TT&HĐ V - 43/n

 

Bài 1 Vận Tốc 

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)

Giả sử rằng biểu diễn o không tuân thủ tiên đề, nghĩa là giá trị tuyệt đối của các vận tốc có mặt trong biểu diễn không bị khống chế trong khoảng từ O đến c. Để biết sự giả sử như vậy có đúng không, chúng ta lần lượt xét các trường hợp:

- nhỏ hơn 0.

Điều này không thể xảy ra vì đã qui ước!

- v lớn hơn c:

Lúc này thành phần căn hai của biểu diễn trở nên bất toàn, quá trình chuyển hóa của nó bị bế tắc (xuất hiện trị số âm dưới dấu căn). Do đó trường hợp này không thể xảy ra.

- u lớn hơn c:

Trường hợp này thật khó khảo sát. Nhưng một cách gián tiếp có thể thấy rằng u>c là không thể có. Giả sử rằng từ viên đạn có vận tốc u bắn một “chất điểm” nào đó trong hệ O’ sẽ thấy viên đạn đóng vai trò là hệ quán tính chuyển động so với nó và cũng sẽ xác lập được biểu diễn tổng hợp vận tốc của viên đạn và của chất điểm với u đóng vai trò là vận tốc của hệ “mang” tương tự như v trong trường hợp này. Vậy thì u không thể lớn hơn c được.

- w lớn hơn c:

Khả năng duy nhất, nếu có, chỉ có thể là khi cả v và u bằng c. Tuy nhiên khi v=c thì thành phần trong dấu ngoặc đơn của biểu diễn bằng 0, do đó dù giá trị của u có thế nào chăng nữa thì w cũng chỉ bằng c chứ không thể lớn hơn được. Thế còn khi u=c và v nhỏ hơn c một chút xíu sao cho thành phần trong dấu ngoặc đơn khác 0, thì tình hình có “khá hơn” không?

Nên nhớ, u là giá trị vận tốc của viên đạn được nhìn nhận trong hệ O’. Theo thí nghiệm giả tưởng mô tả ở hình 5 thì khi u=c thực sự, thường thì u* không bằng c (nhỏ hơn c) mà chỉ có một trường hợp gọi là đặc biệt và duy nhất, khi x=x’ là u*=c. Vậy để biểu diễn đạt được vận tốc tổng hợp lớn tối đa, phải chọn trường hợp khi u=c thì u*=c. Nghĩa là:

Suy ra:

Từ đó biết được

Lúc này biểu diễn được viết là:

Rốt cuộc:

Hay w=c

Có thể thấy khi v²=c² thì u² bị triệt tiêu và khi u²=c² thì v² lại bị triệt tiêu trong biểu diễn cho nên cho dù cùng một lúc cả u lẫn v bằng c thì w cũng không thể lớn hơn c. Vậy w không thể lớn hơn c trong mọi trường hợp!

2.- Từ tiên đề về vận tốc có thể suy ra:

- Khi k=0, sẽ dẫn tới v=c.

Nếu quan niệm rằng trong chân không, không có vật nào (không phải là hạt KG hay hạt sáng) chuyển động nhanh hơn và thậm chí là bằng ánh sáng thì có thể coi hệ O’ lúc này là một “khối” toàn hạt sáng. Giả sử rằng tại thời điểm , khối sáng ấy phát sáng ra xung quanh thì nếu thí nghiệm giả tưởng ở hình 5 là đáng tin cậy, chúng ta sẽ thấy đường đồng thời (trong không gian là mặt đồng thời) của khối sáng có dạng được mô tả ở hình 8/a. Đường đồng thời đó chỉ ra rằng khối sáng chỉ có thể phát sáng (hay bức xạ hạt sáng) ra “phía trước” nó. Nghĩa là nếu qui khối ánh sáng chuyển động với vận tốc c thành như một hạt sáng duy nhất (chất điểm) và cho rằng sự phát sáng của nó là liên tục từ lúc bắt đầu thì sau một khoảng thời gian nào đó có thể “thấy” một mặt sáng mà ảnh chiếu trên mặt phẳng của nó được mô tả ở hình 8/b. Hiện tượng này có thực không, và nếu có thực thì có thể dùng nó giải thích vì sao các “luồng” sáng chỉ phát sáng về phía trước do đó mà nhìn từ phía sau không  bao giờ thấy được luồng sáng hay “khối” ánh sáng nào cả? Phải chăng đây chính là nguồn gốc sâu xa của hiệu ứng Trerenkov (là hiện tượng một vi hạt, chẳng hạn proton, khi bay qua một môi trường trong suốt  (chất dẻo lỏng) với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường ấy (đây là ngộ nhận chăng???) thì phát xạ sóng điện từ. Vùng phát xạ ánh sáng ấy di chuyển dưới dạng hình chóp nón hướng theo chiều chuyển động của vi hạt. Tốc độ vi hạt càng lớn, hình chóp nón càng nhọn. Dựa vào góc của hình chóp nón này, người ta có thể xác định tốc độ gần đúng của vi hạt ít nhất tới 1%?

Hình 8: Sự phát sáng của một “khối” ánh sáng.

Có thể hình dung rằng khi v=c, không có một “viên đạn” hay vật nào khác có thể tồn tại trong hệ O’ ngoài những hạt sáng (đến đây, chúng ta vẫn chưa biết được hạt sáng có phải cũng là hạt KG kích thích hay không. Nếu không phải thì hạt sáng phải là một hợp thành của một số lượng nào đó hạt KG và như vậy vận tốc ánh sáng có thể là xấp xỉ nhưng vẫn nhỏ hơn vận tốc cực đại tới hạn c).

- Khi k=1, sẽ dẫn tới hai kết quả: hoặc v=0, hoặc . Khi v=0 thì hệ O’ rõ ràng là đứng yên so với hệ O và coi như chúng cùng thuộc một hệ. Đối với trường hợp thì coi như chúng ta đã xét ở phần trên và lúc này, khi v=c sẽ xuất hiện trường hợp đặc biệt (xem trên hình 8/a) là:

Nhưng vấn đề là một luồng sáng truyền trong chân không có tự phát bức xạ như mô tả ở trên không, hay cần phải có một tác động ngoại lai nào đó, hay hỏi cách khác là khi nào thì luồng sáng đó phát xạ? Chúng ta phỏng đoán rằng một luồng sáng truyền trong chân không, khi không “thấy” bất cứ một tác động ngoại lai nào đối với nó thì vẫn còn một tác động cuối cùng, không thể loại trừ được làm xuất hiện sự phát xạ ở luồng sáng. Có như thế là do tính cấu trúc mạng khối của không gian (ở tầng vi mô) đã trở nên nổi trội hẳn đối với sự truyền sáng, ảnh hưởng quyết định đến sự truyền sáng. Hay có thể nói hiện tượng phát xạ trong sự truyền sáng là không thể loại trừ được một cách tuyệt đối, vì môi trường ête luôn gây ảnh hưởng đối với sự truyền sáng, làm cho một luồng sáng càng truyền đi xa, càng phải loe ra. Chúng ta gọi hiện tượng loe ra của luồng sáng do ảnh hưởng của môi trường ête là hiện tượng phát xạ tự nhiên của luồng sáng và coi như không đáng kể. Tuy nhiên, khi một luồng sáng đi từ môi trường chân không vào một môi trường gọi là do ảnh hưởng của môi trường ête kém chiết quang hơn, thì sự phát xạ của nó bị kích hoạt, trở nên nổi trội và dễ thấy. Hiện tượng này thoạt nhìn thì có vẻ ngược với hiện tượng phát sáng của các hạt vi mô trong hiệu ứng Trerenkov, nhưng ngẫm nghĩa kỹ thì có thể cho rằng chúng có cùng một nguyên nhân sâu xa.

Từ hiện tượng phát sáng tự nhiên suy ra rằng, một luồng sáng lan truyền tự nhiên trong chân không không thể phát theo bất cứ phương chiều nào, ngoài những phương chiều lân cận với phương chiều đang lan truyền của nó, hay nói gần đúng là chỉ phát sáng theo phương chiều lan truyền của nó.

Vậy có thể kết luận: khi chuyển động của hệ O’ so với O có v=0 thì trong trường hợp cực đại, đích thị là: w=u=c; còn khi v=c thì đích thị là w=v=c và u lúc này là phải bằng 0.

3.- Cũng có thể xét biểu diễn một cách tương đối (gần đúng) như sau:

- Khi v và u nhỏ xấp xỉ bằng 0:

Lúc này vì thành phần trong dấu ngoặc đơn (k) xấp xỉ bằng 1, nghĩa là , nên biểu diễn có thể viết dưới dạng:

              

Đây chính là biểu diễn toán học của phép tổng hợp vận tốc trong cơ học cổ điển và còn có thể viết dưới dạng véctơ:

              

+ Khi , thì: w=v+u

+ Khi , thì w=v-u

+ Khi , thì:

- Khi v và u lớn đáng kể so với c:

Lúc này vì v và u khá lớn nên không thể bỏ qua được thành phần trong dấu ngoặc đơn (hay thành phần k). Bởi vậy, đơn giản là chúng ta cũng chỉ xét những trường hợp cụ thế:

+ Khi , thì:

Giả sử rằng v hoặc u bằng c thì w luôn bằng c. Nghĩa là vận tốc còn lại (giữa v và u) phải bằng 0. Cho dù có thể xảy ra hiện tượng cả v và u đều bằng c thì w cũng không thể lớn hơn c được.

+ Khi , thì:

Đây là trường hợp khá đặc biệt. Phải qui ước rằng trong trường hợp này, . Khi u=c thì v=0 để w=c

Nhưng giản dị hơn, nên qui ước  trong k nằm trong dấu tuyệt đối, nghĩa là:

+ Khi , thì:

Trong trường hợp này, nếu v hoặc u, hay cứ cố cho rằng cả v và u đều bằng c thì w vẫn luôn luôn bằng c.

Đến đây chúng ta nghĩ rằng đã “vạch áo” cho mọi người quan chiêm khá kỹ… lưng của cô gái lọ lem . Đối với chúng ta đó là một tấm lưng không hề bị “lọ lem” chút nào mà hơn nữa còn làm mê mẩn lòng người. Nhưng không biết đối với “tiêu chuẩn thẩm mỹ” của các nhà vật lý, tấm lưng có nét đẹp “quê mùa” ấy đã thỏa mãn chưa?

Quá trình tìm hiểu chuyển động sẽ tất yếu dẫn đến tìm hiểu nguyên nhân gây ra chuyển động. Theo chúng ta, nói chung và nôm na, nguyên nhân cối lõi nhất gây nên chuyển động vật chất là sự tương tác - sự"huých nhau" giữa chúng, giữa vật và môi trường chứa nó theo nguyên lý tác động phản ứng, mà gốc gác sâu xa nhất của sự hình thành ấy chỉ có thể thấy được ở tận “đáy cùng” của nến tảng Vũ Trụ. Tùy thuộc vào hoàn cảnh, điều kiện cụ thể và cũng tùy thuộc vào góc độ, khả năng của quan sát mà một cách tương đối, cái nguyên nhân cốt lõi ấy thể hiện ra thành những kiểu, dạng có tính đặc thù, phân biệt được với nhau.

Vật chất vận động nhằm duy trì tồn tại và thể hiện sự tồn tại ấy trước quan sát. Phương thức vận động cốt lõi mà cũng phổ biến là chuyển động. Chuyển động của một vật trong môi trường là nhằm bảo toàn sự tồn tại của vật cũng như nhằm duy trì sự cân bằng trạng thái của môi trường chứa nó. Đó là mặt thụ động của chuyển động. Song, trong nhiều trường hợp cụ thể, sự chuyển động còn bộc lộ ra tính chủ động tương đối của nó, nghĩa là có những chuyển động được thấy như là chuyển động tự thân, hay chuyển động do “ý thích”. Chẳng hạn, một chiếc ô tô đang đứng yên bỗng rồ máy, chạy bon bon trên đường. Chẳng hạn như chúng ta, đang sống ở nhà êm đềm với vợ, bỗng một hôm “nổi điên lên”, đi lang thang chẳng có duyên cớ rõ ràng nào cả và đến tận bây giờ vẫn còn ở tận đẩu tận đâu trong Vũ Trụ. Không thể cho rằng những chuyển động chủ động kiểu “duy ý chí” đó là nhằm bảo toàn sự tồn tại của vật được! Đúng là như vậy thật! Chúng ta thừa nhận tính bất toàn trong nhận định của mình để khỏi phải cãi vã tay đôi với những nhà triết học “ngôn ngữ thuần túy”, ưa nói trạng và bắt bẻ nhau trên “mặt trận khái niệm” ngổn ngang những khiếm khuyết, tối nghĩa, hai mang nhiều khi là không khắc phục được. Tuy nhiên, có thể qui tất cả những chuyển động chỉ vì “thích thú” ấy vào chung với “đám” chuyển động ngẫu nhiên, từ bên ngoài hoặc nảy sinh ra từ chính môi trường tác động vào môi trường, thuộc về lực lượng những biến cố làm biến đổi môi trường, góp phần làm cho môi trường “nỗ lực” duy trì trạng thái cũ trong xu thế luôn chuyển biến trạng thái để “vừa là nó vừa không phải nó”; và chính như thế, hóa ra, mới là tồn tại, mới “xứng danh” là tồn tại đích thực…

Về đại thể, có thể chia nguyên nhân gây ra chuyển động của một vật ra làm hai loại chính. Loại thứ nhất là vận động vật chất trong Vũ Trụ vi mô làm xuất hiện chuyển động trước quan sát trong Vũ Trụ vĩ mô. Loại thứ hai là vận động vật chất của Vũ Trụ vĩ mô tác động đến vật vĩ mô, làm cho nó chuyển động (và đồng thời cũng làm xuất hiện hàng loạt vận động cũng như chuyển động trong Vũ Trụ vi mô). Sự phân chia ấy là có tính chủ quan, tương đối. Chủ thể tư duy muốn nhận thức Vũ Trụ thì phải phân chia Vũ Trụ nhưng Vũ Trụ thực tại là một thể thống nhất không thể phân chia. Chính vì vậy mà chuyển động nói riêng, mang trong lòng nó đồng thời cả tính tất yếu và tính ngẫu nhiên. Tính tất yếu làm cho chuyển động phải như thế này chứ không thể như thế khác, tính ngẫu nhiên làm cho chuyển động trở nên đa dạng, phong phú đến diệu kỳ.

Cụ thể thì sự tác động gây ra chuyển động xảy ra như thế nào? Trực quan sinh động đã giúp loài người hiểu được, không có cái gì hay vật nào đang đứng yên tự dưng chuyển động và cũng không thể đang chuyển động tự dưng chuyển sang đứng yên được. Một chiếc xe ngựa đang đứng yên thì cứ mãi đứng yên cho đến khi có người, hay con ngựa tác động (như kéo, đẩy…) đến nó làm cho nó chạy trên đường. Vật lý học đã thấy được nét chung nhất của mọi tác động gây ra chuyển động cơ học (sự biến dạng của một vật, suy cho cùng thì cũng là chuyển động - chuyển động của những bộ phận tạo nên vật), làm biến đổi trạng thái cũng như phương chiều chuyển động, và đi đến khái niệm “lực” (sức, sức người, sức ngựa…).

Ngày nay, khái niệm “lực” coi như đã được định nghĩa rõ ràng, trở thành một khái niệm phổ thông trong thực tiễn đời sống xã hội và hầu như không còn tính trừu tượng nữa. Bình thường, nếu có ai hỏi: “Tại sao trái táo rơi?” thì có lẽ không một ai, kể cả nhà vật lý lại trả lời rằng: “Trái Đất hút!”, bởi vì đó là điều quá hiển nhiên, mà sẽ tìm câu trả lời theo hướng khác như: tại vì trái táo quá chín; bị ai đó hái, bị gió thổi… Nói chung, chẳng còn mấy ai bận tâm đến khái niệm “lực” nữa. Nếu một anh chàng “thiếu hiểu biết” nào đó cắc cớ đến hỏi một vị thiền sư rằng lực là gì thì nhiều khả năng anh ta sẽ lập tức nhận được một câu trả lời mạnh mẽ và đích đáng: quả đấm của thiền sư bay thẳng đến mũi anh ta. Sau cú đấm đó, anh chàng sẽ vừa chùi máu mũi vừa “đại ngộ” ra ngay: “À, thì ra lực là thế!”.

Giả sử, chúng ta gặp anh chàng đó và hỏi lại: “Lực là gì?”. Chắc rằng anh ta sẽ kể ra kinh nghiệm “máu xương” của mình và nói thêm: “Lực là thế đấy! Là thứ gì đó làm cho tớ chao đảo, choáng váng, còn mũi thì xịt máu, đau điếng…”. Nếu  hỏi thêm: “Thứ gì đó cụ thể là thứ gì?” thì có lẽ anh chàng sẽ trả lời: “Không thể diễn tả dứt khoát được bằng ngôn ngữ mà chỉ có thể cảm nhận được thông qua trải nghiệm bằng cách thiền ngộ…”. Đến đây, đối với chúng ta, khái niệm “lực” tưởng chừng đã rất dễ hiểu bỗng trở nên bí hiểm. Ở đây, lực có phải là quả đấm của vị thiền sư không? Rõ ràng là không phải! Hay lực là tốc độ của quả đấm? Cũng không phải nốt! Nhưng nếu không có quả đấm và quả đấm không chuyển động đến “va chạm” vào mũi anh chàng nọ thì anh ta sẽ không “đại ngộ” được về lực. Vậy lực là thứ gì đó kết hợp của hai yếu tố quả đấm và tốc độ, “nấp đằng sau” hai yếu tố đó, “mượn” hai yếu tố đó làm phương tiện để thể hiện ra trong hiện thực. Nghĩ như thế kể cũng khá “hay ho” nhưng cũng chẳng sáng sủa hơn là mấy. Trái táo rơi khi chạm đến mặt đất sẽ có ít nhiều gây ra một tác động đến mặt đất. Tác động đó gọi là lực. Có thể cho rằng lực đó là do trái táo kết hợp với tốc độ rơi của nó, kết hợp lại tạo ra. Nhưng nếu không có cái mũi hay mặt đất chặn lại thì quả đấm hay trái táo cũng chẳng làm xuất hiện ra lực. Lạ lùng hơn nữa là nếu rơi xuống nền cứng, trái táo có thể bị (đập) vỡ ra. Điều đó có nghĩa là cái chủ động tạo ra lực lại bị ngay chính lực ấy tác động trở lại kiểu “gậy ông đập lưng ông”. Hay có thể “đổ thừa” cho mặt đất làm vỡ trái táo được không? Nhưng mặt đất làm gì có tốc độ để mà tạo ra lực “đập” trái táo? Hỏi 100 người thì cả 100 người đều nói là trái táo rơi xuống mặt đất chứ không ai nói mặt đất bay lên trái táo cả. Nhưng nếu không phải mặt đất thì “ai” làm vỡ trái táo? Không lẽ là Thượng Đế? Nếu có Thượng Đế thật thì với bề bộn công việc lớn lao trong cai quản Vũ Trụ, Ngài có chịu “thò mũi” vào những chuyện hoàn toàn vớ vẩn như thế này không, mà “thò mũi” vào để làm gì, để thương yêu (hay ghét bỏ) loài người hơn à?

Cuộc tìm kiếm câu trả lời rồi cũng dẫn chúng ta đến một câu hỏi mới: nguyên nhân nào làm cho trái táo khi rời cành thì phải rơi thẳng góc xuống mặt đất mà không chuyển động theo bất cứ phương chiều nào khác? Trả lời câu hỏi này quá dễ: Niutơn đã chỉ ra rằng đó là do lực hút giữa Trái Đất và quả táo gây ra. Chính lực hút ấy bứt quả táo ra khỏi cành táo và rơi xuống đất để rồi bị mặt đất đập vỡ. Vậy thì nếu nói trái táo là thủ phạm làm “đau” mặt đất thì Trái Đất là thủ phạm “đập tan” trái táo, hay nói cách khác chúng cùng là thủ phạm và nạn nhân của nhau, cùng tạo ra lực hút đối với nhau, để rồi cùng gây ra chuyển động so với nhau và cuối cùng là “đâm sầm” vào nhau.

Nhưng lực hút giữa hai vật được hình thành lên như thế nào, từ đâu mà vạn vật có lực hấp dẫn lẫn nhau như vậy? Cho đến nay, nguyên nhân xuất hiện lực hấp dẫn vẫn còn là một huyền bí đối với vật lý học. Tại sao hai thiên thể cách rất xa nhau, quan sát cho thấy chúng chẳng có mối liên hệ trực tiếp nào cả, lại có thể gây ra lực tác động đến nhau? Gần gũi hơn, tại sao một thỏi nam châm lại có thể hút được một cục sắt mà không cầm chạm vào nó, thậm chí là ngay cả khi giữa chúng bị ngăn cách bởi một tấm bìa giấy? Một cách trực quan thì khi vị thiền sư chưa nắm tay lại thành quả đấm, hoặc giả nắm rồi mà chưa vung về phía mũi anh chàng nọ thì rõ ràng là chưa hình thành lực. Lực chỉ hình thành trong quả đấm khi nó chuyển động và đặc biệt là không cần thiết có cái mũi của anh chàng kia “ở đó” hay không. Trong khi đó lực hút của Trái Đất dù là đang đứng yên so với quả táo thì lại được “triển khai” ngay khi “có mặt” của quả táo làm cho quả táo luôn có xu thế chuyển động đến (tâm) Trái Đất. Thỏi nam châm điện cũng vậy, dù đang đứng im thì khi xuất hiện một cục sắt ở trong “tầm ảnh hưởng” của nó, nó lập tức làm hình thành ngay một lực hút đối với cục sắt đó mà không cần “chuẩn bị” trước. Còn nếu thay cục sắt bằng cục gỗ thì thỏi nam châm vẫn im lìm, “không thèm đoái hoài tới”. Vậy thì bản chất của các lực ấy có khác nhau không? Về mặt nguyên nhân tạo thành có thể khác nhau chứ về mặt tác dụng cơ học thủ như thực nghiệm chỉ ra, có thể khác nhau về mức độ nhưng hoàn toàn như nhau, nghĩa là đều có thể làm cho chuyển động của một vật bị biến đổi về trạng thái, về phương chiều hay làm cho Thượng Đế phải lao tâm khổ trí và tốn công sức bày vẽ ra nhiều cách khác nhau tạo ra lực chỉ để sử dụng vào một mục đích duy nhất? Khó mà tin được Thượng Đế toàn trí toàn năng lại đi làm một việc như vậy!

Nếu không tin Thượng Đế lại xử sự ngây ngô như vậy thì phải tin rằng một cách tương đối, vì vận động thể hiện ra dưới nhiều dạng đặc thù nên có thể tương đối cũng có nhiều cách làm hình thành lực. Nhưng một cách tuyệt đối thì những vận động đa dạng đó đều có một nguyên nhân duy nhất, vì một mục đích khách quan duy nhất và đều hình thành trên một cơ sở duy nhất, từ một phương thức cơ bản duy nhất. Cũng do đó mà sự hình thành tương đối khác nhau của lực, truy cho đến cùng cũng phải được qui về một phương thức cơ bản duy nhất. Cũng do đó mà sự hình thành tương đối khác nhau của lực, truy cho đến cùng cũng phải được qui về một phương thức duy nhất, dựa trên một nền tảng duy nhất. Về mặt triết học, chúng ta có thể phát biểu thế này: Tồn Tại là duy nhất trong đa dạng, Tự Nhiên là vốn dĩ trong tự do, biểu diễn ra trước quan sát là vật chất vận động. Đi đôi với quá trình tồn tại và vận động vật chất là quá trình hình thành nên thế và lực ở khắp nơi, khắp tầng nấc trong Vũ Trụ, tạo điều kiện cho vật chất “tiếp tục” tồn tại và vận động. Có thể nói nguồn gốc tồn tại của thế và lực là Tự Nhiên, nền tảng tồn tại của thế và lực là vật chất vận động. Không có vật chất vận động thì không thể có thế và lực, ngược lại, không có thế và lực thì vật chất không thể tồn tại và vận động được. Đó là hai mặt của một quá trình thống nhất, là tiền đề tồn tại của nhau và không thể tách rời được, nhưng để có thể tìm hiểu, nhận thức Vũ Trụ thì phải coi “chủ thể” của hai mặt đó vật chất vận động.

Theo quan niệm ấy, chúng ta nói cụ thể hơn: chuyển động của vạn vật trong hiện thực khách quan đều do lực gấy ra và bị lực chi phối, ngược lại, chuyển động của vạn vật là nguyên nhân (duy nhất) làm hình thành nên (thế và) lực. Nếu có thể quan sát được trong hiện thực khách quan cả hai miền vĩ mô và vi mô của Vũ Trụ thì có thể thấy những lực có tính tác động gián tiếp như lực hấp dẫn, lực điện từ là được hình thành nên từ sự chuyển động tương tác của vạn vật thuộc miền vi mô biểu hiện ra trong miền vĩ mô, còn những lực tác động thông qua tiếp xúc, va chạm trực tiếp thì được hình thành nên từ chuyển động của vạn vật vĩ mô (những chuyển động và lực này, coi như một cách giá tiếp, cũng gây ra chuyển động, “xáo trộn” đối với vạn vật của miền vi mô).

Biểu hiện của lực là tính phương chiều và tính cường độ tác động của nó, trong đó, tính cường độ đóng vai trò quan trọng hơn trong thực tiễn nghiên cứu ứng dụng. Hai viên bia như nhau đặt trên cùng một bàn, viên nào chịu một lực tác động có cường độ lớn hơn (mạnh hơn) sẽ phải chuyển động nhanh hơn. Ngược lại đối với hai viên bi “nặng” “nhẹ” khác nhau cùng chịu lực tác động như nhau về cường độ, viên nào nhẹ hơn sẽ phải chuyển động nhanh hơn. Hơn nữa, còn có thể thấy mọi vật chuyển động đều “hàm chứa” lực. Một vật càng “nặng” chuyển động càng nhanh thì cường độ lực mà nó hàm chứa càng lớn (càng mạnh).

Ý niệm vê sự “nặng”, “nhẹ” chắc rằng đã xuất hiện trong tâm thức con người từ tối cổ xa xưa, khi họ còn đang “ăn sống nuốt tươi”, “ăn lông ở lỗ”, và cũng chắc rằng khái niệm “nặng”, “nhẹ” đã xuất hiện ngay trong thời kỳ đầu hình thành ngôn ngữ. Khi đã phân biệt, so sánh được sự “nặng”, “nhẹ” giữa các vật thì con người cũng phải đi tìm hiểu cái nguyên nhân gây ra sự khác biệt ấy và dần dần tất yếu phải đến với khái niệm “chất” và “lượng”. Hai vật khác nhau về chất và lượng thì có mức nặng, nhẹ khác nhau. Có lẽ nào thời cổ đại, quan niệm đúng đắn đó đã trở thành hiển nhiên. Tuy nhiên, nguyên nhân sâu xa và cốt lõi nhất làm cho các vật có “sức nặng” thì phải đợi đến thời đại của Niutơn mới được làm cho sáng tỏ. (Nhưng sự sáng tỏ đó, cho đến nay, vẫn chưa hoàn toàn?!).

Theo Arixtốt, có một mặt cầu mà trên đó gắn các sao bất động, bao bọc Vũ Trụ. Bên ngoài mặt cầu này không phải là vật chất, cũng không phải là chân không, nhưng lại đóng vai trò “nguyên ủy, toàn năng”, là “động cơ thứ nhất” điều khiển mọi chuyển động của vật chất. Vạn vật trong Vũ Trụ đều có vị trí tự nhiên của nó. Nếu bị cưỡng bức chuyển động thì chúng luôn có xu thế trở về vị trí tự nhiên ấy. Một con lắc bị cưỡng bức chuyển động thì nó sẽ dao động để rồi trở về vị trí tự nhiên trước đó của nó (vị trí cân bằng). Chuyển động về vị trí tự nhiên được gọi là chuyển động tự nhiên. Nếu cắt sợi dây treo con lắc thì có sẽ chuyển động tự nhiên xuống vị trí tự nhiên của nó lúc này là mặt đất. Nói chung, vị trí tự nhiên của các vật nặng là ở trên mặt đất. Một hòn đá bị ném lên không trung thì nó buộc phải chuyển động lên cao và ra xa trong không trung, nhưng rồi trước sau gì nó cũng phải chuyển sang chuyển động tự nhiên để trở về mặt đất.

Thomas Aquinas tiếp thu quan niệm ấy của Arixtốt và cho rằng cái gì đó phi phàm, đóng vai trò “động cơ thứ nhất” chính là Thượng Đế. Ông là người đưa ra khái niệm “lực” để nói về sức mạnh vô biên của Thượng Đế.

Nếu Thomas Aquinas là người đầu tiên đưa khái niệm “lực” vào thần học thì Đềcác là người đưa khái niệm “lượng chuyển động” hay “động lượng” vào khoa học. Theo Đềcác, đầu tiên, Chúa sáng tạo ra Vũ Trụ vật chất, “rót” vào đó một lượng chuyển động nhất định rồi thôi, sau đó không can thiệp nữa mà để cho vật chất trong Vũ Trụ chuyển động theo quy luật và lượng chuyển động được “rót” lúc đầu ấy luôn được bảo toàn. Ông có nói đến “độ lớn” của vật, nhưng khái niệm đó khá mơ hồ. Vì cho rằng Vũ Trụ chứa đầy vật chất, nên theo ý ông, thể tích là cái xác định về mặt “lượng” của vật. (Theo ý kiến riêng, chúng ta cho rằng quan niệm về một Vũ Trụ “đầy ắp” không gian vật chất là rất sâu sắc. Tiếc rằng, ông đã hiểu chân không là một cái gì đó tuyệt đối trống rỗng nên cũng không thể thấy được tính vật chất của nó và đã “loại” nó “ra khỏi” Vũ Trụ). Tuy nhiên, như chúng ta thấy, lấy thể tích để xác định “lượng” của một vật, vẫn “chưa đủ” để đặc trưng cho sức nặng của nó. Rõ ràng là hai vật có thể tích bằng nhau nhưng có “chất” khác nhau thì “sức nặng” của chúng cũng khác nhau. Vì vậy phải lấy ngay “sức nặng” của vật để làm cơ sở xây dựng đại lượng biểu thị “lượng” của nó. Nghĩa là lượng của một vật phải bao làm được hai yếu tố là số lượng (thể tích) và chất lượng của vật chất “chứa” trong vật đó. Niutơn là người đã làm được đều đó một cách thỏa đáng hơn cả.

Kế thừa quan niệm “nguyên tử” của Đêmôcrite, Niutơn cũng cho rằng Vũ Trụ bao gồm Không gian trống rỗng (tuyệt đối) và vạn vật được cấu thành nên từ những hạt vật chất rất nhỏ, không thể phân chia được nữa gọi là nguyên tử. Trên cơ sở đó, ông hình dung “lượng vật chất” của một vật phải là một đại lượng biểu thị tổng số lượng nguyên tử làm nên vật đó và tạo ra “sức nặng” của nó. Từ đó, ông đi đến định nghĩa: “lượng vật chất” của một vật là số đo vật chất của vật đó, nó có tỷ lệ với mật độ (có thể Niutơn nói đến số lượng nguyên tử có trên một đơn vị thể tích, và như thế rõ ràng là nói đến chất) và thể tích của vật. Sau này khi phát hiện ra tính bảo toàn trạng thái chuyển động của vạn vật và gọi tính chất ấy là “quán tính” thì đồng thời ông còn gọi “lượng vật chất” là “khối lượng”. Qua thực nghiệm, Niutơn còn phát hiện ra quán tính luôn tỷ lệ với khối lượng. Với quan niệm khối lượng của một vật là bất biến trong suốt quá trình tồn tại của nó, Niutơn đã xây dựng được mối quan hệ giữa lực, khối lượng và sự biến đổi trạng thái của chuyển động (gia tốc): Mối quan hệ này được ông biểu diễn một cách chính xác bằng một công thức toán học thật gọn gàng, sáng tỏ nên cũng tuyệt đẹp.

Sau khi thực hành thí nghiệm kiểm chứng thí nghiệm nổi tiếng mà Galilê đã thực hiện ở tháp Pisa năm nào, Niutơn cũng đi đến kết luận rằng trong chân không các vật nặng, nhẹ khác nhau rơi trên cùng độ cao đều chạm mặt đất cùng một một thời điểm, hơn nữa là cùng một giá trị vận tốc, nghĩa là gia tốc gây ra bởi lực hút Trái Đất đối với các vật là như nhau. Từ đây và nhờ công thức toán học nêu trên, cũng như đã biết sức nặng của một vật chính là lực hút của Trái Đất đối với nó mà người ta hiểu rằng trên mặt đất, vật nặng hơn là vật chịu lực hút trái đất lớn hơn hay cũng có nghĩa vật đó chứa “lượng vật chất” nhiều hơn (khối lượng lớn hơn). Sức nặng của một vật còn được gọi là trọng lượng của vật đó.

Tóm lại, sự thôi thúc loài người đi nhận thức tự nhiên thuở đầu tiên không phải vì đam mê viễn vông mà vì cuộc sống đòi hỏi và đó cũng chính là mục đích tối hậu của công việc nhận thức ấy. Nhận thức tự nhiên, lẽ đương nhiên trước hết tìm hiểu vạn vật hiện tượng hiện hữu và sự biến đổi của chúng trong hiện thực khách quan. Từ đó, xuất hiện một lĩnh vực nghiên cứu cơ bản về vật chất và vận động của chúng, gọi là vật lý học. Quá trình nhận thức từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp là một qui luật khách quan. Do đó, lĩnh vực nghiên cứu đầu tiên của vật lý học, dễ hiểu là vấn đề chuyển động. Từ nghiên cứu chuyển động đến nghiên cứu nguyên nhân của sự chuyển động là không có gì lạ. Nhờ có những con người kiệt xuất, thiên tài như Galilê, Đềcác, Niutơn… mà Niutơn là người cuối cùng, tổng quát hóa, loài người đã gặt hái được một thành tựu tuyệt vời của mình trong việc nhận thức tự nhiên, đó là cơ học cổ điển. Có thể cho rằng thời điểm ra đời cơ học cổ điển là ngẫu nhiên nhưng phải khẳng định rằng sự ra đời của nó là tất yếu vì những bộ óc kiệt xuất, thiên tài trực tiếp viết ra nó chính là những hun đúc ngàn đời về trình độ hiểu biết, đồng thời cả về tinh thần, nghị lực và niềm say mê cháy bỏng mà loài người; chính là những hậu duệ xuất sắc nhất của các bậc tiền bối - những con người tiên phong đi khai đường mở lối xưa kia, và dù không phải là thần thánh thì trí tuệ tuyệt vời của họ đã làm họ trở nên bất tử như thần thánh trong tâm thức con người.

 
(Còn tiếp)
-----------------------------------------------------------