Lịch sử vật lý

PGS.TS TRẦN NGỌC LỊCH SỬ VẬT LÝ (Giáo trình lưu hành nội bộ) QUẢNG BÌNH, THÁNG NĂM 2017 MỤC LỤC Bài mở đầu Chương Vật lý học thời kỳ cổ đại Các văn minh cổ đại giới 1.1 Sự đời mầm mống kiến thức khoa học 1.2 Khoa học Phương Đông cổ đại (Trung Quốc Ai Cập cổ đại) 1.3 Triết học tự nhiên cổ Hy lạp: nguyên tử luận Đêmôcrit) 1.4 Vật lý học A-ri-stốt (thành tựu khoa học cổ Hy Lạp) 1.5 VLH thời kỳ Hylạp hoá: Ơclit, Acsimet, Ptôlêmê 1.6 Đêm trường Trung cổ le lói lửa khoa học nối văn minh cổ đại với tương lai Chương Vật lý học kỷ XVI, XVII Sự đời Vật lý học thực nghiệm Cơ học Niutơn Cách mạng KH lần thứ 2.1 Bối cảnh lịch sử xã hội cách mạng khoa học lần thứ 2.2 Học thuyết Cô- péc-nic mở đầu cách mạng khoa học lần thứ 2.3 Vật lý học thực nghiệm, người mở đường Ga-li-lê 2.4 Vật lý học Ga-li-lê 2.5 Hoàn thành cách mạng KH lần thứ nhất, sứ mạng cao Ixắc Niu- tơn Chương Vật lý học kỷ XVIII, XIX Sự hình thành phát triển VLH cổ điển 3.1 Sự hình thành vật lý học cổ điển (thế kỷ 18) 3.1.1 Bối cảnh xã hội 3.1.2 Thành tựu Cơ học 3.1.3 Thành tựu Nhiệt học 3.1.4 Thành tự Quang học 3.1.5 Thành tự Điện học Từ học 3.2 Sự phát triển Vật lý học CĐ kỷ 19, thời kỳ phát triển CN TBCN 3.2.1 Bối cảnh lịch sử 3.2.2 Vật lý học nửa đầu kỷ 19: thành tựu Cơ, Quang, Điện động lực học Sự phát minh định luật bảo toàn lượng – sợi dây liên kết ngành Vật lý học 3.2.3 Vật lý học nửa cuối kỷ 19: Bối cảnh lịch sử Các thành tựu Nhiệt động lực học vật lý thống kê , hoàn chỉnh VLH CĐ Chương Vật lý học kỷ XX Sự hình thành phát triển Vật lý học đại, cách mạng KH lần thứ hai 4.1.Cuộc khủng hoảng Vật lý học cuối kỷ 19, đầu kỷ 20 4.2 Sự hình thành phát triển thuyết tương đối Anhstanh 4.3 Sự hình thành phát triển thuyết lượng tử 4.4 Sự phát triển Vật lý học sau thuyết tương đối, thuyết lượng tử đời 4.4.1 Vật lý hạt nhân hình thành phát triển nhanh chóng ứng dụng vào kỹ thuật 4.4.2 Vật lý vũ trụ 4.4.3 Sự hình thành phát triển lý thuyết thống tự nhiên BÀI MỞ ĐẦU Vật lý (từ tiếng Hy Lạp cổ đại φύσις physis có nghĩa "tự nhiên") chi nhánh khoa học, phát triển từ nghiên cứu tự nhiên triết học tiếng cuối kỷ thứ 19 coi "triết học tự nhiên" (natural philosophy) Ngày nay, vật lý xác định môn khoa học nghiên cứu vật chất vận động giới tự nhiên Từ xa xưa, người cố gắng tìm hiểu đặc điểm vật chất đặt câu hỏi như: vật lại rơi xuống đất? vật chất khác lại có đặc tính khác nhau? Và vũ trụ điều bí ẩn: Trái Đất hình thành nào? đặc điểm thiên thể Mặt Trời hay Mặt Trăng sao? Một vài thuyết đưa ra, đa phần khơng xác Những thuyết mang đậm nét triết lý chưa qua bước kiểm chứng thuyết đại Một số cơng nhận, số lại lỗi thời, ví dụ nhà tư tưởng người Hy Lạp, Archimedes, đưa nhiều miêu tả định lượng xác học thủy tĩnh học Thế kỷ thứ 17, Galileo Galilei người tiên phong lĩnh vực sử dụng thực nghiệm để kiểm tra tính đắn lý thuyết, chìa khóa để hình thành nên ngành khoa học thực nghiệm Galileo xây dựng kiểm tra thành công nhiều kết động lực học, cụ thể Đinh luật quán tính Năm 1687, Isaac Newton công bố sách Principia Mathematica, miêu tả chi tiết hoàn thiện hai thuyết vật lý: Định luật chuyển động Newton, tảng học cổ điển Định luật hấp dẫn, miêu tả lực hấp dẫn Cả hai thuyết công nhận thực nghiệm Cuốn sách Principia giới thiệu vài thuyết thuộc ngành thủy động lực học Cơ học cổ điển mở rông Joseph Louis Lagrange, William Rowan Hamilton, số nhà vật lý khác, người xây dựng lên công thức, nguyên lý kết Định luật hấp dẫn mở đầu cho ngành vật lý thiên văn, miêu tả tượng thiên văn dựa thuyết vật lý Bước sang kỷ thứ 18, nhiệt động lực học đời, Robert Boyle, Thomas Young số nhà vật lý khác Năm 1733, Daniel Bernoulli sử dụng phương pháp thống kê với học cổ điển để đưa kết cho nhiệt động lực học, từ ngành học thống kê đời Năm 1798, Benjamin Thompson chứng minh việc chuyển hóa sang nhiệt, năm 1847, James Prescott Joule dặt định luật bảo toàn lượng, dạng nhiệt lượng học, Đặc điểm tính điện từ tính nghiên cứu Michael Faraday, Georg Ohm, với số nhà vật lý khác Năm 1855, James Clerk Maxwell thống hai ngành điện học từ học vào làm một, gọi chung Điện từ học, miêu tả phương trình Maxwell Dự đốn thuyết ánh sáng dạng sóng điện từ Năm 1895, Wilhelm Conrad Roentgen (Röntgen) khám phá tia X quang, dạng tia phóng xạ điện từ tần số cao Độ phóng xạ tìm từ năm 1896 Henri Becquerel, sau Marie Curie (Maria Skłodowska-Curie), Pierre Curie, với số nhà vật lý khác Từ khai sinh ngành vật lý hạt nhân Năm 1905, Albert Einstein xây dựng Thuyết tương đối đặc biệt, kết hợp không gian thời gian vào khái niệm chung, khơng-thời gian Thuyết tương đối hẹp dự đốn biến đối khác điểm gốc học cổ điển, điều dẫn đến việc phát triển học tương đối tính để thay học cổ điển Với trường hợp vật tốc nhỏ, hai thuyết dẫn đến kết Năm 1915, Einstein phát triển thuyết tương đối đặc biệt để giải thích lực hấp dẫn, thuyết gọi Thuyết tương đối tổng quát hay Thuyết tương đối rộng, thay cho định luật hấp dẫn Newton Trong trường hợp khối lượng lượng thấp, hai thuyết cho kết Năm 1911, Ernest Rutherford suy luận từ thí nghiệm tán xạ tồn hạt nhân nguyên tử, với thành phần mang điện tích dương đặt tên proton Neutron, thành phần hạt nhân nguyên tử khơng mang điện tích, phát năm 1932 James Chadwick Bước sang kể thứ 20, Max Planck, Einstein, Niels Bohr với số nhà vật lý khác xây dựng thuyết lượng tử để giải thích cho kết thí nghiệm bất thường việc miêu tả lớp lượng rời rạc Năm 1925, Werner Heisenberg năm 1926 Erwin Schrodinger Paul Dirac cơng thức hóa học lượng tử, để giải thích thuyết lượng tử cơng thức tốn học Trong lương tử, kết đo đặc vật lý tồn dạng xác suất, lý thuyết thành công miêu tả đặc điểm tính chất giới vi mơ Cơ lượng tử công cụ cho ngành vật lý vật chất đặc (condensed matter physics), ngành nghiên cứu tính chất vật lý chất rắn chất khí, bao gồm đặc tính cấu trúc tinh thể, bán dẫn siêu dẫn Người tiên phong ngành vật lý vật chất đặc Felix Bloch, người sáng tạo mặt lượng tử tính chất electron cấu trúc tinh thể năm 1928 Trong Chiến tranh giới thứ hai, nghiên cứu khoa học tập trung vào ngành vật lý hạt nhân với mục đích tạo bom nguyên tử Sự cố gắng người Đức, Heisenberg dẫn đầu, không thành công, dự án Manhattan Mỹ đạt mục đích Nhóm khoa học người Mỹ, đứng đầu Enrico Fermi người xây dựng lò phản ứng hạt nhân năm 1942, năm sau, năm 1945, vụ thử hạt nhân diễn tạiTrinity, gần Alamogorgo, New Mexico Lý thuyết trường lượng tử xây dựng để phát triển lượng tử, với việc kết hợp thuyết tương đối hẹp Một phiên hình thành vào cuối năm 1940 Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga Freeman Dyson Họ cơng thức hóa thuyết điện động lực học lượng tử để miêu tả tương tác điện từ Thuyết trường lượng tử tạo cho ngành vật lý hạt, nghiên cứu lực tự nhiên hạt Năm 1945 Dương Chấn Ninh Robert Mills phát triển dạng thuyết gauge, tạo sở cho Mơ hình chuẩn Mơ hình chuẩn hồn chỉnh vào năm 1970, với thành cơng việc miêu tả tất hạt biết Những giá trị cốt lõi: Mặc dù vật lý bao hàm nhiều tượng tự nhiên, nhà vật lý cần số lý thuyết để miêu tả tượng Những lý thuyết kiểm tra thực nghiệm nhiều lần với kết xấp xỉ phạm vi định mà mang lại nhiều ứng dụng cho xã hội Ví dụ, học cổ điển miêu tả xác chuyển động vật vĩ mô lớn nguyên tử nhiều lần di chuyển với vận tốc nhỏ nhiều tốc độ ánh sáng.[23] Những lý thuyết nghiên cứu áp dụng ngày nay, nhánh học cổ điển lý thuyết hỗn loạn hình thành từ kỷ 20, ba kỷ sau học cổ điển đời từ cơng trình Isaac Newton (1642–1727) Những lý thuyết trung tâm công cụ quan trọng cho nghiên cứu vấn đề cụ thể, nhà vật lý nào, không kể họ quan tâm tới lĩnh vực nghiên cứu nào, học lý thuyết trường đại học Chúng bao gồm học cổ điển, học lượng tử, nhiệt động lực học học thống kê, điện từ học, thuyết tương đối hẹp Tiền đề: Toán học ngôn ngữ để miêu tả cách gọn gàng logic thứ bậc tự nhiên, đặc biệt định luật vật lý Điều ý ủng hộ Pythagoras, Plato, Galileo Newton Các lý thuyết vật lý sử dụng ngơn ngữ tốn học để nhận cơng thức xác miêu tả đại lượng vật lý, thu nghiệm xác hay giá trị ước lượng tiên đốn hệ Những kết thí nghiệm hay thực nghiệm vật lý biểu giá trị số Những cơng nghệ dựa tốn học máy tính, khoa học tính tốn đưa ngành vật lý tính tốn trở thành lĩnh vực nhiều triển vọng Bản thể luận lý thuyết tiên cho vật lý học, khơng phải cho tốn học Điều có nghĩa vật lý hồn tồn mơ tả giới thực tại, tốn học phát triển đưa nhiều ngành trừu tượng, chí vượt khỏi phạm vi giới thực Do phát biểu vật lý mang tính tổng hợp, phát biểu tốn học mang tính phân tích Tốn học chứa tiên đề giả thuyết, vật lý học dựa định luật, nguyên lý cơng cụ tốn học Các phát biểu toán học cần thỏa mãn mặt logic, tiên đoán phát biểu vật lý phải phù hợp với liệu quan sát thực nghiệm Sự khác biệt hai khoa học rõ ràng, khơng phải lúc Ví dụ, ngành vật lý tốn áp dụng cơng cụ tốn học vào vật lý Phương pháp nghiên cứu toán học, đối tượng quan tâm thuộc vật lý học.[34] Vấn đề ngành bắt đầu "mơ hình hóa tốn học hệ vật lý" "miêu tả định luật vật lý toán học" Mỗi phát biểu toán học cho lời giải thường khó tìm ý nghĩa vật lý Lời giải tốn học cuối phải thể ý nghĩa vật lý cách dễ hiểu điều mà người giải tìm Vật lý ngành khoa học bản, khoa học ứng dụng Nó "khoa học bản" lĩnh vực nghiên cứu ngành khoa học tự nhiên hóa học, thiên văn học, địa chất học, sinh học bị chi phối định luật vật lý Ví dụ, hóa học nghiên cứu tính chất, cấu trúc phản ứng vật chất (hóa học tập trung nghiên cứu thang nguyên tử phân tử) Những cấu trúc hợp chất hóa học hình thành tuân theo tương tác điện từ, định luật bảo toàn lượng, khối lượng điện tích Vật lý ứng dụng: Vật lý ứng dụng ngành nghiên cứu áp dụng vật lý học cho mục đích yêu cầu người Vật lý ứng dụng thường chứa vài lĩnh vực vật lý lý thuyết, địa chất học hay kỹ thuật điện Ngành thường khác với ngành kĩ thuật chỗ nhà vật lý ứng dụng không hẳn thiết kế thiết bị mới, mà họ sử dụng kiến thức vật lý để thực nghiên cứu hỗ trợ cho công nghệ giải vấn đề kĩ thuật đó.[37] Cách tiếp cận giống với toán học ứng dụng Các nhà vật lý ứng dụng quan tâm cách ứng dụng vật lý cho nghiên cứu khoa học Ví dụ, kĩ sư tham gia thiết kế vận hành máy gia tốc thường có mục đích nâng cao hiệu hoạt động máy dò hạt nhằm phục vụ cho vật lý lý thuyết Vật lý kĩ thuật dựa nhiều vào sở vật lý học Ví dụ, học vật rắn, học đất học kết cấu lý thuyết tảng cho kĩ sư thiết kế cơng trình xây dựng Bộ mơn vật lý kiến trúc bao gồm lý thuyết âm học, ánh sáng, nhiệt giúp thiết kế cơng trình cách tối ưu, chống tiếng ồn, nâng cao khả cách nhiệt bố trí đèn chiếu sáng hiệu Ngành khí động lực học giúp kĩ sư hàng không thiết kế máy bay tốt thực mô trước cho sản xuất hàng loạt Trong lĩnh vực giải trí, hình ảnh ti vi máy tính đạt chuẩn nét caolà nhờ cơng nghệ nano điện tử học Đa số nhà vật lý chấp nhận định luật vật lý số vật lý phổ quát không thay đổi theo thời gian, ứng dụng vật lý áp dụng nhiều tình giả định trước nhiều nơi địa cầu Ví dụ, nghiên cứu lịch sử Trái Đất, nhà khoa học mơ hình hóa khối lượng, nhiệt độ, tốc độ tự quay hành tinh theo thời gian tiến hóa Vật lý học mang lại tiến triển không ngừng phát triển công nghệ mới, giảm thiểu tiêu thụ lượng, tiết kiệm vật liệu chi phí sản xuất Cũng có ngành nghiên cứu tổng hợp từ nhiều lĩnh vực khác có vật lý học, vật lý kinh tế (econophysics) hay vật lý xã hội (sociophysics) Phương pháp khoa học: Các nhà vật lý sử dụng phương pháp khoa học để kiểm chứng lý thuyết vật lý hay bác bỏ nó, sử dụng cách tiếp cận phương thức luận nhằm so sánh kết tiên đoán lý thuyết với giá trị thu từ thí nghiệm hay quan trắc kiểm chứng nó; hỗ trợ nhà khoa học đến định lý thuyết phạm vi định hay phải loại bỏ tìm lý thuyết khác lý giải kết thực nghiệm Một định luật khoa học phát biểu súc tích thể cơng thức toán học liên hệ đại lượng nguyên lý lý thuyết, định luật vạn vật hấp dẫn Newton Lý thuyết thực nghiệm: Các nhà vật lý hướng tới phát triển mơ hình tốn học khơng thỏa mãn kết thí nghiệm có mà tiên đốn thành công kết hay tượng mới;[39] nhà vật lý thực nghiệm khơng thiết kế lắp đặt thí nghiệm kiểm chứng kết lý thuyết mà họ thực thí nghiệm cho kết khơng phù hợp với lý thuyết phát tượng hay hiệu ứng Mặc dù lý thuyết thực nghiệm phát triển tách biệt nhau, chúng lại phụ thuộc mạnh vào lẫn Sự tiến triển vật lý học thường bước sang chương nhà thực nghiệm phát tượng mới, lý thuyết tiên đốn kết mà nhà thực nghiệm thực thí nghiệm kiểm chứng mang lại kết ủng hộ lý thuyết Cũng có nhà vật lý nghiên cứu hai phạm vi lý thuyết thực nghiệm, nhà tượng học, họ khai phá kết thí nghiệm phức tạp tìm cách liên hệ chúng với lý thuyết sở Về mặt lịch sử, vật lý lý thuyết có cảm hứng xuất phát từ triết học; điện từ học thống từ quan điểm triết học Ngoài tượng biết vũ trụ, lĩnh vực vật lý lý thuyết đặt giả thuyết, ví dụ giả thuyết vũ trụ song song, vũ trụ có nhiều chiều khơng gian Các nhà lý thuyết đưa giả thuyết để hy vọng giải vấn đề hóc búa vật lý học Sau họ khám phá hệ giả thuyết tìm kiếm kết tiên đốn mà kiểm chứng Vật lý thực nghiệm mang lại sở thông tin nhận lại từ ngành kĩ thuật công nghệ Các nhà vật lý thực nghiệm tham gia vào nghiên cứu nhằm thiết kế thực thí nghiệm với thiết bị tiên tiến máy gia tốc hạt laser, họ tham gia vào nghiên cứu ứng dụng công nghiệp, phát triển công nghệ chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) thiết kế transistor vi mạch Nhà vật lý lý thuyết Feynman nói nhà thực nghiệm thường thích làm thí nghiệm phạm vi chưa hiểu tốt nhà lý thuyết Phạm vi mục đích: Vật lý mơ hình hóa giới tự nhiên đại lượng Ví dụ đây, quỹ đạo hạt học miêu tả phép tính vi tích phân Vật lý học nghiên cứu nhiều tượng, từ hạt quark, neutrino electron siêu đám thiên hà Bao quát tượng vật chất thứ cấu thành lên vật tượng khác Do vật lý gọi "khoa học bản".[36] Vật lý học có mục đích miêu tả nhiều tượng khác tự nhiên số nhỏ quy luật đơn giản Do vậy, vật lý học nhằm mục đích liên hệ thứ mà người quan sát với nguyên nhân gây chúng, sau kết nối nguyên nhân với Ví dụ, người Hy Lạp cổ đại biết vật hổ phách chà vào lơng thú khiến hai vật hút Hiệu ứng lần nghiên cứu vào kỷ 17, gọi điện học Trong đó, từ lâu người ta biết có cục nam châm hút sắt sử dụng làm la bàn, hay môn từ học Do vậy, vật lý có mục đích hiểu chất hai tượng theo số nguyên nhân Tuy vậy, nghiên cứu sâu kỷ 19 cho thấy hai lực khía cạnh khác lực lực điện từ Q trình "thống nhất" lực tiếp tục ngày nay, lực điện từ lực hạt nhân yếu thống thành tương tác điện yếu Các nhà vật lý hy vọng cuối tìm lý thuyết thống bốn tương tác tự nhiên Lĩnh vực nghiên cứu: Những nghiên cứu chia thành số lĩnh vực vật lý vật chất ngưng tụ; vật lý nhiệt độ thấp, vật lý plasma; vật lý nguyên tử, phân tử, na nô, quang học, laser; vật lý hạt; vật lý thiên văn; địa vật lý lý sinh học Một số nhà vật lý tham gia nghiên cứu giáo dục vật lý học Từ kỷ 20, nhiều lĩnh vực vật lý xuất ngày chuyên biệt hóa hơn, ngày đa số nhà vật lý nghiên cứu lĩnh vực hẹp toàn nghiệp họ Những "nhà bác học" Albert Einstein (1879– 1955), Enrico Fermi (1901-1954), Lev Landau (1908–1968) , mà họ nghiên cứu nhiều lĩnh vực vật lý học, Chương VẬT LÝ HỌC CỔ ĐẠI CÁC NỀN VĂN MINH THỜI CỔ ĐẠI TRÊN THẾ GIỚI I SỰ PHÁT SINH NHỮNG TRI THỨC KHOA HỌC Từ thời nguyên thủy, người tích lũy tri thức cối động vật xung quanh, thời tiết, khí hậu…nhưng tri thức kinh nghiệm sống, rời rạc khơng có hệ thống Trong thời kì này, sống chật vật, thấp kém, nên khoa học chưa có điều kiện phát triển Tình hình thay đổi kể từ người biết trồng trọt, chăn ni, ngừơi đạt vụ gặt ổn định địa điểm, nhiều năm liên tục Và từ 4000 năm TCN, hình thành quốc gia chiếm hữu nơ lệ, nơi khoa học đại (chế tạo công cụ lao động mới, phát triển sản xuất, kinh tế phát triển hơn, cấu xã hội phức tạp hơn) Do kinh tế phát triển, suất lao động nâng cao, số người giải phóng khỏi lao động chân tay, trở thành người lao động trí óc Thiên văn học môn khoa học nhân loại từ sản xuất mà xuất Song song với TVH xuất khoa chiêm tinh 10 Từ trường thuyết tương đối Sự tồn lực từ có mối liên hệ mật thiết với thuyết tương đối hẹp Định luật Coulomb lực điện đứng riêng rẽ khơng thể tương thích với cấu trúc khơng thời gian Thật vậy, điện tích đứng yên khơng có từ trường xuất hiện, trừ có quan sát viên di chuyển so với điện tích Có thể giải thích kết quan sát dựa phép biến đổi Lorentz mối liên hệ vectơ từ trường vectơ điện trường, cho thấy mối liên hệ khăng khít từ trường, điện trường hệ quy chiếu lựa chọn Sự xuất từ trường đưa nam châm di chuyển đến gần vòng dây dẫn (và ngược lại), hay tổng quát có từ trường biến đổi xuất điện trường (và ngược lại) liên quan đến thuộc tính khơng gian thời gian Từ phương diện này, hai định luật Coulomb định luật Biot-Savart khác xét hệ quy chiếu quan sát viên đứng yên hay chuyển động cho kết Trong mô tả toán học thuyết tương đối, từ trường điện trường miêu tả chung đại lượng, tenxơ trường điện từ hạng bốn, tương tự thống không gian thời gian không thời gian bốn chiều Thuyết tương đối rộng Lực hấp dẫn độ cong không thời gian Hiệu ứng thấu kính hấp dẫn làm méo hình ảnh thiên hà xa ánh sáng chúng qua đám thiên hà Abell 383 Thuyết tương đối rộng giải thích lực hấp dẫn độ cong hình học không thời gian xác định bởi: Vật chất lượng làm cong không thời gian xung quanh chúng Một vật rơi tự tác dụng trường lực hấp dẫn chuyển động đường trắc địa hai điểm không thời gian Không thời gian bốn chiều thuyết tương đối hẹp thật khó hình dung, khơng thời gian cong chí khó Để minh họa nó, giảm số chiều khơng thời gian xưống lấy hình ảnh tương tự trường hợp mặt cong chiều Giả sử có hai xe chạy mặt cầu, chúng bắt đầu đường xích đạo lái hướng phía bắc theo đường tròn lớn Lúc đầu hướng hai xe song song với nhau, không bị tác động lực khác, cuối hai xe gặp cực bắc.[29] Một quan sát viên đứng mặt cầu, bề mặt bị cong cho có lực hút hai xe phía lại gần Đây tượng túy hình học Do lực hấp dẫn thuyết tương đối rộng gọi giả lực 65 Vì đường trắc địa nối hai điểm không thời gian không phụ thuộc vào đặc tính vật rơi tự trường hấp dẫn, tượng Galileo Galilei phát đầu tiên, nên hai vật cao độ rơi tự với tốc độ Trong học Newton, điều có nghĩa khối lượng quán tính khối lượng hấp dẫn vật phải tương đương Phát biểu sở cho thuyết tương đối rộng Cấu trúc toán học thuyết tương đối rộng Trong nhiều tiên đoán thuyết tương đối hẹp miêu tả dựa cấu trúc tốn học gọn nhẹ đơn giản, cấu trúc toán học thuyết tương đối rộng lại phức tạp Lý thuyết cần phương pháp hình học vi phân để miêu tả khơng thời gian cong, thay cho hình học Euclid khơng gian phẳng quen thuộc Để miêu tả cong, vật thể cong không gian cong thường nhúng vào khơng gian có số chiều cao Ví dụ, mặt cầu hai chiều thường hình dung đặt khơng gian ba chiều Tuy nhiên, nhà tốn học miêu tả độ cong mà khơng cần áp dụng hình thức nhúng này, tức khơng phụ thuộc vào khơng gian bên ngoài, đặc điểm quan trọng cần thiết thuyết tương đối tổng quát Ví dụ việc người sống mặt cong đo tổng góc tam giác mặt cong cho kết khơng 180° người hiểu sống mặt cong mà không cần phải "nhảy" khỏi bề mặt Mối liên hệ độ cong vật chất-năng lượng chuyển động hạt trường hấp dẫn xác định phương trình trường Einstein Nó phương trình tenxơđối xứng hạng hai, tương ứng với hệ 10 phương trình viết tường minh Đối với tượng vật lý hấp dẫn, nhà vật lý thường đưa phương trình dạng xấp xỉ phức tạp để thu tính chất hữu ích Phương trình trường Einstein sau: Đồng hồ trường hấp dẫn Trong thuyết tương đối rộng, tốc độ hoạt động đồng hồ không phụ thuộc vào vận tốc tương đối chúng, mà phụ thuộc vào vị trí trường hấp dẫn độ mạnh yếu trường Một đồng hồ đặt đỉnh núi chạy nhanh y hệt đặt thung lũng Tuy hiệu ứng nhỏ trường hấp dẫn Trái Đất, để máy thu GPS tránh sai số 66 tọa độ vị trí thu từ tần số vệ tinh cần phải hiệu chỉnh thời gian máy thu thời gian vệ tinh chúng đồng Vũ trụ học Trong thuyết tương đối hẹp áp dụng cho trường hợp hệ quy chiếu xét nằm vùng khơng thời gian có độ cong nhỏ bỏ qua được, thuyết tương đối tổng qt khơng đòi hỏi giới hạn Do áp dụng cho tồn thể vũ trụ lý thuyết đóng vai trò quan trọng ngành vũ trụ học Vì thế, giãn nở vũ trụ, tiên đoán Alexander Friedmann Georges Lemtre từ phương trình trường Einstein kết hợp với số vũ trụ học (năng lượng tối) số yếu tố khác vật chất tối trở thành mơ hình chuẩn vũ trụ học Sự giãn nở Vụ Nổ Lớn xảy từ cách 13,8 tỷ năm trước Nó bắt đầu khơng gian thời gian toàn vũ trụ tập trung vùng khơng gian có đường kính kích cỡ chiều dài Planck Lỗ đen Một tiên đoán khác thuyết tương đối rộng tồn lỗ đen Những vật thể tạo trường hấp dẫn mạnh khiến cho ánh sáng bị hút vào chân trời kiện, khơng thể khỏi lỗ đen Einstein khơng thích thú với ý tưởng tồn vật thể này, ông cho phải có chế vật lý ngăn cản hình thành lỗ đen.[38][39] Nhiều liệu quan sát thiên văn vật lý ngày cho thấy thực có lỗ đen ẩn nấp vũ trụ, chúng trạng thái tiến hóa cuối ngơi lớn thiên hà hình thành từ suy sụp hấp dẫn đám khí vũ trụ sơ khai Sóng hấp dẫn Sóng hấp dẫn phát từ hai neutron quay quanh Ở không thời gian miêu tả hai chiều chuyển động hệ hai neutron gây biến đổi độ cong không thời gian (các gợn sóng lăn tăn) lan truyền xa dần bên ngồi với biên độ sóng giảm dần Tương tự sóng điện từ tiên đốn lý thuyết điện từ Maxwell, thuyết tương đối rộng cho phép tồn sóng hấp dẫn: tập trung khối lượng (hay lượng) làm cong không thời gian, thay đổi hình dáng vị trí vật thể gây biến đổi lan truyền toàn vũ trụ với tốc độ tốc độ ánh sáng Tuy nhiên, biến đổi nhỏ mà nhà vật lý chưa phát sóng hấp dẫn cách trực tiếp Một vụ nổ siêu tân tinh năm 1987 phát sóng hấp dẫn trạm quan sát ngày 67 (2011) phát Tuy có hai trạm quan sát năm độ nhạy chúng phát gợn không thời gian cực nhỏ Nhờ quan sát quỹ đạo hệ pulsar đôi chứng tỏ cách gián tiếp tồn sóng hấp dẫn Russell Hulse Joseph Taylor nhận Giải Nobel Vật lý năm 1993 nhờ quan sát Ngày 17 tháng năm 2014, đoàn thám hiểm Mỹ sau nghiên cứu năm thông báo buổi họp báo Harvard, họ quan sát sóng hấp dẫn ban sơ (primordial gravitational waves) giây phút sau Big Bang.[45] Tuy nhiên sau nhóm BICEP Planck hợp tác phân tích liệu với đến kết luận hình ảnh mà BICEP nhận chủ yếu ảnh hưởng bụi Ngân Hà từ sóng hấp dẫn nguyên thủy Sau 40 năm khởi xướng, huy động vốn tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), xây dựng nâng cấp, nhóm cộng tác khoa học Advanced LIGO thông báo ngày 11 tháng năm 2016 hai trạm thám trắc Livingstone, Lousiana Hanford, Washington thu trực tiếp tín hiệu sóng hấp dẫn từ kết sáp nhập hai lỗ đen khối lượng nằm cách Trái Đất khoảng 1,3 tỷ năm ánh sáng Phát mở thời kỳ thiên văn sóng hấp dẫn Sự thành công thuyết tương đối hẹp giải thích mâu thuẫn kết thu thí nghiệm Michelson-Morley lý thuyết điện động lực học, lý thuyết điện động lực học coi sở cho phát triển thuyết tương đối hẹp Lý thuyết chứng minh đắn qua nhiều thí nghiệm thực nghiệm,[48] thí nghiệm Ives–Stilwell Một ví dụ điển hình việc phát muon tia vũ trụ, mà hạt tới bề mặt Trái Đất với thời gian sống ngắn chúng khơng có hiệu ứng giãn thời gian chúng chuyển động với tốc độ gần với tốc độ ánh sáng, hạt muon chuyển động với quãng đường ngắn co độ dài Chứng cho điều đến từ bay khinh khí cầu vào tầng bình lưu thực nhà vật lý Thụy Sĩ Auguste Piccard năm 1931 1932, mà q trình chuẩn bị có tham gia Einstein Còn lý thuyết tương đối rộng, thời điểm cơng bố có chứng thực nghiệm để kiểm chứng, dịch chuyển điểm cận nhật quỹ đạo Sao Thủy Năm 1919, Arthur Eddington dẫn đầu tổ chức hai đoàn thám hiểm quan sát tượng nhật thực, họ đo dịch chuyển vị trí biểu kiến gần Mặt Trời xác nhận trực tiếp tia sáng bị lệch 68 qua trường hấp dẫn Thí nghiệm Pound–Rebka kiểm tra dịch chuyển đỏ hấp dẫn thực năm 1959 thí nghiệm xác cao thuyết tương đối tổng quát Các thí nghiệm thực chứng khác bao gồm: thấu kính hấp dẫn, phát trực tiếp sóng hấp dẫn, quan sát quỹ đạo cặp xung, mơ hình chuẩn vũ trụ học, thí nghiệm Gravity Probe B Ngoài thuyết tương đối rộng nêu Einstein, có lý thuyết hấp dẫn tương đối tính khác đề xuất dựa sở thuyết tương đối rộng Lý thuyết bật lý thuyết Jordan - Brans-Dicke, đa số lý thuyết có cấu trúc phức tạp Sự đắn lý thuyết chưa hồn tồn bị bác bỏ Đã có nhiều thí nghiệm thực nghiệm nhằm kiểm tra thuyết tương đối tổng quát lẫn lý thuyết thay khác Cách tiếp cận thuyết tương đối không gian thời gian thu hút quan tâm công chúng kể từ lý thuyết đời Einstein trở lên tiếng thuyết tương đối dần xuất phương tiện truyền thơng Với cách nói đơn giản thứ tương đối, lý thuyết trở thành lĩnh vực xem xét chủ nghĩa tương đối triết học Trong phim chiếu vào tháng năm 1922 nhan đề "Những điều thuyết tương đối Einstein", với nhiều khung hình minh họa giải thích thuyết tương đối hẹp Einstein trước khán giả Những lời trích phê bình thuyết tương đối bắt nguồn từ nhiều cách khác nhau, hiểu sai lý thuyết, chống đối tiến toán học vật lý hay liên quan đến nguồn gốc Do Thái Einstein Từ thập kỷ 1920 vài nhà vật lý Đức công khai chống người Do Thái, bao gồm hai người đoạt giải Nobel Philipp Lenard Johannes Stark, với phong trào Deutsche Physik chống lại thuyết tương đối Vài năm sau Chủ nghĩa Quốc xã nắm quyền, Stark đăng viết tờ Das Schwarze Korps SS số ngày 15 tháng năm 1937 chống lại người nước theo ủng hộ thuyết tương đối thuyết lượng tử Trong số họ, Stark tố cáo Werner Heisenberg Max Planck người Do Thái trắng Heisenberg đến gặp trực tiếp Himmler đạt khôi phục danh dự Khoa học cơng nhận: Thời gian đầu thuyết tương đối đời chưa cộng đồng khoa học công nhận, với Albert Einstein nhận giải Nobel Vật lý năm 1921 với lý có cống hiến cho vật lý lý thuyết đặc biệt cho hiệu ứng 69 quang điện Ngày nay, thuyết tương đối hẹp thuyết tương đối rộng thừa nhận rộng rãi chúng trụ cột cho ngành vật lý tảng phát triển công nghệ đại Sự xuất Vật lý lượng tử thuyết tương đối cách mạng Vật lý học vào cuối kỉ 19 đầu kỉ 20 sở khoa học nhiều lĩnh vực công nghệ cao công nghệ điện tử vi điện tử, công nghệ viễn thông, công nghệ quang tử, công nghệ tự động hóa, cơng nghệ thơng tin v v Vật lý lượng tử đời vào năm 1900 Max Planck đề xuất giả thuyết tính gián đoạn xạ điện từ phát từ vật - thuyết lượng tử lượng - để giải thích kết thực nghiệm xạ nhiệt vật đen Năm 1900, Max Planck đưa ý tưởng lượng phát xạ bị lượng tử hóa để giải thích phụ thuộc lượng phát xạ vào tần số vật đen Năm 1905, Einstein giải thích hiệu ứng quang điện dựa ý tưởng lượng tử Plank ông cho lượng khơng phát xạ mà hấp thụ theo lượng tử mà ông gọi quang tử Năm 1913, Bohr giải thích quang phổ vạch nguyên tử hydrogen lại giả thuyết lượng tử Năm 1924 Louis de Broglie đưa lý thuyết ông sóng vật chất Các lý thuyết trên, thành cơng giải thích số thí nghiệm bị giới hạn tính tượng luận: chúng khơng chứng minh cách chặt chẽ tính lượng tử Tất lý thuyết gọi lý thuyết lượng tử cổ điển Thuật ngữ "vật lý lượng tử" lần dùng Planck's Universe in Light of Modern Physics Johnston (Vũ trụ Planck ánh sáng vật lý đại) Cơ học lượng tử đại đời năm 1925, Heisenberg phát triển học ma trận Schrưdinger sáng tạo học sóng phương trình Schrưdinger Sau đó, Schrưdinger chứng minh hai cách tiếp cận tương đương Heisenberg đưa nguyên lý bất định vào năm 1927 giải thích Copenhagen hình thành vào thời gian Bắt đầu vào năm 1927, Paul Dirac thống lý thuyết tương đối hẹp với học lượng tử Ông người tiên phong sử dụng lý thuyết tốn tử, có ký hiệu Bra-ket hiệu tính tốn mơ tả sách tiếng ông xuất năm 1930 Cũng vào khoảng thời gian John von Neumann đưa sở toán học chặt chẽ cho học lượng tử lý thuyết tốn tử tuyến tính khơng 70 gian Hilbert Nó trình bày sách tiếng ông xuất năm 1932 Các lý thuyết với nghiên cứu khác từ thời kỳ hình thành đứng vững ngày sử dụng rộng rãi Lĩnh vực hóa học lượng tử phát triển người tiên phong Walter Heitler Fritz London Họ công bố nghiên cứu liên kết hóa trị phân tử hydrogenvào năm 1927 Sau đó, hóa học lượng tử phát triển mạnh có Linus Pauling Đầu năm 1927, cố gắng nhằm áp dụng học lượng tử vào lĩnh vực khác hạt đơn lẻ dẫn đến đời lý thuyết trường lượng tử Những người đầu lĩnh vực Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Victor Weisskopf Pascaul Jordan Lĩnh vực cực thịnh lý thuyết điện động lực học lượng tử Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger Sin-Itiro Tomonaga phát triển cvào năm 1940 Điện động lực học lượng tử lý thuyết lượng tử điện tử, phản điện tử điện từ trường đóng vai trò quan trọng lý thuyết trường lượng tử sau Hugh Everett đưa giải thích đa giới vào năm 1956 Lý thuyết sắc động lực học lượng tử hình thành vào đầu năm 1960 Lý thuyết Politzer, Gross Wilzcek đưa vào năm 1975 Dựa cơng trình tiên phong Schwinger, Peter Higgs, Goldstone người khác, Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg Abdus Salam độc lập với chứng minh lực tương tác yếu sắc động lực học lượng tử kết hợp thành lực điện-yếu 2.2 Sù ®êi cđa lý thut l­ỵng tư Sù ®êi lý thuyết lượng tử: Từ năm đầu cđa thÕ kØ thø 18, vËt lÝ häc cỉ ®iĨn 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 thiết phải có lý thuyết mới, lý thuyết 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 71 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 hoàn chỉnh hiểu biết người vật chất Không ánh sáng mà vật chất mang tính nhị nguyên sóng -hạt Tất điều dẫn đến lý thuyết lựơng tử đời, lí 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 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 biến đổi điện tích hệ, điện 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 nỉi bËt nhÊt cđa lÝ thut l­ỵng tư L­ìng tính sóng - 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, 72 vi hạt đồng thời có tính chất hạt có tính chất sóng Sự mô tả đầy đủ giới vi mô học lượng tử, bao gồm bøc tranh thèng nhÊt l­ìng tÝnh sãng h¹t cđa thÕ giíi vi m« 2.3 Sự phát triển Vật lý học sau thuyết tương đối thuyết lượng tử đời Những nghiên cứu chia thành số lĩnh vực vật lý vật chất ngưng tụ; vật lý nhiệt độ thấp, vật lý plasma; vật lý nguyên tử, phân tử, na nô, quang học, laser; vật lý hạt; vật lý thiên văn; địa vật lý lý sinh học Một số nhà vật lý tham gia nghiên cứu giáo dục vật lý học Từ kỷ 20, nhiều lĩnh vực vật lý xuất ngày chuyên biệt hóa hơn, ngày đa số nhà vật lý nghiên cứu lĩnh vực hẹp toàn nghiệp họ Những "nhà bác học" Albert Einstein (1879– 1955), Enrico Fermi (1901-1954), Lev Landau (1908–1968) , mà họ nghiên cứu nhiều lĩnh vực vật lý học, hiếm.[45] Vật chất ngưng tụ Dữ liệu phân bố vận tốc nguyên tử khí rubidium, xác nhận phát pha vật chất, ngưng tụ Bose–Einstein Vật lý vật chất ngưng tụ ngành vật lý học nghiên cứu tính chất vật lý vĩ mơ vật chất Đặc biệt, xét đến pha "ngưng tụ" xuất số hạt hệ lớn tương tác chúng mạnh Những ví dụ quen thuộc pha ngưng tụ chất rắn chất lỏng, chúng xuất lực điện từ liên kết nguyên tử Những pha ngưng tụ kỳ lạ bao gồm trạng thái siêu chảy ngưng tụ Bose–Einstein xuất hệ nguyên tử cụ thể nhiệt độ thấp gần K, pha siêu dẫn thể electron dẫn số vật liệu, vật liệu sắt từ phản sắt từ tính chất spin mạng tinh thể nguyên tử Vật lý vật chất ngưng tụ ngành lớn vật lý học Về mặt lịch sử, ngành bắt đầu trưởng thành từ ngành vật lý trạng thái rắn, nhà khoa học coi chủ đề vật lý vật chất ngưng tụ Thuật ngữ vật lý vật chất ngưng tụ Philip Anderson nêu ơng đổi tên nhóm nghiên cứu ơng—trước lý thuyết trạng thái rắn—vào năm 1967 Năm 1978, Nhóm Vật lý Trạng thái Rắn Hội Vật lý Mỹđổi tên thành Nhóm Vật lý Vật chất Ngưng tụ Ngành bao quát nhiều lĩnh vực bao gồm hóa học, khoa học vật liệu, công nghệ nano kỹ thuật 73 Vật lý nguyên tử, phân tử, quang học Đèn plasma: Vật lý nguyên tử, phân tử, quang học (AMO) nghiên cứu tương tác vật chất–vật chất ánh sáng–vật chất cấp độ nguyên tử phân tử Cả ba ngành có trao đổi qua lại lẫn nhau, chúng sử dụng phương pháp nghiên cứu tương tự nhau, giống mức lượng hệ nghiên cứu Cả ba ngành có cách tiếp cận bao gồm vật lý cổ điển, bán cổ điển lượng tử; nhà vật lý xét ba lĩnh vực từ cấp độ vi mô (ngược với quan điểm vĩ mô) Vật lý nguyên tử nghiên cứu lớp vỏ electron nguyên tử Những nghiên cứu tập trung vào điều khiển lượng tử, làm lạnh bẫy nguyên tử ion, động lực học va chạm hệ nhiệt độ thấp hiệu ứng tương quan eletron cấu trúc động lực hệ Vật lý nguyên tử bị ảnh hưởng kết nghiên cứu vật lý hạt nhân (ví dụ như, cấu trúc siêu tinh tế), hiệu ứng liên hạt nhân phân hạch tổng hợp hạt nhân xem thuộc lĩnh vực vật lý lượng cao Vật lý phân tử tập trung vào cấu trúc đa nguyên tử tương tác nội ngoại phân tử với vật chất ánh sáng Vật lý quang học ngành quang học lượng tử khác với quan học cổ điển khơng nghiên cứu cách điều khiển trường ánh sáng phương pháp vĩ mô, thay vào nghiên cứu tính chất trường quang học tương tác chúng với vật chất thang vi mô Vật lý lượng cao (vật lý hạt) vật lý hạt nhân Các kiện ghi máy dò CMS (ở trên) ATLAS (ở dưới) ghi lại kiện va chạm hạt Máy gia tốc hạt lớnLHC, khả xuất boson Higgs Mơ hình chuẩn miêu tả hạt tương tác chúng; đường nối thể hạt có tương tác với (hoặc với nó) Vật lý hạt nghiên cứu hạt cấu tạo nên vật chất lượng, tương tác chúng Thêm vào đó, nhà vật lý hạt phối hợp với kỹ sư nhằm thiết kế lắp đặt máy gia tốc, máy dò hạt, chương trình phần mềm chạy siêu máy tính nhằm phân tích liệu thu được[62] Ngành gọi "vật lý lượng cao" nhiều hạt khơng xuất hay tồn "lâu" tự nhiên, để nghiên cứu chúng nhà vật lý phải bắn hạt có lượng cao va chạm với để sinh hạt 74 Hiện nay, tương tác hạt trường miêu tả hồn chỉnh Mơ hình chuẩn Trong mơ hình có 12 hạt cấu thành lên giới vật chất (quark lepton), chúng tương tác với thông qua hạt truyền tương tác ba loại tương tác mạnh, yếu, điện từ Những tính chất tương miêu tả hạt trao đổi boson gauge (tương ứng gluon, boson W Z, photon) Mơ hình chuẩn tiên đốn tồn hạt boson Higgs, hạt có vai trò giải thích hạt lại có khối lượng thơng qua "cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát" Ngày tháng năm 2012, quan CERN, phòng thí nghiệm châu Âu vật lý hạt, thơng báo phát hạt có tính chất giống với boson Higgs, dường hạt mà lâu nhà thực nghiệm vật lý hạt săn lùng Vật lý hạt nhân ngành nghiên cứu thành phần cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử proton, neutron tương tác hạt nhân Ứng dụng biết đến nhiều ngành lượng hạt nhân sinh lò phản ứng hạt nhân cơng nghệ vũ khí ngun tử, xuất ngành khác xạ trị ung thư y học hạt nhân, chụp cộng hưởng từ, cấy ghép ion khoa học vật liệu, phương pháp xác định niên đại nguyên tố phóng xạ địa chất khảo cổ học, nghiên cứu tạo nguyên tố siêu urani đảo bền nguyên tố Vật lý thiên văn Vật lý vũ trụ học Thiên văn học thiên văn vật lý ngành ứng dụng lý thuyết phương pháp vật lý học để nghiên cứu cấu trúc sao, tiến hóa sao, nguồn gốc hình thành Hệ Mặt Trời, hình thành hành tinh, thiên hà, cấu trúc lớn vũ trụ Nó nghiên cứu lịch sử khởi đầu kết thúc vũ trụ Thiên văn vật lý ngành rộng, nhà vật lý thiên văn phải áp dụng nhiều nhánh vật lý học bao gồm học thiên thể, điện từ học, học thống kê, nhiệt động lực học, học lượng tử, thuyết tương đối, vật lý hạt Thiên văn học ban đầu gồm nghiên cứu quan sát qua kính thiên văn mặt đất với hạn chế độ phân giải phạm vi hẹp bước sóng quang học Năm 1931 nhà thiên văn Karl Janskyphát tín hiệu vơ tuyến có nguồn gốc từ thiên thể bầu trời mở đầu cho ngành thiên văn vô tuyến Trong thập niên gần đây, tiền phương thiên văn học mở rộng người bước vào kỷ nguyên thám hiểm vũ trụ với công nghệ tiên tiến áp dụng từ ngành khác vật lý học cho phép xây dựng 75 kính thiên văn khơng gian, tàu thăm dò liên hành tinh, Trạm vũ trụ Quốc tế ISS Khơng thế, phạm vi bước sóng quan sát thực tồn miền bước sóng điện từ, vô tuyến, hồng ngoại, quang học, tử ngoại, tia Xcho đến tia gamma Thậm chí nhà thiên văn vật lý thực nghiệm xây dựng đài quan trắc neutrino, máy dò tia vũ trụ AMS-02, hay chí sở mặt đất thiết bị khơng gian thăm dò sóng hấp dẫn Vật lý vũ trụ học nghiên cứu hình thành tiến hóa vũ trụ phạm vi lớn Trong lĩnh vực thuyết tương đối rộng Albert Einstein đóng vai trò trung tâm lý thuyết vũ trụ học đại Đầu kỷ 20, khám phá Hubble số nhà khoa học khác cho thấy vũ trụ giãn nở, định luật Hubble Khám phá với phát xạ phông vi sóng vũ trụ chứng mạnh mẽ ủng hộ thuyết Vụ Nổ Lớn sử khởi đầu vũ trụ loại bỏ lý thuyết trạng thái dừng vũ trụ Cuối kỷ 20, dựa quan sát siêu tân tinh loại Ia nhà vật lý thiên văn bất ngờ phát vũ trụ giãn nở mà giãn nở tăng tốc, không trước cho giãn nở phải chậm lại Lý thuyết Big Bang trở lên thành cơng với tiên đốn sinh nguyên tố nhẹ tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn, xạ tàn dư vi ba phát năm 1964 cấu trúc lớn vũ trụ quan sát Mơ hình Vụ Nổ Lớn dựa hai trụ cột chính: thuyết tương đối tổng quát Albert Einstein nguyên lý vũ trụ học Các nhà vũ trụ học đưa mơ hình ΛCDM, mơ hình bao gồm Vụ Nổ Lớn điểm khởi đầu khai sinh vũ trụ - hay mơ hình chuẩn vũ trụ học Mơ hình miêu tả tiến hóa thành phần vũ trụ trạng thái tối hậu nó, với lý thuyết phụ thêm vũ trụ lạm phát thời điểm Big Bang; thành phần lượng tối, vật chất tối vật chất baryon Nhiều khám phá xuất phát từ việc thu thập liệu phân tích chúng kính thiên văn khơng gian gửi Ví dụ liệu từ Kính thiên văn khơng gian tia gamma Fermi quan sát nhiều năm mang lại cho nhà vật lý thiên văn nhìn hoạt động vũ trụ cho phép họ đánh giá mô hình lý thuyết vật lý vũ trụ học Đặc biệt hơn, với dự án kính thiên văn mặt đất không gian vào hoạt động giúp nhà khoa học vén bí ẩn vật chất tối lượng tối thập niên tới Kính thiên văn Fermi máy đo phổ kế từ alpha AMS-02 tìm kiếm manh mối tồn hạt khối lượng lớn tương tác yếu với vật chất baryon, bên 76 cạnh liệu bổ sung từ ngành vật lý hạt thí nghiệm máy gia tốc LHC máy dò khác mang lại nhìn bao quát cho nhà vật lý từ cấp vi mơ đến vĩ mơ Khi kính thiên văn khơng gian James Webb phóng lên, nhìn xa vào khứ vũ trụ nhà khoa học tìm hiểu tốt lịch sử sơ khai vũ trụ Trong phạm vi Hệ Mặt Trời, tàu thăm dò viếng thăm gần hết hành tinh hành trình đến vùng rìa Hệ Mặt Trời khơng gian liên Một số tàu Voyager gửi liệu quý giá vùng nhật gió Mặt Trời nơi xa nhất, giúp cho nhà vật lý thiết lập mơ hình xác cấu trúc hệ Mặt Trời phạm vi ngồi xa xơi Nghiên cứu Một hiệu ứng điển hình vật lý: nam châm treo lơ lửng chất siêu dẫn, hay hiệu ứng Meissner Những tiến trình phát triển vật lý tiếp tục với vấn đề chưa giải nhu cầu thúc đẩy tiến công nghệ Trong vật lý vật chất ngưng tụ, vấn đề lý thuyết quan trọng chưa giải giải thích hiệu ứng siêu dẫn nhiệt độ cao số vật liệu gốm tìm cách ứng dụng tượng tiến sát tới siêu dẫn nhiệt độ khí Một số thí nghiệm vật lý hướng đến tạo thành cơng máy tính lượng tử hay tạo linh kiện dựa việc điều khiển thao tác spin điện tử Các nhà thực nghiệm lượng tử cố gắng thực hóa q trình viễn tải lượng tử khoảng cách lớn photon mà với hệ nhiều nguyên tử dựa vướng víu lượng tử Trong vật lý hạt, thí nghiệm mang lại manh mối vật lý bên ngồi Mơ hình chuẩn dần lộ Một chứng bật neutrino có khối lượng khác nhỏ Việc hạt neutrino có khối lượng giúp giải nghịch lý từ lâu vấn đề neutrino Mặt Trời, nhà vật lý thực nghiệm đếm 1/3 số hạt Mơ hình chuẩn tiên đốn, thực chất neutrino biến đổi thành hai loại neutrino khác Các máy gia tốc đạt đến mức lượng gia tốc hạt tới lượng TeV, họ tìm thấy hạt có tính chất tương tự hạt Higgs riết săn lùng hạt siêu đối xứng hạt Trên lĩnh vực lý thuyết, mục đích nhiều nhà vật lý lý thuyết tìm thuyết hấp dẫn lượng tử thống học lượng tử thuyết tương đối tổng quát, mong muốn xuất phát từ năm 1920 Einstein muốn thống 77 thuyết ông với thuyết điện từ cổ điển, trình tiến triển động Một số lý thuyết bật lên thuyết M, lý thuyết dây hấp dẫn lượng tử vòng Nhiều tượng thiên văn học vũ trụ học giải thích, bao gồm xuất tia vũ trụ lượng cao, nguồn quasar xạ mạnh, dị thường hấp dẫn tàu Pioneer Và nhà vũ trụ học tìm kiếm giải thích vật chất tối chịu trách nhiệm cho tốc độ tự quay bất thường vùng rìa thiên hà Sự kiện phát vũ trụ giãn nở gia tốc khám phá cho thấy vũ trụ nhiều điều bí ẩn.[81] Tuy có nhiều thành tự từ học lượng tử vật lý thiên văn, hiệu ứng tượng hàng ngày chưa hiểu đầy đủ hệ phức tạp, hỗn loạn, hay nhiễu loạn môi trường chất lưu Những vấn đề phức hợp tưởng chúng giải cách khéo léo áp dụng phương trình vi phân học động lực chưa giải được; ví dụ hình thành đốm sáng cho sóng âm kích thích nước lỏng, hình dạng giọt nước, chế phá hủy sức căng bề mặt chất lỏng, hay chí nhà khí tượng học chưa thể tiên đốn xác hoạt động thời tiết khí khơng q ngày với kiến thức liên quan vật lý Những tượng phức hợp nhận ý từ thập niên 1970 vài lý do, bao gồm đời máy tính điện từ phương pháp tốn học mới, cho phép nhà vật lý thực mô chúng máy tính nhằm phát tính chất hành trạng hệ phức hợp Phương pháp mơ máy tính cần hợp tác nhiều nhà khoa học nhiều lĩnh vực khác nhau, từ lập trình viên chuyên gia lĩnh vực riêng, nghiên cứu tính nhiễu loạn khí động lực học máy bay hay hình thành tế bào sinh học Năm 1932, Horace Lambviết: Bây cao tuổi, tơi qua đời lên thiên đàng có hai điều mà hy vọng muốn làm sáng tỏ Một điện động lực học lượng tử, hai chuyển động nhiễu loạn chất lưu Và thứ khác tin tưởng lạc quan Năm 2005 năm tổ chức UNESCO Liên Hợp Quốc chọn làm Năm vật lý giới Đây hoạt động nhằm kỉ niệm tôn vinh thành tựu vật lý đạt khoa học sống thường ngày năm qua 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Văn Phúc Lịch sử vật lý học NXB ĐHSP năm 1986 Đào Văn Phúc Tư tưởng vật lý phương pháp vật lý NXBGD năm 1985 Nguyễn Thế Trường Chuyện kể nhà bác họcVL NXBGD, Hà Nội 1998 Nguyễn Hoàng Phương An- be Anh- xtanh NXBGD năm 1996 Đặng Mộng Lân Câu chuyện số vật lý NXB KHKT năm 1976 G.L.Trigg Những TN định vật lý đại NXB KHKT, Hà Nội 1980 79 ... vật lý nguyên tử, phân tử, na nô, quang học, laser; vật lý hạt; vật lý thiên văn; địa vật lý lý sinh học Một số nhà vật lý tham gia nghiên cứu giáo dục vật lý học Từ kỷ 20, nhiều lĩnh vực vật lý. .. có vật lý học, vật lý kinh tế (econophysics) hay vật lý xã hội (sociophysics) Phương pháp khoa học: Các nhà vật lý sử dụng phương pháp khoa học để kiểm chứng lý thuyết vật lý hay bác bỏ nó, sử. .. cho vật lý lý thuyết Vật lý kĩ thuật dựa nhiều vào sở vật lý học Ví dụ, học vật rắn, học đất học kết cấu lý thuyết tảng cho kĩ sư thiết kế cơng trình xây dựng Bộ mơn vật lý kiến trúc bao gồm lý