PGS.TS TRẦN NGỌC CHUYÊN ĐỀ VẬT LÝ HIỆN ĐẠI (Giáo trình lưu hành nội bộ) QUẢNG BÌNH, THÁNG NĂM 2017 MỤC LỤC Chương 1: Các quan điểm vật lý bán đại 1.1 Cấu tạo vật chất lực tương tác bên nguyên tử 1.2 Thuyết lượng tử Planck thuyết Photon 1.3 Hiệu ứng Compton - Hấp thụ Photon 1.4 Tính chất sóng hạt vật chất - Giả thuyết De Broglie 1.5 Tính bất định đại lượng vật lý 1.6 Hàm sóng ý nghĩa thống kê 1.7 Các tiên đề học lượng tử - Phơng trình Schrodinger Chương 2: Cơ sở vật lý đại 2.1 Các quan điểm triết học 2.2 Các khái niệm vật lý đại 2.3 Vật thể, trường hạt 2.4 Chuyển độ tương đối hệ quy chiếu 2.5 Các đại lượng có hướng vô hướng 2.6 Tương tác lợng 2.7 Các nguyên lý bảo toàn trao đổi lượng 2.8 Lực, lực trường tượng quán tính 2.9 Tác động, tác dụng quan hệ nhân 2.10 Mức lượng nguyên tử 2.11 Vận tốc ánh sáng số Chương 3: Quan điểm giới vi mô vĩ mô 3.1 Thế giới vi mô 3.2 Công nghệ nano 3.3 Thế giới vĩ mơ 3.4 Vũ trụ-Sự hình thành, phát triển 3.5 Tương lai vũ trụ MỞ ĐẦU Tõ nh÷ng năm đầu kỉ thứ 18, vật lí học cổ điển xây dựng gần hoàn chỉnh với học Newtơn lí thuyết điện từ Maxwell Tuy nhiên, vào năm cuối kỉ XIX, loạt kiện quan sát thực nghiệm làm lung lay tảng Vật lí học cổ điển, điển hình số ®ã lµ hiƯu øng quang ®iƯn vµ hiƯu øng Compton Vì vậy, cần thiết phải có lý thut míi, mét lý thut cã néi dung hoµn toµn khác lí thuyết cũ không mâu thuẫn phủ nhËn lÝ thuyÕt cò Trong tổng thể chung, phát triển khoa học tự nhiên từ đầu kỷ XX đến đặt triết học vào tình trạng khủng hoảng khơng đủ khả để luận giải tượng tự nhiên đóng vai trò làm tảng tư tưởng cho nữa, đặc biệt vật lý học Với thuyết tương đối hẹp, khơng gian thời gian trước vốn coi thuộc tính vật chất trở nên đồng với khơng gian tốn học – hình học Mincopxky, lượng vốn coi tính chất vật chất lại trở thành substance tương đương với vật chất - chúng có chuyển hoá qua lại lẫn với thuyết tương đối rộng, làm sở cho học thuyết Big Bang coi “ứng cử viên sáng giá nhất” Vũ trụ học theo vật chất, khơng gian thời gian bắt đầu sinh từ “điểm” lại chứa lượng vô lớn Trong giảng muốn giới thiệu đến sinh viên vấn đề có tính tổng quát vật lý học đại , vật lý từ kỷ thứ XX bao gồm thành tựu, quan điểm triết học khái niệm vật lý, nghiên cứu vũ trụ Tác giả PhÇn I Vật lý bán đại Thế kỷ 19, với loạt kiện thực nghịêm quan sát giải thích quan điểm cđa c¸c lý thut vËt lÝ häc hiƯn thêi (quan niệm cổ điển) Một câu hỏi đặt tượng vật lý xãy giới hạt vi mô có tuân theo quy luật vật lí có hay không ? không chúng tuân theo quy luật nào? nội dung chương trả lời cho biết câu hỏi I Sự đời lý thuyết lượng tử 1.1 Sự đời lý thuyết lượng tử Từ năm đầu kỉ thứ 18, vật lí học cổ điển xây dựng gần hoàn chỉnh với học Newtơn lí thuyết điện từ Maxwell Tuy nhiên, vào năm cuối kỉ XIX, loạt kiện quan sát thực nghiệm làm lung lay tảng Vật lí học cổ điển, điển hình số hiệu ứng quang điện hiệu ứng Compton Vì vậy, cần thiÕt ph¶i cã mét lý thut míi, mét lý thut có nội dung hoàn toàn khác lí thuyết cũ không mâu thuẫn phủ nhận lí thuyết cũ Tiên phong cho hình thành lý thuyết phải kể đến Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) Từ công trình nghiên cứu nhiệt động học xạ nhiệt, với quan niệm tính gián đoạn xạ, nghĩa trao đổi nhiệt không liên tục mà số nguyên lần lượng tử lượng, cho phép ông thu phân bố lượng phổ vật đen tuyệt đối Ban đầu lý thuyết chưa hưởng ứng lắm, sau quan niệm dẫn đến việc xây dựng nên thuyết phôtôn ánh sáng học lượng tử Tiếp theo sau Niels Bohr (1885-1962) xây dựng nên mẫu nguyên tử, mở đầu cho lí thuyết lượng tử Lý thuyết lượng tử ánh sáng Albert Einstein (1879-1955) đời đem đến nhìn tính nhị nguyên sóng-hạt ánh sáng Và cuối quan điểm sóng vật chất De Broglie ®· hoµn chØnh sù hiĨu biÕt cđa ngêi vỊ vật chất Không ánh sáng mà vật chất mang tính nhị nguyên sóng hạt Tất điều ®ã dÉn ®Õn lý thut lù¬ng tư ®êi, lÝ thuyết giải nhiều toán trình vi mô mà trước phải thừa nhận Mở đầu lý thuyết lượng tử học lượng tử, công cụ áp dụng để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử, phân tử quan điểm lượng tử thu kết phù hợp với thực nghiệm 1.2 Các đặc điểm lý thuyết lượng tử Đối tượng chủ yếu lý thuyết lượng tử giới vi mô, phân tử, nguyên tử, êlectron, proton, neutron mang số nét đặc trưng sau đây: Tính nguyên tử vật chất: Hạt sơ cấp đơn giản chất gọi nguyên tử, vật mang sơ cấp tính chất chất lại gọi phân tử Tính thực phân tử, nguyên tử chứng minh quan sát trực tiếp thực nghiệm Tính nguyên tử điện tích: Tính nguyên tử điện tích thể tồn điện tích sơ cấp (điện tích nguyên tố) e = 1,602.10-19C Trong tự nhiên, người ta không quan sát thấy điện tích nhỏ Trong mäi sù biÕn ®ỉi ®iƯn tÝch cđa hƯ, ®iƯn tích thay đổi số nguyên lần điện tích nguyên tố, nghĩa thay đổi cách gián đoạn Hạt mang điện tích âm có tính bền vững hạt sơ cấp gọi êlectron; phần hợp thành nguyên tử Hạt mang điện tích dương bền vững hạt proton (hạt nhân hyđrô), tham gia vào thành phần tất hạt nhân chất Tính gián đoạn đại lượng vật lí: Các đại lượng vật lí mô tã lí thuyết lượng tử phần lớn mang tính gián đoạn mà không liên tục Năng lượng, mômen động lượng, hình chiếu mômen động lượng lượng tử hoá theo quan điểm Max Planck, đặc điểm bật cđa lÝ thut lỵng tư Lìng tÝnh sãng - hạt: Đặc điểm hạt sơ cấp hợp thành chúng lưỡng tính sóng - hạt, không xét đến tính chất ta hiểu đầy đủ định luật giới vi mô Nó thể chỗ, vi hạt đồng thời có tính chất hạt có tính chất sóng Sự mô tả đầy đủ giới vi mô học lỵng tư, bao gåm nã bøc tranh thèng nhÊt lưỡng tính sóng hạt giới vi mô II Cấu tạo vật chất 2.1 Các lực tương tác nguyên tử a) Cấu tạo vật chất Thế giới muôn hình bao gồm phần nhìn thấy không nhìn thấy cấu tạo từ chất khác Phân tử phần vật chất nhỏ giữ tính chất chất Phân tử cấu tạo từ nguyên tử Các hạt nhân (ở giữa) êlectrôn (bao xung quanh) cấu tạo nên nguyên tử Bản thân hạt nhân phức tạp, cấu tạo từ nuclon (proton neutron) nuclon cấu tạo từ hạt quark, hạt quark có hai loại quark up(u) quark dawn(d) Proton cấu tạo từ quarl up hạt quark down Neutron đực cấu tạo từ quarl up quark down Tổng điện tích quark điện tích proton (+1e) điện tích neutron (0) p q(u) 2.2 Các tương tác bên nguyên tử Trong tự nhiên có bốn loại lực mà ba q(d) số có tác dụng giử cho nguyên tử bền e vững xác định cách thức phân rã n nguyên tử không bền Các lực là: hạt nhân + Lực tương tác điện từ êlectron với hạt nhân nguyên tử Hình Cấu tạo nguyên tử + Lực tương tác mạnh gắn proton neutron với hạt nhân + Lực tương tác yếu điều khiển cách thức nguyên tử phân rã + Lực hấp dẫn thể tương tác hạt có khối lượng Sự hình thành nguyên tử nguồn gốc tương tác bên nguyên tử mô tã hình 1.2 notrino() Quark (up) êlectron (e-) proton (uud) Nguyªn tư Quark(down) neutron (udd) Quark Lepton, barion Bozon (W-,W+, Z0) Hình 1.2 Sự hình thành nguyên tử Theo lí thuyết mô hình chuẩn, thể tương tác thông qua môi trường truyền tương tác (được ví vữa để gắn kết viên gạch lại với nhau) gọi hạt truyền tương tác Theo đó, tương tác điện từ hạt mang điện tích có hạt truyền tương tác phôton (hạt ) Tương tác yếu trình phân rã hạt có hạt truyền tương tác bozon (W-,W+, Z0) Tương tác mạnh gắn hạt quark thành proton neutron proton + neutron thành nguyên tử có hạt truyền tương tác gluon Cuối tương tác hấp dẫn hạt có khối lượng có hạt truyền tương tác Bozon higgs Một câu hỏi đặt là: số tương tác cho trường hợp cụ thể nào? vấn đề chủ đề cho nhà vật lý tìm kiếm Ta xét nguồn gốc chất tương tác bên nguyên tử: 2.1 Lực tương tác điện từ nguyên tử Lực tương tác điện từ nguyên tử bao gồm: lực đẩy hạt mang điện dấu lực hút hạt mang điện trái dấu Trong nguyên tử, êlectron mang điện tích âm bị prôton hạt nhân mang điện tích dương hút nên không tách khỏi nguyên tử, chúng quay xung quanh hạt nhân Theo nguyên tắc chuyển động, êlectron dần lượng trình quay trình chuyển động quay chúng phải xạ sóng điện từ, êlectron chuyển động theo quỹ đạo xoắn trôn ốc chui vào hạt nhân, nghĩa nguyên tử không tồn Tuy nhiên điều không xảy ra, êlectron có tính chất sóng, chúng không bị rơi vào hạt nhân Trên khía cạnh khác, lực tương tác điện từ làm cho êlectron nguyên tử bị đẩy xa ra, nhiên, hạt nhân hút chúng mạnh nên chúng không bị đẫy khỏi nguyên tử Các prôton đẩy chúng không rời xa chúng tồn lực tướng tác mạnh 2.2 Lực tương tác mạnh Trong hạt nhân, prôton tồn lực tương tác mạnh hút chúng lại với nhau, lực mạnh lực đẩy Coulomb chúng Lực tương tác mạnh tác dụng lên prôton riêng prôton gây mà có đóng góp hạt khác, hạt neutron, hạt trung hoà điện chúng tham gia vào tương tác mạnh Lực tương tác mạnh gọi lực hạt nhân, lực có đặc tính riêng, quy định số lượng tương đối prôton neutron hạt nhân Nếu số prôton nhiều số neutron lực tương tác mạnh không đủ để vượt qua lực đẩy tĩnh điện prôton hạt nhân dễ bị phân rã Nếu số prôton số nơtron lực tương tác mạnh lớn bó chặt nuclon lại hạt nhân bền 2.3 Lực tương tác yếu Đúng tên gọi nó, lực tương tác yếu, yếu nhiều so với hai loại lực Lực tương tác yếu tác dụng b¸n kÝnh rÊt nhá (cë 0,01 fm = 1017 m), nhiên xảy với loại hạt nguyên tử (mang điện hay không mang điện) Khi hạt nhân có nhiều loại hạt (prôton neutron), lúc lực tương tác mạnh không liên kết chung lại với bó chặt chúng lực tương tác yếu lại có tác dụng làm biến đổi loại loại hạt thành loại hạt khác hạt nhân phân rã dạng phóng xạ bêta (ví dụ phân rã -tương ứng với biến đổi neutron thành prôton, e-và phản nơtrino hình thành) 2.4 Lựa tương tác hấp dẫn Lực tương tác hấp dẫn hạt có khối lượng nguyên tử nhỏ khối lượng chúng không lớn, hạt truyền tương tác Bozon higgs hạt đến nhà vât lý cố gắng săn tìm diện chất III Thuyết lượng tử Planck 3.1 Sù thÊt b¹i cđa thut sãng viƯc giải thích tượng xạ nhiệt Xuất phát từ quan niệm cổ điển, cho phân tử, nguyên tử vật chất phát xạ hay hấp thụ lượng cách liên tục Rêlây Ginx dựa vào lí thuyết xạ điện từ cổ điển để tìm biĨu thøc cđa hµm phỉ biÕn f(, T) = 2 kT c2 (1.1) k = 1,38.10-23J/K số Bônxman từ tính suất phát xạ toàn phần vật đen tuyệt đối: R(T) = (f (, T)d (1.2) Như kết dẫn đến đại lượng vo làm bế tắc lý thuyết Bế tắc xảy khoảng thời gian dài kĩ 19 gọi Sự khủng hoảnh vùng tử ngoại) lớn tích phân tiến tới vô nhanh 3.2 Thuyết lượng tử Planck Năm 1900, M Planck ®Ị xt lÝ thut míi thay thÕ cho lÝ thut điện từ cổ điển gọi thuyết lượng tử lượng Nội dung thuyết tóm tắt sau: Các phân tử, nguyên tử phát xạ hay hấp thụ lượng xạ điện từ cách gián đoạn: Phần lượng hấp thụ hay xạ số nguyên lượng lượng nhỏ xác định gọi lượng tử lượng (quan tum lượng) Đối với xạ điện từ đơn sắc tần số , bước sóng lượng tử lượng là: = h = hc/ (1.3) Công thức Planck: Căn vào nội dung thuyết lượng tử, Planck tìm biểu thức hàm phổ biến: f(, T) = Để ý r»ng: tõ (1.4) T lín th× 2 c2 h e h kT (1.4) 1 h h dt giãn nở thay dần co lại vũ trụ dần trở trạng thái ban đầu (vũ trụ đóng) Người ta đo dt = 10-29 g/cm3 Theo quan sát vũ trụ vũ trụ mở, tức giãn nở mãi với tốc độ tăng nhanh gia tốc giảm Có điều lần 75 lại phải dừng lại trước nghĩ ta biết tất tương lai vũ trụ, có nghĩa nhân loại Đó lần kẻ gây cản trở đường khám phá vũ trụ lại số Hubble Mật độ tới hạn vũ trụ tính theo công thức: dt = 3H2/8piG Và với số chưa xác định hoàn toàn số Hubble chưa thể xác định xác mật độ tới hạn vũ trụ Chưa kể có xuất vật chất tối mật độ vũ trụ khác với biết Tuy nhiên cuối cùng, vào vài năm cuối kỉ 20, loài người cuối dám khằng định vũ trụ giãn nở vĩnh viễn khẳng định câu chuyện thú vị trùng hợp kì lạ Khi đưa lý thuyết tương đối tổng quat với phương trình trường tiếng mình, Einstein tiên đốn khơng gian sống không gian cong tồn hấp dẫn từ vật thể mang khối lượng Để hồn thiện phưưong trình mình, Einstein đưa vào phương trình nhiều số hạng theo dự đốn (một điều mà chưa nhà bác học làm - cách dự đoán) Và cuối cùng, kết phương trình cho thấy vũ trụ lý thuyết tương đối tổng quát đưa diễn tả vũ trụ tĩnh định, bị ám ảnh bới điều này, Einstein cho thêm vào phương trình "hằng số vũ trụ học" mô tả vũ trụ không ngừng giãn nở với toocs độ giãn nở ngày tăng Tuy nhiên nhiều năm khơng có kết chứng minh tính chất vũ trụ (một vũ trụ giãn nở mãi) Trong năm sau đó, thân Einstein khơng có cách lí giải cho số thừa nhận sai lầm lớn nghiệp ông Nhưng thật trùng hợp kì quái, kì lạ kì diệu khám phá quan trọng cuối kỉ 20 cho thấy vũ trụ giãn nở vĩnh viễn với gia tốc dương (ngày giãn nở nhanh) gia tốc hoàn toàn phù hợp với số hạng Einstein đưa Sự sửa đổi phương trình sai lầm lớn Einstein mà ngược lại trở thành lí thuyết mơ tả xác tương lai vũ trụ Hiện lí thuyết BIGBANG với luận điểm nêu gần thừa nhận hồn tồn với sở nhu nói Tuy nhiên dù có cơng nhận ta thử tìm hiểu chút số giả thiết khác tiến hoá vũ trụ mà ngày không thừa nhận đáng ý 3.6 Một số giả thuyết khác vũ trụ 76 Mặc dù lí thuyết BIGBANG xây dựng với nề tảng vững điều chưa đủ để thuyết phục tất người Nhiều người khơng tin vào lí thuyết này, họ khơng thể tin vào vũ trụ có điểm khởi đầu có điểm kết thúc Niềm tin vào vô hạn theo thời gian vũ trụ dẫn đến nhiều giả thuyết khác vũ trụ (chống lại BIGBANG) Ở nhắc tới vài giả thuyết đáng ý số giả thuyết Giả thuyết thứ nói tới giả thuyết "vũ trụ tĩnh định" Hermann Bondy, Thomas Gold Fred Hoyle đề vào năm 1948 Thực chất thuyết có luận đề mở rộng lí thuyết "vũ trụ đồng đẳng hướng" Nguyên lí "vũ trụ đồng đẳng hướng" cho biết vũ trụ ta quan sát từ điểm theo hướng (tất nhiên phát biểu ngắn gọn dễ hiểu nguyên lí này) Ở đây, người tjheo thuyết vũ trụ tĩnh định mở rộng ngun lí nói cho chiều thời gian Có nghĩa là: Vũ trụ hoàn toàn người quan sát điểm nào, theo hướng thời điểm Thuyết thừa nhận giãn nở vũ trụ Để giải thích giãn nở này, lí thuyết đưa phương án khác cho vật chất liên tục tạo để bù đắp cho giãn nở vũ trụ, mật độ vũ trụ không bị ảnh hưởng giãn nở Họ cho biết xác định nảy sinh vật chất tốc độ chậm Mỗi tỷ năm có thêm nguyên tử hydro thể tích lít Tuy nhiên thuyết khơng giải thích thuyết phục ngun nhân gia tăng vật chất Mặt khác khơng cho phép giải thích có mặt xạ 2,7K Một giả thuyết khác chống lại lí thuyết BIGBANG thuyết mệt mỏi ánh sáng Lí thuyết Edwin Hubble Richard Tolman đề năm 1935 sau Pecker Vigier khơi phục phát triển Lí thuyết giải thích dịch chuyển đỏ phổ thiên hà chúng rời xa mà nguyên nhân khác Những người cho hạt ánh sáng (photon) bị "mệt mỏi", dần lượng đến với đường chúng liên tục tương tác với loại hạt tên gọi bozon Theo lí thuyết cho biết, loại hạt xuất phân rã neutrino Chính tương tác với loại hạt mà photon liên tục bị lượng, thiên hà xa photon va chạm nhiều đường đến Trái Đất phổ 77 chúng dịch mạnh đỏ Tuy nhiên lí thuyết đến khơng thừa nhận thời điểm chưa thể chứng minh tồn hạt bozon vũ trụ phân rã neutrino Và lại lí tương tự nói trên, lí thuyết khơng đưa giải thích tồn xạ 2,7K Ngồi lí thuyết nêu ,còn nhiều lí thuyết khác đề Có người đặt nghi ngờ vào lí thuyết tương đối rộng Einstein, không tin vào tuyệt đối vận tốc ánh sáng Cũng có người cho quan sát có nhiều sai số, xạ vũ trụ chưa thể cho kết luận nhiều nghi vấn tồn vật chất tối (dark matter) Có điều tất người đưa giả thiết mà khơng lí giải hợp lí hay phương án khác cho khứ vũ trụ 3.7 Vật chất tối Trên nhắc nhiều tới tham gia khái niệm tương đối vào q trình tiến hố cấu trúc vũ trụ Đó vật chất tối hay Dark Matter Năm 1933, Fritz Zwicky phát xuất loai vật chất đo tốc thiên hà quần thiên hà Coma Chúng ta cần biết có phương pháp để xác định khối lượng thiên hà Cách thứ phân tán vận tốc quần thiên hà Thiên hà có khối lương lớn có phân tán vận tốc rõ nét thiên hà lân cận nhờ phương pháp xác định tổng khối lượng quần thiên hà Cách thứ hai xác định độ trưng thiên hà để rút khối lượng chúng từ tính tổng khối lượng quần thiên hà Điều đáng ý khối lượng quần thiên hà tính theo cách thứ ln lớn nhiều khối lượng tính theo cách hai (khaỏng 10 lần) cho dù tính đến sai số cao Như 78 suy đốn có tồn loại vật chất chưa biết Chính tồn vật chất mà khối lượng thật thiên hà thực chất lớn nhiều khối lượng quan sát Hiện chưa có thực nghiệm xác nhận hồn tồn có mặt vật chất tối Dự đốn loại vật chất đặc biệt cấu tạo từ hạt gần không xạ tồn khối lượng đơn giản lỗ đen lùn nâu, lùn đen (những loại thiên thể khơng nhìn thấy được) IV MỘT SỐ NGHỊCH LÝ CỦA VẬT LÝ HỌC Chuyển động theo quán tính “Nếu tổng hợp lực tác động lên vật thể khơng đứng n hay chuyển động thẳng mãi” Đây nguyên lý quán tính Galileo hay định luật Newton Chuyển động vệ tinh quanh Trái đất, hành tinh quanh Mặt trời v.v (thậm chí kể chuyển động electron quanh hạt nhân nguyên tử) tình trạng “tổng hợp lực tác động” không – lực hấp dẫn lực tĩnh điện cân với lực ly tâm, thật trớ trêu lại quỹ đạo tròn khơng “thẳng đều” Ý kiến cho “lực ly tâm” lực “ảo” giống lực quán tính vậy, mà chuyển động thẳng mặc định nên chuyển động tròn lực hấp dẫn gây ra; lực hấp dẫn khơng vật phải chuyển động thẳng Trước tiên, phải khẳng định tồn vật Trái đất mà lại không bị lực tác động Trái đất, Mặt trời, nhân Thiên hà, thiên hà khác mà có mặt tất chúng thực “mặc định” vắng mặt chúng! Nếu vậy, chuyển động thẳng “mặc định” mà khơng phải “mặc định” có nghĩa phải có nguyên nhân! Quả vậy! Trong trường hấp dẫn Trái đất, để vật chuyển động thẳng ln ln cần có lực tác động để thắng lực hấp dẫn Trái đất; chuyển động tròn vệ tinh quỹ đạo khơng cần lực tác động thêm (lưu ý lực hấp dẫn coi “mặc định”, mà có muốn khơng “coi mặc định” chẳng nào!!!) Vấn đề đâu vậy? Chẳng lẽ nguyên lý quán tính khơng phải nghịch lý sao? Nghịch lý “hiệu ứng muỗi” “Động Trái đất có vỗ cánh muỗi” – 79 nội dung nghịch lý “hiệu ứng muỗi” Về thực chất, theo lý thuyết hành (cả học Newton lẫn Einstein), quy luật vật lý HQC quán tính mà động hệ quy luật Đứng Trái đất, có thê tính động muỗi (có khối lượng MM) bay với vận tốc V: ∆V2 = V’2 – V2 Giả sử MM = 2x10-6kg; ∆V2 =1(m/s)2 gia tăng động muỗi 10-6J – điều xem hợp lý với vỗ cánh muỗi, gia tăng động Trái đất lại 3x1024J – lượng khổng lồ lấy đâu từ “mấy vỗ cánh muỗi”? Vấn đề chỗ biến đổi Galileo (theo nguyên lý tương đối Galileo) biến đổi Lorenz (theo nguyên lý tương đối Einstein) phù hợp với đại lượng động học quãng đường (x,y,z), thời gian (t) vận tốc V(t) không xét tới đại lượng động lực học a(t), khối lượng quán tính m lực tác động F, thành áp dụng định luật Newton để giải toán động lực học phá vỡ điều kiện ban đầu HQC quán tính vật thể xem xét – xuất lực tác động lên vật HQC đặt khơng HQC qn tính Và mâu thuẫn khơng thể gỡ bỏ học cổ điển (cả Newton, Einstein), nội dung nghịch lý “động lực học” xem xét mục Động lực học ảo giác Khái niệm “Hệ quy chiếu qn tính” tự chứa đầy nghịch lý, không kể tới việc không tồn thực tế HQC tương tự Bản thân học nghiên cứu thực chất trình động học xẩy HQC qn tính, xuất lực tác động tức chuyển động vật thể có gia tốc định luật động lực học khơng nữa, mà thân khái niệm “định luật động lực học” trở nên vơ nghĩa Nói cách khác, khái niệm “định luật động lực học” “ảo giác” mục đích để mơ tả diễn biến trình động lực yếu tố “động lực” vừa xuất tính hợp lý định luật biến biến điều kiện 80 HQC qn tính Chính vậy, cố kiết sử dụng định luật Newton điều kiện dẫn đến kết luận sai lệch chất tượng, nghịch lý “hiệu ứng muỗi” ví dụ Một thí dụ khác việc chứng minh công thức E = mc2 xuất phát từ định luật Newton vật thể xem xét mà nằm phạm vi TTH Như nay, thật trớ trêu! - động lực học ảo giác mà chưa nghiên cứu thật Năng lượng đại lượng vô hướng hay véc tơ? Năng lượng coi đại lượng vơ hướng Vì động dạng lượng nên nguyên tắc phải đại lượng vô hướng Nhưng điều tỏ không hợp lý lẽ: + Thứ nhất, lượng khả sinh công mà động lại sinh cơng theo hướng chuyển động vật thể va chạm với vật thể khác theo hướng khác khơng thể, động đại lượngvô hướng; + Thứ hai, vận tốc đại lượng véc tơ nên động tính theo cơng thức K = mV2/2 có nghĩa theo hướng vận tốc hướng khác hồn tồn khơng thể Thế dạng lượng phải đại lượng vơ hướng Nhưng giống với động năng, đến lượt mình, có khả sinh cơng theo hướng đường sức trường lực vậy, theo lơgíc, phải đại lượng véc tơ mà vô hướng Vấn đề chỗ, tổng đại lượng vô hướng tổng đại số tổng đại lượng véc tơ tổng hình học theo quy tắc hình bình hành – trường hợp chung, chúng có kết hoàn toàn khác Điều đương nhiên ảnh hưởng tới định luật bảo toàn lượng – định luật Tự nhiên Trong đó, khái niệm nội năng lượng hàm chứa bên vật thể khó nói đại lượng véc tơ mà có lẽ vơ hướng? Ví dụ nhiệt chẳng hạn? Vậy lượng đại lượng vô hướng hay véc tơ đây? Hay có dạng “lưỡng tính véc tơ-vơ hướng” kiểu “lưỡng sóng-hạt? 81 Nghịch lý động Có tầu chuyển động thẳng với vận tốc V so với HQC qn tính H (mặt đất chẳng hạn) tầu đó, có vật có khối lượng m1 m2 chuyển động với vận tốc tương ứng V’1 V’2 so với tầu; góc véc tơ vận tốc so với véc tơ V cho α β tương ứng Giả sử tâm qn tính chung vật đứng yên so với tầu, đó, theo học cổ điển, viết biểu thức động hệ vật HQC H: Mức lượng nguyên tử Để đơn giản, ta lấy nguyên tử Hyđrơ làm ví dụ, ngun tử khác, tranh hoàn toàn tương tự khác lượng Giả sử có khối khí Hyđrơ nhiệt độ mà liên kết nguyên tử trở nên yếu để hình thành phân tử H2 – ta có khối khí cấu thành t từ ngun tử Hyđrơ Các q trình xạ hấp thu lượng nguyên tử Theo học lượng tử, mức lượng điện tử nguyên tử H mô tả Hình 10 Năng lượng kích thích điện tử va chạm nguyên tử H trình chuyển động nhiệt Khi nhiệt độ thấp, điện tử chủ yếu chiếm giữ vị trí ứng với lượng thấp (n=1;2) Khi nhiệt độ lên cao, điện tử bị kích thích, chiếm giữ vị trí ứng với lượng cao (n 5), chí đến mức giải phóng hồn tồn khỏi ngun tử - trạng thái khí chuyển thành trạng thái plazma Vấn đề chỗ điện tử xạ lượng quay trạng thái lượng thấp trạng thái bị kích thích: W = Wm – Wk = hf; m>k; f - tần số xạ; h - số Planck Nhưng trạng thái lượng thấp đến mức phụ thuộc vào cường độ tần suất kích thích tức vào nhiệt độ Nhiệt độ cao, động nguyên tử lớn (tức cường độ kích thích lớn) tần suất va chạm nguyên tử lớn (tức tần suất kích thích lớn) nhiệt độ cao, xác suất điện tử quay trở trạng thái lượng thấp nhỏ Do nẩy sinh nghịch lý nhiệt độ cao lượng xạ nhỏ ứng với tần số xạ thấp lại tăng lên (ứng với dãy Pashen dãy Brakett) Trong đó, nhiệt độ thấp lượng xạ lớn ứng với tần số xạ cao lại lớn (ứng với dãy Lyman) nhiệt độ thấp điện tử có nhiều may quay trở trạng thái lượng thấp Phổ xạ 82 dịch chuyển phía “đỏ” nhiệt độ tăng lên dịch chuyển phía “tím” nhiệt độ giảm xuống Tương tự ta nhận phổhấp thụ trùng với phổ xạ Mơ hình “mức lượng” giải thích tượng gián đoạn tần số gián đoạn lượng xạ (hay hấp thụ) chất với tượng dịch chuyển phổ lại đưa kết luận hồn tồn trái ngược với thực tế Bên cạnh đó, việc cho mức lượng thấp điện tử tương ứng với quỹ đạo gần hạt nhân mức lượng cao lại ứng với quỹ đạo xa hạt nhân hoàn toàn trái ngược với thực tế Vận tốc ánh sáng số Thuyết tương đối xây dựng dựa giả thiết không phụ thuộc vận tốc ánh sáng chân không vào chuyển động nguồn sáng HQC quán tính (tiên đề 2) Tuy nhiên, từ tính tốn lại rút cộng thức cộng vận tốc: Công thức cho thấy hai đối tượng, nguồn sáng người quan sát, đạt vận tốc c vận tốc tương đối chúng ln đạt c! Từ có khái niệm vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào nguồn sáng lẫn người quan sát hay vận tốc ánh sáng số HQC qn tính Tuy nhiên, khơng thể tưởng tượng photon chuyển động theo hướng với vận tốc vận tốc ánh sáng HQC quán tính HQC đó, photon thời điểm “kè kè” bên “như hình với bóng”, đó, photon chúng thấy “bạn đồng hành” rời xa với vận tốc vận tốc ánh sáng! (?) Công thức E = mc2 chưa chứng minh Công thức E = mc2 đánh giá “10 công thức đẹp của thời đại” việc chứng minh chứa đựng bất cập từ đầu tác giả - Einstein vĩ đại! Sự thiếu sở lơgíc Einstein Aivs “Journal of the Optical Society Of America”, 42, 540 – 543 1952 Từ đó, người ta thơi khơng dùng cách chứng minh tác giả mà sử dụng phụ thuộc khối lượng quán tính vào vận tốc: để tính cơng thức 83 Nhưng “tránh vỏ dưa lại gặp vỏ dừa”, lại xuất bất cập mới, mà lần “vơ phương cứu chữa”! Thứ nhất, thân công thức (49) chứng minh cho vật thể chuyển động thẳng với vận tốc V HQC quán tính có khối lượng m0 HQC mà đứng yên Có nghĩa cần phải hiểu xác là: + Nếu vật thể chuyển động với vận tốc V1 ta có m1 = m0γ1; + Nếu vật thể chuyển động với vận tốc V2 ta có m2 = m0γ2; + Nếu vật thể chuyển động với vận tốc Vn ta có mn = m0γn với V1, V2, Vn giá trị vận tốc không thay đổi theo thời gian, thỏa mãn yêu cầu chuyển động thẳng đều, hồn tồn khơng phải gía trị vận tốc tức thời khối lượng quán tính m “hàm” vận tốc theo cách hiểu thông thường hàm số: m = m(V) V đại lượng biến thiên liên tục, biến thiên vận tốc V khiến cho điều kiện HQC quán tính vật thể chuyển động bị phá vỡ - biến đổi Lorenz khơng thể áp dụng – đó, có cơng thức (49) nữa? Chính vậy, khơng thể thay (49) vào (50) để tính đạo hàm V khơng thể phép biến thiên m chẳng có lý để “biến thiên” nên đạo hàm phải ≡ 0! Thứ hai, thân việc áp dụng công thức (50) với F ≠ khiến cho HQC vật thể trở nên phi quán tính TTH khơng áp dụng cho sử dụng để chứng minh gì? Đấy chưa kể đến tính phi lơgíc định luật động lực học đề cập đến nghịch lý “Động lực học ảo giác” Tóm lại, cơng thức E = mc2, thực chất chưa chng minh!!! Câu hỏi ôn tập Các hạt bản, tương tác Các đặc trưng hạt định luật bảo toàn tương ứng Cấu trúc Quark hadron 84 ƠN TẬP CHUN ĐỀ VẬT LÝ HIỆN ĐẠI C©u Trình bày tóm tắt nội dung thuyết thuyết lượng tử M Planck Câu Trình bày nội dung thuyết phôton Câu Giải thích tượng quang điện thuyết phôton Câu nh nghĩa nội ngoại Câu Định nghĩa Vật thể, trường hạt Câu Khái niệm Đại lượng vô hướng đại lượng véc tơ Câu Khái niệm Tương tác khả thống tương tác Câu Nội dung nguyên lý bảo toàn trao đổi lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Huy Toàn, Bản chất khối lượng quán tính ảnh hưởng tới vật lý học theo Giấy chứng nhận đăng ký Quyền tác giả số 899/2007/QTG P Medawar, E Wigner Bên khoa học (dịch từ tiếng Anh) NXB KHKT, Hà nội, 2004 Trịnh Xuân Thuận, Mathieu Ricard Cái vơ hạn lòng bàn tay NXB Trẻ, Tp HCM, 2004 85 ... đại lượng vật lý 1.6 Hàm sóng ý nghĩa thống kê 1.7 Các tiên đề học lượng tử - Phơng trình Schrodinger Chương 2: Cơ sở vật lý đại 2.1 Các quan điểm triết học 2.2 Các khái niệm vật lý đại 2.3 Vật. .. toàn khái niệm vật lý học nhằm loại bỏ quan niệm siêu hình khỏi vật lý, hạn chế khuynh hướng“toán học hoá vật lý với hiệu “Trả lại vật lý cho vật lý Đã phân tích phạm trù triết học vật chất, khơng... đến sinh viên vấn đề có tính tổng qt vật lý học đại , vật lý từ kỷ thứ XX bao gồm thành tựu, quan điểm triết học khái niệm vật lý, nghiên cứu vũ trụ Tác giả PhÇn I VËt lý bán đại Thế kỷ 19, với