TT & HĐ II - 12/d

 

James Maxwell - Người Hoàn Thiện Lý Thuyết Điện Từ

PHẦN II:     Nền tảng

Tôi là người vô đạo tới sâu sắc - điều này có phần như là một thứ tôn giáo mới

Đọc thêm tại: http://www.tudiendanhngon.vn/tabid/88/itemid/563/search/albert-einstein/ © TuDienDanhNgon.vn

" Triết học bắt đầu từ sự ngạc nhiên" 

                                                 Arixtốt 

“Chúng ta có thể mường tượng thế giới của thực tại như
là một dòng nước ngầm; thế giới hiện tượng thì ở bề mặt; bên dưới nó chúng ta không nhìn thấy được. Các sự kiện ở tận đáy của dòng nước gây ra bọt và những xoáy nước ở bề mặt. Đó là những chuyển động bức xạ và năng lượng của cuộc sống chung của chúng ta, nó tác động tới các giác quan và do đó, kích thích trí óc chúng ta; ở bên dưới, dòng nước ngầm vẫn chảy”

Sir James Jeans.

Tôi là người vô đạo tới sâu sắc - điều này có phần như là một thứ tôn giáo mới

Đọc thêm tại: http://www.tudiendanhngon.vn/tabid/88/itemid/563/search/albert-einstein/ © TuDienDanhNgon.vn

CHƯƠNG I: ÔN CỐ TRI TÂN

"Tôi biết nhiều khoa học tuyệt vời, nhưng tôi không biết khoa học nào tuyệt vời hơn triết học". "Dù có cố gắng suy luận mà không quan tâm đến triết học, các khoa học khác thiếu nó thì vẫn không thể có sự sống, tinh thần, chân lý".

G. Hêghen

“Cái tuyệt đối tự biểu lộ đối với những ai tìm kiếm tri thức, là ánh sáng vĩnh cửu, rõ ràng và rực rỡ như mặt trời lúc chính ngọ cho những ai đấu tranh vì đức hạnh, là chính nghĩa vĩnh cửu, kiên định và công bằng cho những ai hướng tình cảm về tình yêu vĩnh cửu và vẻ đẹp thánh thiện”

S. Radhakrisnan.

"Tôi biết nhiều khoa học tuyệt vời, nhưng tôi không biết khoa học nào tuyệt vời hơn triết học". "Dù có cố gắng suy luận mà không quan tâm đến triết học, các khoa học khác thiếu nó thì vẫn không thể có sự sống, tinh thần, chân lý". (G. Hêghen)

“Triết học chân chính chỉ là triết học truyền đạt chính xác nhất tiếng nói của bản thân thế giới và được viết dưới những sự chỉ dẫn của thế giới”

(Ph.Bêcơn)

Con ong khai thác vật liệu từ hoa ngừi vườn và ruộng đồng, nhưng sử dụng và biến đổi nó phù hợp với khả năng và chủ định của mình. Công vịcc đích thực của nhà triết học cũng không khác gì công việc đó.”

(Ph.Bêcơn)

‘‘Các nhà triết học quen sửng sốt. Sửng sốt chính là sự bắt đầu của triết học”

(Platôn)






(Tiếp theo)


                                ***

Nếu Pharađây là người đã đưa ra quan niệm mới về điện và từ; đã nêu lên vai trò của môi trường, gợi ra khái niệm trường và mô tả nó bằng các đường sức, thì Mácxoen là người đã hoàn chỉnh tư tưởng của Pharađây về mặt toán học, đã đưa ra thuật ngữ trường điện từ và đã xây dựng được những qui luật toán học của trường đó. Mácxoen là nhà bác học có tài năng về nhiều mặt, đã đóng góp nhiều công sức vào nhiều lĩnh vực của vật lý học, nhưng tên tuổi của ông trở nên lừng lẫy chính là nhờ thuyết trường điện từ mà ông đã xây dựng và mang tên là điện động lực Mácxoen, với nòng cốt là sáu định luật thể hiện bằng sáu phương trình gọi là các phương trình Mácxoen. Có lẽ thành tựu nổi bật nhất của ông đó là thiết lập lên lý thuyết cổ điển về bức xạ điện từ, mà đã lần đầu tiên bắc chiếc cầu nối giữa điện học, từ học, và ánh sáng như là biểu hiện của cùng một hiện tượng. Phương trình Maxwell của trường điện từ đã được gọi là "lần thống nhất vĩ đại thứ hai trong vật lý" ( Nahin, P.J. (1992). “Maxwell's grand unification”) sau lần thống nhất bởi Isaac Newton.

 

Michael Faraday
Chân dung của Michael Faraday, phác họa bởi họa sĩ Thomas Phillips (1841-1842)
Sinh	22 tháng 9, 1791 Newington Butts, Surrey, Anh
Mất	25 tháng 8, 1867 (75 tuổi) Hampton Court, Surrey, Anh

 Faraday nghiên cứu về trường điện từ xung quanh một dây
dẫn có dòng điện một chiều chạy qua. Khi nghiên cứu những
 vấn đề này, Faraday đã thành lập khái niệm cơ bản về trường
 điện từ trong vật lý, rồi sau đó được phát triển bởi James
Maxwell. Ông ta cũng khám phá ra cảm ứng điện, nghịch từ,
và định luật điện phân. Ông chứng minh rằng từ học có thể tác
 động lên các tia của ánh sáng. Những sáng chế của ông ta về
 những thiết bị có điện trường quay đã đặt nền móng cho công
 nghệ động cơ điện, và ông có công lớn khi làm cho điện có
thể sử dụng trong ngành công nghệ.

Sáu phương trình đó, theo Mácxoen, đã diễn đạt bằng toán học cái tư tưởng nằm trong cơ sở tiến trình tư duy của Pharađây trong công trình “Những khảo sát thực nghiệm”. Năm 1857, Mácxoen có một nghĩa cử rất đẹp là gửi công trình của mình cho Pharađây khiến Pharađây vô cùng cảm động và đánh giá rằng đó là một sự an ủi, động viên lớn lao đối với ông.

Về thuyết của mình, Mácxoen viết:

“Lý thuyết mà tôi đề nghị có thể được gọi là lý thuyết trường điện từ, vì rằng nó nghiên cứu không gian bao quanh các vật điện và từ. Nó cũng có thể được gọi là thuyết điện động lực học, vì nó thừa nhận rằng trong không gian đó có vật chất chuyển động, nhờ nó mà diễn ra các hiện tượng điện từ quan sát được”

 

James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell (1831–1879)
Sinh	13 tháng 6, 1831 Edinburgh, Scotland
Mất	5 tháng 11, 1879 (48 tuổi) Cambridge, Anh

Với bài báo Một lý thuyết động lực học của trường điện từ 
 công bố năm 1865, Maxwell đã chứng tỏ được rằng lực tĩnh
 điện và từ trường lan truyền trong không gian như là các sóng 
 chuyển động với vận tốc bằng tốc độ ánh sáng. Maxwell cho 
rằng ánh sáng là một dạng dao động sóng trong cùng một môi 
 trường mà là nguyên nhân gây các các hiện tượng điện và từ
^. Sự thống nhất của ánh sáng với các hiện tượng điện đã đưa
 đến tiên đoán tồn tại sóng vô tuyến..

Năm 1873, Mácxoen công bố “giáo trình điện học và từ học”, tổng kết và hệ thống toàn bộ lý thuyết của mình. Trong công trình này ông đã trình bày tỉ mỉ lý thuyết điện từ về ánh sáng; đã chứng minh được rằng ánh sáng mà ta nhìn thấy là một dải rất hẹp của bức xạ sóng điện từ (ngoài ánh sáng, các sóng radio, tia tử ngoại, hồng ngoại, rơnghen, tia gamma do các chất phóng xạ phát ra… đều là sóng điện từ). Nói cách khác, ông đã chứng minh mối liên quan bản chất giữa hiện tượng ánh sáng và hiện tượng điện từ; ánh sáng là trường hợp riêng của bức xạ điện từ.

Lý thuyết của Mácxoen phải đợi đến một phần tư thế kỷ mới được thực nghiệm khẳng định dứt khoát. Người làm công việc ấy là Hecxơ (Hertz, 1857-1894). Dựa vào những kết quả thực nghiệm đã tiến hành, ông phân tích trên cơ sở lý thuyết của Mácxoen; viết lại các phương trình Mácxoen theo một dạng gần giống như ngày nay. Khi giải hệ phương trình đó, ông tìm ra kết quả là ở gần bộ rung, trường tạo ra giống như trường tĩnh điện của một lưỡng cực và từ trường của một nguyên tố dòng, phù hợp với định luật Biô-Xava. Nhưng ở khoảng cách xa, trường là một trường sóng, cường độ của nó giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách, lực điện và lực từ vuông góc với bán kính vectơ và tỷ lệ với sin của góc giữa bán kính vectơ và trục của lưỡng cực dao động. Trường đó lan truyền trong không gian với vận tốc ánh sáng. Lưỡng cực bức xạ mạnh nhất theo phương vuông góc với trục của nó và không bức xạ theo phương trục. Những kết quả nghiên cứu lý thuyết đó hoàn toàn phù hợp với khảo sát thực nghiệm. 

Heinrich Rudolf Hertz
Sinh	22 tháng 2, 1857 Hamburg
Mất	1 tháng 1, 1894 (36 tuổi) Bonn, Đức
Nơi cư trú	Đức

Từ đó Hecxơ đã đứng hẳn về phía quan niệm của Mắcxoen và đã xây dựng cơ sở thực nghiệm vững chắc cho thuyết Mácxoen. Không những thế, ông còn bổ sung cho thuyết Mácxoen lý thuyết bức xạ điện từ; chứng nghiệm rằng sóng điện từ đồng nhất với sóng ánh sáng, cũng tuân theo những quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, phân cực… như sóng ánh sáng. Nhờ Hecxơ, lý thuyết Macxoen đã thắng lợi rực rỡ.

Bước phát triển tiếp theo của điện và từ học là sự cố gắng thống nhất lý thuyết trường điện từ và lý thuyết cấu tạo vật chất.

Năm 1884-1885, Pôinting (Poyutig) và Hêvixai (Heaviside) đề ra vectơ mật độ dòng năng lượng của điện từ trường (vectơ Umốp – Pôinting). Cuối thế kỷ XIX xuất hiện khái niệm xung lượng trường điện từ, và trong điện động lực học có thêm vectơ mật độ xung lượng cũng như mômen xung của trường điện từ.

Việc thống nhất lý thuyết trường điện từ với lý thuyết cấu tạo vật chất dẫn đến sự ra đời của thuyết điện tử (electron). Trong một báo cáo công bố năm 1881, Xtônây (Stoney) đề nghị một hệ đơn vị “tự nhiên” với các đơn vị cơ bản là vận tốc ánh sáng, hằng số hấp dẫn và điện tích nguyên tố. Ông cho rằng (rất đúng đắn) phải có một điện tích nguyên tố nhỏ nhất, không thể phân chia được nữa, gắn liền với nguyên tử vật chất (thời đó khái niệm nguyên tố được cho là vật chất nguyên tố nhỏ nhất, cũng không thể phân chia).

Thuyết điện tử được Lorenxơ (Lorentz, 1853-1928) xây dựng vào những năm 70 của thế kỷ XIX. Ông thấy cần bổ sung thêm cho lý thuyết Mácxoen tính cấu trúc vật chất vì muốn hiểu sâu bản chất các hiện tượng điện từ phải tạo lập được về mặt cấu trúc của chúng. Lorenxơ cho rằng thế giới gồm ête là một môi trường không trọng lượng và các vật thể vật chất có trọng lượng. Các vật thể do rất nhiều các hạt mang điện tích dương hoặc âm tạo thành; tương tác giữa ête và các vật thể làm các hạt tích điện dịch chuyển và sự dịch chuyển đó làm phát sinh các hiện tượng điện - tử. 

Hendrik Antoon Lorentz
Hendrik Antoon Lorentz
Sinh	18 tháng 7, 1853 Arnhem, Hà Lan
Mất	4 tháng 2, 1928 (74 tuổi) Haarlem, Hà Lan

Những phương trình của thuyết điện tử viết cho chân không có dạng như phương trình Mácxoen, trong môi trường vật chất không thể áp dụng trực tiếp được. Các đại lượng trong các phương trình đó biến thiên rất nhanh theo tọa độ và thời gian, vì vậy, đối với môi trường vật chất phải áp dụng phép lấy trung bình đối với các phương trình Lorenxơ. Ở môi trường đứng yên, phép lấy trung bình các phương trình Lorenxơ sẽ đưa về được các phương trình Mácxoen. Ở môi trường chuyển động không xảy ra điều đó được, làm nảy sinh việc phải nghiên cứu điện động lực học trong các môi trường chuyển động.

Thuyết điện từ được xem như chương cuối cùng của vật lý học cổ điển. Đó là một trong những bài ca tuyệt diệu về trí tuệ con người. Sự phát hiện ra trường điện từ đã mở rộng thêm sự hiểu biết của con người về vật chất. Từ nay, con người biết rằng vật chất không phải chỉ thể hiện ra dưới dạng các vật thể có hình dạng kích thước nhất định, các thực thể gọi là môi trường chất (nước, không khí) mà còn thể hiện ra dưới dạng trường. Tuy vậy, vào cuối thế kỷ XIX, khi chưa phát hiện được tính hạt của ánh sáng, thì việc hình dung trường điện từ như một thực thể vật chất là không phải dễ dàng. Bởi vì, quen với cách nhìn trực giác, ngay bây giờ đây, việc hình dung ánh sáng vừa mang tính sóng, vừa mang tính hạt là một thực thể vật chất vẫn khó mà “chịu đựng nổi” rồi!

Nhưng các nhà duy vật, những người coi Vũ Trụ này không gì ngoài vật chất, bắt buộc phải cố “chịu đựng”, cố biện minh trường điện từ phải là vật chất. (Thực ra, điều quan trọng là có một cái gì đó chứ không thể là không có gì. Còn “có một cái gì đó” là cái gì thì lại không quan trọng chút nào. Vì “cái gì đó” có thể tùy ý đặt tên, vật chất, phi vật chất hay “con cà con kê” cũng được. Vũ Trụ vẫn thế!).

Theo V.L.Lênin, thuộc tích cơ bản của vật chất là tồn tại và vận động; thuộc tính cơ bản của một thực thể vật lý, là vật chất, cũng là tồn tại và vận động khách quan, trước hết là theo nghĩa động lực học.

Sự tồn tại của trường điện từ là hiển nhiên; sự vận động của nó là rõ ràng; không ai có thể phủ nhận được. Trường điện từ có năng lượng, động lượng, chuyển động, lan truyền trong không gian, phản ứng với vạn vật và tương tác mạnh mẽ với các thực thể mang điện hoặc từ. Do đó trường điện từ phải là một dạng vật chất nào đó. Quan niệm chung ngày nay cho rằng: trường điện từ là một dạng vật chất cơ bản, chuyển động với vận tốc ánh sáng trong mọi hệ qui chiếu quán tính trong chân không: nó thể hiện sự tồn tại và vận động qua những tương tác với dạng vật chất khác là những hạt hoặc những môi trường chất mang điện. Trường điện từ là một thực thể thống nhất, không chia cắt được, thể hiện cụ thể ra hai mặt là điện trường và từ trường chuyển hóa qua lại nhau, trong những hệ qui chiếu khác nhau mang những giá trị khác nhau. Tuy nhiên, với những tương tác thực nghiệm cho thấy rõ nét giữa hai hình thái vận động sóng và hạt photon của trường điện từ bức xạ, mô tả bởi lý thuyết điện động lực học lượng tử, một sự mở rộng lý thuyết Mácxoen về trường điện từ.

Theo các nhà vật lý thì hạt cơ bản là những thực thể tham gia tương tác luôn luôn như một thể hoàn chỉnh, không chia nhỏ được, tức là không biết được cấu trúc nội tại của hạt. Do đó theo mô hình; lượng tử hóa thì trường điện từ phải trao đổi những lượng tử năng lượng, động lượng ..v..v.. nhất định. Theo mô hình này, tuy trường và hạt có những điểm giống nhau, nhưng vẫn có những điểm khác biệt: hạt rất tập trung ở một điểm không gian nhưng trường lại phân bố rộng ra và cứ thế tách ra những lượng tử trường. Hạt có thể chuyển động với những vận tốc khác nhau nhưng trường và lượng tử trường luôn chuyển động với vận tốc ánh sáng (vận tốc cực đại) trong chân không, trong mọi hệ qui chiếu. Vì vậy, ở thế giới vô cùng nhỏ, cấu trúc trường điện từ có thể là rất “gián đoạn”, nhưng trong quãng kích thước quan sát của dụng cụ đo, không thể “nhìn thấy” được cấu trúc hạt, không thấy được photon nên giá trị mà nó xác định chỉ mang tính trung bình, thống kê và như thế trường điện từ lại thể hiện như liên tục. (Đó cũng chính là một thực tại khách quan!!!). Như vậy, có thể gọi “trường” (trong đó có trường điện từ) là những dạng vật chất không có cấu trúc, tương tự như những môi trường chất thường gặp (như nước, không khí…), tồn tại có năng lực tương tác động lực trong không gian và thời gian. Lấy thí dụ minh họa điều này rất dễ. Trên tivi, đã nhiều lần chúng ta thấy vận động đẹp mắt và lạ lùng của những đàn cá con với số lượng lớn. Có những lúc chúng không bơi theo một dòng mà bơi rất nhanh sát nhau theo đủ mọi phương hướng, tưởng vô cùng hỗn loạn mà chẳng bao giờ “đâm sầm vào nhau”, mà quyện lại như một khối gắn kết. Không biết chúng có thông tin gì qua lại với nhau không mà làm được như vậy. Khi nhìn ở cự ly đủ xa, chúng ta sẽ chẳng thấy rõ được từng con cá mà chỉ thấy một khối gì đó như một thực thể thống nhất liên tục di chuyển, liên tục biến dạng. Đó là hình ảnh của trường. Ở cự ly xa hơn nữa, chúng ta sẽ tưởng đó là một khối “đặc” và gọi là “vật thể lạ”.

Còn một con đường thứ tư nữa là nhiệt động học. Con đường này dẫn đến bức xạ nhiệt và dừng lại ở đó với khái niệm “lượng tử năng lượng” của Planck, một khái niệm “làm cho” thế giới vi mô trở nên “rời rạc” hơn cả cái thế giới mà chúng ta đang sống nữa!

Tóm lại, từ nhiều hướng khác nhau, đi tìm bản chất của vật chất, các nhà vật lý học đã khám phá ra biết bao nhiêu hiện tượng kỳ bí của Vũ Trụ, chiến công nối tiếp chiến công, thành quả nối tiếp thành quả; đã tiến rất sâu vào thế giới vi mô, đã phát hiện ra biết bao nhiêu hạt gọi là cơ bản và đang đứng ở vị trí lựa chọn xem hạt nào cơ bản hơn hạt nào để có thể là hạt cơ bản nhất, là đơn vị vật chất cuối cùng làm nên cái Vũ Trụ tổng thể các sự vật hiện tượng này.

Từ thế kỷ XX, các nhà vật lý tin tưởng sâu sắc rằng trong những điều kiện nhất định nào đó thì bốn tương tác cơ bản (hấp dẫn, điện từ, yếu, mạnh) phải thống nhất làm một và như thế, có thể xây dựng một lý thuyết duy nhất, thống nhất bốn tương tác đó. Năm 1907, Vainbec (Weinberg) và Xalam (Salam) đã xây dựng thành công lý thuyết thống nhất giữa tương tác điện từ và tương tác yếu, gọi là “tương tác điện yếu”. Tương tác này do bốn hạt chuyển tải là photon và ba bôxôn trung gian: W⁺, W^-, W^o. Tại phòng thí nghiệm, CERN, người ta đã quan sát được trong thực nghiệm các hạt W⁺, W^- vào năm 1983 nhờ máy gia tốc SPPS và hạt Z^o vào năm 1992, nhờ máy gia tốc LEP.

Các nhà vật lý phán đoán rằng tương tác hấp dẫn truyền đi tương tự như tương tác điện từ, nghĩa là dưới dạng sóng hấp dẫn, và lượng tử của trường hấp dẫn được đặt tên là hạt gravitôn. Cho tới nay, các thí nghiệm nhằm phát hiện sóng hấp dẫn và hạt gravitôn đều chưa đạt kết quả gì.

Hiện nay, các nhà vật lý đang xây dựng lý thuyết thống nhất ba tương tác: mạnh, điện từ và yếu. Muốn thế phải xác lập được các mối quan hệ giữa các mối quan hệ giữa các lượng tử tương tác là photon, W+, W-, Wo, luôn với nhau và với các hạt “thực sự cơ bản” là leptôn và quac. Nghe nói các kết quả đạt được là rất đáng khích lệ. Cầu Trời!

Nếu có hạt Tồn Tại nhỏ tuyệt đối thì nó phải bằng cái Một tuyệt đối (nghĩa là bằng đơn vị tuyệt đối). Cái Một tuyệt đối là cái 1 nhỏ nhất Vũ Trụ. Nếu Tồn Tại là một tập hợp các hạt đơn vị tuỵệt đối đó, thì nó phải hữu hạn và có thể biểu diễn bằng tổng các số 1 tuyệt đối và có thể qui ước gọn, bằng 10^N hạt Tồn Tại nhỏ tuyệt đối, với N là số tự nhiên không thể xác định , lớn vô cùng đến tuyệt đối, nhưng phải...hữu hạn! Khi N = O, thì 10^N = 1 = đơn vị tuyệt đối!
   

Nhăng cuội thế là đủ vui vẻ rồi! Tóm lại, Tự Nhiên Tồn Tại là đầy đủ và mang tính nước đôi nên nói thế nào về nó cũng đúng mà cũng sai. Chỉ biết rằng Nó hữu hạn nhưng vô biên, và cũng có thể vô hạn mà hữu biên, rời rạc mà cũng liên tục,..., không thể chia hay nhân đến vô tận, mà cũng có thể (!). Nếu Nó có Cái Một Duy Nhất, Tất Cả, Vĩ Đại, thì cũng phải có Cái Một Đơn Nhất, đơn vị tuyệt đối, nhỏ nhất tuyệt đối. Nếu có Cái Một thì phải có Cái Không. Cái 0, xét trên phương diện vật chất, là không có gì, không quan sát được gì, nhưng vẫn còn tồn tại( vì không phải Hư Vô!!!). Đố ai biểu diễn được số O nếu không dùng đến tồn tại! Số O thật khó hiểu nhưng có thể nói số O được nhận thức qui ước biểu diễn cái trống rỗng, cái không xác định, và thật lạ lùng, khi đứng sau Cái 1, chúng hoàn toàn xác định, hợp thành những lực lượng vĩ đại, Phải chăng, chúng chính là “đại chúng” tiểm ẩn, là "kho tàng" hun đúc nên thực chất cho cái “number one” hùng hồn, vĩ đại!? Nếu thế, phải chăng chúng chính là cái chúng ta vẩn thấy nhưng làm như không thấy: không gian, và cả cái chúng ta tưởng cảm giác được nhưng hoàn toàn không có thực: thời gian!?

 (Còn tiếp)