TT&HĐ V - 41/k

 

Sóng điện từ - Mối nguy tiềm ẩn

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 II (XXXXI): KINH ĐIỂN

"Vật lý thực ra không phải là gì hơn ngoài cuộc tìm kiếm sự đơn giản tối thượng, nhưng cho tới nay, cái chúng ta có là sự hỗn độn súc tích".

Bill Bryson

"Việc quan trọng là không ngừng suy nghĩ. Tính tò mò có lý do riêng của nó. Con người sẽ bị lo sợ khi suy ngẫm về các bí ẩn của vô tận, đời sống, về cấu trúc tuyệt vời của thực tế. Nếu người ta mỗi ngày chỉ thấu hiểu một chút về điều bí ẩn này, thì cũng đủ. Hãy đừng bao giờ mất đi sự tò mò thiêng liêng".
Albert Einstein 

"Khoa học cho chúng ta tri thức, nhưng chỉ triết học mới có thể cho chúng ta sự thông thái".

Will Durant

 

“Cứu cánh của khoa học tư biện là chân lý, trong khi, cứu cánh của khoa học thực tiễn là hành động”.

Thomas Aquinas

 

(Tiếp theo)

Những năm 1884 – 1885, Pôinting và Hêvixai nghiên cứu vấn đề về sự chuyển động của năng lượng điện từ và đề ra véctơ mật độ dòng năng lượng của điện từ trường (được đặt tên là véctơ Umốp – Pôinting).

Cuối thế kỷ XIX thì xuất hiện khái niệm xung lượng trường điện từ và khái niệm mômen xung lượng trường điện từ.

Lorenxơ (Lorentz, 1853 – 1928) cho rằng cần bổ sung thêm cho lý thuyết Mắcxoen và trong đó chưa xét đến cấu trúc của vật chất. Theo ông quan niệm, Vũ Trụ gồm có ête là môi trường không có khối lượng và các vật thể vật chất có khối lượng các vật thể được cấu thành từ rất nhiều các hạt mang điện tích dương hoặc âm. Tương tác giữa ête và các vật thể làm các hạt tích điện dịch chuyển và sự dịch chuyển đó làm phát sinh ra các hiện tượng điện. Lorenxơ đi đến giả định là khi có sóng điện từ truyền tới, các phần tử vật chất gồm những điện tích nguyên tố có thể bị phân cực và thực hiện chuyển động dao động trong những năm 90 của thế kỷ XIX, xuất phát từ giả định đó và dựa trên thuyết Mắcxoen, Lorenxơ công bố công trình nghiên cứu các hiện tượng điện từ và quang của mình. Sau khi vật lý học, qua thực nghiệm, phát hiện được sự tồn tại của êlectrôn, thì lý thuyết này của ông cũng được đặt tên là thuyết êlectrôn.

Có thể coi thuyết êlectrôn là bộ phận hợp thành cuối cùng của thuyết trường điện từ cổ điển mà nòng cốt là lý thuyết của Mắcxoen. Nó là dòng kết có hậu của “tập” vật lý học cổ điển trong “toàn tập” kiệt tác có tựa đề “vật lý học” mà tác giả của nó là loài người, đến tận ngày nay vẫn đang hý hoáy viết, chưa chịu dừng bút.

John Henry Poynting
Sinh	9 tháng 9 năm 1852 Monton, Lancashire, Anh
Mất	30 tháng 3, 1914 (61 tuổi) Birmingham, Anh
Ngành	Vật lý
Nơi công tác	Cao đẳng Khoa học Mason Đại học Birmingham
Nổi tiếng vì	Vectơ Poynting Định lý Poynting Hệ quả Poynting Hệ quả Poynting-Robertson

Oliver Heaviside
Chân dung Oliver Heaviside.
Sinh	18 tháng 5, 1850 Camden Town, London, England
Mất	3 tháng 2, 1925 (74 tuổi) Torquay, Devon, Anh
Nơi cư trú	Nước Anh
Ngành	nhà khoa học, nhà toán học, nhà vật lý, kỹ sư điện
Giải thưởng	Huân chương Faraday

Hendrik Antoon Lorentz
Sinh ra	18 tháng 7 năm 1853 Arnhem , Hà Lan
Chết	Ngày 4 tháng 2 năm 1928 (74 tuổi) Haarlem , Hà Lan
Quốc tịch	nước Hà Lan
Trường cũ	Đại học Leiden
Được biết đến với	Chuyển đổi Lorentz Lý thuyết ether Lorentz Lý thuyết bức xạ EM Lực Lorentz Lorentz co lại Chỉ số Lorentzian Yếu tố Lorentz
Giải thưởng	Giải Nobel Vật lý (1902) ForMemRS (1905)  Huy chương Rumford (1908) Huy chương Franklin (1917) Huy chương Copley (1918)
Sự nghiệp khoa học
Lĩnh vực	Vật lý

Vật lý cổ điển đã có nội dung phong phú hơn rất nhiều so với “tiền vật lý”. Được như vậy là nhờ vào hai “bảo bối” vô cùng quí giá, có “giá trị sử dụng” đến muôn đời. Hai “bảo bối” ấy chính là cơ học Niutơn và thuyết trường điện từ Mắcxoen. Chúng ta đã trình bày nội dung cơ bản của thuyết cơ học Niutơn. Để cho công bằng và cũng vì mục đích riêng tư, sau đây chúng ta cũng trình bày nội dung cơ bản nhất của thuyết trường điện từ Mắcxoen (theo ngôn ngữ vật lý hiện đại):

Từ thực tế thí nghiệm, Mắcxoen rút ra kết luận rằng, điện trường gây nên dòng điện cảm ứng chỉ có thể là do biến đổi của từ trường gây ra. Hơn nữa điện trường này không phải là điện trường tĩnh vì trường điện tĩnh bao giờ cũng có hệ đường sức hở nên không thể làm dịch chuyển bất cứ hạt điện tích nào theo một đường cong kín để hình thành nên một dòng điện cảm ứng. Vật điện trường này phải có hệ đường sức khép kín để sao cho công dịch chuyển hạt điện theo đường cong kín khác 0, nghĩa là phải có:

              

Với :        q là điện tích

               E là cường độ điện trường

               L là quãng đường cong kín

Điện trường có đường sức khép kín được gọi là điện trường xoáy.

Từ đó, Mắcxoen đưa ra luận điểm thứ nhất: Mọi từ trường biến đổi theo thời gian đều làm xuất hiện một điện trường xoáy. Biểu diễn toán học cho luận điểm này là phương trình Mắcxoen – Farađây. Viết dưới dạng tích phân là:

              

Với :        B là độ từ thẩm

               S là diện tích có từ thông đi qua đang xét (thiết diện của vòng dây)

               t là thời gian

Viết dưới dạng vi phân là:

              

Đến đây, linh cảm đã giúp Mắcxoen có một ý tưởng đột phá: để đảm bảo tính đối xứng trong mối quan hệ chuyển hóa giữa điện trường và từ trường, cần phải xảy ra quá trình ngược lại. Từ suy nghĩ đó Mắcxoen đưa ra luận điểm thứ hai: Mọi điện trường biến đổi theo thời gian đều phải làm xuất hiện một từ trường.

Để có thể xây dựng biểu diễn toán học cho luận điểm thứ hai, Mắcxoen đã đưa ra giả định nổi tiếng, đó là giả định về sự sự tồn tại của cái gọi là “dòng điện dịch”. Ông suy luận rằng, dòng điện dẫn (tức dòng các hạt điện chuyển động có hướng) bao giờ cũng sinh ra từ tường và nếu điện trường biến đổi sinh ra từ trường thì nó phải có tác dụng giống như một dòng điện. Dòng điện giả định này được Mắcxoen gọi là dòng điện dịch. Chúng ta có thể định nghĩa: Dòng điện dịch là dòng điện tương đương với điện trường biến đổi theo thời gian về phương diện sinh ra từ trường.

Với giả thuyết về dòng điện dịch, Mắcxoen đã thiết lập được biểu diễn toán học cho luận điểm thứ hai của ông mà ngày nay gọi là phương trình Mắcxoen – Ampe. Viết dưới dạng tích phân là:

              

Với :        H là cường độ từ trường

               J_tp là mật độ dòng điện toàn phần

               J là mật độ dòng điện dẫn

                là mật độ dòng điện

               D là độ cảm ứng điện

Còn viết dưới dạng vi phân là:

              

Xuất phát từ hai luận điểm của Mắcxoen (đã được Henxơ chứng thực) nói trên, vật lý học ngày nay quan niệm rằng, điện trường và từ trường tồn tại độc lập chỉ là tương đối. Chúng chính là hai trường hợp biểu hiện đặc biệt của trường điện từ có tính phổ biến. Sự cũng đồng thời tồn tại và tương tác nhau của điện trường và từ trường trong không gian tạo nên trường điện từ.

Trong lý thuyết êlectrôn có đề cập đến một hiện tượng tương tự khá kỳ lạ, có thể có ý nghĩa sâu sắc đối với suy tư triết học, đồng thời cũng gợi nhớ lại tình cảm của Farađây về sự phụ thuộc lẫn nhau giữa lực hấp dẫn và điện từ trường, nghĩa là có mối liên hệ qua lại nào đó giữa cơ học Niutơn và điện học, tạo nên bức tranh một Vũ Trụ thống nhất vật chất.

Như đã biết, sự truyền sáng theo nguyên lý thời gian tối thiểu được biểu diễn cụ thể bằng ba định luật: truyền thẳng, phản xạ và khúc xạ. Biểu diễn toán học của nguyên lý thời gian tối thiểu (cực tiểu) là:

              

Vì :          , với t là thời gian, s là quãng đường từ A đến B, v là vận tốc truyền sáng trong môi trường có chiết xuất n.

Và :         , với c là vận tốc truyền sáng trong chân không,

Nên có thể viết:              

Trong cơ học cũng có nguyên lý gọi là “tác dụng tối thiểu”: một hạt chuyển động trong trường thế theo một quĩ đạo xác định sao cho phải thỏa mãn:

              

Với :         là động năng của hạt trong “khoảng” thời gian dt

Vì :           và chỉ có v biến đổi theo dt hoặc ds nên có thể viết lại biểu diễn toán học cho nguyên lý tác dụng tối thiểu là:

              

Nếu là một hạt điện tích chuyển động trong trường điện tịnh thì chúng ta phải viết được biểu diễn:

              

với q là điện tích nguyên tố và là hiệu điện thế của trường điện tĩnh mà trong đó hạt chuyển động.

Suy ra:    

Vậy biểu diễn toán học của nguyên lý tác dụng tối thiểu áp dụng cho hạt điện tích chuyển động trong trường điện tĩnh là:

              

Có thể thấy  trong môi trường điện tĩnh có vai trò tương tự như chiết xuất n trong môi trường truyền sáng. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng chuyển động của dòng các hạt điện trong trường điện tĩnh cũng tuân theo ba qui luật: truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ.

Hiện tượng tương tự kỳ lạ mà chúng ta vừa trình bày được gọi là “Sự tương tự quang – cơ”.

Trên cơ sở hai luận điểm của Mắcxoen, có chú ý đến hiện tượng tương tự quang – cơ và nguyên lý bảo toàn Không Gian (bảo toàn vật chất) cũng như quan niệm về Vũ Trụ được lấp đầy Không Gian của triết học duy tồn, chúng ta liều mạng nêu ra một nhận định mới, có tính kế thừa nhưng cởi mở hơn, khoáng đạt hơn (và cũng có thể là sai bét nhè!).

Trước hết, chúng ta hiểu vật chất là bao gồm các vật thể và cả Không Gian – Không Gian là chất nền, chất cơ sở mà từ đó hình thành nên các chất khác cũng như vạn vật. Có thể nói biểu hiện cơ bản nhất của chất Không Gian là vật thể và môi trường Không Gian. Vũ Trụ là môi trường chất Không Gian rộng lớn mà trong đó vạn vật (là những hun đúc nên cũng từ chất Không Gian) tồn tại.

Sự phân định vật chất ra thành vật và chất, thực thể và môi trường chỉ là tương đối vì rõ ràng, nếu không có các thực thể gọi là vô cùng nhỏ (các hạt) thì không thể có môi trường và ngược lại, không thể có thực thể gọi là vô cùng lớn (các thiên thể chẳng hạn) nếu không có môi trường (môi trường Không Gian chẳng hạn).

Có thể phân định tương tác (tác động - phản ứng) một cách tương đối thành hai phương thức: tương tác trực tiếp và tương tác gián tiếp mà trong đó, tương tác trực tiếp đóng vai trò chủ đạo. Từ đó mà cũng có hai biểu hiện vận động và tương tác vật chất mà một biểu hiện chính là trường lực. Trường lực là biểu hiện tương tác của những lực lượng vật chất ở tầng nấc nào đó thuộc miền Vũ Trụ vi mô, được thấy ở miền Vũ Trụ vĩ mô (theo quan niệm và cả qui ước của chủ quan hệ quan sát). Một trong những nguyên nhân quyết định gây ra vận động và tương tác vật chất ở miền Vũ Trụ vi mô là sự vận động và tương tác của các thực thể  ở miền Vũ Trụ vĩ mô và ngược lại. Vì những lẽ đó mà (giả tưởng rằng) nếu không có vật chất thì cũng sẽ không có trường lực và nếu “vắng mặt” một trong hai dạng biểu hiện của vật chất là vật thể và môi trường thì dứt khoát không thể “thấy” được trường lực.

Vì Vũ Trụ là thống nhất và duy nhất đồng thời cũng tự phân định đến tận “chân tơ kẽ tóc” để vận động đến tuyệt cùng khả năng, khẳng định sự Tồn Tại (tồn tại tuyệt đối) vốn dĩ của Nó, cho nên phải thấy trường điện từ là một trong những dạng biểu hiện đặc thù của trường lực trước quan sát, nhận thức. Trường điện từ được thấy gồm hai bộ phận tồn tại tương đối hợp thành là điện trường và từ trường. Điện trường và từ trường là hai mặt tương phản của trường điện từ, được thấy là hai thể có mối quan hệ “sống còn” của nhau, là tiền đề tồn tại của nhau, không có một trong hai thể thì thể còn lại cũng không có (nếu chúng vắng mặt trước quan sát thì không phải vì chúng không tồn tại mà vì quan sát bị mù tịt đối với chúng!). Hai thể tương phản đó do xảy ra tương tác vật chất mà chuyển hóa qua lại lẫn nhau theo một phương thức nhất định, tạo thành một toàn thể sinh động, biến đổi có tính chu kỳ trong không thời gian và được gọi là trường điện từ.

Chỉ duy nhất Không Gian là Tồn Tại (tồn tại tuyệt đối). Nhưng để khẳng định sự Tồn Tại ấy, trước quan sát và nhận thức, Không Gian đã làm cho đủ thứ tồn tại (tồn tại tương đối). Tồn Tại tương đối là vô số kể. Thời gian, trường lực nói chung và trường điện từ nói riêng chỉ là vài trong vô số kể ấy.

Vật lý cổ điển là một thành quả hết sức phi thường mà loài người đạt được trong quá trình tìm cách mở rộng quan sát cũng như nỗ lực nhận thức của mình về Tự Nhiên. Có thể nói, đó là khối kiến thức vô cùng đồ sộ được xây dựng nên từ quan sát trực giác của con người đã được nâng lên đến tột cùng khả năng nhờ các thiết bị hỗ trợ, lấy thực nghiệm làm tiền đề xây dựng lý thuyết và lấy thực chứng trực tiếp làm cơ sở để xác nhận chân lý. Chính vì vậy mà phải thấy rằng vật lý học cổ điển đã mô tả hoàn hoàn đúng đắn cái hiện thực khách quan về Tự Nhiên mà loài người nói chung đang quan chiêm lúc bấy giờ và trong cả ngày nay.

Gần gũi với hiện thực khách quan như thế nên vật lý cổ điển cũng cực kỳ nhanh chóng đi vào cuộc sống. Lịch sử đã chứng thực rằng, những phát kiến vật lý học được ứng dụng trong thực tiễn xã hội châu Âu rất nhanh, tạo nên một nền tảng khoa học - kỹ thuật ngày một tiên tiến. Nhờ thế mà nền kinh tế tư bản chủ nghĩa chóng vánh đạt đến hoàn thiện và bành trướng ra khắp địa cầu.

Nền kinh tế tư bản chủ nghĩa ra đời đã tạo ra khả năng làm của cải đồ dùng cho đời sống con người dồi dào hơn, đa dạng hơn, tiện dụng hơn và xa hoa hơn. Đáng tiếc là vào những buổi đầu hình thành và phát triển, vì thoát thai từ chế độ phong kiến khắc kỷ, đồng thời còn mang trong huyết thống cái tham tàn vô độ của chế độ ấy, cho nên chế độ tư bản thuở ấy tỏ ra đầy thủ đoạn, tuyên bố nhân quyền, bình đẳng, tự do để rồi trong thực tế là chà đạp mạng sống của nhau để cạnh tranh, phè phỡn hưởng lạc mặc kệ tầng lớp đói khổ, để làm giàu bằng bất cứ giá nào, do đó mà cũng luôn thường trực trong lòng nó ý thức mưu mô chèn ép, cưỡng đoạt kẻ khác và sẵn sàng gây chiến tranh xâm lược một khi có điều kiện. Không thể phủ nhận được, sự cạnh tranh khốc liệt của các nền kinh tế tư bản chủ nghĩa trong nửa giai đoạn đầu phát triển quá nhanh của chúng đã như con ngựa bất kham bứt đứt dây cương, gây ra cuộc chiến tranh thế giới lần thứ nhất và lần thứ hai vào những năm 1914-1918 và vào những năm 1939-1945 với số lượng người chết hơn hẳn người chết của tất cả các cuộc chiến tranh trước đó trong lịch sử loài người cộng lại.

Hóa ra, vật lý cổ điển, một cách gián tiếp đã đắc lực làm cho loài người có cuộc sống văn minh hiện đại hơn và đồng thời cũng làm cho loài người khốn khổ đau thương hơn. Phải chăng là có thể nói được như vậy? Thật khó mà trả lời!

Dù sao thì cũng nên thấy rằng nền kinh tế tư bản xuất hiện trong xã hội loài người là một tất yếu. Tất yếu ấy có nguồn gốc từ sự thèm khát danh lợi thấm đẫm bản năng mù quáng nhưng được trang bị lý trí ở mỗi con người. Nhận thức khoa học cũng được thúc đẩy một phần bởi đặc tính ấy, nếu không muốn nói là nhờ đặc tính ấy. Vậy thì sự ra đời của vật lý học cổ điển cũng là một tất yếu? Đúng vậy! Cụ thể hơn, sự khao khát hiểu biết của con người (một dạng đặc thù của thèm khát danh lợi hiểu theo nghĩa rộng) và sự đòi hỏi thỏa mãn của nền kinh tế tập trung kiểu chủ nghĩa tư bản, đã làm xuất hiện vật lý học cổ điển, để rồi vật lý học cổ điển tác động tích cực trở lại nền kinh tế ấy, làm cho nó trở nên hùng mạnh đến độ… hiếu chiến.

Nhưng nếu không có loài người? Sẽ chẳng có gì xảy ra cả! Chẳng có nền kinh tế tư bản chủ nghĩa cũng như chẳng có vật lý học cổ điển nào hết! Rõ ràng, nếu không kể những hiểm họa có từ thiên nhiên, thì loài người đã là thủ phạm gây thống khổ, đau thương, chết chóc cho chính mình. Hành động đó là vô tình hay hữu ý? Là cả hai mà cũng không phải cả hai vì suy cho cùng đó là định mệnh của loài người một khi còn trong tình trạng thèm khát bản năng được thúc giục bởi lý trí mù quáng, nghĩa là tưởng đã nhận thức được chân tướng của mình nhưng thực ra vẫn đang hôn mê trong vô thức, y hệt như người đã uống rượu say mèm nhưng cứ cãi là đang tỉnh.

Chúng ta cho rằng, bản thân vật lý học cổ điển không hề “xúi giục” con người ứng xử tồi tệ với nhau, không hề kích động dân tộc này đi đánh giết dân tộc khác, mà trái lại, cùng với triết học, nó có công lao to lớn trong việc nâng cao trình độ nhận thức của loài người, giúp loài người nhận thức sâu rộng hơn về Tự Nhiên để thấy rõ hơn thân phận của bản thân mình, thấy rõ hơn cái nguyên nhân gây ra định mệnh đau khổ của giống loài mình, từ đó mà tìm ra phương cách cứu chuộc, cải biến, mở ra một tương lai sống trong tình yêu thương đồng loại, đồng lòng đồng sức đối mặt với thiên nhiên hoang dã để sống còn cho con cháu hậu thế, mai sau.

Ngày nay, vật lý cổ điển vẫn rừng rực sức sống, hầu như không bị mẻ chút gì về giá trị ứng dụng trong đời sống thực tiễn của nó. Đó là khối kiến thức tổng hợp được thiết lập nên từ quan sát hiện thực khách quan, đến tận cùng khả năng trực giác sinh học của loài người và cũng cực kỳ xác đáng, do những người con ưu tú nhất, có tâm hồn vì khoa học trong sáng nhất của loài người trong một thời đại đặc biệt gọi là chín muồi góp công mà thành. Chắc rằng mãi mãi, loài người không bao giờ có thể thiếu được vật lý học cổ điển trong hành trang của mình vì nó đã trở thành bảo bối trong nghiên cứu thực dụng cũng như trong việc tiếp thu những lý thuyết vật lý cao siêu. Nếu loài người bất tử thì vật lý cổ điển bất diệt!

Nói thế không có nghĩa là vật lý học cổ điển không có những mâu thuẫn nội tại vô cùng nan giải. Dù sao thì những mắc mứu kiểu đó cũng không hề gây ảnh hưởng chút nào đến việc ứng dụng những thành quả đạt được vào thực tiễn đời sống mà chỉ làm “đau đầu” các nhà vật lý, những người luôn khát khao muốn phanh phui tường tận đến cội rễ của mọi hiện tượng tự nhiên. Đã là con người, chẳng ai muốn cực nhọc cả, nhưng đòi hỏi được nhận thức khoa học là vô hạn độ. Vì thế nên mới có sự cuồng nhiệt, say mê, xả thân vì khoa học!

Chính quá trình đi tìm lời giải đáp cho những mâu thuẫn nội tại vô cùng nan giải của các nhà vật lý đối với vật lý học cổ điển đã làm xuất hiện hàng loạt những khủng hoảng về nhận thức và khi những khủng hoảng ấy được lần lượt giải quyết thì cũng là lúc vật lý học vươn lên một trình độ vật lý “đã qua” là “vật lý cổ điển”.

 

Thời đại	Triết học thế kỷ XVIII, Thời kỳ Khai sáng
Lĩnh vực	Triết học phương Tây
Trường phái	Khai sáng
Sở thích	Nhận thức luận, Siêu hình học, Luân lý học
Ý tưởng nổi trội	Lệnh thức tuyệt đối, Duy tâm siêu nghiệm, Tổng hợp tiên nghiệm, Vật tự thể
Chữ ký

(Hết chương XXXXI)
------------------------------------------------------------------