Lịch sử Điện từ học (Ver. 2010)

LỊCH SỬ ĐIỆN TỪ HỌC Trần Nghiêm dịch Lịch sử Điện từ học Kristen Eliza Coyne, Adam Rainey, Jesse Birch, Eric Hooper, Kevin John, Richard Ludlow, Adam Rainey Trần Nghiêm dịch Mục lục 600 trước Công nguyên – 1599 1 1600 – 1699 4 1700 - 1749 7 1750 – 1774 11 1775 - 1799 14 1800 - 1819 17 1820 - 1829 20 1830 – 1839 24 1840 - 1849 29 1850 - 1869 33 1870 - 1879 38 1880 - 1889 41 1890 – 1899 45 1900 – 1909 49 1910 - 1929 53 1930 - 1939 57 1940 – 1959 61 1960 - 1979 65 1980 - 2003 69 Lịch sử Điện từ học 1 600 trước Công nguyên – 1599 Mối quan tâm và sự mê hoặc của loài người với từ học và điện học đã có cách nay ít nhất là 2600 năm, khoảng năm 600 tCN. Đó là lúc, xưa như chúng ta biết, những người Hi Lạp cổ đại lần đầu tiên đề cập đến những tính chất bí ẩn. Nhà triết học Thales xứ Miletus đã quan sát thấy hổ phách, khi cọ xát, hút được lông chim và những chất liệu nhẹ khác. Ông cũng để ý thấy đá nam châm (magnetite) có thể hút được sắt. Nhưng một sự phân biệt rõ ràng giữa hai hiện tượng này vẫn không được nhận ra. Trong nhiều thế kỉ, những hiện tượng này đã khêu gợi những trí tuệ lớn, từ Pliny tới Plato tới St. Augustine. Nhưng sự hiểu biết sâu sắc thật sự vẫn tiếp tục lảng tránh họ. Các nhà tư tưởng thời Cổ đại và Trung đại thường bị vướng mắc bởi việc thiếu công cụ, bởi một phương pháp nêu nghi vấn không hoàn thiện, bởi đức tin tôn giáo hoặc các tổ chức ngăn cấm thẩm tra tự do, và các tư tưởng bảo thủ đã làm họ đi chệch hướng. Phần nhiều trong thời kì này, thuyết duy linh đã tô điểm cho thế giới của con người. Thales, chẳng hạn, tin rằng đá nam châm có một linh hồn. Những quan niệm khác có lẽ thật khôi hài đối với chúng ta ngày nay đã được đề xuất trong thời gian này. Nhà triết học La Mã Lucretius, chẳng hạn, cho rằng các hạt do đá nam châm phát ra quét qua không khí giữa nó và sắt, do đó hút sắt thông qua một loại “mút” lấy. Muộn hơn nhiều sau này, một cách tiếp cận có phần chín chắn hơn thực hiện bởi người Pháp Pierre de Maricourt (Petrus Peregrinus), người sống thời thế kỉ 13, đã làm thí nghiệm với một đá nam châm hình cầu và những thứ khác, rồi công bố kết quả của ông trong cuốn “Epostolia de Magnete.” Ông là một trong những người đầu tiên đề xuất việc khai thác tính chất vẫn còn hiểu biết nghèo nàn của từ học để chế tạo một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu. Tuy nhiên, có một dụng cụ từ đã đi vào sử dụng trong thời gian này và đã có tác động rộng rãi hơn lên lịch sử loài người so với cỗ máy tưởng tượng của Peregrinus: đó là la bàn. Người Trung Quốc được đông đảo công nhận là đã phát minh ra nó. Sự chứng thực được sử sách ghi lại đầu tiên về la bàn sử dụng trong hàng hải ở Trung Hoa vào năm 1086, và sau này Lịch sử Điện từ học 2 nó được các thủy thủ châu Âu sử dụng. Tuy nhiên, la bàn đã được sử dụng hàng thế kỉ trước đó vì những mục đích khác. Gọi là “kim chỉ nam”, dụng cụ đơn giản được mô tả là một đá nam châm hình cái môi, như hình vẽ, cán của nó luôn luôn chỉ về phương nam. Hiện thân sớm nhất này của la bàn mang tính chất thiêng liêng hơn là một công cụ hàng hải, sử dụng để chỉ dẫn hướng của cuộc sống của con người, không phải những bước chân của họ. Còn hơn những biểu đồ hàng hải và những công cụ khác, la bàn đã làm cho những chuyến hành trình biển lớn trở nên có thể trong thời gian này. Dụng cụ đã chỉ đường cho Columbus đến châu Mĩ, Vasco da Gamma đi vòng qua vùng sừng châu Phi và tiến vào Ấn Độ, và Ferdinand Magellan trong chuyến vòng quanh thế giới của ông. Nó cũng đưa đến những khám phá khoa học quan trọng, trong đó có các quan sát về cực từ của Trái đất và sự lệch của từ trường của nó. Tiến về năm 1600, một vài trí tuệ sáng suốt đã bắt đầu nhìn thấy từ và điện là hai lực khác nhau. Sự thông suốt này đánh dấu bước nhảy trí tuệ lớn đầu tiên trong sự hiểu biết của nhân loại về những lĩnh vực có tương quan với nhau này. Nhưng mất gần 250 năm nữa trước khi một sự hiểu biết đầy đủ hơn hiện ra từ mối tương quan này, hoặc những loại điện khác tồn tại ngoài tĩnh điện ra. 600 tCN - 1599 khoảng 600 tCN Nhà tri ết học Hi Lạp Thales xứ Miletus lưu ý thấy hổ phách hút đư ợc lông chim và những vật nhẹ khác khi bị cọ xát, mốc tham khảo lịch sử đầu ti ên về tĩnh điện. Ông cũng làm thí nghiệm với đá nam châm, hay magnetite, và thấy nó có thể hút được sắt. khoảng 100 tCN Đá nam châm được sử dụng trên bàn thờ của các đạo sĩ ở Trung Hoa. Lịch sử Điện từ học 3 khoảng 50 tCN Trong bài thơ dài của ông De Rerum Natura (“Về bản chất của vạn vật ”), nhà thơ và nhà triết học La Mã Lucretius đã liên h ệ với lí thuyết vật lí của nhà triết học ngư ời Hi Lạp Epicurus, trong đó có nỗ lực của ông ở việc giải thích hoạt tính của đá nam châm. 1086 Nhà thiên văn và nhà toán h ọc người Trung Hoa Shen Kua tư ờng thuật việc sử dụng la bàn từ trong hàng hải trong cuốn Meng ch'i pi t'an. 1180 Alexander Neckam, một thầy tu người Anh, cung cấp bản miêu t ả châu Âu sớm nhất của việc sử dụng la bàn từ bởi những ngư ời thủy thủ trong tác phẩm của ông De utensilibus (“Về các thiết bị”). 1269 Binh sĩ người Pháp Pierre de Maricourt, còn được biết tới l à Petrus Peregrinus, đã tiến hành những thí nghiệm đơn giản với nam châm và vi ết nên tác phẩm Epistola de magnete (“Bức thư về nam châm ”), trong đó ông nói về la bàn, các cực từ và khả năng của nam châm mạnh làm đ ảo cực của nam châm yếu hơn. 1492 Trong hành trình về phía tây c ủa ông xuất phát từ Tây Ban Nha, Christopher Columbus tường trình đã quan sát thấy sự nghiêng c ủa kim từ tính của la bàn của ông thay đổi ở giữa đường xuyên đại dương t ừ đông sang tây. 1551 Nhà toán h ọc người Italy Girolamo Cardano nhận ra lực từ và l ực hút của các vật nhỏ với hổ phách bị kích thích là khác nhau. 1581 Robert Norman, một nhà chế tạo la bàn người Anh, mô tả sự nghi êng hay lệch của một kim từ tính trong cuốn Lực hút mới, đã đo góc nghiêng đó v ới một dụng cụ do ông tự phát minh ra gọi là vòng tròn nghiêng. 1588 Nhà đ ịa lí người Italy Livio Sanuto lần đầu tiên chú ý t ới quan điểm rằng Trái đất có hai cực từ. Lịch sử Điện từ học 4 1600 – 1699 Năm 1600, cuộc cách mạng khoa học đang diễn tiến ở châu Âu, một thời kì được đánh dấu bởi những tiến bộ mang tính lịch sử trong khoa học như các phát kiến của Keppler, Galileo, Francis Bacon và nhiều người khác. Nhà khoa học đầu tiên để lại dấu ấn của ông trong thế kỉ này là nhà vật lí người Anh với cái tên William Gilbert. Trong năm đầu tiên của thế kỉ này, giữa sự đơm hoa kết trái trí tuệ của thời kì Elizabeth, Gilbert đã cho xuất bản sáu tập sách tên là De Magnete (“Về nam châm”). Nhiều người xem đây là tác phẩm khoa học thật sự đầu tiên. Rời bỏ truyền thống hiện có, Gilbert xây dựng kết quả của ông trên những thí nghiệm thực sự - lặp lại để đảm bảo kết quả phù hợp, sử dụng thiết bị khoa học và mang lại những quan sát trực tiếp thay cho các giả thuyết kế thừa. Một dụng cụ do Gilbert phát minh ra dùng trong những nghiên cứu này là cái versorium: một mũi tên kim loại phát hiện ra lực điện trong chất liệu và cấu thành nên cái điện nghiệm đầu tiên. Một thiết bị khác ông đặt tên là “terrella” – nghĩa là tiểu Trái đất. Quả cầu đá nam châm bị từ hóa này phối hợp ăn ý với một la bàn trong vô số thí nghiệm. Gilbert đã thực hiện nhiều khám phá mang tính đột phá với cơ cấu này, trong đó có việc bản thân Trái đất là một nam châm khổng lồ. Ông cũng cho rằng Trái đất có một “quả cầu tác dụng” từ tính – mầm mống của một sự thật không được hiểu biết thấu đáo bởi các nhà khoa học trong hơn 200 năm trời. Sau khi kiểm tra có phương pháp nhiều chất liệu đa dạng, Gilbert đã phát hiện thấy hổ phách không phải là chất liệu duy nhất, khi cọ xát, hút được những vật nhẹ nhất định. Ông đã phân loại các chất liệu này là “có tính điện”, và các chất đó không có tính chất gọi là “phi điện”. Như vậy, Gilbert là người đã đặt ra thuật ngữ “điện” (dựa trên từ vựng Hi Lạp chỉ hổ phách). Nhiều quan điểm của Gilbert không đúng: Ví dụ, ông suy luận sai lầm rằng lực từ là nguyên nhân cho quỹ đạo của Mặt trăng quay xung quanh Trái đất, và rõ ràng đã thất bại trước Lịch sử Điện từ học 5 việc nhận ra tĩnh điện không chỉ hút, mà còn đẩy. Tuy vậy, những thành tựu trí tuệ của ông, và cách thức chúng được tạo ra, là một bước nhảy lớn trong lịch sử khoa học. Khi chủ nghĩa phục hưng, bắt đầu ở Italy thế kỉ 15, lan rộng ra phần còn lại của Âu châu, các nhà khoa học đã khảo sát những địa hạt mới, nắm lấy một cách tiếp cận theo chủ nghĩa duy lí Descartes để nghiên cứu. Năm 1629, nhà triết học Italy Niccolò Cabeo đã lấp đầy một trong những chỗ còn bỏ trống của Gilbert, lần đầu tiên lưu ý thấy sự tiếp xúc giữa hai chất hút nhau có thể làm cho chúng sau đó đẩy lẫn nhau. Ba thập kỉ sau, nhà vật lí người Đức Otto von Guericke đã đá tiếp quả bóng nghiên cứu của Gilbert (nếu nói được như vậy) bởi việc chế tạo một “terrella” của riêng ông – không phải bằng đá nam châm mà bằng sulphur. Nó là bộ phận của một dụng cụ mà ông sử dụng để tạo ra tĩnh điện. Ông sử dụng quả cầu sulphur, cỗ máy đầu tiên thuộc loại của nó, để phô bày tác dụng đẩy của tĩnh điện, ban đầu hút một cái lông chim sang terrella đã cọ xát, sau đó đi tới xua đuổi nó vòng quanh căn phòng với quả cầu đó. Von Guericke sau đó trở thành người đầu tiên chứng kiến hiệu ứng điện phát quang khi quả cầu sulphur của ông bắt đầu lóe sáng trong khi hoạt động. 1600 – 1699 1600 Sau gần hai thập kỉ thực nghiệm, bác sĩ người Anh William Gilbert đ ã hoàn thành tác phẩm của ông về từ học, De Magnete, Magneticisique Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (“Bàn về nam châm, các vật từ tính, và Thanh nam châm v ĩ đại của Trái đất”). Công trình lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ điện (electric), t ừ do Gilbert đặt ra cho hổ phách xuất phát từ tiếng Hi Lạp (electron), lần đầu ti ên phân loại chính các chất điện và phi điện, và m ột trong những mô tả sớm nhất rằng Trái đất là một thực thể từ tính. 1629 Nhà tri ết học dòng Tên người Italy Niccolò Cabeo công b ố những quan sát của ông về lực hút và lực đẩy điện trong cuốn Philososphia Magnetica, lưu ý th ấy sự tiếp xúc giữa hai chất liệu hút nhau có thể làm cho chúng sau đó đẩy lẫn nhau. 1635 Giáo sĩ người Anh Henry Gellibrand xác định chắc ch ắn rằng độ lệch từ biến đổi theo thời gian bằng cách so sánh các phép đo mới với các phép đo ông thu đư ợc trước đó 12 năm, và công bố kết quả của ông. 1644 Triết gia người Pháp René Descartes đưa ra một trong những lời giải thích cơ gi ới đầu tiên, thay vì duy linh, về từ học, nó liên quan tới một tương tác ph ức tạp giữa xú khí, chỉ sợi và ống dẫn. 1646 Trong cuốn Pseudodoxia Epidemica, bác sĩ người Anh Thomas Browne lần đầu ti ên sử dụng thuật ngữ điện (electricity) mà ông định nghĩa là “một sức mạnh hút đư ợc các cọng rơm hay những vật nhẹ, và làm biến đổi kim la bàn đặt tự do”. Lịch sử Điện từ học 6 1660 Nhà v ật lí Đức Otto von Guericke phát minh ra một cỗ máy có khả năng phát ra tĩnh điện bằng cách áp dụng ma sát trên m ột quả cầu sulphur ở trong một quả cầu thủy tinh quay trên một cán sắt với một tay quay. 1672 Lưu ý thấy bộ phận quả cầu sulphur của máy phát điện của ông có thể l àm cho lóe sáng bởi dòng điện mà nó tạo ra, Otto von Guericke trở thành người đầu ti ên quan sát thấy điện phát quang. 1675 Robert Boyle, một nhà thực nghiệm người Anh đầy tham vọng, xuất bản cuốn Các thí nghiệm và lưu ý về nguồn gốc cơ giới hay sự sản sinh của dòng điện , trong đó ông mô tả sự truyền điện qua một chân không. 1692 Edmond Halley, nhà toán học và thiên văn học người Anh, đề xuất rằng Trái đ ất g ồm những quả cầu nằm trong những quả cầu, mỗi quả cầu quay từ từ so với những quả cầu khác và b ị từ hóa một cách độc lập. Halley sử dụng quan điểm của ông về hành tinh để giải thích tại sao độ lệch từ biến đổi dần theo thời gian. 1699 Edmond Halley tiến hành cuộc khảo sát sự lệch từ đầu tiên và công b ố biểu đồ kết quả của ông hai năm sau đó. Lịch sử Điện từ học 7 1700 - 1749 Ngài Isaac Newton của nước Anh, được xem là một trong những nhà khoa học và nhà toán học vĩ đại nhất trong lịch sử, đã xuất bản chuyên luận nổi tiếng của ông về ánh sáng và quang học ngay đầu thế kỉ này. Ngoài những vấn đề khác, nó còn giải quyết một cuộc tranh luận đã bắt đầu hàng năm trước đó xem ánh sáng là hạt hay là sóng. Đối lập với những lí thuyết trước đó, Newton xác định ánh sáng cấu thành từ các hạt, hay các “tiểu thể”. Các nhà khoa học tiếp tục bàn tới bàn lui về vấn đề đó trong hàng thế kỉ, nhưng cuối cùng người ta công nhận ánh sáng là sóng điện từ và sau này được đồng ý, nhờ một nhà khoa học lỗi lạc khác, Albert Einstein, rằng ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Một người đồng hương của Newton, Francis Hauksbee, được thuê bởi Hội Hoàng gia, một viện hàn lâm khoa học độc lập thành lập ở London năm 1662. Mặc dù tương đối ít học, nhưng Haukabee có một năng khiếu về khoa học, nhất là thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm. Ngay từ đầu thập niên 1700, ông đã tiến hành tìm hiểu ánh sáng khí áp, hay lóe sáng xuất hiện trong một khí áp kế khi người ta lắc nó, một hiện tượng được hiểu biết nghèo nàn vào thời ấy Hauksbee đi đến nhận ra lóe sáng đó là điện – kết quả của sự ma sát của thủy ngân chuyển động trong ống khí áp kế. Ông tiếp tục nghiên cứu xem những chất liệu khác có mang lại một hiệu ứng như vậy hay không, và vì công việc này, ông đã chế tạo một máy phát tĩnh điện cải tiến nhiều trên mẫu năm 1660 của Otto von Guericke. Với nó, ông đã tạo ra ánh sáng trong một ống thủy tinh đủ sáng, ông tường thuật, để đọc sách – một tiền thân thô sơ của bóng đèn điện. Ông còn sáng tạo ra sự hình dung trực giác đầu tiên về các đường lực điện, mặc dù Haukabee không nhận thức rõ ý nghĩa của cái ông nhìn thấy. Hauksbee còn hiểu sai một hiện tượng khác quan sát thấy trong các thí nghiệm của ông: đó là mang một quả cầu thủy tinh lại gần một quả cầu nhiễm điện khác, ông có thể làm nhiễm điện quả cầu thứ nhất (ngày nay gọi là nhiễm điện do hưởng ứng).