiên văn Vật lí đối ngược

Thuyết địa tâm của Ptôlêmê đã xem trung tâm vũ trụ là Quả đất

(hình cầu), nơi con người sinh sống Từ Quả đất nằm yên này con người quan sát vũ trụ, với đôi mắt trần trụi thấy rằng Mặt Trăng, Mặt Trời, Kim tinh, Thổ tinh…và rất nhiều các vì sao Tất cả các hành tinh và các sao này chuyển động quanh Trái đất Mỗi ngôi sao ấy được gắn tại các thiên cầu đồng tâm ( O ) là Quả đất Mỗi thiên cầu có bán kính và tốc độ quay khác

nhau: đó là “nội luân” Mỗi ngôi sao ấy lại có một chuyển động phụ trên

thiên cầu theo một vòng tròn “ngoại luân” Tâm của vòng tròn này là giao điểm của đường thẳng qua tâm O của quả đất với các đường tròn nội luân

của mỗi thiên cầu

Bên ngoài là một mặt cầu cố định, gắn tất cả các vì sao (định tinh)

Đêm đêm con người trên trái đất thấy các định tinh ở đúng một phương nhất định, chẳng hề thay đổi Cấu trúc hữu hạn này, lấy quả đất đứng yên làm tâm; điều này hoàn toàn phù hợp với các điều ghi trong kinh thánh

Hình 6: Mô hình thái dương hệ của Ptôlêmê

Chúa đã ưu tiên ban cho con người một quả đất, để an cư lạc nghiệp

Vì con người là con yêu của chúa Thế chúa ở đâu? Các con của chúa

không ai biết, nhưng giáo hội thì biết; kinh thánh có ghi: “ngoài vòm cầu cố định là không gian vô tận dành cho chúa” Ở đấy có thiên đàng, địa ngục

Thuyết địa tâm của Ptôlêmê được loài người ghi tâm Loài người hiểu thế vì xưa kia họ có những bậc thầy, trong đó các nhà hiền triết Aristốt

giảng như vậy Theo Aristốt, vũ trụ được cấu thành từ bốn chất nguyên

thủy: đất, nước, không khí và lửa Đất nặng nằm dưới cùng, nước loảng

nhẹ hơn trãi đầy trên mặt đất tạo thành : đại dương, sông hồ…; không khí quá loãng, nhẹ nằm ở trên mặt nước và cuối cùng là các ngọn lửa trong đó

có Mặt Trời soi sáng thế gian ban ngày Ban đêm có Mặt Trăng ru êm giấc

ngủ cho con người và sinh vật trên Quả đất

Thế nhưng, con người mà chúa ban cho trí tuệ đã chẳng chịu an nhàn

Họ sản xuất giao lưu, đi lại,… Họ tìm hiểu thời tiết, thiên văn Dần dần, họ

nhận thấy Quả đất không phải là cái mâm tròn phẳng mà là một quả cầu

di động Mặt Trời trên cao kia mới là cố định Côpécnic ( 1473 - 1543 )

một tu sĩ ở Frombork – một thị trấn trên bờ sông Visla, đất nước Ba Lan,

đã viết trong một tác phẩm mang tên “về chuyển động quay của các thiên

thể” ( xuất bản năm 1543 ) Trong tác phẩm, cấu trúc hệ hành tinh được

trình bày theo một thuyết mới đối ngược với Thuyết Địa tâm đó là Thuyết

Nhật tâm Côpécnic Thuyết nhật tâm nói rằng: “Thái dương hệ lấy Mặt

Trời làm tâm Mỗi hành tinh trong đó có địa cầu quay quanh Mặt Trời trên

các quỹ đạo tròn, Mặt Trăng không tự phát sáng mà phản xạ ánh sáng Mặt

Trời, là một vệ tinh của Quả đất”

Hình 7: Mô hình Thái dương hệ của Côpécnic

Thuyết Nhật tâm phản bác lại kinh thánh nên bất cứ ai ủng hộ, tán

thưởng, truyền bá nó là có tội đối với giáo hội

Brunô (1548 - 1600) không những tán thưởng thuyết nhật tâm mà còn

phát triển thêm: trong vũ trụ bao la, ngoài Thái dương hệ chúng ta còn có

nhiều Thái dương hệ khác Ông đã bị toà thánh kết tội và thiêu sống ông

trên giàn hoả Đó là cái giá phải trả cho những ai dám chống lại kinh

thánh Nhưng tinh thần yêu khoa học của các nhà khoa học chân chính là

bất diệt, hết người này đến người khác thay phiên nhau gìn giữ và phát

triển nó Sau Brunô có Galilê

Galilê (1564 - 1642) chính là ông tổ của khoa học thực nghiệm, ông

chống lại giáo hội - một thế lực hùng mạnh luôn ngăn cản sự tiến bộ Đối với ông , bao giờ: “Thực nghiệm cũng là tiêu chuẩn của chân lý” Ông đã

thực hiện nhiều thí nghiệm để phản bác kinh thánh ngay trước mắt các

chức sắc trong giáo hội Thế nhưng các vị chức sắc đáng kính ấy chẳng dám làm gì ông chỉ biết đỏ mặt tía tai, đứng trơ mắt ếch ra nhìn Họ còn biết làm gì hơn khi trước mắt họ là sự thật hùng hồn không thể chối cãi

Bằng kính viễn vọng tự chế tạo, ông đã quan sát bầu trời và thấy

rằng : sao Mộc trong Thái dương hệ cũng có các vệ tinh như Mặt Trăng của Trái đất và bằng thí nghiệm về sự rơi ông đã kết luận: Quả đất chuyển động quanh Mặt Trời Ông khẳng định: đứng trên Trái đất không thể thực hiêïn thí nghiệm nào để chứng tỏ Trái đất di chuyển! Từ đó Galilê phát

biểu nguyên lí tương đối mang tên ông – “nguyên lí tương đối Galilê”:

mọi hiện tượng cơ học diễn ra như nhau trong mọi hệ qui chiếu quán tính

Johan Kepler (nhà thiên văn người Đức) nhờ sử dụng các tài liệu đo

đạc thiên văn của Tikhô Brahê, đã điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của các hành tinh trong thái dương hệ đi một chút: ông chuyển từ đường tròn

sang đường elíp và Mặt trời nằm cố định tại một trong hai tiêu điểm của elíp đó Đó là nội dung của định luật I Kepler Về sau, ông còn xây dựng

tiếp hai định luật nữa liên quan đến tốc độ thay đổi diện tích và mối quan hệ định lượng giữa bán kính quỹ đạo với chu kỳ chuyển động của mỗi

hành tinh, đó là định luật II và III Kepler

Tất cả ba định luật của Kepler đã mô tả chuyển động các thành viên trong thái dương hệ rất chính xác, cho đến nay vẫn chưa sửa chữa gì

Thế nhưng ba định luật của Kepler chỉ mới mô tả mặt động học, về

phương diện động lực học phải nhờ NiuTơn; ông là người phát biểu định luật vạn vật hấp dẫn, với công thức định lượng:

r

r r

m m G

Fhd

ρ ρ

2 2

Fhd = ; G là

hằng số hấp dẫn

Bằng suy luận logíc, NiuTơn đã đi đến định luật này và viết nên một

chương trong tác phẩm “các nguyên lí” Công thức đã diễn tả lực vạn vật

hấp dẫn thật là gọn gàng, duyên dáng Chỉ cần thay các chữ bằng các trị số của chúng là ta có được độ lớn của lực vạn vật hấp dẫn, chẳng hạn :

Mặt Trời hút Trái đất một lực : 1022 N

Quả đất hút Mặt Trời một lực : 1020 N

Một người cân nặng được 70 kg bị Trái đất hút một lực 678 N

Hai người đứng cạnh nhau một bước chân, hút nhau bằng một lực cỡ

Bao nhiêu hệ quả tốt đẹp, chính xác đã được ngoại suy từ công thức

ấy Hallây nhờ công thức ấy đã tiên đoán rằng sao chổi (Hallây) sẽ xuất

hiện lại vào năm 1759 ( sau khi cả NiuTơn và Hallây đều đã mất )

Lơveriê phát hiện một hành tinh mới của Thái dương hệ: Hải Vương tinh,

khi khảo sát sự bất thường của quỹ đạo Thiên Vương tinh Lơveriê thông

báo dự đoán của mình cho nhà thiên văn Jôhan Gôtfrit Gale, để rồi vào

một đêm tháng 9 năm 1846 Gale trực diện thấy Hải Vương tinh qua ống

kính thiên văn

Định luật vạn vật hấp dẫn NiuTơn còn được vận dụng ra ngoài Thái

dương hệ Năm 1842, nhà thiên văn Đức Bessel quan sát sự nhảy múa của

sao Thiên lang tại vùng Bắc cực và vận dụng định luật vạn vật hấp dẫn đã

xác định được một vệ tinh ngôi sao này Sau này người ta coi vệ tinh đó là

một “sao đôi” cùng cặp với sao Thiên lang

Có một điều bất ngờ khá lý thú là, từ định luật vạn vật hấp dẫn

NiuTơn, có thể suy ra ba định luật động học của Johan Kepler Điều này

thể hiện tính thống nhất của một chân lý khoa học

Ở đây ta chỉ xét tính đối ngược giữa hai quan điểm thiên văn học: Địa

tâm và Nhật tâm Để có được thuyết nhật tâm, Côpécníc đã mạnh dạn tiến

hành cuôïc cách mạng về tri thức vật lí Đó là một cuộc cách mạng lần I

trong lịch sử phát triển vật lí học

Tính cách mạng thể hiện ở chổ Côpécnic đã phủ nhận hoàn toàn một

học thuyết cũ: Thuyết Địa tâm, chuyển trọng tâm vũ trụ từ Trái đất sang

Mặt trời Chân lí đã đảo ngược lý thuyết cũ

Thuyết Côpécnic hiển nhiên, còn nhiều thiếu sót; Nó đã được một số

nhà khoa học đương thời sửa chữa, bổ sung …, trên cơ sở nội dung cơ bản

chính xác khách quan của nó và mãi đến tận bây giờ nó vẫn đúng Ngày

nay, người ta coi thiên văn học thời ấy ( lý thuyết Thái dương hệ) là một

phần cơ sở của vũ trụ học rộng lớn

Tóm lại : nội dung “đối- ngược ” nầy là nội dung cuộc cách mạng

khoa học lần thứ nhất của nhân loại Giải quyết xong vấn đề đối ngược đó

cũng chính là thành công của cuộc cách mạng Thành công đó đã đưa loài

người thoát khỏi thời kỳ đen tối của khoa học, thoát khỏi sự kìm chế của

tôn giáo Nó mở ra một kỷ nguyên mới - kỷ nguyên tôn vinh tri thức

Hướng loài người vào khoảng không vũ trụ bao la để khai phá

Chương 7: LIÊN TỤC & GIÁN ĐOẠN

˜˜˜

Vật lý học đã xoá bỏ được sự đối ngược giữa: chậm và nhanh Vật lý lại có một động tác ngược lại là tìm chân lý ở sự tồn tại một đối ngược với một quan điểm tưởng như vĩnh hằng, phổ biến: “Từ bao thế kỷ, Vật lý học biết rằng năng lượng là tiêu chuẩn của thế giới vật chất Năng lượng có

nhiều dạng và có thể chuyển hoá cho nhau Định luật bảo toàn năng lượng có tính phổ biến ở mỗi dạng vận động Vật lý Có điều đặc biệt là giá trị

năng lượng bức xạ hay hấp thụ đều biến thiên liên tục”

Bởi đinh ninh là như vậy, nên khi gặp phải một tai biến lịch sử “tai biến tử ngoại”, các nhà Vật lý học kinh điển, đầy trí tuệ đành chịu bó tay:

không biết phải giải thích nó ra sao!

Xin lược kể vài sự kiện này:

Tìm hiểu thực nghiệm về “năng suất bức xạ cân bằng đơn sắc” ở một

“vật đen tuyệt đối”, người ta lần lượt đo đạc, chỉnh lý và vẽ nên đồ thị của

hàm ρ λ,T = f( )λ,T là đại lượng Vật lý nói trên, nhằm qua đồ thị ấy suy diễn ra một vài hệ quả mới Đồ thị là một đường cong không đơn điệu ở nhiệt độ T xác định Nó tăng dần theo bước sóng (λ) bức xạ, rồi đến giá trị

cực đại, sau đó giảm liên tục đến 0 khi λ → ∞, (tại một nhiệt độ cân bằng

T giá trị cực đại của ρ λ,T ứng với một bước sóng gọi là λmax)

Hình 9: Đồ thị của hàm ρ λ,T = f( )λ,T

Nhà Vật lý học Đức là G.Kiêcsốp (1824 - 1887) và Panfe-Sivoa

(1828 - 1887) người Ecốt, phân tích và kết luận rằng ρλ,T là hàm chỉ phụ thuộc vào bước sóng λ của bức xạ và nhiệt độ T chứ không hề phụ thuộc vào vật bức xạ là gì: ρλ,T = f ( ) λ , T

Họ không phải là các nhà Vật lý lý thuyết nên đã đề nghị các giới khoa học đương thời sớm tìm kiếm biểu thức của hàm f( )λ,T ấy

Nhiều nhà Vật lý đã tham chiến Họ đã đổ vào ấy không biết bao

nhiêu công sức và cuối cùng đã lần lượt đưa ra một số ý kiến sau:

+ Năm 1879, Stêphan (1835-1893), nói rằng: “Mật độ năng lượng

bức xạ của một vật thể tỉ lệ thuận với luỹ thừa bậc bốn của nhiệt độ T của

vật”

+ Bonzơman (1844 - 1906), học trò của Stêphan dựa vào nguyên lý

nhiệt động lực học đã xác minh kết luận của Stêphan Ngoài ra: Béctơli,

Lêbêđef, Niêon đều xác nhận ý kiến của Stêphan

+ Năm 1893, Vinhen-Viên (Đức) phát biểu định luật chuyển dời cho

rằng: “Tích của bước sóng cực đại (λmax) với nhiệt độ T của vật bức xạ là

một hằng số”

Sau khi Kiêcsốp đề xuất vấn đề thì có:

+ Năm 1896, Viên đã kết hợp nhiệt động lực học với lý thuyết

trường điện từø của Măcxoen, xây dựng nên công thức mang tên ông:

T b

T C e λ

ρ = − 5 −,

+ Năm 1890, Huân tước Ray- lây (1842 - 1919) người Anh, xây dựng

công thức ρλ,T và được Jinxơ hiệu chính để đi đến dạng:

, = λ , = 2 π λ−

ρλ T f T c kBT

Trong đó có kB là hằng số Bonzơman Để xây dựng được các công

thức trên, tất cả họ (Ray- lây, Jinxơ, Vinhen-Viên…) đều sử dụng một quan

điểm mà bấy lâu nay được xem là chân lý: “Mọi giá trị của các đại lượng

Vật lý biến thiên liên tục, từ 0 →∞” Hiển nhiên năng lượng cũng thế

Trong biểu thức cần tìm của hàm ρ λ,T = f( )λ,T , bước sóng bức xạ biến

thiên liên tục, tại một nhiệt độ T cân bằng

Tiếc thay, các công thức Viên và Raylây – Jinxơ chỉ phù hợp với thực

nghiệm một phần mà thôi:

a Công thức Viên phù hợp với thực nghiệm chỉ ở phần bước sóng

ngắn, ở phần bước sóng dài thì lại ngược với đồ thị thực nghiệm ( nó từ

trên cao đi xuống đến 0, trong khi đồ thị lý thuyết lại biến thiên đơn điệu

đến ∞ khi λ → ∞)

b Công thức Raylây – Jinxơ thì ngược lại, đường biểu diễn thực

nghiệm và lý thuyết chỉ trùng nhau ở bước sóng dài, tại vùng sóng ngắn

đường cong biểu diễn cứ đi lên đơn điệu khi λ giảm dần đến 0

Với bức xạ điện từ ( là sóng ngắn ), ta có λ thuộc vùng tử ngoại Vì

vậy sự kiện trái ngượi giữa lý thuyết và thực nghiệm này được gọi là “tai biến tử ngoại”

“Thực nghiệm là tiêu chuẩn của chân lý” Thế thì công thức lý thuyết này sai chăng? Giải thích thế nào đây! Chỉnh lý thế nào cũng không đạt được sự phù hợp hoàn toàn giữa công thức lý thuyết và thực nghiệm Thế kỷ 19 sắp qua rồi! Mùa xuân thế kỷ mới sắp đến! Vậy mà sự kiện vẫn sờ sờ u tối Có vò đầu bức tóc mãi cũng chẳng ăn thua!

Ngày xưa, thời tam quốc, Hậu Hán ở Trung Hoa, Chu Du bế tắc thì đã có Gia Cát Lượng cầu “gió Đông” để đánh Tháo…

Xưa cũng thế, nay cũng thế, thực tế đã chứng minh để đáp ứng nhu cầu vĩ đại cần có con người vĩ đại Nhà khoa học trẻ M.Plăng (Mackoe Ecxtơ Lutvich Plăng; 1858-1947) khi đứng trước sự bất lực của các bậc thầy, đã có ý nghĩ táo bạo rằng:

“Cớ sao lại cứ bám mãi vào quan điểm cho rằng năng lượng chỉ biến thiên liên tục mà không mạnh bạo cho rằng năng lượng biến thiên gián đoạn”

Liên tục và gián đoạn là hai ý kiến đối ngược Ta phải chọn ý kiến

nào đây?

Vận dụng ý nghĩ táo bạo này, Plăng dựa vào điện động lực học cổ

điển, tính giá trị trung bình của năng lượng bức xạ và hấp thụ có tần số

dao động là γ phụ thuộc vào năng lượng trung bình Etp của dao động từ Để tìm Etp, Plăng vận dụng khái niệm Entrôpie S S phụ thuộc Etp

(xem quyển Vật lý đại cương tập 3 – NXB THCN để biết rõ thêm) Từ đó

Plăng suy ra công thức của hàm ρ λ,T = f( )λ,T như sau:

1

2 ,

Với giả thuyết sau đây: Năng lượng hấp thụ hay bức xạ ở các dao

động tử có giá trị biến thiên gián đoạn theo công thức: En = nh γ với n = 1,2,3,… Còn h γ là lượng tử năng lượng, h=6,625.10−34 jsgọi là hằng số

Plăng Đó chính là nội dung của thuyết lượng tử năng lượng

Ngoài ra Plăng còn chỉnh lí công thức bức xạ vật đen:

γ π

=

1 e

h 2 T K h 3

2 T