TT&HĐ V - 43/b

 

THÍ NGHIỆM GIAO THOA KẾ MICHELSON

PHẦN V:     THỐNG NHẤT 

"Khoa học là một sức mạnh trí tuệ lớn nhất, nó dốc hết sức vào việc phá vỡ xiềng xích thần bí đang cầm cố chúng ta."
Gorky 

 

"Mỗi một thành tựu lớn của nhà khoa học chính là xuất phát từ những ảo tưởng táo bạo". 
JohnDewey

"Chân lý chỉ có một, nó không nằm trong tôn giáo, mà nằm trong khoa học."
Leonardo da Vinci
 

"Cái khó hiểu nhất chính là hiểu được thế giới" 

Albert Einstein

 "Có hai cách để sống trên đời: một là xem như không có phép lạ nào cả, hai là xem tất cả đều là phép lạ".

Albert Einstein

      

“Chính qua cuộc đấu tranh nhằm thống nhất một cách hợp lý cái đa dạng mà đã đạt được những thành công lớn nhất, dù rằng chính ý đồ đó có thể gây ra những nguy cơ lớn nhất để trở thành con mồi của ảo vọng”.

Albert Einstein

“Người nhìn thấy cái đa dạng mà không thấy cái đồng nhất thì cứ trôi lăn trong cõi chết”.

Upanishad       

CHƯƠNG IV (XXXXIII): ÊTE

“Một con người có thể thành công trong bất cứ việc gì nếu anh ta đổ vào đó một lòng nhiệt thành vô hạn”.

Charles Schwab

“Nếu toán học quắc thước, ngạo nghễ và hùng vĩ như những kim tự tháp Ai Cập thì vật lý học uyển chuyển, lúc điềm tĩnh lúc cuồn cuộn dâng trào như dòng sông Nin và chúng hợp thành một quang cảnh hiện thực khách quan vô cùng sinh động, vừa sáng lạn, vừa kỳ bí, được tạo dựng bởi thiên nhiên hoang dã và sự cộng tác sáng tạo của lý trí loài người”.

Thầy Cãi

“Đôi lúc cuộc sống thật khắc nghiệt, rắn như thép đã tôi. Nó có những lúc ảm đạm và đau đớn. Như bất cứ một dòng chảy nào của một con sông, cuộc sống có những lúc khô cạn và những khi triều cường. Cũng như sự thay đổi theo chu kỳ từ trước đến nay của các mùa, cuộc sống có cái ấm áp dễ chịu của những mùa hè và cái rét buốt của những mùa đông…Nhưng chúng ta có thể tự nâng mình lên khỏi nỗi chán chường và tuyệt vọng, vươn đến sự vui vẻ của hy vọng và biến đổi các thung lũng hoang vắng, tăm tối thành những lối đi chan hoà ánh nắng của sự thanh bình sâu lắng”.
 MARTIN LUTHER KING 

"Sai lầm lớn nhất của Anhxtanh là tin theo quan niệm coi thời gian như vật chất, có thể co giãn được và hòa quyện vào không gian được. Do đó nếu ngày nay học thuyết tương đối trở thành cơ sở chủ yếu cho nhận thức vật lý học về Vũ Trụ, thì tương lai nó chỉ còn là một huyền thoại của một thời ảo mộng. Có thể coi không gian và thời gian quan hệ khăng khít như hình với bóng, như thể xác với linh hồn, nhưng phải được phân biệt dứt khoát với điều kiện tiên quyết: không có hình thì không có bóng, không có thể xác thì tuyệt đối không có linh hồn".
NTT

"Tất cả mọi điều trên thế giới này đều được hy vọng làm nên".  

MARTIN LUTHER KING

(Tiếp theo)

Maikenxơn (Albert Michelson, 1852-1931) là người Mỹ gốc Ba Lan. Khi học ở Học viện Hải quân Mỹ, ông là sinh viên giỏi nhất về vật lý. Ra trường, hoạt động khoa học một thời gian ngắn, ông được đánh giá là một nhà khoa học trẻ đầy triển vọng. Tuy nhiên Maikenxơn vẫn thấy cần phải bổ sung kiến thức thêm nữa. Do đó, trong hai năm 1881-1882, ông đã sang Béclin và Pari, thực tập ở các trường đại học và các phòng thí nghiệm nổi tiếng. Năm 1881, khi đang ở Béclin, ông đã thiết kế chiếc giao thoa kế đầu tiên của mình dựa trên nguyên tắc của Mắcxoen và đưa nó đến Pôxđam, đặt trên cái bệ rất chắc của một kính thiên văn lớn để tiến hành thí nghiệm. Cũng trong năm đó, Maikenxơn thông báo kết quả: không phát hiện được chuyển động tương đối giữa Trái Đất và ête.

Sau khi trở về Mỹ, Maikenxơn hợp tác với một đồng nghiệp tên là Moocly (Edward Morley, 1838-1923), cải tiến lại giao thoa kế cho đạt độ chính xác cao hơn, và tiếp tục thực hành thí nghiệm. Sau nhiều lần thí nghiệm kỹ càng và thận trọng, năm 1887, hai ông công bố kết quả: vẫn không phát hiện được “gió” ête như tính toán lý thuyết đã chỉ ra. Vậy thì nếu ête trong khí quyển tồn tại, nó phải bị chuyển động của Trái Đất kéo theo hoàn toàn, còn nếu không thì ête không tồn tại. Đối với các nhà vật lý lúc đó, đến với kết luận nào trong hai kết luận đó cũng đều “không thể chịu đựng nổi”.

Nhiều nhà vật lý, trong đó có Lord Kelvin, người có tinh thần lạc quan nhất, đã kiểm tra lại thí nghiệm của Maikenxơn – Moocly, đều thừa nhận thí nghiệm không phạm sai lầm và đều ngỡ ngàng. Một bầu không khí hoang mang xuất hiện, bao trùm lên các nhà vật lý.

Năm 1889, trong một hội nghị khoa học, nhà vật lý Hecxơ đã tóm tắt tình hình như sau: “Vấn đề lớn của tự nhiên liên quan đến các tính chất của ête choán đầy không gian là: cấu trúc của nó như thế nào, nó đứng yên hay chuyển động, nó hữu hạn hay vô hạn? Chúng ta càng ngày càng nghĩ rằng đó là vấn đề quan trọng nhất. Việc giải quyết vấn đề này sẽ cho chúng ta biết không những cái gọi là “không trọng lượng”, mà còn cả bản chất của chính vật chất và các tính chất cơ bản của nó - tức trọng lượng và quán tính của nó (…). Đó chính là các vấn đề tối hậu của các ngành khoa học vật lý mà đỉnh cao nhất của nó còn đang phủ đầy tuyết”.

“Người lạc quan” Kelvin (tên thật là William Thomson, 1824-1907), lúc đã trên 80 tuổi, trong buổi lễ kỷ niệm 50 năm làm giáo sư tại trường đại học Glasgow, đã phát biểu đầy bức xúc: “Chỉ có một từ ngữ nói về sự cố gắng không ngừng của tôi để đưa khoa học tiến lên trong suốt 55 năm qua, đó là “sự thất bại”. Nếu so sánh với kiến thức mà tôi có được cách đây 50 năm, khi tôi bắt đầu làm giáo sư và cố gắng giảng cho sinh viên hiểu, thì bây giờ đây, tôi cũng không biết gì hơn về lực của điện, lực của từ, về mối liên hệ giữa ête, điện và vật chất cụ thể”.

Thí nghiệm của Maikenxơn – Moocly là một trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất trong lịch sử vật lý học; bởi vì, theo nhiều người nhận định, đó chính là cột mốc chuyển biến từ vật lý học cổ điển đến vật lý học hiện đại. Có người còn nói, thí nghiệm đó là lời cáo chung của quan niệm về sự tồn tại môi trường ête trong Vũ Trụ. Theo chúng ta hiểu, đánh giá như thế hoặc tương tự như thế là không thỏa đáng, thậm chí là sai lầm. Cần phải thấy rằng quan niệm về một ête lấp đầy Vũ Trụ, có thể là nhiều lúc thất thế, nhưng bắt đầu từ Đềcác chưa bao giờ rời bỏ vũ đài tranh luận khoa học, và ngày nay khó lòng mà loại bỏ nó khỏi vũ đài đó được. mặt khác, rất rõ ràng là hình học Ơclít, số học sơ cấp, cơ học Niutơn…, cho dù đã xuất hiện hàng loạt lý thuyết toán – lý cao siêu hơn nhiều, tổng quát hơn nhiều, lừng lẫy hơn nhiều, thì vẫn không bao giờ trở thành lạc hậu, bị phế bỏ trong đời sống sinh hoạt, lao động và sản xuất thời hiện tại của loài người, thậm chí chúng luôn là những công cụ thiết yếu, không thể thiếu được, phục vụ đắc lực cho sự sống còn của loài người mãi mãi trong tương lai. Vì những lẽ đó, chúng ta nhận định: kết quả thí nghiệm Maikenxơ – Moocly chính là ngọn đèn báo hiệu về sự giới hạn cảm năng trực giác sinh học, kể cả có thiết bị hỗ trợ, ở loài người. Loài người muốn tiến xa hơn nữa trong sự nhận thức Tự Nhiên, thì trước tiên phải vượt qua giới hạn đó bằng cách lấy suy lý “viển vông” của triết học làm tiền phong mở đường và lấy những thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở tư duy trừu tượng để thẩm định. Kết quả thí nghiệm đó còn là sự đánh dấu vật lý học bắt đầu rời xa dần hiện thực, thoát ly hiện thực và thành quả của nó ngày càng có tính… biện minh triết học nhiều hơn là ứng dụng vật lý. Phải chăng vật lý học thực chứng sẽ dần được thay thế bằng vật lý học "suy tưởng" và tại sao không coi môi trường ê-te lại chính là không gian?

Sau đây, chúng ta sẽ trình bày nội dung cơ bản của cuộc thí nghiệm Maikenxơ – Moocly để thấy được cái hay, cái đẹp, cái tinh tế, cái trái tính của thí nghiệm này.

Minh họa sơ đồ và tiến trình thí thì nghiệm được thể hiện ở hình 1.

Hình 1: Thí nghiệm Maikenxơ – Moocly

Tia sáng được phát ra từ nguồn A đến mặt kính trong suốt B. Từ B, tia sáng chia làm hai phần, một phần khúc xạ đến gương E (C và E cách B cùng một khoảng cách L và  vuông góc với ), rồi cả hai phần tia sáng cùng phản xạ trở lại B.

Nếu thời gian tia sáng đi từ B đến E và quay lại B đúng bằng thời gian tia sáng đi từ B đến C và quay lại B thì lúc đó chúng sẽ phải đồng pha nhau và sự chồng chập sẽ làm cho vệt sáng trên màn hình sáng hơn. Nhưng nếu hai khoảng thời gian đó bị sai biệt chút ít thì sẽ có sự lệch pha của hai tia sáng làm cho vệt sáng trên màn hình mờ hơn bởi hiện tượng giao thoa. Điều đó có nghĩa rằng, nếu hệ thống đứng yên trong ête thì hai khoảng thời gian nói trên dứt khoát phải bằng nhau, còn ngược lại, nghĩa là hệ thống chuyển động đều trong ête (do ête bị chuyển động Trái Đất kéo theo một phần), theo phương từ trái qua phải ở hình 1, thì hai khoảng thời gian bắt buộc phải khác nhau. Tại sao vậy? Tại vì ête là vật mang tia sáng, là môi trường chứa sóng sáng, cho nên cũng đồng thời đóng vai trò hệ qui chiếu của chuyển động tia sáng. Nếu hệ thống thí nghiệm đứng yên trong môi trường ête thì có thể chọn B làm gốc của một hệ tọa độ quy chiếu được cho là đứng yên tuyệt đối đối với chuyển động của tia sáng đi trên hai phương khác nhau nhưng đều có độ dài bằng nhau, phải bằng nhau.

Gọi thời gian tia sáng, với vận tốc C, đi từ B tới E là t₁, thời gian tia sáng đó từ E phản xạ về B là t₂ khi hệ thống chuyển động với vận tốc C thì theo phép cộng vận tốc Galilê,phải có:

       

Vậy, tổng thời gian tia sáng đi từ B đến E và phản xạ lại B là:

              

Gọi thời gian tia sáng thứ hai (đương nhiên là cùng với vận tốc C) đi từ B đến C là t₃ thì t₃ cũng là khoảng thời gian tia sáng phản xạ từ C về B. Trong khi tia sáng đi từ B đến C rồi phản xạ lại B, vì đồng thời cũng tham gia vào chuyển động có vận tốc V theo phương ngang của hệ thống (xem hình 1) cho nên quãng đường đi được thực của nó phải là:

              

Vậy, có thể viết:

              

hay:        

So sánh hai kết quả và , dễ dàng thấy rằng, nếu hệ thống chuyển động (theo phương ngang ở hình 1) với vận tốc  thì khoảng thời gian hành trình của hai phần tia sáng, một theo phương chuyển động của hệ thống, một theo phương vuông góc với phương chuyển động của hệ thống, là khác nhau. Chỉ khi V=0 thì hai khoảng thời gian ấy mới bằng nhau.

Trong thực tế, khi tiến hành thí nghiệm, Maikenxơ – Moocly đã đặt hệ thống sao cho trục song song với quĩ đạo chuyển động của Trái Đất (cũng có nghĩa hệ thống chuyển động với vận tốc V=3.10⁶ cm/s).

Maikenxơ – Moocly thận trọng tiến hành thí nghiệm rất nhiều lần và không hề phát hiện được bất cứ sự sai biệt dù nhỏ nào giữa hai khoảng thời gian nêu trên (không có hiện tượng lệch pha của hai tia sáng khi trở về B).

Vào thời kỳ ấy, niềm tin ête phải tồn tại đã gắn rất chặt vào tâm hồn của mọi nhà vật lý rồi nên kết quả của thí nghiệm chỉ có thể được hiểu duy nhất là ête thấm trong khí quyển của Trái Đất đã bị chuyển động của Trái Đất kéo theo hoàn toàn (để thỏa mãn chuyển động tương đối giữa hệ thống so với ête, có vận tốc V=0). Nhưng việc ête thấm trong khí quyển bị chuyển động Trái Đất kéo theo hoàn toàn là điều cực kỳ phi lý. Bởi vì làm cách nào mà chuyển động Trái Đất thực hiện được việc đó khi môi trường ête đầy chặt Vũ Trụ với những đặc tính cực đoan về độ cứng, sức căng, khối lượng như đã nói? Sự thể đã đưa các nhà vật lý học vào tình trạng hoang mang, bối rối.

Lorenxơ là người đầu tiên đưa ra lời giải thích, gỡ thế bế tắc đó vào năm 1892. Ông cho rằng mọi vật khi chuyển động đều co lại theo phương chuyển động. Nếu có chiếc gậy có độ dài ban đầu là L_o thì khi nó chuyển động theo phương trục của nó, nó sẽ co lại, còn khi chuyển động theo phương vuông góc với trục của nó, độ dài L_o sẽ không đổi. Cụ thể, đối với hệ thống thí nghiệm Maikenxơn – Moocly, nếu gọi khoảng cách là L₁ và khoảng cách là L_// thì theo Lorenxơ, khi hệ thống không chuyển động, có thể viết:

Khi hệ thống chuyển động với vận tốc V, phải viết:

Mà cụ thể:

Để cho:  t₁+t₂=2t₃

Cũng theo Lorenxơ, chính lực tương tác giữa các hạt mang điện tích trong gậy và các hạt ête làm cho gậy co lại. Sự co đó vừa đủ bù trừ sự chênh lệch quang trình của các tia sáng, khiến cho hình ảnh giao thoa không thay đổi. Do đó mà không thể phát hiện ra được “gió ête”, mặc dù nó vẫn tồn tại.

Từ giả thuyết về sự co của vật khi chuyển động nói trên, Lorenxơ xây dựng nên phép biến đổi tọa độ sau này mang tên ông.

Cho hai hệ quán tính (hệ tọa độ không gian Đềcác) K và K’ chuyển động thẳng đều so với nhau theo phương x và giả sử rằng lúc đầu, hai gốc O và O’ của chúng trùng nhau. (Xem hình 2)

Hình 2: Hai hệ quán tính chuyển động tương đối so với nhau.

Theo quan niệm của Galilê, không - thời gian ở mọi hệ qui chiếu quán tính được thấy là như nhau, nghĩa là đối với K và K’:

t = t’

y = y’

z = z’

x = x’ + vt

Đó cũng được gọi là phép biến đổi tọa độ Galilê.

Thí nghiệm Maikenxơn – Moocly đã chỉ ra mâu thuẫn trong phép biến đổi đó: kết quả thí nghiệm quan sát trong hệ K’ (coi như không cảm nhận được vận tốc v) là phù hợp với quan niệm một quá trình vật lý sẽ được thấy như nhau trong mọi hệ qui chiếu quán tính là dù đứng yên hay chuyển động (thẳng đều), nhưng kết quả tính toán của quan sát theo phép biến đổi trên thì lại không dẫn đến kết quả như vậy.

Lord Kelvin
William Thomson, 1st Baron Kelvin (1824-1907)
Sinh	26 tháng 6, 1824 Belfast, Co. Antrim, Northern Ireland
Mất	17 tháng 12, 1907 (83 tuổi) Largs, Ayrshire, Scotland
Nơi cư trú	Cambridge, Anh Glasgow, Scotland
Tôn giáo	Christianity
Nơi công tác	Đại học Glasgow
Alma mater	Đại học Glasgow Peterhouse, Cambridge

Albert Abraham Michelson
Albert Abraham Michelson
Sinh	19 tháng 12, 1852 Strzelno, Vương quốc Phổ
Mất	9 tháng 5, 1931 (78 tuổi) Pasadena, California
Sắc tộc	Do Thái
Ngành	Vật lý
Alma mater	Học viện Hải quân Hoa Kỳ Đại học Berlin
Nổi tiếng vì	Tốc độ ánh sáng Thí nghiệm Michelson-Morley
Giải thưởng	Giải thưởng Nobel vật lý (1907), Huy chương Matteucci (1903)

Hendrik Antoon Lorentz
Hendrik Antoon Lorentz
Sinh	18 tháng 7, 1853 Arnhem, Hà Lan
Mất	4 tháng 2, 1928 (74 tuổi) Haarlem, Hà Lan
Nơi cư trú	Hà Lan
Ngành	Vật lý học
Alma mater	Đại học Leiden
Nổi tiếng vì	Theory of EM radiation
Giải thưởng	Giải Nobel Vật lý (1902)

Heinrich Rudolf Hertz
Sinh	22 tháng 2, 1857 Hamburg
Mất	1 tháng 1, 1894 (36 tuổi) Bonn, Đức
Nơi cư trú	Đức
Ngành	Vật lý học Điện tử
Nổi tiếng vì	Bức xạ điện từ Hiệu ứng quang điện
Chữ ký

Để giải quyết nghịch lý đó, cũng là nhằm bảo vệ quan niệm về sự tồn tại của ête, bắt đầu từ ý tưởng về sự co của khoảng cách theo phương chuyển động, Lorenxơ cho rằng phải điều chỉnh lại phép biến đổi Galilê như sau:

t  t’

y = y’

z = z’

x = f(x’,t’) x’ +vt

Đối với hai hệ K và K’, có thể thấy khi t’ = 0 thì:

khi x’=0 thì:

và khi x=0 thì phải tồn tại:

0=x’+vt’

Do đó, khi , có thể viết:

với  là một hệ số nhân nào đó.

Vì K và K’ là hai hệ quán tính có mối quan hệ tương phản nhau giữa đứng yên và chuyển động, là hai hệ chuyển động tương đối so với nhau, cho nên, lập luận tương tự, cũng sẽ viết được:

với  cũng là một hệ số nhân nào đó.

Vì một hiện tượng vật lý được thấy là như nhau trong mọi hệ quán tính (nguyên lý tương đương) nên:

Do đó, nếu đặt x=ct, x'=ct', thay vào và , rút ra biểu thức cho và  rồi nhân chúng với nhau, sẽ có:

Khai căn, chúng ta thu được:

Cuối cùng, dẫn đến phép biến đổi Lorenxơ:

Hay:

Có thể thấy phép biến đổi Lorenxơ là một bao hàm của phép biến đổi Galilê. Khi v nhỏ không đáng kể so với c hoặc nếu quan niệm c có thể lớn vô hạn (tác động tức thời) thì phép biến đổi Galilê là thỏa đáng. Còn khi v lớn đáng kể so với c thì phép biến đổi Galilê không còn đúng nữa mà phải chuyển qua phép biến đổi Lorenxơ. Phép biến đổi Lorenxơ còn chỉ ra rằng, không thể có vận tốc nào vượt qua c vì lúc đó, các biểu thức trong phép biến đổi ấy sẽ trở nên bất định.

Tuy nhiên, chúng ta cho rằng trong phép biến đổi Lorenxơ, ẩn chứa một mắc mứu “chết người” không thể giải quyết được, mà có lẽ đến tận bây giờ chưa ai phát hiện ra, đó là từ hai biểu diễn và , đều phải suy ra được sự co của khoảng cách theo phương chuyển động, thế nhưng, khó lòng mà suy ra được như thế. Giả sử rằng tại thời điểm O trùng với O’ (qui ước t=0), cả và đều cho kết quả:

x=x'=0

Tại thời điểm , với điều kiện x=ct, x'=ct', sẽ viết được lần lượt một hàm như đã thể hiện. Lúc đó, đối với biểu diễn , nếu đặt x=L_o thì x’+vt’=L_// và chỉ như vậy mới làm xuất hiện biểu thức:

Còn đối với biểu thức thì lại phải cho rằng x'=L_o và do đó, x-vt=L_// để cũng có:

Thử hỏi: làm cách nào và đứng ở đâu quan sát, tính toán để thấy được (khi v lớn đáng kể so với c) cùng lúc:

x=x'

Hay:        x’+vt’=x-vt    ?

Mục tiêu đầu tiên của Lorenxơ khi quan niệm về sự co theo phương chuyển động của vật chất (xét cho cùng là khoảng cách) là nhằm bảo vệ quan niệm tồn tại của ête. Phép biến đổi mà ông đề xướng trên thực tế đã giải thích được không ít hiện tượng trong thuyết êlectrôn của mình.

Anhxtanh cũng đi đến một biến đổi hoàn toàn tương tự như phép biến đổi của Lorenxơ nhưng với một quan niệm trái ngược, hoàn toàn mới, và có tính cách mạng vào lúc bấy giờ: loại bỏ ête ra khỏi thế giới vật lý học, để từ đó xây dựng nên một lý thuyết mới gọi là “thuyết tương đối hẹp”, chính thức mở chương đầu tiên của tập “vật lý hiện đại” - tập thứ ba trong toàn tập thiên cổ kỳ thư của nhân loại.
(Còn tiếp)
-------------------------------------------------------------------