bước đầu nghiên cứu lịch sử vật lí phục vụ cho việc dạy học chương ix. vật lí 12 nâng cao

Thật ra, mỗi khi tiếp cận với một thành tựu khoa học chúng ta đều phải biết đó là kết quả nghiên cứu của cả một quá trình lao động không mệt mỏi của biết bao thế hệ các nhà khoa học thuộ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÍ



Tên đề tài:

BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU LỊCH SỬ VẬT LÍ

PHỤC VỤ CHO VIỆC DẠY HỌC CHƯƠNG IX VẬT LÍ 12 NÂNG CAO

Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÍ Chuyên ngành: SƯ PHẠM VẬT LÍ

Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

ThS – GVC: Đặng Thị Bắc Lý Tiêu Tín Nguyên

MSSV: 1100237 Lớp: Sư phạm Vật lí K36 Cần Thơ, 5 - 2014

LỜI CẢM ƠN



Sau một thời gian dài nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn của mình Đó là kết quả của sự cố gắng của bản thân trong những năm tháng trên giảng đường đại học cùng với sự hướng dẫn tận tình của quí thầy cô trong những năm vừa qua

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả quí thầy cô trường Đại học Cần Thơ, quí thầy cô Khoa Sư phạm và Bộ môn Sư phạm Vật lí đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm giảng dạy cho bản thân tôi, nó sẽ là hành trang quí báu theo suốt cả con đường sự nghiệp của tôi sau này

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn ThS - GVC Đặng Thị Bắc Lý đã tận tình chỉ

dẫn cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi cũng chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp của anh chị đi trước và bạn

bè, đặc biệt là các đồng chí Cán bộ Đoàn khoa Sư phạm, các bạn lớp Sư phạm Vật lí khóa 36 đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài này

Cuối lời, tôi xin kính chúc quí thầy cô, các anh chị, các đồng chí cùng các bạn dồi dào sức khỏe, công tác tốt, ngập tràn niềm vui, hạnh phúc và thành công trong cuộc sống

Mặc dù tôi đã cố gắng rất nhiều nhưng cũng không tránh khỏi hạn chế và thiếu sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến góp ý quí báu của quí thầy cô và bạn bè để đề tài được phong phú và hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện: Tiêu Tín Nguyên

MỤC LỤC

PHẦN A MỞ ĐẦU 1

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 3

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 3

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4

6 QUI TRÌNH SỬ DỤNG LỊCH SỬ VẬT LÍ VÀO DẠY HỌC 4

7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 5

PHẦN B NỘI DUNG 6

CHƯƠNG 1 VỊ TRÍ, VAI TRÒ CỦA LỊCH SỬ VẬT LÍ HỌC NHỮNG QUI LUẬT CỦA SỰ PHÁT TRIỂN VẬT LÍ HỌC 6

1 VỊ TRÍ, VAI TRÒ 6

2 NHỮNG QUI LUẬT CỦA SỰ PHÁT TRIỂN VẬT LÍ HỌC 9

2.1 Những qui luật chung của sự phát triển vật lí học 9

2.2 Mối quan hệ giữa vật lí học và sản xuất 10

2.3 Chế độ xã hội và sự phát triển vật lí học 12

2.4 Mối quan hệ giữa vật lí học và triết học 14

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LÍ HỌC 17

1 GIAI ĐOẠN CHUẨN BỊ ĐỂ HÌNH THÀNH NGÀNH VẬT LÍ HỌC 17

2 GIAI ĐOẠN VẬT LÍ HỌC TRỞ THÀNH MỘT KHOA HỌC ĐỘC LẬP 20

3 GIAI ĐOẠN HOÀN THIỆN VẬT LÍ HỌC CỔ ĐIỂN 27

3.1 Nhiệt động lực học 28

3.2 Nhiệt và nhiệt độ 30

3.3 Các động cơ nhiệt 30

3.4 Động cơ vĩnh cửu 31

3.5 Vật lí thống kê 31

3.6 Lí thuyết trường điện từ 31

4 GIAI ĐOẠN VẬT LÍ HỌC HIỆN ĐẠI 32

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG LỊCH SỬ VẬT LÍ HỌC VÀO GIẢNG DẠY 35

1 KHÁI NIỆM QUÁ TRÌNH DẠY HỌC 35

2 NHIỆM VỤ CỦA NGƯỜI GIÁO VIÊN VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG 35

2.1 Dạy kiến thức vật lí cho học sinh 35

2.2 Phát triển tư duy cho học sinh thông qua dạy vật lí 35

2.3 Giáo dục tư tưởng (dạy người) thông qua dạy vật lí 36

2.4 Dạy cho học sinh kĩ năng hành động vật lí 36

3 Ý NGHĨA VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA LỊCH SỬ TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 37

3.1 Tác dụng của tài liệu lịch sử vật lí trong quá trình giảng dạy 37

3.2 Yêu cầu về nội dung và phương pháp giới thiệu tài liệu lịch sử trong giảng dạy vật lí 38

3.2.1 Tài liệu lịch sử vật lí giới thiệu phải liên hệ hữu cơ với nội dung bài giảng 38

3.2.2 Tài liệu giới thiệu phải có phương hướng, tư tưởng xác định 39

3.2.3 Tài liệu lịch sử vật lí phải mang tính chính thống đáng tin cậy 39

3.2.4 Tài liệu phải vừa sức với trình độ học sinh, yêu cầu phải rõ ràng, ngắn gọn, đầy đủ, súc tích và nghệ thuật trình bày tài liệu của giáo viên 40

3.3 Phương hướng giới thiệu tài liệu lịch sử vật lí 40

3.3.1 Giới thiệu thân thế và sự nghiệp của các nhà bác học 40

3.3.2 Trình bày những phát biểu thí nghiệm lịch sử và công trình của các nhà khoa học 41

3.3.3 Giải bài tập vật lí có nội dung lịch sử 41

3.3.4 Giới thiệu lịch sử phát triển của khoa học 41

3.3.5 Giới thiệu tài liệu trong hoạt động ngoại khóa 41

4 GIỚI THIỆU TÀI LIỆU LỊCH SỬ VẬT LÍ 43

4.1 Giới thiệu tóm tắt về cuộc đời và sự nghiệp của một số nhà vật lí 43

4.1.1 Henri Becquerel 43

4.1.2 Niels Henrik David Bohr 44

4.1.3 Marie Skłodowska-Curie 47

4.1.4 Pie Curie 50

4.1.5 Ernest Rutherford 51

4.2 Phương pháp giới thiệu lịch sử vật lí trong hoạt động ngoại khóa 53

4.2.1 Hoạt động ngoại khóa 53

4.2.2 Tác dụng của hoạt động ngoại khóa 54

4.2.3 Hoạt động ngoại khóa vật lí 55

4.2.4 Phương pháp tổ chức hoạt động ngoại khóa vật lí 58

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU LỊCH SỬ VẬT LÍ PHỤC VỤ DẠY HỌC CHƯƠNG IX VẬT LÍ 12 NÂNG CAO 67

1 NGHIÊN CỨU LỊCH SỬ VẬT LÍ PHỤC VỤ DẠY HỌC BÀI 52 CẤU TẠO CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỘ HỤT KHỐI 67

1.1 Xác định mục tiêu của bài 67

1.2 Xác định nội dung của bài để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và nội dung lịch sử vật lí cần đưa vào bài 67

1.3 Xác định phương pháp để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và hình thức tổ chức dạy học 69

2 NGHIÊN CỨU LỊCH SỬ VẬT LÍ PHỤC VỤ DẠY HỌC BÀI 53 PHÓNG XẠ 71

2.1 Xác định mục tiêu của bài 71

2.2 Xác định nội dung của bài để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và nội dung lịch sử vật lí cần đưa vào bài 71

2.3 Xác định phương pháp để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và hình thức tổ chức dạy học 73

3 NGHIÊN CỨU LỊCH SỬ VẬT LÍ PHỤC VỤ DẠY HỌC BÀI 54 PHẢN ỨNG

HẠT NHÂN 77

3.1 Xác định mục tiêu của bài 77

3.2 Xác định nội dung của bài để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và nội dung lịch sử vật lí cần đưa vào bài 78

3.3 Xác định phương pháp để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và hình thức tổ chức dạy học 79

4 NGHIÊN CỨU LỊCH SỬ VẬT LÍ PHỤC VỤ DẠY HỌC BÀI 56 PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH 82

4.1 Xác định mục tiêu của bài 82

4.2 Xác định nội dung của bài để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và nội dung lịch sử vật lí cần đưa vào bài 82

4.3 Xác định phương pháp để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và hình thức tổ chức dạy học 84

5 NGHIÊN CỨU LỊCH SỬ VẬT LÍ PHỤC VỤ DẠY HỌC BÀI 57 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH 86

5.1 Xác định mục tiêu của bài 86

5.2 Xác định nội dung của bài để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và nội dung lịch sử vật lí cần đưa vào bài 86

5.3 Xác định phương pháp để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và hình thức tổ chức dạy học 88

PHẦN C KẾT LUẬN 91

1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI 91

2 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI 91

3 NHỮNG DỰ ĐỊNH TRONG TƯƠNG LAI 91

PHỤ LỤC 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

PHẦN A MỞ ĐẦU

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Đất nước ta đang bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa Mục tiêu mà Đảng và Nhà nước ta đề ra là đến năm 2020, nước ta cơ bản trở thành một nước công nghiệp theo hướng hiện đại, tạo tiền đề cho sự phát triển cao hơn trong giai đoạn sau Viễn cảnh đó tuy sôi động, tươi đẹp, nhưng cũng nhiều thách thức đòi hỏi nguồn nhân lực có trình độ cao, tư duy nhạy bén và kĩ năng thực hành giỏi

Khi người ta được ung dung đi trên xe điện, máy bay, khi được sống trong ánh sáng của đèn điện đã thoát khỏi cảnh sống tối tăm, người ta ít khi suy nghĩ: Ai là người phát minh ra những thứ đó nhỉ? Và quá trình tìm ra nó như thế nào? Thật ra, mỗi khi tiếp cận với một thành tựu khoa học chúng ta đều phải biết đó là kết quả nghiên cứu của cả một quá trình lao động không mệt mỏi của biết bao thế hệ các nhà khoa học thuộc mọi lĩnh vực, trong đó vật lí học đã góp phần không nhỏ cho sự phát triển chung của nền khoa học hiện nay

Lịch sử rất quan trọng, nhất là khi chúng ta bắt tay vào nghiên cứu một vấn đề cụ thể thuộc một lĩnh vực nào đó thì việc tìm hiểu lịch sử của nó là hết sức cần thiết Đối với vật lí học lại càng quan trọng hơn nữa bởi vì vật lí học là một khoa học thực nghiệm Cho nên đối với bất kì ai muốn nghiên cứu một đề tài thuộc lĩnh vực vật lí đều phải tìm hiểu xem vấn đề mình đang làm trong lịch sử đã có ai làm chưa hoặc đã làm được đến đâu rồi, kết quả như thế nào? Còn đối với người GV vật lí, bên cạnh việc nắm vững kiến thức vật

lí và kiến thức lịch sử vật lí là điều không thể thiếu nhưng làm thế nào để truyền thụ những kiến thức đó cho HS một cách khoa học để nâng cao hứng thú học tập, độc lập suy nghĩ, tạo bầu không khí học tập tích cực để nâng cao hiệu quả của tiết dạy nhằm nâng cao chất lượng đào tạo thì đó lại là một vấn đề không đơn giản

Hội nghị lần thứ tám Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa

XI đã nêu rõ: “Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại;

phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kĩ năng của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kĩ năng, phát triển năng lực Chuyển từ học chủ yếu trên lớp sang tổ chức hình thức học tập

đa dạng, chú ý các hoạt động xã hội, ngoại khóa, nghiên cứu khoa học Đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông trong dạy và học” [19, tr 5]

Để đáp ứng được nhu cầu đổi mới toàn diện nền giáo dục và đào tạo, đòi hỏi

vật lí, GV sẽ dạy kiến thức cho HS phổ thông mà chương trình vật lí phổ thông đã qui định Ngoài ra, GV còn phải dạy các em những đức tính, phong cách làm việc của các nhà vật lí Thông qua sự giảng dạy đó của người thầy, tài liệu SGK, các môn học khác, bản thân HS có tác động như thế nào? Làm thế nào để nâng cao hứng thú, niềm đam mê học tập vật lí của HS? Đó chính là vấn đề đòi hỏi mỗi người GV vật lí phải suy nghĩ và đóng góp

Vật lí học là một phần của KHTN, là một trong những ngành khoa học quan trọng nhất Do đó, việc nâng cao chất lượng giảng dạy vật lí ở trường phổ thông là một vấn đề rất quan trọng và cần thiết GV phải tổ chức quá trình dạy học vật lí như thế nào để một mặt đảm bảo cho HS nắm vững kiến thức phổ thông cơ bản, mặt khác phải bồi dưỡng cho HS năng lực tư duy, thông minh, sáng tạo, có óc tìm tòi, suy nghĩ, phải luôn đặt ra câu hỏi “Tại sao?” đối với thế giới tự nhiên và không ngừng tìm cách giải đáp nó để dần dần chiếm lĩnh tri thức nhằm chuẩn bị tiềm lực cho đất nước sánh vai cùng các cường quốc trên thế giới Các nhà giáo dục đã đề xuất ra nhiều phương pháp, hình thức tổ chức, hoạt động dạy học khác nhau để có thể đáp ứng yêu cầu thực hiện đổi mới, cũng như để đáp ứng yêu cầu về nguồn nhân lực chất lượng cao cho xã hội Tổ chức các hoạt động học tập mang tính tìm tòi nghiên cứu, sử dụng lịch sử môn học vào bài dạy, bài học cần được chú trọng Đây là hình thức tổ chức dạy học có tác dụng tích cực đối với người học

vì đã thay đổi cách dạy truyền thụ một chiều, HS thụ động mà chuyển sang cách dạy học lấy HS làm trung tâm, nhằm hướng tới việc tích cực hóa hoạt động nhận thức, phát huy tính chủ động, tự lực tư duy và sáng tạo của HS, HS tự chiếm lĩnh kiến thức, HS tự nghiên cứu sau giờ học những vấn đề về lịch sử phát triển của các nội dung kiến thức có liên quan [16]

Hiện nay, bản thân tôi đã tìm hiểu các đề tài có liên quan về sử dụng lịch sử vật lí học vào giảng dạy từ Trung tâm học liệu (Đại học Cần Thơ), thư viện Khoa Sư phạm (Đại học Cần Thơ), các nguồn tài liệu trên internet, Tôi thấy rằng nguồn tài liệu có sử dụng lịch sử vật lí vào giảng dạy vật lí rất hạn chế và thấy rằng đa phần các tài liệu chỉ đề cập đến lịch sử vật lí học

Để có thể phát huy hết tác dụng thực sự của PPDH nhằm tổ chức hoạt động học tập cho HS tự tìm tòi nghiên cứu lịch sử vật lí vào bài học thì việc tổ chức một số hoạt động dạy học trong mỗi đơn vị bài học sẽ được thực hiện như thế nào cho phù hợp, đó thực sự là một nghệ thuật sư phạm, cũng là một nhiệm vụ quan trọng của mỗi GV phổ thông, những người trực tiếp thổi làn gió mới vào giới trẻ HS hiện nay theo chương trình giảng dạy mới bằng những phương pháp mới theo hướng tích cực và hiện đại Là một

sinh viên sư phạm, bản thân tôi nhận thấy đây là một vấn đề hết sức thiết thực và mang nhiều hấp dẫn đối với một GV, là hành trang cần thiết để bước vào sự nghiệp giảng dạy sau này, là cơ sở vững chắc để tôi có thể nghiên cứu sâu hơn những vấn đề xoay quanh việc giảng dạy trong tương lai, giáo dục tư tưởng, giáo dục lòng yêu nước, tính khiêm nhường, ham hiểu biết, luôn đấu tranh để bảo vệ cho lẽ phải, cho chân lí Đây chính là tất

cả động lực đã thúc đẩy tôi chọn đề tài: “Bước đầu nghiên cứu lịch sử vật lí phục vụ

cho việc dạy học Chương IX Vật lí 12 Nâng cao” Với hi vọng từ cuộc đời và sự nghiệp

của các nhà khoa học, HS sẽ học tập được những tấm gương cần cù, vượt khó, chịu hi sinh, của các nhà bác học để đến với tri thức, đến với khoa học

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài hướng tới các mục tiêu như sau:

Nghiên cứu lịch sử vật lí để hệ thống hóa các giai đoạn hình thành và phát triển của vật lí học, tìm hiểu một số câu chuyện về cuộc đời và sự nghiệp của một số nhà vật lí, các mẩu chuyện về công trình nghiên cứu của các nhà vật lí, Từ đó, tôi xây dựng qui trình để tập sử dụng lịch sử vật lí vào việc đề xuất tổ chức một số hoạt động nhằm phát

huy tính tự học, tự tìm tòi, học hỏi của học sinh

Vận dụng qui trình đã đề xuất để xác định phương pháp, hình thức tổ chức một số hoạt động dạy học và HĐNK trong Chương IX Hạt nhân nguyên tử – Vật lí 12 Nâng

cao

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Do hạn chế về thời gian làm luận văn, trong đề tài này, tôi chỉ nghiên cứu lí thuyết

về lịch sử hình thành và phát triển của vật lí học, sử dụng kiến thức LSVLH vào giảng dạy nhằm phát huy tính tích cực, tự tìm tòi, nghiên cứu của các em HS trong Chương IX Hạt nhân nguyên tử – Vật lí 12 Nâng cao, không tiến hành thực nghiệm ở trường THPT

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Phương pháp nghiên cứu:

Để thực hiện đề tài này, tôi đã vận dụng các phương pháp nghiên cứu như sau: + Nghiên cứu lí thuyết: nghiên cứu sơ lược về lịch sử hình thành và phát triển của vật lí học bằng cách tìm các tài liệu có liên quan đến LSVLH, giáo trình LSVLH, luận văn, đề tài có liên quan, Từ những nguồn tài liệu trên, hệ thống hóa các giai đoạn hình

thành và phát triển của vật lí học, giới thiệu tóm tắt cuộc đời, sự nghiệp, câu chuyện về nghiên cứu khoa học của các nhà vật lí học tiêu biểu có liên quan đến đề tài luận văn

+ Đề ra qui trình sử dụng lịch sử vật lí học vào dạy học

+ Vận dụng qui trình đã được xây dựng để xác định phương pháp, hình thức xây dựng, tổ chức một số hoạt động dạy học và HĐNK trong Chương IX Hạt nhân nguyên tử – Vật lí 12 Nâng cao

- Phương tiện thực hiện đề tài:

Các tài liệu tham khảo: Giáo trình lí luận dạy học, giáo trình lí luận dạy học vật lí, SGK Vật lí 12 NC, SGV Vật lí 12 NC, sách “Lịch sử vật lí học” của Đào Văn Phúc, luận văn tốt nghiệp của một số sinh viên khóa trước, tài liệu từ mạng internet và các nguồn tài liệu tham khảo khác

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Bước 1: Xác định mục tiêu của đề tài luận văn tốt nghiệp

Bước 2: Xây dựng đề cương chi tiết, cơ sở lí thuyết của luận văn tốt nghiệp

Bước 3: Tập sử dụng, lồng ghép lịch sử vật lí vào việc đề xuất tổ chức một số hoạt

động của 5 bài học trong Chương IX Hạt nhân nguyên tử – Vật lí 12 Nâng cao

Bước 4: Đánh máy, nộp bản thảo, chỉnh sửa luận văn và nộp đề tài cho giảng viên

hướng dẫn, tiếp thu ý kiến, chỉnh sửa, hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Bước 5: Viết báo cáo, báo cáo thử

Bước 6: Nộp đề tài chính thức cho hội đồng bảo vệ luận văn

Bước 7: Báo cáo, bảo vệ luận văn

6 QUI TRÌNH SỬ DỤNG LỊCH SỬ VẬT LÍ VÀO DẠY HỌC

Bước 1: Xác định mục tiêu của bài (dựa vào SGV, trích nguyên văn)

Bước 2: Xác định nội dung của bài để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học

- Xác định nội dung bài có thể sử dụng lịch sử vật lí vào giảng dạy (một mục nhỏ, phần nhỏ hay một nội dung ngắn trong bài)

- Liệt kê một số kiến thức về lịch sử vật lí có thể sử dụng (lịch sử phát minh các định luật, đại lượng, thuyết, một nội dung vật lí từ thực tiễn; cuộc đời, sự nghiệp, quá

trình nghiên cứu của các nhà khoa học; kiến thức về vật lí học; chuyện kể lịch sử vật lí; )

Bước 3: Xác định phương pháp để sử dụng lịch sử vật lí vào dạy học và hình thức

KHTN: khoa học tự nhiên HĐNK: hoạt động ngoại khóa THPT: trung học phổ thông TCN: trước Công nguyên

CNTT: công nghệ thông tin HTTN: hiện tượng tự nhiên PPDH: phương pháp dạy học LSVLH: lịch sử vật lí học

PPTN: phương pháp thực nghiệm PPDG: phương pháp diễn giảng

PHẦN B NỘI DUNG CHƯƠNG 1 VỊ TRÍ, VAI TRÒ CỦA LỊCH SỬ VẬT LÍ HỌC

NHỮNG QUI LUẬT CỦA SỰ PHÁT TRIỂN VẬT LÍ HỌC

1 VỊ TRÍ, VAI TRÒ

Vật lí có lẽ là ngành khoa học ra đời sớm nhất khi bao gồm cả ngành thiên văn học Trong hai thiên niên kỉ gần đây, vật lí trở thành một phần của triết học tự nhiên cùng với hóa học, những nhánh cụ thể của toán học và sinh học, nhưng trong cuộc cách mạng khoa học bắt đầu từ thế kỉ XVII, KHTN đã trở thành một ngành nghiên cứu độc lập Vật

lí học liên quan đến rất nhiều ngành nghiên cứu khác, như vật lí sinh học và hóa học lượng tử, và ranh giới giữa vật lí với các ngành khoa học khác không rõ ràng Nhiều ý tưởng mới trong vật lí xuất hiện để giải thích những cơ chế cơ bản trong ngành khoa học khác, hay những hiện tượng và hiệu ứng vật lí lại mở ra những lĩnh vực nghiên cứu mới trong toán học, vật lí toán hoặc trong triết học [13]

Vật lí học đã mang lại những phát triển lớn trong các công nghệ mới có cơ sở là những lí thuyết vật lí đột phá Ví dụ, những hiểu biết tiên tiến về điện từ học hoặc vật lí hạt nhân dẫn đến trực tiếp phát minh ra những sản phẩm mới mà đã thay đổi xã hội hiện đại ngày nay, như tivi, máy tính, laser, internet, các sản phẩm dân dụng, hay vũ khí hạt nhân Những tiến bộ trong ngành nhiệt động lực học dẫn tới sự phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp và sự phát triển của ngành cơ học thúc đẩy các nhà toán học phát minh

ra phép tính vi - tích phân [14]

Vật lí cổ điển nói chung nghiên cứu vật chất và chuyển động ở phạm vi mà con người có thể quan sát và tiếp cận hằng ngày, trong khi vật lí hiện đại nghiên cứu hiện trạng của vật chất và tương tác ở những khoảng cách vi mô và vĩ mô Ví dụ, vật lí nguyên

tử và hạt nhân nghiên cứu vật chất ở cấp độ vi mô mà tại đó các nguyên tố hóa học được phân loại một cách cơ bản Vật lí hạt cơ bản nghiên cứu ở khoảng cách nhỏ hơn nữa về những thành phần cơ bản nhất của vật chất, nhánh vật lí này cũng được gọi là vật lí năng lượng cao bởi vì các nhà khoa học sử dụng máy gia tốc cho các hạt có năng lượng cao va chạm vào nhau để tìm hiểu trạng thái và tính chất của hạt cơ bản Ở thang khoảng cách vi

mô này, những khái niệm thông thường theo trực giác hằng ngày không còn đúng nữa [13]

Vật lí hiện đại bao gồm thuyết lượng tử do Max Planck khai sinh và Albert Einstein với thuyết tương đối, và những người tiên phong trong cơ học lượng tử như Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac và rất nhiều nhà khoa học lớn khác

Hai lí thuyết trụ cột của vật lí hiện đại miêu tả các khái niệm về không gian, thời gian và vật chất khác với bức tranh miêu tả của vật lí cổ điển Cơ học lượng tử miêu tả các hạt rời rạc, bản chất của nhiều hiệu ứng cấp nguyên tử và hạ nguyên tử, chi phối bởi nguyên lí bất định và lưỡng tính sóng hạt Thuyết tương đối miêu tả các hiện tượng xảy

ra trong những hệ qui chiếu khác nhau chuyển động so với người quan sát Trong đó, thuyết tương đối hẹp miêu tả các hệ qui chiếu chuyển động quán tính và thuyết tương đối tổng quát miêu tả hệ qui chiếu chuyển động gia tốc và tương tác hấp dẫn là do độ cong của không gian, thời gian Cả lí thuyết lượng tử và thuyết tương đối đều có nhiều ứng dụng trong mọi ngành của vật lí hiện đại và trong đời sống hằng ngày như laser, máy tính hoặc GPS, [13]

Tri thức vật lí học cũng như mọi tri thức khoa học khác không phải là một cái gì đang có sẵn, đã hoàn thành, không bao giờ có khoa học hoàn chỉnh mà chúng ta chỉ có tri thức mới ra đời hoàn chỉnh hơn tri thức cũ bởi vì khoa học là không ngừng vận động, luôn là một bí ẩn để con người khám phá Khoa học được hình thành từng bước trong một quá trình lâu dài và gian khổ, hiện nay cũng như trong tương lai vẫn còn tiếp tục được hoàn chỉnh hơn nữa [13]

Như vậy, vật lí học cũng như mọi khoa học khác, là một quá trình tiến lên từ cái chưa biết đến cái đã biết, từ tri thức chưa đầy đủ và chưa hoàn chỉnh đến tri thức đầy đủ

và hoàn chỉnh hơn Nói cách khác, tri thức là một quá trình có tính lịch sử và mọi khoa học đều có tính lịch sử của nó

Sự hiểu biết LSVLH có một ý nghĩa đáng kể đối với nhà nghiên cứu, người học và người dạy vật lí Có người cho rằng nhà vật lí học phải nghiên cứu và phát minh cho hiện tại và tương lai, không nên mất thì giờ vào việc nghiên cứu LSVLH, vì đó chỉ là nhiệm

vụ của các nhà sử học Thực ra, khi bắt đầu một công trình nghiên cứu, nhà khoa học nào cũng phải điểm lại xem trước kia vấn đề đó đã được ai nghiên cứu, nghiên cứu bằng những phương pháp nào, theo những tư tưởng chủ đạo nào và đã đạt được những kết quả

ra sao? Từ đó, các nhà khoa học rút ra bài học cho mình và xác định con đường mình sẽ

đi, cái đích mình hướng đến Như vậy, nhà khoa học cũng phải làm nhiệm vụ của nhà nghiên cứu lịch sử khoa học ở một mức độ nào đó Cũng chính vì vậy mà nhiều nhà khoa

học thực nghiệm đã đích thân nghiên cứu lịch sử khoa học De Broglie nói: “ nhà khoa

học thực nghiệm tìm thấy trong lịch sử khoa học rất nhiều bài học, và được vũ trang bằng kinh nghiệm của bản thân mình, nhà khoa học thực nghiệm có thể lí giải được cái bài học lịch sử một cách thành thạo hơn bất kì ai hết” Haixenbec cũng cho rằng muốn

đánh giá đúng được tình hình hiện nay của vật lí nguyên tử, cần điểm lại toàn bộ bước đi lịch sử của sự phát triển giả thuyết nguyên tử thời cổ đại [13]

Cũng như lịch sử các khoa học khác, LSVLH trước hết có nhiệm vụ phát hiện và trình bày lại các sự kiện lịch sử một cách chọn lọc và có hệ thống, nhằm tái hiện toàn bộ quá trình phát triển của khoa học vật lí LSVLH cũng có nhiệm vụ phân tích những sự kiện lịch sử đó, nhằm chứng minh rằng tiến trình phát triển của khoa học vật lí là một tất yếu lịch sử, và giải thích tại sao từ xưa cho tới nay, khoa học vật lí đã phát triển đúng như

nó đã phát triển, chứ không thể đi theo một con đường nào khác thế Cuối cùng LSVLH còn có một nhiệm vụ quan trọng bậc nhất là tìm ra những qui luật tổng quát của sự phát triển vật lí học, những qui luật mà sự phát triển vật lí học đã tuân theo trong quá khứ và

sẽ còn tiếp tục tuân theo trong tương lai Thực hiện tốt nhiệm vụ này, LSVLH xứng đáng được coi là một khoa học, và có tác dụng hướng dẫn hành động của nhân loại Nếu không, nó sẽ chỉ còn là một bản liệt kê nhạt nhẽo những thành tựu to lớn của những trí tuệ thiên tài [13, tr 6]

Đối với việc dạy và học vật lí học, LSVLH cũng có một ý nghĩa to lớn LSVLH cũng như lịch sử các nhà khoa học khác, nghiên cứu quá trình tiến lên từ cái chưa biết đến cái đã biết, nghiên cứu quá trình nhận thức thiên nhiên của con người Lí luận nhận thức của chủ nghĩa duy vật biện chứng được xây dựng trên cơ sở những thành tựu của các khoa học, dựa trên sự phân tích và khái quát hóa quá trình nhận thức thiên nhiên và

xã hội của con người Nhiều khái niệm và phạm trù của chủ nghĩa duy vật biện chứng xuất phát từ những khái niệm có ý nghĩa vật lí: vật chất, không gian, thời gian, chuyển động, LSVLH vì vậy có vai trò lớn lao trong việc xây dựng thế giới quan duy vật biện chứng [13, tr 9]

Phương pháp truyền đạt kiến thức dựa theo con đường phát triển lịch sử của nó nhiều khi có hiệu quả rất tốt Trong một số lĩnh vực, quá trình nhận thức của từng người hầu như lặp lại quá trình nhận thức của nhân loại, vì vậy, việc dẫn dắt người học đi lại những bước đi lớn mà nhân loại đã trải qua để đạt tới tri thức như hiện nay là một con đường lôgic giúp cho việc nắm kiến thức sâu sắc và vững chắc hơn [13, tr.9]

Qua những bài học lịch sử, LSVLH có tác dụng xây dựng lòng yêu mến và kính trọng đối với khoa học và các nhà khoa học, giáo dục phẩm chất và đạo đức con người,

mở rộng nhãn quan khoa học và văn hóa, chống chủ nghĩa giáo điều và hình thức trong việc dạy học Như vậy, việc hiểu biết LSVLH sẽ giúp nâng cao trình độ khoa học và trình

độ nghiệp vụ của người GV vật lí trong tương lai [13, tr 9]

2 NHỮNG QUI LUẬT CỦA SỰ PHÁT TRIỂN VẬT LÍ HỌC

Từ giữa thế kỉ XX, cuộc cách mạng khoa học - kĩ thuật đã bắt đầu và hiện nay đang phát triển rất mạnh mẽ Khoa học trở thành một lực lượng sản xuất trực tiếp và giữ vai trò chỉ đạo trong hệ thống khoa học - kĩ thuật - sản xuất Trong tình hình đó, một ngành khoa học mới đang hình thành Đó là khoa học về các khoa học, với nhiệm vụ nghiên cứu những qui luật chung và qui luật bộ phận của sự phát triển các khoa học, tìm

ra những phương hướng tối ưu, những cách tổ chức tối ưu, những phương pháp tối ưu,

để đảm bảo cho khoa học phát triển mạnh mẽ và đạt hiệu quả cao nhất trong việc chinh phục thiên nhiên, phục vụ hạnh phúc của con người Trong sự phát triển hiện nay của khoa học, vật lí học là một trong những môn khoa học luôn luôn đứng ở hàng đầu, ở vị trí mũi nhọn Sự phát triển của vật lí học có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển chung của khoa học Ngược lại, những yêu cầu của sự phát triển khoa học nói chung cũng đề ra những yêu cầu, vạch ra những phương hướng nghiên cứu cho vật lí học [14, tr 5]

2.1 Những qui luật chung của sự phát triển vật lí học

Việc tìm ra những qui luật chung này là một vấn đề trọng yếu khi nghiên cứu sự phát triển của vật lí học Nhưng lịch sử các khoa học (trong đó có LSVLH) và khoa học

về các khoa học còn là những ngành khoa học còn non trẻ, trong đó nhiều vấn đề chưa được giải quyết trọn vẹn Cho đến nay cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về những qui luật của sự phát triển vật lí học, nhưng vấn đề này còn phải được tiếp tục xây dựng thêm nữa Theo sự nghiên cứu của Spaski [14, tr 5 - 15], có thể nêu lên những qui luật chung nhất của sự phát triển vật lí học như sau:

Qui luật thứ nhất: Sự phát triển của vật lí học do những nhu cầu của thực tiễn xã

hội quyết định Thực tiễn xã hội đó trước hết phải là sản xuất Bên cạnh vai trò chủ yếu của sản xuất, cũng còn vai trò của các mặt khác trong đời sống xã hội: tính chất các mối quan hệ xã hội, ảnh hưởng của triết học, ảnh hưởng của các khoa học khác,

Qui luật thứ hai: Sự phát triển của vật lí học là một quá trình tiếp nối nhau của các

thời kì tiến hóa yên tĩnh và các thời kì biến đổi cách mạng của các lí thuyết, các khái niệm, các nguyên tắc cơ bản, Trong thời kì tiến hóa yên tĩnh, những sự kiện thực nghiệm mới được tích lũy thêm không mâu thuẫn với những quan niệm hiện hành, trái lại

còn cung cấp thêm những dẫn chứng mới để củng cố chúng Đến một lúc nào đó, xuất hiện những sự kiện thực nghiệm mới mâu thuẫn với những quan niệm hiện hành Lúc đầu, người ta có thể giải quyết được những mâu thuẫn đó bằng cách sửa đổi chút ít những phần không phải cơ bản của lí thuyết Nhưng về sau những mâu thuẫn đó ngày càng lớn, đến mức không thể có cách nào giải quyết được chúng trong khuôn khổ của lí thuyết cũ Trong cuộc đấu tranh cách mạng giữa cái mới và cái cũ đó, sẽ xuất hiện những lí thuyết, những quan niệm mới về thực chất khác hẳn những lí thuyết, quan niệm cũ

Qui luật thứ ba: Sự phát triển của vật lí học có tính kế thừa, nó là một sự tịnh tiến

liên tục về phía trước Những cuộc cách mạng trong khoa học tạo ra những biến đổi cơ bản về các khái niệm, các lí thuyết vật lí Điều đó không có nghĩa là lí thuyết cũ hoàn toàn sai và bị lí thuyết mới bác bỏ một cách triệt để Cũng có những lí thuyết sai lầm bị bác bỏ (ví dụ: thuyết duy năng), nhưng nói chung thì lí thuyết mới và lí thuyết cũ đều phản ánh được chân lí khách quan, chỉ có khác là sự phản ánh của lí thuyết mới chính xác hơn, đầy đủ hơn, tổng quát hơn Nhiều khi lí thuyết mới vạch ra giới hạn ứng dụng của lí thuyết cũ, và khi tới giới hạn đó, nhiều công thức của lí thuyết mới sẽ trùng với những công thức của lí thuyết cũ Khi lí thuyết mới đã ra đời, lí thuyết cũ vẫn còn giá trị trong phạm vi giới hạn ứng dụng của nó Sự phát triển của vật lí học và của khoa học nói chung

là một quá trình liên tục để tiến dần một cách tiệm cận tới chân lí tuyệt đối Nó là một phép tổng của các chân lí tương đối và mỗi bước tiến của khoa học là một bậc thang dẫn dắt chúng ta tới gần chân lí tuyệt đối hơn

Qui luật thứ tư: Trong quá trình phát triển của mình, vật lí học thường sử dụng

phương pháp tương tự và phương pháp mô hình hóa Những phương pháp này đã được

sử dụng từ lâu, có thể nói là từ khi bắt đầu xuất hiện khoa học vật lí Nhưng trong giai đoạn hiện nay, chúng được vận dụng một cách có hệ thống hơn, và được coi là những phương pháp hữu hiệu để đi đến tri thức mới trong khoa học

2.2 Mối quan hệ giữa vật lí học và sản xuất

Xét đến cùng thì sản xuất quyết định sự phát triển của mọi ngành khoa học Nhưng khác với các ngành khoa học xã hội, các ngành KHTN và nhất là vật lí học có mối quan hệ trực tiếp với sản xuất, cụ thể là với lực lượng sản xuất, với kĩ thuật Những kết quả nghiên cứu của vật lí học được ứng dụng trực tiếp vào sản xuất, và sản xuất, kĩ thuật cũng có những “đơn đặt hàng” cụ thể đối với vật lí học

Mối quan hệ giữa khoa học, kĩ thuật và sản xuất đã được hình thành từ lâu, và được thể hiện trong mọi giai đoạn của sự phát triển vật lí học Chúng ta có thể nêu lên

một số trường hợp cụ thể Do nhu cầu phải hoàn chỉnh cấu tạo của đồng hồ nhằm phục

vụ các chuyến đi biển, Huygens đã nghiên cứu sự chuyển động của con lắc, và lí thuyết

về con lắc đã đóng vai trò đáng kể trong sự phát triển của vật lí học Do nhu cầu cải tiến máy hơi nước để nâng cao hiệu suất của chúng, Carnot đã đặt nền móng đầu tiên cho sự phát triển của nhiệt động lực học Những hiện tượng về điện đã được người ta biết đến từ thời cổ đại, nhưng chỉ từ khi Ganvani và Voltaire phát minh ra phương pháp tạo ra dòng điện, và khi dòng điện được ứng dụng trong kĩ thuật thì điện học mới phát triển mạnh mẽ Điện động lực học của Maxwell đã dự đoán sự tồn tại của sóng điện từ, nhưng chỉ từ khi phát minh ra vô tuyến điện thì ngành vô tuyến điện kĩ thuật mới được hình thành và phát triển, sau đó lại làm phát sinh một ngành vật lí học mới là ngành vật lí vô tuyến

Trong quá trình phát triển của khoa học, mối quan hệ giữa vật lí học và sản xuất ngày càng thêm chặt chẽ và tính chất của mối quan hệ đó cũng biến đổi tùy theo từng giai đoạn phát triển

Ở thời cổ đại, khi vật lí học chưa tách ra thành một khoa học riêng biệt, mối quan

hệ giữa khoa học và sản xuất rất lỏng lẻo, có lúc hầu như không có nữa, và điều đó đã dẫn đến sự bế tắc của khoa học và của vật lí học

Trong các thế kỉ XVII, XVIII và một phần của thế kỉ XIX, khi vật lí học đã hình thành một cách độc lập, sự phát triển của vật lí học thường đi sau sự phát triển của kĩ thuật Vật lí học tổng quát hóa những sự kiện thực nghiệm đã gặp trong kĩ thuật, nghiên cứu những vấn đề cụ thể do kĩ thuật đề ra, xây dựng nền móng khoa học cho những phát minh đã được thực hiện trong kĩ thuật, để nâng chúng lên một mức cao hơn nữa Những công trình nghiên cứu lí thuyết của Huygens và của Carnot đã nói ở trên là những dẫn chứng cụ thể về tính chất của mối quan hệ giữa khoa học và kĩ thuật trong thời kì này

Từ đầu thế kỉ XIX, khoảng cách giữa sự phát triển của vật lí học và của kĩ thuật giảm dần Từ chỗ đi sau kĩ thuật và nghiên cứu giải thích, xây dựng cơ sở lí thuyết cho những vấn đề đã được áp dụng từ trước trong kĩ thuật, khoa học đã tiến lên ngang hàng với kĩ thuật và bắt đầu nghiên cứu những vấn đề mà kĩ thuật đang tìm tòi cách giải quyết Việc nghiên cứu sự bức xạ của vật đen tuyệt đối vào cuối thế kỉ XIX là một dẫn chứng cụ thể Ở đây sự nghiên cứu lí thuyết tiến hành đồng thời với sự khảo sát thực nghiệm, gắn liền với kĩ thuật sản xuất Những luận điểm lí thuyết nêu lên được kiểm tra trực tiếp bằng cách đối chiếu với những kết quả thực nghiệm trong kĩ thuật Ngược lại, những kết luận

cụ thể rút ra từ kĩ thuật, từ thực nghiệm lại gợi ý trực tiếp cho sự nghiên cứu lí luận Khoa học đang trên con đường trở thành một lực lượng sản xuất trực tiếp

Từ đầu thế kỉ XX, vật lí học bắt đầu đi trước kĩ thuật một bước trong một số lĩnh vực nhất định Khi thuyết tương đối Einstein ra đời vào đầu thế kỉ, người ta chưa thấy được và cũng chưa thể dự đoán được những ứng dụng thực tiễn của nó Nhưng tới giữa thế kỉ, thuyết tương đối đã trở thành cơ sở không thể thiếu được của kĩ thuật các máy gia tốc, của việc sử dụng năng lượng hạt nhân Từ giữa thế kỉ XX, vật lí học đi trước kĩ thuật một cách có hệ thống và giữ vai trò chỉ đạo đối với sự phát triển của kĩ thuật Nếu như trước kia người ta có thể phát minh ra kính thiên văn, máy hơi nước, máy phát điện, chỉ bằng sự mài mò, bằng kinh nghiệm, thì tình hình bây giờ đã thay đổi hẳn Không thể nào phát minh ra vô tuyến truyền hình, máy tính điện tử, con tàu vũ trụ, thuần túy bằng thực nghiệm mà không có lí thuyết dẫn đầu Khoa học đã trở thành một lực lượng sản xuất trực tiếp

Cần chú ý rằng ngay cả trong tình hình này, sản xuất vẫn giữ vai trò quyết định trong toàn bộ sự phát triển của khoa học, mặc dù trong từng vấn đề cụ thể khoa học đã giữ vai trò chỉ đạo Ở đây chỉ có hình thức thể hiện vai trò quyết định của sản xuất là có thay đổi Trước kia, sản xuất đề ra những yêu cầu cụ thể, trực tiếp đối với khoa học, ví dụ như vấn đề nâng cao hiệu suất của máy hơi nước Ngày nay, những yêu cầu của sản xuất đối với khoa học mang tính chất phương hướng, tính chất chiến lược Ví dụ, do sự phát triển rất mạnh mẽ của nó hiện nay, sản xuất yêu cầu khoa học phải tìm ra những nguồn năng lượng lớn, những vật liệu mới với những tính chất nhất định nhưng không sẵn có trong thiên nhiên Nhưng sản xuất không chỉ cụ thể ra được đó là những năng lượng nào, vật liệu nào, và tìm chúng ở đâu, bằng cách nào Đó là trách nhiệm cụ thể của khoa học,

và khoa học phải xây dựng lí thuyết, vạch đường cho kĩ thuật tiến lên để đáp ứng những yêu cầu của sản xuất Vai trò quyết định của sản xuất và vai trò chỉ đạo của khoa học, của vật lí là như vậy

2.3 Chế độ xã hội và sự phát triển vật lí học

Sự phát triển của vật lí học và của khoa học nói chung không những chịu ảnh hưởng của lực lượng sản xuất xã hội, mà còn chịu ảnh hưởng của quan hệ sản xuất xã hội nữa Nếu như lực lượng sản xuất luôn luôn thúc đẩy khoa học tiến lên, thì quan hệ sản xuất, chế độ xã hội có tác dụng thúc đẩy hoặc kìm hãm sự phát triển của khoa học

Lịch sử đã chứng kiến vai trò kìm hãm khoa học của chế độ phong kiến châu Âu suốt một ngàn năm trong thế kỉ Khoa học khi đó không thể nào tiến lên được, và có lúc còn bị giai cấp phong kiến và giáo hội lái đi sai hướng, nhằm biến nó thành “kẻ đầy tớ của tôn giáo” với nhiệm vụ chứng minh những luận điểm phản khoa học của tôn giáo

Cuộc cách mạng tư sản của Pháp đã giải phóng khoa học, giai cấp tư bản mới nắm chính quyền đã tổ chức lại các cơ quan khoa học và việc nghiên cứu khoa học, mở thêm các trường đại học và viện nghiên cứu, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của khoa học, làm cho nền khoa học của Pháp vào nửa đầu thế kỉ XIX đã chiếm vị trí hàng đầu trên thế giới Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng từ thế kỉ XIX trở đi, trung tâm khoa học của thế giới đã chuyển từ Pháp sang Đức rồi sang Mĩ, và từ giữa thế kỉ XX thì bắt đầu chuyển sang Liên

Xô Chế độ xã hội chủ nghĩa đã mở ra cho khoa học những khả năng phát triển mạnh mẽ

và làm cho nhiều ngành khoa học của Liên Xô hiện nay đang giữ vị trí hàng đầu trên thế giới Nhịp độ phát triển khoa học ở nước ta trong những năm kháng chiến và nhất là từ khi thống nhất đất nước, trong điều kiện còn phải khắc phục đầy rẫy những khó khăn do chiến tranh để lại, cũng thể hiện rõ vai trò thúc đẩy của chế độ xã hội chủ nghĩa đối với

sự tiến bộ của khoa học

Các hoạt động khoa học ngày nay càng ngày càng mang tính chất tập thể và tính chất quốc tế rõ ràng Nhiều phát minh khoa học hiện nay là kết quả của sự hợp tác giữa những tập thể các nhà nghiên cứu của nhiều nước khác nhau Cuộc cách mạng khoa học -

kĩ thuật trong giai đoạn hiện đại đang đề ra nhiều vấn đề có tính chất chung đối với sự phát triển khoa học và kĩ thuật ở các nước tư bản chủ nghĩa cũng như xã hội chủ nghĩa,

và phương hướng giải quyết các vấn đề đó ở nhiều nước cũng mang những nét tương tự như nhau Tình trạng đó đã khiến một số nhà học giả tư sản đề xuất ra lí thuyết sai lầm về

sự “hội tụ” Họ cho rằng ở giai đoạn phát triển cao như hiện nay của khoa học và kĩ thuật thì khoa học quyết định vận mệnh của thế giới, và người điều khiển xã hội là nhà khoa học, chứ không phải là nhà kinh doanh, nhà chính trị như trước nữa Vì vậy, sự phát triển của xã hội không còn tùy thuộc vào chế độ chính trị, cuộc cách mạng khoa học - kĩ thuật

đã làm cho chủ nghĩa tư bản và chủ nghĩa xã hội “hội tụ” với nhau, vì cùng nhằm một mục tiêu như nhau bằng những phương tiện như nhau

Chủ nghĩa tư bản với mục đích kiếm lợi nhuận tối đa cho các nhà tư bản bằng cách bóc lột sức lao động làm thuê, không đủ khả năng giải quyết toàn diện những vấn đề do cuộc cách mạng khoa học - kĩ thuật đề ra, và chính bản chất của nó không cho phép nó giải quyết các vấn đề đó Chỉ có chủ nghĩa xã hội, với sự phát triển xã hội một cách nhịp nhàng và có kế hoạch, mới có khả năng huy động lực lượng xã hội một cách toàn diện, giải quyết một cách hữu hiệu những vấn đề lớn của cuộc cách mạng khoa học - kĩ thuật, nhằm mục đích nâng cao không ngừng đời sống vật chất và tinh thần của toàn xã hội

2.4 Mối quan hệ giữa vật lí học và triết học

Từ trước kia cho tới nay, giữa vật lí học và triết học luôn luôn có mối quan hệ tương hỗ chặt chẽ Triết học phải dựa vào những thành tựu của các khoa học cụ thể, và nhiều khi chỗ dựa đó chủ yếu là những thành tựu của vật lí học Ngược lại, vật lí học, cũng như các khoa học khác, lại phải vận dụng những khái niệm mà triết học nghiên cứu, khảo sát và chịu ảnh hưởng sâu sắc của phương pháp luận, nhận thức luận do triết học đề

ra

Trong khi tư duy trừu tượng, trong khi xây dựng các lí thuyết, các nhà khoa học phải vận dụng phương pháp lôgic, vận dụng các phạm trù triết học, phải giải quyết mối quan hệ giữa tư duy và thực tại, Những kết luận cụ thể mà khoa học đạt được khi nghiên cứu những vấn đề cụ thể lại có tác dụng củng cố, phát triển hoặc bác bỏ những luận điểm cơ bản của triết học này hay triết học khác

Tính chất mối quan hệ giữa các khoa học cụ thể và triết học cũng biến đổi tùy theo

sự phát triển của khoa học Trong thời kì Hi Lạp cổ đại, triết học và các khoa học cụ thể chưa tách khỏi nhau Môn khoa học duy nhất thời đó là “triết học tự nhiên” Nó nghiên cứu cả những quan niệm tổng quát về thiên nhiên và con người, lẫn những tri thức cụ thể thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau Nhưng về thực chất, nó chủ yếu đề cập đến những vấn

đề tổng quát mang tính chất triết học, còn việc giải quyết những vấn đề cụ thể là một tham vọng mà nó không thể đạt được, vì điều kiện kĩ thuật và trình độ sản xuất lúc bấy giờ chưa cho phép

Từ thế kỉ XVII, vật lí học bắt đầu tách khỏi triết học và trở thành một khoa học độc lập, bắt đầu từ những công trình của Galileo Trong các thế kỉ XVII, XVIII triết học cũng mang những tính chất khác với thời cổ đại Nó không bao gồm các KHTN nữa, và chỉ nghiên cứu những qui luật tổng quát của tồn tại và nhận thức, của mối quan hệ giữa ý thức và tồn tại Nhưng nó vẫn chưa hoàn toàn từ bỏ việc nghiên cứu những vấn đề cụ thể thuộc lĩnh vực nghiên cứu của các KHTN, như các vấn đề về bản chất của vật chất, về không gian và thời gian, về tính chất của chuyển động, Triết học tự coi mình là khoa học đứng trên các khoa học, không những giữ vai trò chỉ đạo trong các vấn đề về thế giới quan, về nhận thức luận, mà còn can thiệp vào những vấn đề cụ thể của KHTN nữa

Nhưng dần dần triết học đã từ bỏ việc giải quyết các vấn đề cụ thể của KHTN Triết học duy vật biện chứng lần đầu tiên đã giải quyết một cách đúng đắn mối quan hệ giữa triết học và khoa học Duy vật biện chứng nghiên cứu mối quan hệ giữa ý thức và thế giới khách quan, những tính chất tổng quát nhất của thế giới vật chất, những qui luật

tổng quát nhất của vận động, những qui luật phát triển của thiên nhiên, xã hội và ý thức Duy vật biện chứng không tự nhận mình là khoa học đứng trên các khoa học, không giải quyết những vấn đề cụ thể của các khoa học, và cũng không chỉ thuần túy dựa trên những luận điểm triết học để đánh giá xem một lí thuyết khoa học cụ thể nào đó là đúng hay sai

Nó không giải quyết vấn đề ánh sáng là sóng hay là hạt, nguyên lí bất định là đúng hay sai, Đó là những vấn đề mà vật lí học phải giải quyết bằng cách kiểm tra xem những khái niệm, những lí thuyết được đề ra có phản ánh đúng thực tại khách quan không, có vận dụng được vào thực tiễn không Nhưng duy vật biện chứng thâm nhập vào mọi môn khoa học, nó là cơ sở phương pháp luận của chúng, vạch ra cho chúng phương pháp nhận thức, phương pháp để đi đến chân lí, khiến cho khoa học có thể tiến lên vững vàng, tránh được sai lầm, tránh được những con đường vòng, trong quá trình nhận thức thiên nhiên

và làm chủ thiên nhiên

Vấn đề ảnh hưởng của triết học đối với khoa học và đối với vật lí học nói riêng là một vấn đề không đơn giản và đang được tiếp tục nghiên cứu Đánh giá quá thấp hoặc đánh giá quá cao ảnh hưởng đó đều không đúng Nếu đánh giá quá thấp sẽ không thấy rõ được vai trò thúc đẩy, vai trò dẫn đường của triết học đối với khoa học trong những giai đoạn phát triển nhất định Trái lại, nếu đánh giá quá cao ảnh hưởng đó sẽ không thể hiểu được tại sao một số các nhà khoa học theo triết học duy tâm - có khi là duy tâm thuần túy, cực đoan nữa lại có thể đi đến những phát minh quan trọng, những cống hiến đáng

kể đối với sự phát triển của khoa học

Vấn đề là ở chỗ mỗi nhà khoa học, mỗi nhà vật lí, mặc dù có tư tưởng duy tâm đi nữa, trước hết cũng phải dựa vào quan sát, thực nghiệm, dựa vào những sự kiện khách quan diễn ra trong thực tế để xây dựng lí thuyết của mình Nhà khoa học duy tâm có thể dựa vào lí thuyết những yếu tố duy tâm nhất định, nhưng nếu lí thuyết đó được thừa nhận, nó phải phản ánh được thực tế khách quan đến một mức độ nào đó, và trong sự phát triển của khoa học, những yếu tố duy tâm phản ánh không đúng thực tế sẽ bị gạt bỏ dần Trái lại, nếu lí thuyết không phản ánh đúng thực tế khách quan (ví dụ: thuyết duy năng), nó sẽ nhanh chóng bị loại bỏ, như là một lí thuyết không có giá trị khoa học và không có thứ triết học nào có thể biện hộ cho nó được Chính vì vậy mà Vladimir Ilyich

Lenin đã nói rằng: “chỉ những người nào đứng trên quan điểm duy vật thô thiển, sơ lược,

siêu hình, mới cho triết học duy tâm là hoàn toàn sai, là chỉ chứa đựng những chuyện vớ vẩn Trái lại, theo quan điểm duy vật biện chứng, triết học duy tâm là sự thổi phồng quá mức một khía cạnh của thực tế, tách rời nó khỏi vật chất, tuyệt đối hóa nó, thần thánh hóa nó” [14, tr 14]

Nhìn chung thì triết học có thể thúc đẩy hoặc kìm hãm sự phát triển của khoa học, nhưng không thể làm biến đổi con đường phát triển của khoa học Những tư tưởng triết học duy tâm phản động nhất kèm theo những biện pháp tàn bạo nhất của giáo hội thời trung cổ, cũng không thể biến khoa học thành “kẻ đầy tớ của tôn giáo” Triết học duy vật biện chứng cũng không bao giờ vạch sẵn những con đường, làm sẵn những khuôn mẫu để bắt khoa học phải tuân theo

Nhưng vì bản chất thế giới là vật chất, sự phát triển của thế giới, sự phát triển của khoa học lại mang tính biện chứng cho nên giữa triết học duy vật biện chứng và khoa học

có mối quan hệ mật thiết Mỗi một phát minh mới, một bước phát triển mới của khoa học

là một minh chứng mới, một sự phát triển mới của luận điểm cơ bản của duy vật biện chứng Và mỗi sự phát triển mới của triết học duy vật biện chứng lại tạo ra những cơ sở, chỉ ra những phương hướng cho sự phát triển của khoa học Càng làm cho mối quan hệ giữa duy vật biện chứng và khoa học thêm chặt chẽ thì càng đẩy mạnh sự phát triển không ngừng của các khoa học cụ thể cũng như triết học duy vật biện chứng

Dù tự giác hay tự phát, nhà khoa học, suy cho đến cùng đều suy nghĩ và nghiên cứu theo những qui luật của duy vật biện chứng, và đều góp phần chứng minh sự đúng đắn của duy vật biện chứng Có khác chăng ở chỗ người duy vật biện chứng tự giác thì có điều kiện để tiến lên những bước vững vàng hơn, còn người không tự giác thì có thể mất phương hướng, có thể đạt tới những kết quả không hoàn chỉnh, không triệt để, hoặc sai lạc

Vật lí học hiện nay đang đi sâu vào thế giới vi mô và vào vũ trụ mênh mông vô hạn Tính chất của vật chất cũng như phương pháp nghiên cứu, thí nghiệm ở các lĩnh vực này rất khác với thế giới vĩ mô quen thuộc của chúng ta Mặt khác, khoa học càng ngày càng cho phép con người tìm ra những tính chất, những qui luật rất tổng quát của thế giới vật chất Vì vậy, các nhà vật lí hiện nay rất quan tâm nghiên cứu và tranh luận những vấn

đề triết học về thế giới quan, về nhận thức luận: Chúng ta đang nghiên cứu cái gì? Chúng

ta hiểu được thế giới không? Hình ảnh của thế giới mà khoa học vẽ ra có đúng khớp với thế giới thật không? Trong cuộc đời khoa học của mình, nhiều nhà khoa học lớn như Einstein, Bo, Max Born, đã từng bước “điều chỉnh” lại tư tưởng triết học của mình, và kết quả khách quan là tư tưởng của các ông ngày càng nhích lại gần những quan điểm của duy vật biện chứng

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LÍ HỌC

Ngày nay, vật lí học đã tạo được những thành tựu rực rỡ nhất định, để có những kết quả đó, vật lí học đã trải qua nhiều chặng đường gian khổ, đấu tranh cho chân lí để hiểu được bức màn bí ẩn của thế giới tự nhiên, điều khiển được thế giới tự nhiên, bắt thế giới tự nhiên phục vụ cho cuộc sống của con người

1 GIAI ĐOẠN CHUẨN BỊ ĐỂ HÌNH THÀNH NGÀNH VẬT LÍ HỌC

Trong cuộc đấu tranh lâu dài với thiên nhiên khắc nghiệt để tồn tại và phát triển, con người đã dần dần tích lũy được những kinh nghiệm, những kiến thức có hệ thống về các HTTN xảy ra hằng ngày, từ đó đúc kết thành những qui luật chung và vật lí học ra đời từ đó

Những kiến thức ban đầu về tĩnh học xuất hiện, quang học, thủy tĩnh học và điện

từ học được biết đến Thuyết địa tâm dựa trên học thuyết của Aristotle được đa số các nhà thiên văn công nhận Theo thuyết địa tâm lúc bấy giờ, Trái Đất hình cầu đứng yên ở trung tâm vũ trụ, bao quanh Trái Đất có 7 mặt cầu pha lê trong suốt, gắn trên chúng là Mặt Trời, Mặt Trăng và 5 hành tinh Các mặt cầu này chuyển động liên tục với một vận tốc không đổi Ngoài cùng là mặt cầu đứng yên, trên đó có gắn vô vàn các sao bất động Tuy nhiên, các nhà thiên văn đã phát hiện được một số mâu thuẫn quan trọng giữa các kết quả quan sát và lí thuyết của Aristotle Các hành tinh chuyển động không phải với vận tốc không đổi, mà có lúc nhanh hơn, lúc chậm hơn, chuyển động giật lùi, rồi lại tiến lên,

vẽ thành một cái nút thòng lọng trên quĩ đạo Thuyết địa tâm cùng với tư tưởng tôn giáo của Aristotle đã đẩy nhân loại rơi vào thời kì “đêm trường trung cổ”, khoa học bị đình trệ

Từ giữa thế kỉ XV đã diễn ra một sự chuyển mình trong đời sống kinh tế, chính trị, văn hóa của châu Âu trung thế kỉ Sự phát triển thủ công nghiệp ở nông thôn, sự hình thành và phát triển các thành phố đã phá vỡ nền kinh tế tự cấp tự túc Thương nghiệp phát triển, giai cấp tư sản hình thành với các thương gia, chủ ngân hàng, chủ xưởng giàu

có và có thế lực Chế độ phong kiến phân quyền là một trở ngại lớn cho sự phát triển kinh

tế Các cuộc nổi dậy của nông dân, của các thợ thủ công, chống lại uy quyền của giáo hội, của các chúa phong kiến, đã mở đường cho sự tạo thành những quốc gia tập quyền mạnh mẽ Sau các cuộc thập tự chinh, các thương gia châu Âu tìm đường buôn bán với các quốc gia giàu có Phương Đông Trong những cuộc thám hiểm tìm đường như vậy,

Cristoforo Colombo đã phát hiện ra châu Mĩ (1492), Magellan đã đi vòng quanh Trái Đất (1519 – 1522), và chứng minh bằng thực nghiệm rằng Trái Đất là “tròn”

Sự phát triển đó đòi hỏi phải xây dựng một nền khoa học mới, có đủ khả năng giải quyết những vấn đề mà thực tiễn sản xuất đề ra Nhiều nhà khoa học đã đoạn tuyệt với phương pháp kinh viện, tìm đường trở về với những tư tưởng tự do của thời cổ Hi Lạp (phong trào Phục Hưng), đề cao lí trí tự do, đề cao thực nghiệm, không thừa nhận uy quyền của giáo hội trong khoa học

Các phương pháp quan trắc ngày càng chính xác hơn cho phép phát hiện nhiều đặc điểm mới trong sự chuyển động của các hành tinh, mà hệ thống các nội luân và ngoại luân không thể giải thích được Hệ địa tâm ngày càng phức tạp, rắm rối hơn, khiến nhiều

tu sĩ khi học nó đã phải thốt lên: “Lạy Chúa, sao người đã sinh ra một vũ trụ rắc rối đến thế!”

Tình hình đó khiến một số nhà thiên văn nhớ lại thuyết nhật tâm đã bị bỏ quên và tin rằng nó có thể mô tả vũ trụ một cách đơn giản, thuận tiện hơn Nhưng vào lúc đó phải

có lòng dũng cảm rất lớn mới dám đứng lên bảo vệ thuyết nhật tâm, chống lại truyền thống dân gian lâu đời, chống lại kinh thánh Hành động đó thật sự là một hành động cách mạng Nicolas Copernic (1473 - 1543) là một tu sĩ, đồng thời là một nhà hoạt động

xã hội và khoa học hết sức sôi nổi Ông đã dạy học, nghiên cứu và hoạt động trong các hoạt động toán học, thiên văn, y học, triết học, luật học, tôn giáo, kinh tế, ngoại giao, quân sự Năm 1530, ông đã trình bày những luận điểm cơ bản của mình về thuyết nhật tâm trong bản thảo viết tay “Bình luận nhỏ” Tiếp sau đó, ông đã trình bày đầy đủ lí thuyết của ông trong tác phẩm “Về sự quay của các thiên cầu” Cuốn sách được in xong vào năm 1543 và đến tay ông vài ngày trước khi ông mất

Trong tác phẩm của mình, Copernic coi Mặt Trời bất động là tâm vũ trụ, Trái Đất

và các hành tinh quay quanh Mặt Trời, Mặt Trăng quay quanh Trái Đất, và ở một khoảng

xa rất lớn là mặt cầu chứa các sao bất động Dựa theo tư tưởng của các nhà bác học cổ Hi Lạp, Copernic coi rằng các thiên thể chuyển động trên các quĩ đạo tròn, với tốc độ không đổi Vì vậy, Copernic cũng phải dùng một nội luân, ngoại luân như Claudius Ptolemaeus

Lí thuyết của Copernic còn mang những điểm sai lầm, nhưng cái vĩ đại nhất của nó là chuyển tâm vũ trụ vào Mặt Trời, và coi Trái Đất như một hành tinh bình thường của Mặt Trời, bác bỏ những giáo điều của Aristotle và của giáo hội về thế giới trên trời và thế giới trần tục, về vai trò cao cả của Trái Đất trong vũ trụ

Tác phẩm của Copernic đã mở đầu cho một cuộc cách mạng trong khoa học, đã đặt trước khoa học một loạt vấn đề quan trọng cần được tiếp tục giải quyết Thuyết Copernic chỉ mới là một sơ đồ động học, cần phải xây dựng cơ sở vật lí của nó, phải tìm

ra những nguyên nhân gì gắn bó các hành tinh với Mặt Trời thành một hệ vững chắc Khó khăn rất lớn, giáo hội bắt đầu lo ngại và đàn áp mạnh hơn sự việc này Một số nhân vật có uy tín lúc đó cũng không ủng hộ thuyết Copernic: nhà cải cách tôn giáo Lute, nhà triết học duy vật Francis Bacon, nhà thiên văn học lớn Tikho Brahe Cuộc đấu tranh cho

hệ nhật tâm phải kéo dài mấy chục năm liền, trong đó nổi bật vai trò của Bruno và Kepler

Giordano Bruno (1548 - 1600) cho rằng Copernic là “ánh bình minh báo trước Mặt Trời chân lí triết học cổ đại sắp mọc” Ông chủ trương rằng hệ nhật tâm của Copernic không phải là duy nhất, vũ trụ là vô tận và trong thế giới có vô số Mặt Trời khác, vô số Trái Đất khác, vô số hệ nhật tâm khác nữa Ông phê phán các quan điểm của Aristotle, ủng hộ nguyên tử luận của Democritos và Epiquya Để tránh bị truy nã, ông đã rời bỏ quê hương và đã hoạt động ở nhiều thành phố tại Italia, Pháp, Anh, Đức Năm

1592, ông bị tòa án dị giáo bắt, bị giam cầm và tra tấn ở nhiều nhà tù, bị kết án thiêu sống

vì những hành động dị giáo Tòa án dị giáo hứa tha chết cho ông nếu ông công khai phủ nhận lí thuyết của mình Ông đã từ chối và bước lên giàn lửa ngày 17 - 02 - 1600

Johannes Kepler (1571 - 1630) vừa khâm phục thuyết Copernic, vừa chịu ảnh hưởng của Pitago Ông đã xây dựng một sơ đồ hình học kì quặc để xác định quĩ đạo các hành tinh trong hệ Copernic Công trình đó được gửi tặng Tikho Brahe và Galileo Sau một thời gian dài nghiên cứu, ông cho rằng tốc độ chuyển động của hành tinh là không đều, nó lớn hơn khi hành tinh ở gần Mặt Trời hơn Đó là nội dung của hai định luật Kepler công bố năm 1609 Năm 1611, ông công bố một công trình về quang học trong đó ông mô tả cấu tạo của kính thiên văn và nghiên cứu đường đi của tia sáng qua hệ thấu kính Năm 1619, ông công bố định luật Kepler thứ ba, và như vậy đã hoàn thành kế hoạch nghiên cứu quĩ đạo các hành tinh

Từ năm 1610, Galileo bắt đầu một cuộc đấu tranh mới, căng thẳng và kéo dài để bảo vệ thuyết Copernic Các đối thủ của ông không chịu công nhận những kết quả thực nghiệm, không thèm đến quan sát bằng kính thiên văn và công khai phản kích Cuối năm

1615, Galileo tới Roma để bảo vệ thuyết Copernic và cũng là để tự bảo vệ mình trước giáo hội Ông đã tranh luận hết sức xuất sắc, đã tránh mọi va chạm với kinh thánh, nhưng

đã đánh đổ mọi lí lẽ “trần tục” nêu ra để chống thuyết Copernic Đầu năm 1616, tòa án dị giáo ra sắc lệnh công bố học thuyết về sự chuyển động của Trái Đất là trái với kinh

thánh, cấm cuốn sách của Galileo, cấm truyền bá thuyết Copernic Những công trình nghiên cứu, những cuộc tranh luận của các nhà vật lí học thời bấy giờ cứ tiếp diễn, Copernic, Bruno, Galileo đã đấu tranh liên tục chống sự tôn sùng Aristotle một cách mù quáng Sự phát triển của khoa học không những đòi hỏi những phương pháp mới, mà còn đòi hỏi một cách tổ chức mới nữa Các trường đại học do giáo hội giám sát chặt chẽ không phải là nơi dung thân của khoa học chân chính Nhưng nhà khoa học hoạt động riêng rẽ bằng phương tiện riêng của mình như Copernic, Kepler, Galileo, không còn đủ sức để giải quyết những vấn đề của khoa học trong bước phát triển mới Francis Bacon đã nêu lên rằng việc nghiên cứu khoa học phải được tổ chức như một hoạt động tập thể, và phải được xã hội tài trợ

Năm 1657 xuất hiện Viện Hàn lâm cho các ngành khoa học đầu tiên Đó là “Viện Hàn lâm thí nghiệm Florence” gồm 9 viện sĩ là những học trò và những người ủng hộ Galileo Họ cùng nhau tổ chức làm thí nghiệm và thảo luận về những thí nghiệm đó, và năm 1667 đã công bố những công trình của mình trong một tuyển tập Nhưng cũng vào năm đó, dưới áp lực của giáo hội, người bảo trợ Viện Hàn lâm này đã phải ngừng tài trợ

và giải tán nó

Năm 1660, ở Luân Đôn chính thức thành lập Hội Hoàng gia nhằm mục đích thúc đẩy “triết học thực nghiệm”, với phương châm: “Không tin cái gì chỉ bằng lời nói” Hội này tồn tại cho đến nay và giữ vai trò Viện Hàn lâm Khoa học nước Anh Tiếp sau đó, các Viện Hàn lâm Khoa học lần lượt được tổ chức ở Pháp (1666), Nga (1725) cũng như ở nhiều nước khác nữa

Tới thế kỉ XVII, vật lí học đã trở thành một hệ thống khoa học với những tư tưởng, những phương pháp, những hình thức tổ chức xác định Vật lí học được công nhận

là một lực lượng xã hội có khả năng hỗ trợ sự phát triển của sản xuất xã hội Từ chỗ là đầy tớ của giáo lí, theo lời của giáo chủ Đamiani (thế kỉ IX), khoa học đã trở thành một hình thái độc lập của ý thức xã hội

2 GIAI ĐOẠN VẬT LÍ HỌC TRỞ THÀNH MỘT KHOA HỌC ĐỘC LẬP

Từ thế kỉ XVII, vật lí học chuyển sang một giai đoạn mới, bắt đầu bằng công trình nghiên cứu của nhà bác học Galileo Ông đã xây dựng những cơ sở của một nền vật lí học mới, vật lí học thực nghiệm chân chính, thay thế cho vật lí học của Aristotle

Galileo (1564 – 1642) là nhà thiên văn học, nhà vật lí học Italia Lúc nhỏ gia đình nghèo, ông chưa học hết đại học, ông tự học và khi 25 tuổi được mời làm giáo sư đại học

Đầu tiên ông đưa ra nguyên lí quán tính, khái niệm lực và gia tốc, là người mở đường cho lực học kinh điển và vật lí học thực nghiệm Ông là người đầu tiên dùng kính viễn vọng quan sát các thiên thể, chứng minh và phát triển thuyết Mặt Trời là trung tâm vũ trụ của Copernic Ông được người đời sau mệnh danh là “Cha đẻ của khoa học cận đại” [13]

Galileo là nhà khoa học nổi tiếng thời cổ đại, ông sinh ra ở thành Pisa (Italia) Suốt đời ông theo đuổi chân lí, hiến thân cho khoa học, dám giữ vững nguyên tắc của mình Khi còn đi học Galileo là một HS hay đặt ra câu hỏi, đối với những vấn đề hứng thú ông luôn tự tìm cách chứng minh Có một thầy giáo đã đưa ra một câu hỏi hóc búa cho HS: Dùng một sợi dây vòng thành các hình khép kín khác nhau, thì hình nào có diện tích lớn nhất? Để tìm câu trả lời Galileo đã tìm một sợi dây vòng thành các hình như hình vuông, chữ nhật, hình tròn,… Cuối cùng ông phát hiện hình tròn là hình có diện tích lớn nhất trong các hình, ông còn dùng những kiến thức toán học của mình học được để chứng minh quan điểm này Thầy giáo của ông thấy sự chứng minh của Galileo như vậy hết sức vui mừng, cổ vũ ông học toán học

Aristotle cho rằng hai vật cùng đồng thời rời từ trên cao xuống, vật nặng rơi xuống trước, vật nhẹ rơi xuống sau Galileo thì ngày càng nghi ngờ điều này, ông nghĩ: “Các cục đá băng rơi từ trên trời xuống, cục to cục nhỏ chẳng phải rơi xuống đất như nhau sao? Aristotle sai hay ông sai?”

Về sau, Galileo trở thành giáo sư dạy toán tại trường Đại học Pisa, ông đã đưa ra

sự hoài nghi đối với học thuyết của Aristotle

Các đồng sự của ông biết điều hoài nghi đó của ông đều bàn tán xôn xao, có người nói Aristotle là nhân vật vĩ đại như vậy, lẽ nào quan điểm của ông lại sai được? Đây chắc

là muốn chơi trội Lại có người nói giáo hội và Giáo hoàng đều thừa nhận những điều Aristotle nói là chân lí, Galileo lại dám nghi ngờ cả chân lí Nhưng Galileo không để ý những điều mọi người dị nghị, ông nghĩ cách dùng thực nghiệm để chứng minh sự đúng đắn của mình Ông nhớ lại lúc nhỏ cùng các em trèo lên tháp Pisa chơi trò ném đá xuống, mỗi lần ném một nắm đá xuống có hòn to hòn nhỏ, chúng đều cùng rơi xuống đất một lúc Thế là ông quyết định phải lên tháp Pisa để làm thực nghiệm, để cho tất cả mọi người đều nhìn thấy kết quả thực nghiệm

Galileo dán quảng cáo trong thành phố, ông viết: “Trưa mai mời mọi người dến tháp nghiêng Pisa xem thực nghiệm về vật rơi” Tin được truyền đi, đúng trưa ngày hôm sau rất nhiều người đã kéo đến xem thực nghiệm, có người là nhà khoa học, có người chỉ

là dân thường trong thành phố, có bạn bè của ông và có cả những người phản đối ông

Trong đám người đến xem vẫn có người cười ông, họ nói rằng có thằng ngốc mới tin rằng một chiếc lông gà và một viên đá cùng rơi xuống đất như nhau Lúc đó Galileo hết sức tự tin vì rằng ông và các HS của ông đã làm thực nghiệm nhiều lần và mỗi lần đều chứng minh đúng [13]

Thực nghiệm bắt đầu, Galileo và HS của mình đặt hai quả cầu sắt to nhỏ khác nhau tương đối rõ rệt vào một cái hộp, đáy của hộp có thể mở ra được, chỉ cần kéo đáy hộp ra là hai viên cầu sắt trong hộp đồng thời tự do rơi xuống Galileo và các HS của mình đưa hộp lên đỉnh tháp, mọi người đứng phía dưới đều chăm chú ngẩng đầu nhìn lên Galileo đích thân kéo đáy hộp ra, mọi người nhìn thấy hai quả cầu sắt một to một nhỏ rơi xuống, tất cả đều nín thở “Bịch” một tiếng, cả hai viên đồng thời rơi xuống đất mọi người đứng xem cùng reo lên, còn những người phản đối Galileo thì im lặng không nói

gì Thực tế mọi người nhìn thấy đã chứng minh: Mọi vật thể rơi từ trên cao rơi xuống, thời gian rơi xuống không liên quan đến trọng lượng Điều đáng nói là năm 1969 các nhà

du hành vũ trụ đã đặt chân lên Mặt Trăng, họ đã làm thực nghiệm, thả một chiếc lông vũ

và một hòn đá cùng rơi xuống, kết quả chiếc lông và hòn đá cùng rơi xuống Mặt Trăng một lúc Điều này đã nói cho biết nếu như không có lực đẩy của không khí, chiếc lông và hòn đá sẽ rơi xuống mặt đất cùng một lúc Câu chuyện nổi tiếng về thực nghiệm ở tháp nghiêng Pisa vẫn còn lưu truyền trên thế giới đến ngày nay, nó đã trở thành một giai thoại lịch sử khoa học

Cùng thời gian này cũng xuất hiện nhiều nhà vật lí thực nghiệm xuất sắc như: Torricelli, Boylo, Mariotte, Descartes, thuộc nhiều lĩnh vực như nhiệt, điện,

Đầu thế kỉ XVII, ở Florenxia, một thành phố thương mại giàu có, người ta đào một cái giếng rất sâu Từ miệng giếng đến mặt nước có đến hơn mười mét Người ta muốn hút nước lên bằng một cái bơm, nhưng không làm sao bơm lên được Chẳng ai hiểu rõ nguyên do vì đâu Họ bèn cho mời Galileo, người có học thức nhất ở Florenxia lúc bấy giờ Galileo đến xem kĩ cái bơm, ống hút nước và pittông Tất cả đều nguyên lành không sao cả Thế thì tại sao nước không lên được?

Galileo giải thích rằng, có lẽ trọng lượng của bản thân cột nước trong ống đã kéo tụt nước xuống Một học trò của Galileo là Torricelli đẽ giải thích hiện tượng đó theo cách khác Torricelli cho rằng vấn đề không phải chỉ ở trọng lượng của nước, mà còn ở trọng lượng của không khí nữa Khi người ta hút nước bằng bơm thì không khí đã ngầm giúp người ta: không khí ở trên mặt giếng, dùng tất cả trọng lượng của mình để nén nước

và buộc nước dâng lên theo ống Nếu bơm không thể hút nước lên cao quá mười mét thì

điều đó có nghĩa là không khí chỉ có khả năng đẩy nước tới một mức độ nào đó thôi Để chứng minh cho lập luận của mình, Torricelli bèn làm một thí nghiệm Ông lấy một cái ống thủy tinh một đầu bịt kín, trong ống đựng đầy thủy ngân Sau đó ông lấy ngón tay bịt đầu hở lại, lật ngược ống và nhúng đầu hở ấy vào trong một chậu cũng đựng thủy ngân

Thủy ngân không hoàn toàn tụt ra khỏi ống, mà chỉ tụt thấp xuống một chút thôi Cột thuỷ ngân tuy tụt xuống nhưng vẫn cao hơn mực thủy ngân ở chậu hơn 70cm Trọng lượng cột thủy ngân tương đương với trọng lượng một cột nước cao khoảng 10m Vậy thì cái gì đã giữ cho cột thủy ngân đó hạ xuống? Đó là áp suất của không khí

Với thí nghiệm lịch sử này, Torricelli đã chứng minh được sự tồn tại của áp suất khí quyển mà trước đó chưa ai biết, đồng thời đã đánh tiếng chuông báo tử cho tín điều

“thiên nhiên sợ cái trống rỗng” của Aristotle Chẳng trách, Leonardo da Vinci, nhà bác học kiêm họa sĩ vĩ đại, đã gọi thí nghiệm là “thầy của các thầy”

Năm 1663, hiện tượng giao thoa ánh sáng trong các màng mỏng được mô tả Năm

1665, một công trình trong đó Grimaldi (1658 - 1663) mô tả hiện tượng nhiễu xạ và nêu

ra ý kiến về bản chất sóng của ánh sáng được công bố sau khi ông đã qua đời Sau đó ít lâu, Huygens (1629 - 1695) công bố “Giáo trình quang học” viết bằng tiếng Latinh, sách

đó được ông chỉnh lí lại và cho tái bản bằng tiếng Pháp năm 1690 và được coi là công trình đầu tiên về quang học sóng Trong tác phẩm này, ông đã phát biểu nguyên lí truyền sóng, ngày nay được gọi là nguyên lí Huygens

Đặc biệt, trong thời kì này, Newton với những đóng góp vĩ đại cho khoa học về các lĩnh vực như: cơ học, toán học, quang học Thế giới quan của Newton phản ánh những mâu thuẫn của cuộc cách mạng tư sản ở Anh Newton chống lại chủ nghĩa kinh viện tách rời thực tế và vô bổ Ông bảo vệ một nền khoa học mang lại lợi ích thực tế, có khả năng phát triển kĩ nghệ, thương mại Nhưng Newton cũng là một người ngoan đạo, ông tin rằng khoa học không những mang lại lợi ích thực tế, mà còn giúp ta nhận thức được Chúa nữa Newton thừa nhận sự tồn tại của thế giới vật chất khách quan, vận động theo những qui luật nhất định mà ông đã bỏ nhiều công sức và tài năng để phát minh Nhưng ông cũng tin rằng có một thượng đế, một đấng tạo hóa đã sáng tạo ra thế giới và đang điều khiển thế giới

Newton cho rằng hệ Mặt Trời không thể tự nó hình thành một cách tự nhiên Phải

có bàn tay của Chúa truyền cho mỗi hành tinh một “cái hích ban đầu” để tạo cho nó một chuyển động xung quanh Mặt Trời Newton cũng không tin rằng trong thiên nhiên có sự bảo toàn chuyển động Ông cho rằng mọi hình thức chuyển động trong vũ trụ đều giảm

dần, và phải có sự can thiệp của Chúa để giữ cho chúng được bảo toàn Chuyển động của các hành tinh cũng giảm dần và phải có những “cái hích bổ sung” của Chúa để giữ cho chúng không bị rơi vào Mặt Trời

Về lí luận nhận thức, Newton ủng hộ phương pháp Bacon, và đặt sự qui nạp vào vị trí hàng đầu Newton đã xác định phương pháp đó là: thực hiện thí nghiệm và quan sát, dùng phép qui nạp để rút ra từ chúng những kết luận tổng quát Những kết luận nói trên chính là những nguyên lí tổng quát, nhưng chúng không phải là những nguyên lí tổng quát nhất không còn phải giải thích gì thêm nữa Newton cho rằng tìm ra được những nguyên lí tổng quát của chuyển động cơ học “là một bước tiến lớn trong triết học, mặc dù nguyên nhân của những nguyên lí đó vẫn chưa được khám phá ra”

Newton không phải lúc nào cũng tránh không nêu ra những giả thuyết, vì cũng có lúc ông nêu ra những giả thuyết tinh tế, có ý nghĩa sâu sắc Nhưng ông phân biệt rất rõ đâu là những luận điểm chắc chắn, rút ra từ thí nghiệm bằng phương pháp qui nạp, và đâu là những giả thuyết còn có thể phải tranh cãi Newton lảng tránh những cuộc tranh luận có liên quan trực tiếp đến những vấn đề chung của triết học và tôn giáo Những cuộc tranh luận kéo dài với phái Descartes, thực ra là những môn đệ của ông, nhiều hơn là của chính ông Phương pháp của ông là phương pháp thích hợp nhất đối với khoa học thời bấy giờ, khi mà phương pháp kinh viện đã bị gạt bỏ, và phương pháp của Descartes đã thể hiện những chỗ yếu của nó, đòi hỏi phải được thay thế Newton đã tổng kết sự phát triển của vật lí học thế kỉ XVII, đã hoàn chỉnh sự hình thành vật lí học như một khoa học riêng biệt, tách nó khỏi triết học tự nhiên [13]

Tuy nhiên, tư tưởng khoa học của Newton, với khái niệm không gian và thời gian tuyệt đối, hệ Mặt Trời không biến đổi, sự phủ nhận những giả thuyết, là một tư tưởng siêu hình Ảnh hưởng của nó trong khoa học đã cản trở sự phát triển của khoa học trong các giai đoạn sau Những luận điểm có màu sắc tôn giáo vương vất đó đây trong học thuyết của Newton làm cho nó dễ được chấp nhận và ủng hộ ở Anh Nhưng ở nước Pháp cách mạng, nơi giai cấp tư sản đang đứng lên chống phong kiến và chống tôn giáo, nó bị chỉ trích mạnh mẽ và không được chấp nhận Phải tới thế kỉ XVIII, khi các nhà duy vật Pháp đã tước bỏ những yếu tố thần học, làm lộ rõ giá trị khoa học của học thuyết Newton, nó mới hoàn toàn được công nhận, và từ đó đóng một vai trò quan trọng đối với

sự phát triển vật lí học trong những thế kỉ tiếp theo

Sự thành công của cơ học Newton đồng thời cũng là sự thành công của PPTN trong vật lí học Ông tổ của vật lí học thực nghiệm là Galileo đã nói rằng muốn hiểu thiên

nhiên, phải trực tiếp quan sát thiên nhiên, phải làm thí nghiệm, phải “hỏi thiên nhiên” chứ không hỏi Aristotle hay hỏi kinh thánh Trong khoa học, lời Aristotle hoặc ý Chúa không thể là sự phán xét cuối cùng, trái lại, phải “để cho thiên nhiên phán xét mỗi khi con người tranh luận với nhau về thiên nhiên” Để hỏi được thiên nhiên, Galileo khuyên: “Hãy đo tất cả những gì có thể đo, và hãy làm cho những cái không thể đo trở thành cái có thể đo, bởi vì “cuốn sách thiên nhiên được viết bằng ngôn ngữ toán học””

Newton là người đã tiếp tục xây dựng phương pháp do Galileo đề xướng và áp dụng nó một cách thành công Tới nay, ta đã có thể nêu lên thực chất của PPTN như sau:

“Xuất phát từ quan sát và thực nghiệm, nhà khoa học xây dựng được một giả thuyết Giả thuyết đó không chỉ đơn giản là sự tổng kết các thí nghiệm đã làm, nó còn chứa đựng một cái gì mới mẻ, không có sẵn trong từng thí nghiệm cụ thể Bằng phép suy luận lôgic và bằng toán học, nhà khoa học có thể từ giả thuyết đó mà rút ra một số hệ quả, tiên đoán một số sự kiện mới chưa biết Những hệ quả và sự kiện mới đó lại có thể được kiểm tra bằng thí nghiệm, và nếu sự kiểm tra đó thành công, nó khẳng định giả thuyết, biến giả thuyết thành một định luật chính xác, hoặc một học thuyết đáng tin cậy” Như vậy PPTN

là sự thống nhất giữa thí nghiệm và lí thuyết, nhằm mục đích nhận thức thiên nhiên PPTN cho phép từng bước mở rộng sự hiểu biết thiên nhiên và làm chủ thiên nhiên Quá trình nhận thức thiên nhiên là một quá trình lâu dài, khó khăn đầy hấp dẫn trong thời kì này và tới mãi mai sau

Tới thế kỉ XVIII, cơ học đã trưởng thành, trong khi đó nhiệt học mới bắt đầu được hình thành Nhà thiên văn học A Celsius đã làm một loạt thí nghiệm để kiểm tra xem các điểm cố định của thang nhiệt độ R.A.Réaumur có đúng là cố định không Ông đã tiến hành thí nghiệm trong hai năm liền và công bố kết quả năm 1742 Các thí nghiệm được tiến hành trong những thời tiết khác nhau và với những áp suất khí quyển khác nhau Không những ông đặt nhiệt kế vào đá đang tan, mà lúc trời rét giá, ông còn lấy tuyết lạnh ngoài trời và mang vào trong phòng đặt lên bếp lò cho đến khi nó bắt đầu tan, hoặc mang thùng có đá đang tan đặt lên bếp lò đun thêm một lúc, Ông nghiệm thấy rằng nhiệt độ của nước đá hoặc tuyết tan đúng là một điểm cố định Ông cũng thấy rằng nhiệt độ sôi của nước phụ thuộc áp suất khí quyển Cuối cùng, ông đề nghị một thang nhiệt độ mới có hai điểm cố định: điểm 1000

là nhiệt độ nóng chảy của nước đá và điểm 00 là nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 760mmHg (theo cách nói hiện nay) Nhà thực vật học Carl Von Linné

đã dùng thang nhiệt độ đó nhưng đảo lại lấy 00

là nhiệt độ nóng chảy của nước đá, và

1000 là nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 760mmHg Thang nhiệt độ như vậy hiện nay được gọi là thang nhiệt độ A Celsius, và đơn vị nhiệt độ đo được kí hiệu là 0

C

Nhiệt học thế kỉ XVIII phát triển song song với hóa học và quang học Lửa tạo ra nhiệt và ánh sáng, và gây ra các biến đổi hóa học Điều đó khiến các nhà khoa học đi tìm mối quan hệ giữa các hiện tượng nhiệt học, quang học và hóa học Năm 1756, Lomonosov công bố công trình nghiên cứu về nguồn gốc của ánh sáng và về lí thuyết các màu sắc Thế kỉ XVIII là thời gian phát sinh ra trắc quang học, người sáng lập trắc quang học là Bughe (1698 - 1758) và Lambe (1728 - 1777) Bughe đã định nghĩa khái niệm trắc quang học mà ngày nay chúng ta gọi là “quang thông”, “cường độ ánh sáng của nguồn”,

“độ rọi”, “độ chói” Trắc quang học là thành tựu quan trọng nhất của quang học thế kỉ XVIII Những thành tựu đáng kể khác là việc phát minh ra các ống kính tiêu sắc dùng cho kính thiên văn và kính viễn vọng (một việc mà Newton cho rằng không thể làm được), và việc Bradley phát minh ra hiện tượng tinh sai vào năm 1728 Phát minh này cho phép xây dựng một phép đo vận tốc ánh sáng và sẽ có vai trò quan trọng trong sự phát triển quang học của các môi trường chuyển động

Điện học cũng có những bước tiến quan trọng: Chai Leiden (Lây-đen) là dạng sơ khai nhất của tụ điện Cái chai cho phép chất lỏng điện tạo ra bởi một máy phát tĩnh điện được tích góp và dự trữ để dùng trong tương lai Những cái Chai Leiden đầu tiên được chế tạo ra một cách độc lập vào năm 1745 bởi Ewald Georg von Kleist ở Đức và Pierreter van Musschenbroek ở Leiden, cách Amsterdam chừng 35 km về hướng tây nam Bức tranh khắc gỗ bên dưới cho thấy nỗ lực của van Musschenbroek nhằm làm nhiễm điện nước chứa trong một bình thủy tinh

Điện tích tạo ra bởi sự ma sát của đôi tay trên quả cầu thủy tinh đang quay tròn được lấy ra khỏi bề mặt của quả cầu thủy tinh bằng một dây xích treo và chuyển tới que kim loại treo trong nước tạo nên cái tụ ở phía trong

Chai Leiden

Định luật vạn vật hấp dẫn đã được Newton tìm ra năm 1687 Vào thời điểm đó, hằng

số hấp dẫn trong công thức tính lực hấp dẫn vẫn chưa được đo đạc chính xác Thí nghiệm xác định hằng số hấp dẫn dựa trên việc đo lực hấp dẫn giữa các vật thể trong phòng thí nghiệm ban đầu được đề xuất bởi John Michell, người đã chế tạo lò xo xoắn để đo momen lực nhỏ một cách chính xác nhưng đã mất năm 1793 trước khi kịp thực hiện thí nghiệm của mình Lò xo xoắn sau đó được chuyển giao cho Francis John Hide Wollaston, rồi đến tay Henry Cavendish

Khoảng năm 1797 đến 1798, Cavendish thực hiện lại dự định thí nghiệm của Michell, và ghi chép lại kết quả trong quyển Philosophical Transactions năm 1798 Ông xây dựng lại lò xo xoắn, sử dụng thiết bị thuê của người dân nông thôn Ông gắn hai viên

bi kim loại vào hai đầu của một thanh gỗ dài 1.8 mét, rồi dùng một sợi dây mảnh treo cả

hệ thống lên, giữ cho thanh gỗ nằm ngang Sau đó, Cavendish đã dùng hai quả cầu bằng chì, mỗi quả nặng 159 kg, tịnh tiến lại gần hai viên bi ở hai đầu thanh gỗ Để tránh bị gió thổi gây ra rung động, Cavendish đặt hệ thống trong buồng kín gió, và quan sát hệ thống thông qua kính viễn vọng

Lực hấp dẫn do hai quả cầu chì tác dụng vào hai viên bi làm cho cây gậy quay một góc nhỏ Cavendish đo góc này bằng kính viễn vọng và tính ra được momen lực tác động lên lò xo xoắn, và suy tiếp ra hằng số hấp dẫn nhờ vào các khối lượng đã biết Biết được hằng số hấp dẫn và gia tốc trọng trường trên bề mặt Trái Đất, Cavendish đã tính ra được khối lượng của Trái Đất là 6.1024 kg Kết quả này đã mang lại tên gọi khác cho thí nghiệm là thí nghiệm cân Trái Đất Việc đo được khối lượng Trái Đất cũng cho phép suy

ra khối lượng Mặt Trăng và các thiên thể khác trong Hệ Mặt Trời, thông qua các định luật cơ học và định luật vạn vật hấp dẫn, Với những sự kiện nổi bật của thời kì này, vật

lí học đã trở thành một khoa học độc lập, vững bước trên chặng dài tiếp theo

3 GIAI ĐOẠN HOÀN THIỆN VẬT LÍ HỌC CỔ ĐIỂN

Từ giữa thế kỉ XIX cho đến cuối thế kỉ XIX là thời kì mà chủ nghĩa tư bản phát triển mạnh mẽ, đã thúc đẩy sự phát triển của sản xuất và kĩ thuật phục vụ cho sản xuất Đặc biệt là sự phát triển của kĩ thuật nhiệt và kĩ thuật điện trong giai đoạn này

Động cơ hơi nước ra đời vào cuối thế kỉ XVIII Nó đã đánh dấu cho cuộc cách mạng công nghiệp diễn ra Văn minh con người chuyển từ văn minh nông nghiệp sang văn minh công nghiệp Nó được sử dụng rộng rãi trong giao thông vận tải và ngày được cải tiến để nâng cao hiệu suất động cơ Chính trong quá trình đó, môn Nhiệt động lực học đã được hình thành và phát triển

Kĩ thuật điện cũng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của vật lí học trong giai đoạn này: Điện báo là cách thức truyền thông tin không lời thoại Sử dụng rộng rãi trong ngành hàng hải và hàng không, ra đời vào năm 1844 Từ những năm 80, điện năng

đã được sử dụng rất rộng rãi, từ đó xuất hiện nhu cầu tạo ra những nguồn điện mạnh, và

có thể truyền tải điện năng đi xa được Vấn đề này được giải quyết khi điện xoay chiều ra đời Sự phát triển của ngành chế tạo máy phát điện đã có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của môn Điện động lực học đến việc nghiên cứu các tính chất của các vật liệu từ và xây dựng lí thuyết của các hiện tượng từ Đồng thời việc ứng dụng điện rộng rãi trong kĩ thuật và sản xuất cũng thúc đẩy sự phát triển của kĩ thuật đo điện Thời kì này các nhà khoa học đã nghiên cứu và xây dựng hệ thống đơn vị đo lường thống nhất trong lĩnh vực điện học

Như vậy trong sự phát triển của vật lí học cuối thế kỉ XIX, chúng ta thấy khoa học

và kĩ thuật đã gắn bó chặt chẽ với nhau và thúc đẩy nhau cùng phát triển

3.1 Nhiệt động lực học

Những nghiên cứu đầu tiên mà chúng ta có thể xếp vào ngành nhiệt động học chính là những công việc đánh dấu và so sánh nhiệt độ, hay sự phát minh của các nhiệt biểu, lần đầu tiên được thực hiện bởi nhà khoa học người Đức Gabriel Fahrenheit (1686 -1736) - người đã đề xuất ra thang đo nhiệt độ đầu tiên mang tên ông Trong thang nhiệt này, 320F và 2120F là nhiệt độ tương ứng với thời điểm nóng chảy của nước đá và sôi của nước Năm 1742, nhà bác học Thụy Sĩ Anders Celsius (1701 - 1744) cũng xây dựng nên một thang đo nhiệt độ đánh số từ 0 đến 100 mang tên ông dựa vào sự giãn nở của thủy ngân

Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quá trình truyền nhiệt giữa các vật thể Nếu như nhà bác học Daniel Bernoulli (1700 - 1782) đã nghiên cứu động học của các chất khí và đưa ra liên hệ giữa khái niệm nhiệt độ với chuyển động vi mô của các hạt Ngược lại, nhà bác học Antoine Lavoisier (1743 - 1794) lại có những nghiên cứu và kết luận rằng quá trình truyền nhiệt được liên hệ mật thiết với khái niệm dòng nhiệt như một dạng chất lưu

Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học là phải chờ đến mãi thế kỉ thứ XIX với tên của nhà vật lí người Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832) cùng với cuốn sách của ông mang tên “Ý nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dụng loại năng lượng này” Ông đã nghiên cứu những cỗ máy được gọi là động cơ nhiệt: một hệ nhận nhiệt từ một nguồn nóng để thực hiện công dưới dạng cơ học đồng thời

truyền một phần nhiệt cho một nguồn lạnh Chính từ đây đã dẫn ra định luật bảo toàn năng lượng (tiền đề cho nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học), và đặc biệt khái niệm về quá trình thuận nghịch mà sau này sẽ liên hệ chặt chẽ với nguyên lí thứ hai Ông cũng bảo vệ cho ý kiến của Lavoisier rằng nhiệt được truyền đi dựa vào sự tồn tại của một dòng nhiệt như một dòng chất lưu

Những khái niệm về công và nhiệt được nghiên cứu kĩ lưỡng bởi nhà vật lí người Anh James Prescott Joule (1818 - 1889) trên phương diện thực nghiệm và bởi nhà vật lí người Đức Robert von Mayer (1814 - 1878) trên phương diện lí thuyết xây dựng từ cơ sở chất khí Cả hai đều đi tới một kết quả tương đương về công và nhiệt trong những năm

1840 và đi đến định nghĩa về quá trình chuyển hóa năng lượng Chúng ta đã biết rằng sự

ra đời của nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học là do một công lao to lớn của Mayer Nhà vật lí người Pháp Émile Clapeyron (1799 - 1864) đã đưa ra phương trình trạng thái của chất khí lí tưởng vào năm 1843 Tuy nhiên, chỉ đến năm 1848 thì khái niệm nhiệt độ của nhiệt động học mới được định nghĩa một cách thực nghiệm bằng Kelvin bởi nhà vật

lí người Anh, một nhà quí tộc có tên là SirWilliam Thomson hay còn gọi là Lord Kelvin (1824 - 1907) Chúng ta không nên nhầm lẫn ông với nhà vật lí cùng họ Joseph John Thompson (1856 - 1940), người đã khám phá ra êlectron và đã phát triển lí thuyết về hạt nhân

Nguyên lí thứ hai của nhiệt động học đã được giới thiệu một cách gián tiếp trong những kết quả của Sadi Carnot và được công thức hóa một cách chính xác bởi nhà vật lí người Đức Rudolf Clausius (1822 - 1888) - người đã đưa ra khái niệm entropy vào những năm 1860 Những nghiên cứu trên đây đã cho phép nhà phát minh James Watt (1736 - 1819) hoàn thiện máy hơi nước và tạo ra cuộc cách mạng công nghiệp ở thế kỉ thứ XIX

Cũng cần phải nhắc đến nhà vật lí người Áo Ludwig Boltzmann (1844 - 1906), người đã góp phần không nhỏ trong việc đón nhận entropy theo quan niệm thống kê và phát triển lí thuyết về chất khí vào năm 1877 Tuy nhiên, đau khổ vì những người cùng thời không hiểu và công nhận, ông đã tự tử khi tài năng còn đang nở rộ Chỉ đến mãi về sau thì tên tuổi ông mới được công nận và người ta đã khắc lên mộ ông, ở thành phố Vienne, công thức nổi tiếng W = k.logO mà ông đã tìm ra

Riêng về lĩnh vực hóa nhiệt động, chúng ta phải kể đến tên tuổi của nhà vật lí Đức Hermann von Helmholtz (1821 - 1894) và nhà vật lí Mĩ Willard Gibbs (1839 - 1903) Chính Gibbs là người đã có những đóng góp vô cùng to lớn trong sự phát triển của vật lí thống kê Cuối cùng, để kết thúc lược sử của ngành nhiệt động học, xin được nhắc đến

nhà vật lí người Bỉ gốc Nga Ilya Prigonine (sinh năm 1917) - người đã được nhận giải Nobel năm 1977 về những phát triển cho ngành nhiệt động học không cân bằng

3.2 Nhiệt và nhiệt độ

Bằng trực giác, mỗi chúng ta đều biết đến khái niệm nhiệt độ Một vật được xem

là nóng hay lạnh tùy theo nhiệt độ của nó cao hay thấp Nhưng thật khó để đưa ra một định nghĩa chính xác về nhiệt độ Một trong những thành tựu của nhiệt động học trong thế kỉ XIX là đã đưa ra được định nghĩa về nhiệt độ tuyệt đối của một vật, đo bằng đơn vị Kelvin

Khái niệm nhiệt còn khó định nghĩa hơn Một lí thuyết cổ, được bảo vệ bởi Antoine Lavoisier, cho rằng nhiệt là một dịch thể đặc biệt (không màu sắc, không khối lượng), gọi là chất nhiệt, chảy từ vật này sang vật khác Một vật càng chứa nhiều chất nhiệt thì nó càng nóng Thuyết này sai ở chỗ chất nhiệt không thể đồng nhất với một đại lượng vật lí được bảo toàn Về sau, nhiệt động học đã làm rõ nghĩa cho khái niệm nhiệt lượng trao đổi

3.3 Các động cơ nhiệt

Nhiệt động học cổ điển đã vươn lên với tư cách là khoa học của các động cơ nhiệt hay khoa học về nhiệt động năng

Nicolas Léonard Sadi Carnot đã mở đầu cho các nghiên cứu hiện đại về các động

cơ nhiệt trong một tiểu luận có tính nền tảng: “Ý nghĩa của nhiệt động năng và các động

cơ ứng dụng loại năng lượng này” (1823) Chu trình Carnot vẫn còn là một ví dụ lí thuyết điển hình trong các nghiên cứu về các động cơ nhiệt Ngày nay, thay vì dùng khái niệm nhiệt động năng, người ta phát biểu rằng các động cơ nhiệt có khả năng sinh công cơ học, đồng thời tìm hiểu cách thức sử dụng nhiệt để tạo ra công

Mọi chuyển động của các vật trong thế giới vĩ mô (khoảng gần 1 milimét trở lên được xem là vĩ mô) đều có thể sinh nhiệt, với ý nghĩa là nó làm cho vật nóng thêm Có thể thử nghiệm bằng cách xoa hai bàn tay vào nhau Ngược lại, nhiệt cũng có thể làm cho các vật thể vĩ mô chuyển động (ví dụ: có thể quan sát sự chuyển động của nước khi được đun sôi) Đây là cơ sở để chế tạo các động cơ nhiệt Chúng là các hệ vĩ mô, trong đó chuyển động được duy trì nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa bộ phận “nóng” và bộ phận

“lạnh”

3.4 Động cơ vĩnh cửu

Là một thiết bị cơ khí do con người tưởng tượng ra, với hi vọng là động cơ này tự hoạt động mãi mãi mà không cần cung cấp năng lượng Do đi ngược lại với nguyên tắc của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, động cơ vĩnh cửu là vấn đề không tưởng Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều kiến thức giúp ích cho việc chế tạo các động cơ tiết kiệm nhiên liệu, giảm ma sát và các công vô ích

3.5 Vật lí thống kê

Vật lí thống kê là một ngành trong vật lí học, áp dụng các phương pháp thống kê

để giải quyết các bài toán liên quan đến các hệ chứa một số rất lớn những phần tử, có số bậc tự do cao đến mức không thể giải chính xác bằng cách theo dõi từng phần tử, mà phải giả thiết các phần tử có tính hỗn loạn và tuân theo các qui luật thống kê Ví dụ của các hệ

có thể là các vật chất trong tự nhiên, chứa điện tử, quang tử, nguyên tử, phân tử, tồn tại dưới những trạng thái vật chất khác nhau (chất khí, chất lỏng, chất rắn, plasma, ) Các phương pháp của vật lí thống kê hoàn toàn có thể mở rộng cho các hệ như hệ nơron thần kinh, quần thể sinh vật, quần thể người trong xã hội, hay các hệ hỗn loạn trong kinh tế học

Ludwig Boltzmann (1844 - 1906), nhà vật lí và nhà triết học Áo, là một trong những tư tưởng gia độc đáo nhất của hậu bán thế kỉ XIX và được xem như là cha đẻ của vật lí thống kê Phương pháp giải thích entropy của ông - đưa khái niệm xác suất vào nhiệt động lực học, đã gợi ý cho Planck và Einstein về lí thuyết thống kê của bức xạ, về giả thuyết lượng tử và phôtôn Định lí H của ông đã giúp cho ta hiểu được thế giới vĩ mô trên cơ sở của động lực học phân tử

3.6 Lí thuyết trường điện từ

Trường điện từ (còn gọi là trường Maxwell) là một trong những trường của vật lí học Nó là một dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang điện Trường điện từ cũng do các hạt mang điện sinh ra, và là trường thống nhất của điện trường và từ trường Đặc trưng cho khả năng tương tác của trường điện từ là các đại lượng cường độ điện trường, độ điện dịch, cảm ứng từ và cường độ từ trường (thường được kí hiệu lần lượt là E, D, B và H)

James Clerk Maxwell (1831 - 1879) là một nhà toán học, một nhà vật lí học người Scotland Ông đã đưa ra hệ phương trình miêu tả những định luật cơ bản về điện trường

và từ trường được biết đến với tên gọi phương trình Maxwell Đây là hệ phương trình chứng minh rằng điện trường và từ trường là thành phần một trường thống nhất, điện từ trường Ông cũng đã chứng minh rằng trường điện từ có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng với tốc độ không đổi là 300 000 km/s, và đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng

là sóng điện từ

Có thể nói Maxwell là nhà vật lí học thế kỉ XIX có ảnh hưởng nhất tới nền vật lí của thế kỉ XX, người đã đóng góp vào công cuộc xây dựng mô hình toán học mới của nền khoa học hiện đại Vào năm 1931, nhân kỉ niệm 100 ngày sinh của Maxwell, Albert Einstein đã ví công trình của Maxwell là “sâu sắc nhất và hiệu quả nhất mà vật lí học có được từ thời của Isaac Newton”

Năm 1865, nhà vật lí người Anh James Clerk Maxwell đã kết hợp các định luật về điện và từ đã biết để tạo ra lí thuyết Maxwell Lí thuyết này dựa trên sự tồn tại của các trường, hiểu nôm na là môi trường truyền tác động từ nơi này đến nơi khác Ông nhận thấy rằng các trường truyền nhiễu loạn điện và từ là các thực thể động: chúng có thể dao động và truyền trong không gian Lí thuyết Maxwell có thể gộp lại vào hai phương trình

mô tả động học của các trường này, gọi là các phương trình Maxwell Dựa vào lí thuyết này, Maxwell đã đi đến một kết luận: tất cả các sóng điện từ đều truyền trong không gian (chân không) với một vận tốc không đổi bằng vận tốc ánh sáng

Vật lí học thế kỉ XIX có những tác động quan trọng đối với các ngành KHTN và chuẩn bị bước sang thế kỉ phồn vinh

4 GIAI ĐOẠN VẬT LÍ HỌC HIỆN ĐẠI

Vật lí học hiện đại tựa trên hai cột trụ kiên cố là thuyết lượng tử của Max Planck

và thuyết tương đối của Albert Einstein Những tiến bộ công nghiệp và khoa học, sự phồn vinh xã hội mà ngày nay mọi người trong chúng ta được thừa hưởng phần rất lớn có nguồn gốc từ thuyết lượng tử, và những ứng dụng của nó trong thế kỉ XXI được chờ đợi càng mạnh mẽ hơn, vũ bão hơn

Trong sự phát triển của vật lí học có những khám phá vượt ra khỏi lĩnh vực khoa học và trở thành nhân tố quyết định cho định mệnh của nhân loại Không phải chỉ vì đó là

sự khám phá những HTTN hay những lực mới để ứng dụng vào kĩ thuật làm tăng lên sức mạnh của con người đối với thiên nhiên, đem lại sự phồn vinh cho nhân loại, mà còn vì tính chất cách mạng bao trùm về ý tưởng trong cách diễn giải thế giới tự nhiên, tính chất

triết học chứa đựng trong đó liên quan đến thế giới quan của con người Lí thuyết cơ học Newton là một ví dụ điển hình như thế

Cuối thế kỉ XIX lối suy nghĩ của giai cấp tư sản cũng như của giới khoa học ở châu Âu là bảo thủ Sau một thời gian xây dựng vũ bão ở thế kỉ XIX, người ta tin vào sự trường tồn của hiện trạng Cả trật tự nhà nước lẫn khoa học được xem như bền vững Thế giới quan của Planck đã hình thành trong không khí tư duy bảo thủ đó mà sau này ông đã phải chiến đấu nội tâm dữ dội và một nỗ lực lớn lao để vượt qua chính mình và xét lại những “tín điều” đã có Những kinh nghiệm đau đớn đã dạy ông rằng không phải tòa nhà khoa học lẫn tòa nhà nhà nước hiện hữu được phép xem như bất khả xâm phạm

Planck khám phá rằng sự hấp thu hay phát xạ năng lượng của một vật thể đen (kim loại được đun nóng lên đến một nhiệt độ nào đó) không diễn ra liên tục như người ta nghĩ, mà chỉ diễn ra ở dạng các gói rời rạc (discrete packages), và các “chùm” năng lượng này được gọi là lượng tử (quantum) Giống như bia, không phải được phân phối bằng một cái vòi chảy liên tục mà là dưới dạng các lon bia, chai bia hay thùng bia, kích

cỡ khác nhau, nghĩa là dạng “các gói rời rạc” Nếu E là năng lượng được trao đổi đó, thì Planck đưa ra công thức E = hv bất tử đi vào lịch sử, trong đó h là hằng số, sau này được gọi là hằng số Planck, và v là tần số của ánh sáng [13]

Ngày 14 - 11 - 1900 Planck trình bày kết quả của ông tại buổi họp của Hội Vật lí Berlin, dưới cái tên “Định luật phân bố nhiệt trong quang phổ chuẩn” (Gesetz der Energieverteilung im Normalsprektrum), dài chín trang in Nó đánh dấu chính thức sinh nhật lịch sử của thuyết lượng tử [13]

Planck không biết rằng công thức E = hv là một định luật “tuyệt đối” mà trong vô thức Planck đã ngưỡng mộ và tìm kiếm, là chiếc chìa khóa để bước vào thế giới vi mô Ông chưa hiểu hết tầm quan trọng và cũng không tin công thức này là một cuộc cách mạng vĩ đại, là một thời kì mới trong nhận thức thiên nhiên

Bản thân Planck chỉ tin rằng đó là cái “mẹo toán” nhất thời “Nói tóm tắt, tôi có thể gọi cả việc làm của tôi là một hành động của sự tuyệt vọng Bởi vì từ bản chất, tôi là người hiền hòa và có khuynh hướng lánh xa các hành động mạo hiểm đáng nghi ngờ,…” [13] Những năm tiếp theo, vẫn không có mấy ai để ý đến Người ta xem ý tưởng lượng tử như một giả thuyết phụ trợ để hoạt động, để giải quyết được bài toán trong lĩnh vực bức

xạ, nhưng còn lại không có ý nghĩa gì mới đối với khoa học, và người ta chờ đợi nó nhanh chóng sẽ được thay thế bằng một cái gì từ nền vật lí cổ điển

Lịch sử thành công của khái niệm lượng tử của Planck lắm gian nan Cần một bà

mụ để vỗ lớn vị “hoàng tử nhỏ” chưa được thừa nhận nguồn gốc ấy Công việc này được giao cho không ai khác hơn là Albert Einstein Năm 1905, Einstein đã chứng minh rằng quan niệm lượng tử rời rạc của Planck là có cơ sở rộng lớn và sâu sắc trong thiên nhiên, không phải chỉ là cái “mẹo toán học” [6] Nhưng Planck cũng không tin Einstein phải chiến đấu một mình 20 năm liền để thay đổi miếng đất hoang dã bảo thủ này trong giới khoa học bấy giờ, để thuyết phục giới khoa học rằng quan niệm lượng tử là có thật trong thiên nhiên cấp vĩ mô

Vào năm 1926 khi một loạt các nhà khoa học trẻ như Heisenberg, Bohr, Jordan, Pauli, xây dựng cơ học lượng tử với những ứng dụng cực kì chính xác trong khoa học, lúc đó người ta mới chấm dứt mọi hoài nghi Bohr trước đó (1913) đã đưa ra mô hình nguyên tử dựa trên quan niệm “các bước nhảy rời rạc” của Planck và Einstein rất thuyết phục tuy chưa hoàn chỉnh, và bản thân Bohr vẫn chưa tin quan niệm phôtôn của Einstein Khoảng năm 1927 có thể nói quan niệm lượng tử của Planck với sự hỗ trợ đắc lực của Einstein được xem như hoàn toàn chiến thắng

Vật lí lượng tử từ đó phát triển như vũ bão, đã làm hai cuộc cách mạng vĩ đại trong lịch sử với biết bao ứng dụng làm thay đổi hẳn bộ mặt thế giới trong công nghệ và đời sống