NHỮNG VẤN ĐỀ ĐỐI NGƯỢC TRONG VẬT LÝ HỌC

NHỮNG VẤN ĐỀ ĐỐI NGƯỢC TRONG VẬT LÝ HỌC

Luận văn tốt nghiệp Những vấn đề đối ngược trong vật lý học GVHD: Thầy Nguyễn Quyên SVTH: Trònh Văn Ngoãn 1 MỤC LỤC –— Trang Mục lục .1 Lời nói đầu .2 Phần nội dung .4 Chương 1: Sóng và hạt .4 Chương 2: Nhanh và chậm 12 Chương 3: Cá thể và tập thể 18 Chương 4: Xa và gần .21 Chương 5: Có hay không có .26 Bài 1: Chất lỏng điện .26 Bài 2: Chất lỏng nhiệt 29 Bài 3: Ête vũ trụ 31 Chương 6: Thuyết Đòa tâm và thuyết Nhật tâm .34 Chương 7: Liên tục và gián đoạn .39 Chương 8: Phát minh và đời sống 43 Bài 1: Cơ sở của mọi phát minh .43 Bài 2: Ý nghóa của phát minh đối với đời sống 48 Bài 3: Mâu thuẫn – Đấu tranh – Tiến bộ .50 Kết luận chung 52 Phụ lục 54 Phụ lục 1: Vẫn chưa kết thúc 54 Phụ lục 2: Niên biểu .76 Phụ lục 3: Bảng tên người .79 Phụ lục 4: Những sự kiện chính trong quá trình ngiên cứu và chinh phục vũ trụ 80 Tài liệu tham khảo 84 2 LỜI NÓI ĐẦU &&& 1. Lí do chọn đề tài: Thông thường trong các sách phổ biến khoa học Vật lý, người ta chỉ quen thông báo cho bạn đọc “những chân lý” không còn phải tranh cãi nữa. Nhưng, để đi đến chân lý đó, các nhà Vật lý phải trải qua những cuộc tranh đấu rất dài, dài hàng chục, hàng trăm năm hoặc hơn thế nữa. Chẳng hạn, để:” Chận Mặt Trời lại và thúc Trái Đất quay” cũng mất hơn 1.300 năm. Trong khoảng thời gian ấy các nhà Vật lý học đáng kính đã đấu tranh không ngừng cho sự tiến bộ của vật lý học. Đó là những cuộc đấu tranh âm thầm hay trực diện với các thế lực phản tiến bộ. Tiến bộ của khoa học được đánh đổi bằng mồ hôi, nước mắt, thậm chí cả máu và mạng sống của người tìm ra nó. Tôi thấy việc nghiên cứu tiến trình hình thành các tri thức Vật lý cũng không kém phần quan trọng. Nó sẽ hình thành cách tư duy, làm việc của các nhà khoa học. Đó cũng chính là lí do để tôi chọn đề tài này. Trong luận văn, tôi chọn ra một số tri thức Vật lý tiêu biểu để nghiên cứu về tiến trình hình thành. Cụ thể là: • Từ vấn đề nhanh và chậm để đi đến chân lý cuối cùng là thuyết tương đối của Anhxtanh. • Từ vấn đề đối ngược giữa hai quan điểm sóng và hạt, các nhà khoa học đã tìm tòi nghiên cứu. Kết quả là sự ra đời của Cơ học lượng tử với các phương trình Schrơđinger, hệ thức bất đònh Hâyxenbec, . thay thế cho các công thức, đònh luật trong cơ học cổ điển khi nghiên cứu các hạt vi mô. Đó là những câu chuyện đầy kòch tính của khoa học Vật lý. Nó sẽ được trình bày trong luận văn này với một mức độ nào đó. 2. Các giả thuyết của đề tài: Tìm hiểu mối quan hệ giữa Vật lý và Triết học, ta đã khẳng đònh rằng: - Vật lý học đã vận dụng Duy vật biện chứng pháp làm kim chỉ nam để nghiên cứu thế giới vật chất đang tồn tại và vận động trong tự nhiên. - Ngược lại, các thành tựu của vật lý học là minh chứng hùng hồn cho sự đúng đắn của duy vật biện chứng pháp và quy luật nhâïn thức luận. Luận văn tốt nghiệp Những vấn đề đối ngược trong vật lý học GVHD: Thầy Nguyễn Quyên SVTH: Trònh Văn Ngoãn 3 Nội dung luận văn này, minh chứng quy luật đấu tranh và thống nhất các mặt đối lập của Triết học duy vật. Ta sẽ dùng các sự kiện và tri thức Vật lý minh chứng rằng: Thế giới tự nhiên không là bất khả tri, đúng như triết học duy vật đã khẳng đònh. Tuy nhiên, để đạt đến chân lý khách quan khoa học, Vật lý học đã trải qua rất nhiều lý thuyết khác nhau, ban đầu: nông cạn, phi lí; để giải thích các vấn đề không biết, đôi khi họ lại nhờ vào cái không biết khác. Biết là sai mà vẫn nói liều . Đó là những điều đối ngược mà Vật lý học đã tiếp cận, sử dụng và vượt qua. Để vượt qua những những khó khăn chướng ngại và đi đến vinh quang như hiện nay, Vật lý học đã khẳng đònh một điều: Tri thức mới có thể phủ nhận hoàn toàn cái cũ, đó là cuộc cách mạng tri thức. Tri thức mới bao hàm luôn tri thức cũ, và coi đó là trường hợp riêng của mình, đó là nguyên lí tương ứng. Vấn đề luận văn đề cập là một phạm trù đòi hỏi rộng và sâu. Đây chỉ là những ý niệm sơ đẳng bước đầu. Mong rằng sau này có cơ hội mở rộng tầm nghiên cứu, bao quát nhiều lónh vực và phân tích sâu hơn ở mỗi phạm trù. Để làm được điều đó cần tìm tòi nghiên cứu, học hỏi thêm nhiều từ Quý Thầy Cô và các bạn. Mặc dù có nhiều cố rắng nhưng chắc chắn đề tài không tránh khỏi sai lầm thiếu sót, mong rằng sẽ nhận được ý kiến đóng góp quý báu từ Quý Thầy Cô cùng Bạn đọc. 4 M Hình1 Phần NỘI DUNG &&& Chương 1: SÓNG & HẠT ˜˜˜ 1. Hai quan điểm đối ngược: Vật lý học nghiên cứu thế giới vật chất gồm hai đối tượng: Hạt và trường. Các tính chất và các quá trình vận động mà chúng trải qua thể hiện bản chất của hai đối tượng ấy. Đó là tính sóng và tính hạt, đối ngược nhau! “Những tư tưởng vó đại thường đơn giản”. Câu nói đó không biết có thật đúng hay không, nhưng những tư tưởng về hạt và trường của Louis De Broglie quả thực rất đơn giản, một sự đơn giản đến táo bạo. Louis De Broglie đưa ra một giả thiết cho rằng: mọi vật chất chuyển động đều có lưỡng tính sóng hạt chứ không riêng gì ở ánh sáng. Ánh sáng, vào đầu và giữa thế kỷ 20, mang lưỡng tính sóng hạt rõ ràng, không thể phủ nhận. Để giải thích một số hiện tượng điển hình do ánh sáng gây ra: giao thoa và nhiễu xạ, thì phải xem ánh sáng là sóng. Để giải thích hiện tượng phân cực do ánh sáng gây ra, Măcxoen bảo rằng: ánh sáng là sóng điện từ. Ta không thể giải thích các hiện tượng trên, nếu xem ánh sáng là hạt bay trong không gian; mà nhất thiết phải xem bản chất ánh sáng là sóng lan truyền trong không gian, theo thời gian (t ). Thế nhưng, ánh sáng lại còn gây ra một số hiện tượng khác; đó là: hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Cômptông. Để giải thích hai hiện tượng này, ta phải xem ánh sáng là hạt phôton va chạm với electron, chứ không thể xem ánh sáng là sóng điện từ được. Sóng và hạt là hai hình tượng đối ngược nhau về mặt Vật lý học. Ta sẽ xét kỹ hơn về hai hình tượng này để thấy rõ tính đối ngược của chúng. 2. Là sóng hay là hạt ? 2.1. Là hạt: Cơ học, nghiên cứu quá trình vận động của các hạt vật chất. Hạt này bao gồm cả các hạt đơn lẻ và ta có thể toán học hoá bằng một chất điểm không có kích thước (chiều rộng, chiều dài, thể tích). Học hình học, ta đã biết điểm là chỗ giao nhau của hai đường ( điểm M ). Mặc dù hạt vật chất này không có kích thước, nhưng nó vẫn có khối lượng (m). Luận văn tốt nghiệp Những vấn đề đối ngược trong vật lý học GVHD: Thầy Nguyễn Quyên SVTH: Trònh Văn Ngoãn 5 Đây là khối lượng quán tính (m qt ) hay khối lượng hấp dẫn (m hd ). Hai loại khối lượng này là đại lượng cơ học đặt trưng cho hạt. Chúng liên quan đến hai sự kiện khác nhau ở hạt. Đó là quán tính và tương tác hấp dẫn. Giá trò đo được của m qt và m hd bằng nhau (theo " nguyên lý tương đương" mà Anhxtanh đã phát biểu trong thuyết tương đối rộng). Các vật thể vó mô, cấu thành từ một hệ, gồm nhiều hạt liên kết với nhau, nên thường gọi là vật rắn. Vật rắn có kích thước xác đònh (giới nội), tức là thể tích (V) khác không: V ≠ 0. Vật rắn có khối lượng M bằng tổng khối lượng của các chất điểm (hạt) cấu thành vật rắn đó: M = ∑ = N i i m 1 ( Trong đó: N là số hạt cấu thành vật ). Thể tích của vật (cơ hệ) có thể thay đổi; Còn khối lượng người ta vốn cho rằng nó là không đổi, là bất biến ( khi vật chuyển động cũng thế, không chuyển động cũng thế ). Quan niệm này ngự trò suốt hằng mấy thế kỷ (khi mà vật lý học hiện đại chưa ra đời). Đến khi, thuyết tương đối hẹp của Anhxtanh ra đời, quan điểm này được điều chỉnh lại. Anhxtanh nói rằng khối lượng của vật tăng theo vận tốc, với biểu thức: 2 2 0 1 c v m m − = Trong đó: v là vận tốc của hạt. m 0 là khối lượng nghỉ của hạt. c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Một hạt hay một vật (cơ hệ), sẽ có các hình thức vận động cơ học sau: + Tònh tiến. + Quay. + Dao động. Trong các hình thức trên, ta quan tâm đặt biệt đến hình thức dao động. Ở đây, ta chỉ xét hạt “dao động điều hòa”, ly độ dao động x biến thiên tuần hoàn theo thời gian (t ). Điều này sẽ được diễn tả toán học bằng công thức lượng giác sau: ( ) ( ) ()() α+ω= α+ω= t.ACostx t.ASintx hoặc: 6 • Vật lý học hiện đại, cụ thể hơn là thuyết tương đối hẹp của Anhxtanh đã xác lập mối liên hệ giữa khối lượng (m) của vật với năng lượng toàn phần ( E tp ) mà vật mang trong nó. Biểu thức: E tp = m.c 2 Đó chính là tiêu chuẩn quan trọng nhất để nhận biết một đối tượng bất kỳ trong tự nhiên, xem xem nó có phải là vật chất hay không. Đã là vật chất thì phải có năng lượng, nghóa là trong tự nhiên không tồn tại vật chất không trọng lượng (ta sẽ xét vấn đề này cụ thể hơn ở chương 5). • Đã là một vật thể (vó mô) ở dạng hạt thì trạng thái vật lý tại mỗi thời điểm phải được đặt trưng bởi ba đại lượng: m, V và E tp . Gía trò của các đại lượng này đều đo được và có giá trò giới nội (đặc biệt là đại lượng V). 2.2. Là sóng: Ta lại xét hình tượng sóng, bao gồm sóng cơ và sóng điện từ ( trong đó có ánh sáng ). Sóng phát ra từ một nguồn. Nguồn có thể là một hạt. Hạt ( vật thể ) phát ra sóng. Sóng lan truyền đi trong không gian, theo thời gian (t ). Vật lý học đònh nghóa sóng là một thực thể vật lý, và có bản chất là một dao động điều hoà nào đó, lan truyền trong không gian theo mọi phương, kể từ nguồn sáng (S). Sóng lan truyền phủ khắp không gian bao quanh nguồn sáng (S). Khảo sát nó chỉ quan tâm đến vò trí điểm M ( nơi sóng đã lan tới ), tại một thời điểm (t ) nào đó, của toàn bộ không gian mà sóng tồn tại. Thế thì không thể nói đến thể tích V của sóng tại điểm M đó được. Vấn đề có tồn tại thể tích V hay không có tồn tại thể tích V cũng chính là điểm đối – ngược giữa hạt (vật thể) và sóng. Hạt (vật thể) nào cũng mang một khối lượng ( 0≠m ). Nguồn sáng (vốn là một vật) có kích thước và khối lượng; nhưng tại mỗi nơi mà sóng lan tới, chỉ là dao động điều hoà thực hiện ở nơi ấy. Ta không nói đến thể tích và khối lượng của sóng. Vật lý học xem tập hợp sóng tồn tại trong một vùng không gian nào đó là một thực thể vật chất ở dạng trường. Vậy, bằng so sánh hình thức hai thực thể vật chất mà Vật lý học nghiên cứu: sóng và hạt mang những đặc trưng đối ngược nhau: @ Một là: có thể tích ( 0≠V ) hay không có thể tích (V=0). @ Hai là: có khối lượng ( 0≠m ) hay không có khối lượng (m=0) . Luận văn tốt nghiệp Những vấn đề đối ngược trong vật lý học GVHD: Thầy Nguyễn Quyên SVTH: Trònh Văn Ngoãn 7 * Ta lại xét thêm hình tượng sóng tại một điểm của không gian, nơi sóng lan tới. Sóng là dao động điều hoà. Sóng cơ thì tồn tại trong không gian có chứa môi trường vật chất như: không khí, nước, dầu,… (nói chung cần môi trường làm giá đỡ cho sóng lan truyền. Còn đối với sóng điện từ (sóng ánh sáng) thì có thể tồn tại cả trong không gian có mặt môi trường vật chất, cả trong chân không. Sóng tại mỗi thời điểm trong chân không, hay trong môi trường vật chất được đặc trưng bằng tần số góc dao động (ω ) hay tần số dao động (f ), với: f 2 πω = và bước sóng( λ ); với: Tv.=λ Trong đó: v là vận tốc truyền sóng. T là chu kỳ dao động gây nên sóng. Vì vậy, cần có đại lượng Vật lý đặc trưng tổng hợp cho mỗi sóng lan truyền, đó là đại lượng k ρ gọi là vectơ sóng. Và n v nk ρρ ρ ω λ π == .2 n ρ là vectơ đơn vò dọc theo phương truyền sóng. Nếu hạt (vật vó mô) chuyển động (tònh tiến, quay hay dao động tại chỗ) thì chẳng cần có các đại lượng đặc trưng là λ và k ρ . 3. Lưỡng tính sóng hạt: Xét một đối tượng cụ thể. Với cách phân tích hai hình tượng sóng và hạt ở trên, ta thử vận dụng cho ánh sáng. Khi đó, ta thấy: + Nếu ánh sáng là sóng, thì đại lượng đặc trưng cho nó sẽ là λ và k ρ . + Nếu ánh sáng là hạt, thì đại lượng đặc trưng cho nó sẽ là m và V (vì phôton là hạt vi mô nên V = 0). Hạt chuyển động cơ học (tònh tiến) nên về phương diện động lực học nó được đặc trưng bằng vectơ xung lượng: vmp ρρ .= Tóm lại, sóng và hạt là hai hình tượng đối ngược trong vật lý học. Ta phải thừa nhận hình tượng nào đây, hay chấp nhận cả hai ?! a. Nếu dùng hình tượng hạt phôton thì không thể giải thích được hai hiện tượng vật lý điển hình do ánh sáng gây ra, đó là: hiện tượng giao thao và nhiễu xạ ánh sáng. 8 b. Nếu dùng hiện tượng sóng điện từ, thì không thể giải thích được hai hiện tượng Vật lý điển hình cũng do ánh sáng gây ra là hiện tượng quang điện và tán xạ Cômptông. Cùng một đối tượng vật chất là ánh sáng, mà có thể gây ra các hiện tượng nêu trên, thoạt nhìn tưởng như là mâu thuẫn, nhưng khi nghiên cứu kỹ lại hoá ra không. Để có kết quả đó, trong lập luận phải thừa nhận rằng: ánh sáng mang lưỡng tính sóng hạt. Đó là kết luận của Louis De Broglie. Không dừng lại ở đó, Louis De Broglie còn mở rộng giả thuyết này cho mọi đối tượng vật chất có trong tự nhiên: “ Mọi thực thể vật chất trong tự nhiên (cả vi mô lẫn vó mô) điều mang lưỡng tính sóng hạt, chứ không riêng gì ánh sáng”. Thiên nhiên không dành lưỡng tính sóng hạt cho riêng ánh sáng, mà còn dành cho mọi đối tượng vật chất trong tự nhiên. Thế thì: + Qủa đất vốn là một vật vó mô, nhưng trong không gian vô tận ta có thể coi nó như một vật thể có lưỡng tính: là một hạt đang chuyển động, và cũng là một sóng lan truyền. + Hạt electron (e) là một hạt vi mô, và cũng là một sóng lan truyền. Louis De Broglie nói thêm rằng: “tuỳ theo hiện tượng Vật lý cụ thể ở đối tượng vật chất mà tính sóng, hoặc tính hạt, thể hiện dạng này rõ hơn dạng kia mà thôi”. Vậy trong những điều mâu thuẫn, đối ngược vẫn có điều thống nhất. Tính thống nhất ở đây, là tiêu chuẩn dành cho vật chất. Đối tượng nghiên cứu của Vật lý học là thế giới vật chất, không phải thế giới tâm linh. Do đó, năng lượng chính là tiêu chuẩn để xem coi đối tượng đang nghiên cứu, có được công nhận là vật chất hay không. - Hạt vật chất tự do chuyển động có mang năng lượng E tp và có xung lượng là v P m → → = . ; Hạt này sinh ra một sóng lan truyền, sóng này có mang năng lượng E tp và có bước sóng λ , tạo bởi dao động điều hoà có tần số f . Hiển nhiên phải có một mối quan hệ nào đó giữa sóng và hạt. Thật vậy, vì chúng đều là thuộc tính của cùng một đối tượng vật chất, mang lưỡng tính. Ta có:    = = kp E ρ η ρ η ω. hay: λ h p = Với: h là hằng số Plăng (h = 6,625.10 -34 J.s ) π.2 h =η là hằng số Plăng thu gọn. Đến đây, ta thấy rằng: hằng số vật lý h chính là cầu nối giữa hai hình tượng đối ngược sóng và hạt. Ta cũng có thể dùng hình tượng này làm Luận văn tốt nghiệp Những vấn đề đối ngược trong vật lý học GVHD: Thầy Nguyễn Quyên SVTH: Trònh Văn Ngoãn 9 minh chứng cho một quy luật của thuyết duy vật biện chứng: “ quy luật đấu tranh và thống nhất giữa các mặt đối lập”. Theo cơ học cổ điển, trạng thái chuyển động của hai đối tượng vật chất này, tuân theo “quyết đònh luận”, được mô tả đầy đủ bằng hai đại lượng Vật lý: + Vectơ đònh vò () t r → tại thời điểm t. + Vectơ vận tốc () t v → tại vò trí và thời điểm t ấy. Phương trình chuyển động cụ thể như sau: + Đối với hạt: () F r d e dt t .m dt pd 2 2 → → == ρ (1) Với:        = = → → → dt rd m v v p ρ . + Đối với sóng: ( ) ( ) 0 ,1, 2 2 22 2 = ∂ ∂ − ∂ ∂ t trA vr trA ρ ρ ρ ρ (2) Trong đó: ( ) trA , ρ ρ diễn tả dao động điều hoà gây nên sóng. v → là vận tốc lan truyền sóng. Nếu là sóng điện từ cấu thành từ hai loại dao động cùng tồn tại và cùng chuyển hoá lẫn nhau: () tr E , ρ → là điện trường biến thiên và () tr H , ρ → là từ trường biến thiên. Ta có: ( ) ( ) () ()        = ∂ ∂ − ∂ ∂ = ∂ ∂ − ∂ ∂ 0 , , 0 , , 2 2 2 2 2 2 2 2 t trH r trH t trE r trE ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ µε µε (3) chú ý: ( ) ()      = = trHH trEE , , ρ ρρ ρ ρρ Với: µε µε . 1 . 1 2 =⇒= vv ; v là vận tốc lan truyền trong môi trường vật chất (có các hằng số đặc trưng làε và µ ). - Giải phương trình (1) ta sẽ có: () t v → và () t r → với các điều kiện đầu cho trước: Tại t 0 =0, ta có:    = = 0 0 vv rr ρρ ρρ 10 - Giải phương trình (2) và (3) cho sóng cơ học hoặc sóng điện từ, ta sẽ có các nghiệm ở dạng chung là: ( ) rktCosAA ρ ρ ρρ 0 −= ω và được gọi là hàm sóng. Trong đó: k ρ là vectơ sóng; λ π.2 =k ( ) tr ρ là vectơ đònh vò, chỉ vò trí của hạt trong không gian mà sóng lan tới vào thời điểm t. k ρ cho biết vận tốc lan truyền của sóng ở thời điểm t tại điểm quan sát; Tv.=λ . Năng lượng E tp mà mỗi đối tượng ấy mang theo, được tính theo khối lượng và vân tốc của hạt, hoặc theo biên độ A của sóng. Do sự phân biệt hai đối tượng đối ngược: sóng và hạt, cho nên ở hạt vi mô ( lấy electron làm ví dụ ) là một đối tượng vật chất, thì tuỳ hoàn cảnh mà phải xem nó là sóng hay là hạt. Cụ thể là: • Electron chuyển động tònh tiến trong môi trường, hay trong chân không được xem là hạt electron. • Cũng là electron đó, nhưng khi nó chuyển động trong lòng nguyên tử thì nó là một sóng. Trạng thái chuyển động của nó được mô tả bằng một hàm sóng: ( ) tr, ρ ψψ = . Để cụ thể hơn ta biễu diễn nó ở dạng hàm mũ phức: ( ) e rktE i tp A ρ ρ η . . −± =ψ Ta gọi hàm sóng này của vật chất ( electron ) là hàm sóng vật chất hay sóng De Broglie. Ta có thể theo dõi quỹ đạo của hạt electron trong buồng Uynxơn. Ngược lại, ta không thể theo dõi quỹ đạo của electron khi nó là một sóng vật chất lan truyền (khi electron chuyển động trong lòng nguyên tử); Ta chỉ có thể nói đến xác suất tìm thấy nó ở thời điểm t, tại vò trí ( ) tr ρ nào đó lớn hay bé mà thôi. Sở dó có như vậy là vì: a. Đã là hạt vật chất thì, chuyển động của hạt tuân theo cơ học Niutơn. Nghóa là tại mỗi thời điểm quan sát t, ta có thể dựa vào phương trình chuyển động của nó là các phương trình đònh luật II Niutơn: ee F dt rd mFam ρ ρ ρ ρ =⇒= 2 2 mà xác đònh được chính xác đồng thời cả toạ độ và vận tốc của nó. Do đó, quỹ đạo là xác đònh và có thực.