Sự tiến hóa của Vật lý: Phần 2

Ebook Sự tiến hóa của Vật lý: Phần 2 gồm 2 chương, cung cấp cho bạn đọc những kiến thức thú vị về trường, thuyết tương đối và lượng tử. Cuốn sách này sẽ là một sự lựa chọn tuyệt vời cho những ai bắt đầu học vật lý để làm quen và tự định hướng tiến trình nghiên cứu Vật lý. Đó cũng là một lựa chọn không hề thừa thải cho những ai sắp tốt nghiệp chuyên ngành Vật lý để liên kết và sắp xếp lại hệ thống kiến thức đã học. Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sự tiến hóa của Vật lý: Phần 2 III TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI Trường là một phương thức diễn đạt... Hai cột trụ của lý thuyết trường... Hiện thực của trường... Trường và ether... Hệ trục tọa độ cơ học... Ether và sự chuyển động... Thời gian, khoảng cách, tính tương đối... Thuyết tương đối và cơ học... Miền liên tục không – thời gian... Thuyết tương đối rộng... Bên ngoài và bên trong thang máy... Hình học và thí nghiệm... Thuyết tương đối rộng và sự xác minh... Trường và vật chất. TRƯỜNG LÀ MỘT PHƯƠNG THỨC DIỄN ĐẠT Trong nửa cuối thế kỷ 19, những ý tưởng mới mang tính cách mạng đã được đưa vào vật lý học. Những ý tưởng này đã mở đường cho một tư duy triết học mới khác với tư duy cơ học. Những công trình nghiên cứu của Faraday(20), Maxwell(21) và Hertz(22) đã mở đường cho sự phát triển của nền vật lý hiện đại, cho sự sáng tạo các khái niệm mới, và từ đó hình thành một thế giới quan mới. Công việc của chúng ta bây giờ là mô tả những điều mà sự thay đổi này đã đem đến cho khoa học tự nhiên qua những khái 146 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý niệm mới và trình bày quá trình củng cố và kết tinh của chúng. Chúng ta sẽ cố gắng mô tả lại quá trình này một cách logic mà không cần chú ý quá nhiều đến thứ tự thời gian. Dù sự ra đời của các khái niệm mới đều xuất phát từ hiện tượng điện, nhưng để cho đơn giản hơn, chúng ta sẽ sử dụng cơ học để dẫn luận các khái niệm này. Chúng ta biết rằng hai hạt hút nhau bằng một lực hút có cường độ giảm dần theo bình phương khoảng cách giữa chúng. Chúng ta sẽ diễn tả sự kiện này theo một cách thức mới, dù những lợi điểm của cách thức này sẽ tương đối khó hiểu. Vòng tròn nhỏ trong hình vẽ dưới đây tượng trưng cho một vật thể có lực hút, ví dụ như Mặt Trời. Thật ra, chúng ta nên tưởng tượng hình vẽ này là một mô hình trong không gian chứ không phải được vẽ trên một mặt phẳng. Như thế, vòng tròn nhỏ của chúng ta tượng trưng cho một quả cầu trong không gian, đó là Mặt Trời. Một vật thể, được gọi là vật thử nghiệm, được đặt trong vùng lân cận của Mặt Trời sẽ bị hút theo một đường thẳng nối liền tâm của vật thể và tâm của Mặt Trời. Như thế, những đường thẳng trong hình cho ta biết hướng lực hút của Mặt Trời ứng với các vị trí khác nhau của vật thử nghiệm. TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 147 Các mũi tên trên đường thẳng cho thấy lực tương tác hướng về phía Mặt Trời nên lực này phải là lực hút. Chúng là những đường sức của một trường hấp dẫn. Đây chỉ là một cái tên và chúng ta chẳng có lý do gì phải tìm hiểu sâu hơn. Tuy nhiên, hình vẽ này có một nét đặc trưng riêng mà về sau chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn. Các đường sức được kiến tạo trong không gian mà không cần sự hiện diện của vật chất. Trước mắt, tất cả các đường sức, hay ngắn gọn hơn là trường, cho ta thấy một vật thử nghiệm sẽ bị tác động ra sao nếu nó được đặt trong vùng lân cận của trường được hình thành xung quanh quả cầu. Các đường thẳng trong mô hình không gian của chúng ta luôn vuông góc với bề mặt của quả cầu. Vì các đường thẳng này phân kỳ từ một điểm, chúng sẽ dày đặc hơn khi ở gần quả cầu và thưa hơn khi chúng ở xa quả cầu. Nếu chúng ta tăng khoảng cách, tính từ quả cầu, lên gấp hai hay gấp ba lần, thì mật độ các đường thẳng của mô hình trong không gian – dù không trình bày trên hình vẽ – sẽ giảm đi bốn hay chín lần. Như thế các đường thẳng này giúp chúng ta đạt được hai mục đích. Một mặt, chúng mô tả hướng của lực tác động lên một vật thể khi vật thể ấy được đặt gần quả cầu Mặt Trời. Mặt khác, mật độ các đường sức trong không gian cho thấy sự phụ thuộc của lực vào khoảng cách. Nếu ta giải thích một cách rõ ràng, hình vẽ của trường tượng trưng cho hướng của lực hấp dẫn và sự phụ thuộc của nó vào khoảng cách. Người ta cũng có thể hiểu định luật hấp dẫn từ một hình vẽ như thế, cũng giống như khi mô tả tác động của định luật này bằng từ ngữ hay bằng ngôn ngữ chính xác và ngắn gọn của toán học. Phương thức diễn đạt trường hay biểu diễn trường, như chúng ta sẽ gọi nó như thế, có thể rõ ràng và thú vị, nhưng 148 - S Ự TI ẾN H Ó A C Ủ A V ẬT L Ý không có lý do nào để tin rằng phương thức diễn đạt này đánh dấu một bước tiến bộ thật sự. Thật khó để chứng minh sự hữu dụng của nó cho trường hợp hiện tượng hấp dẫn. Một số người có thể thấy rằng phương thức diễn đạt này sẽ hữu dụng khi hình dung các đường thẳng này không đơn thuần là những hình vẽ, và tưởng tượng rằng các tác động thật sự của lực qua các đường thẳng này. Điều này có thể là như thế, nhưng mặt khác ta phải thấy rằng tốc độ tác động dọc theo các đường sức phải được giả định là vô tận! Theo định luật Newton, lực tác động giữa hai vật thể chỉ tùy thuộc vào khoảng cách mà không hề liên hệ đến thời gian. Như thế, lực sẽ tác động tức thời từ vật thể này đến vật thể khác mà không cần thời gian! Vì không ai hình dung được tính hợp lý của một chuyển động với vận tốc vô tận, cho nên việc cố gắng suy diễn từ hình vẽ của chúng ta như một điều gì đó khác với một mô hình sẽ chẳng dẫn đến đâu cả. Tuy nhiên, chúng ta không có ý định thảo luận về vấn đề của hiện tượng hấp dẫn ở đây. Mô hình này chỉ là sự dẫn nhập nhằm đơn giản hóa các phương pháp lý luận tương tự trong việc lý giải cho lý thuyết về điện học. Chúng ta sẽ bắt đầu thảo luận về thí nghiệm đã gây rất nhiều khó khăn cho tư duy cơ học. Chúng ta có một dòng điện chạy qua một dây điện được uốn tròn. Đặt một kim nam châm ở tâm của vòng dây điện. Ngay khi dòng điện bắt đầu chạy, một lực mới sẽ xuất hiện, tác động lên cực nam châm và có hướng vuông góc với mọi đường thẳng nối liền dây điện và cực nam châm. Theo thí nghiệm của Rowland, nếu lực này phát xuất từ sự luân chuyển của điện tích thì nó sẽ phụ thuộc vào vận tốc của chúng. Kết quả của thí nghiệm này phủ nhận quan điểm triết học cho TRƯỜNG, THUYẾT TƯƠNG ĐỐI - 149 rằng tất cả các lực phải tác động theo đường thẳng nối liền các hạt và chỉ có thể phụ th ...