5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN LUẬN VĂN
4.3.1.2 Albert Abraham Michelso n sự phá sản của ê-te
Albert Michelson (1852 - 1931) là nhà vật lý học ngƣời Mỹ gốc Phổ, nổi tiếng với nghiên cứu về cách đo tốc độ ánh sáng và đặc biệt là với Thí nghiệm Michelson- Morley. Năm 1907, ông giành đƣợc giải thƣởng Nobel vật lý. Michelson chính là ngƣời Mỹ đầu tiên dành giải Nobel trong lĩnh vực khoa học.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 78 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Hình 4.10: Albert Abraham Michelson
Sinh ra ở Ba Lan, năm lên 2 tuổi, Michelson gia đình di cƣ sang Hoa Kỳ. Năm 1873, Michelson tốt nghiệp học viện Hải Quân và phục vụ cho quân đội trong vòng 2 năm. Từ năm 1880 đến năm 1882, Michelson học sau đại học tại Đức và Pháp. Năm 1883, Michelson đảm nhiệm chức vụ giáo sƣ vật lý. Từ đầu năm 1887, ông đã bắt đầu tập trung vào việc đo đạc vận tốc ánh sáng và đã có đƣợc những giá trị rất chính xác. Sau này, Michelson tiếp tục tiến hành một số lần đo đạc với các phƣơng pháp cải tiến và thu đƣợc những kết quả chính xác hơn. Cũng trong năm này, ông cùng Edward Morley đã tiến hành thí nghiệm bác bỏ sự tồn tại của ê-te (thí nghiệm Michelson- Morley). Sau đó, ông tiếp tục nghiên cứu để áp dụng kỹ thuật giao thoa trong việc đo đạc các giá trị thiên văn, đặc biệt là khoảng cách giữa các ngôi sao trong các hệ sao đôi.
Tuy nhiên, để đạt đƣợc thành công hiếm có ấy, Michelson đã phải vƣợt qua bao nổi đắng cay của số phận. Ông sinh ra tại một thị trấn nhỏ ở Ba Lan, cha ông cũng nhƣ nhiều dồng bào của ồng thời ấy, đã đi tìm hạnh phúc ở bên kia đại dƣơng. Lúc ấy Michelson mới vừa tròn hai tuổi. Mới đầu gia đình ông lập nghiệp ở California, nhƣng công việc làm ăn không phát đạt, họ lại thu xếp chuyển đến Virginia.
Ở trƣờng, Michelson học khá, đặc biệt là các môn toán lý. Khi bàn đến tƣơng lai của cậu con trai, ông bố thƣờng yên lặng: ―Học ở trƣờng Đại học thì phải trả tiền, mà tiền thì lấy đâu ra, ở nơi gạo châu củi quế này, gia đình tám miệng ăn đâu phải chuyện thƣờng‖. Cuối cùng Michelson chọn học viện Hải quân chỉ vì học viện này có cho sinh viên học bổng, đồng thời mở ra cho cậu con đƣờng đi vào khoa học. Nhƣng Michelsonđạt đƣợc nguyện vọng đó không phải dễ dàng. Ở bang Nevada, nơi gia đình Michelson cƣ trú, Học viện Hải quân chỉ đƣợc dành cho một chỗ và ngƣời đƣợc chọn vào chắc chắn không phải Michelson. Cậu buồn lắm! Cậu phải hành động. Một ý nghĩ lóe lên trong đầu óc chàng trai 17 tuổi…
Cậu thu xếp hành trang, một mình tìm đến Washington với ý nghĩ táo bạo: ―Trực tiếp đề nghị tổng thống U.S.Grant tạo điều kiện cho cậu đƣợc vào Học viện‖. Cậu biết rất rõ, cứ sáng sớm, vào giờ nhất định Tổng thống thƣờng đi dạo với con chó của mình. Cậu đứng đợi ở cổng Nhà Trắng. Vừa thấy Tổng thống xuất hiện, cậu lấy hết can đảm bƣớc đến trƣớc mặt ông. Lúc đã về già, Michelson mỉm cƣời nhớ lại lúc ấy đã hứa với Tổng thống rằng ông có thể tự hào về cậu nếu cậu đƣợc vào học viện. Điều đáng ngac nhiên không phải là tổng thống đã chú ý lắng nghe cậu, dành cho cậu
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 79 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
một trong những chỗ còn để trống do đích thân ông phân phối mà là ở chỗ cậu thiếu niên này đã giữ đúng lời hứa của mình. Cậu đã trở thành nhà vật lý thực nghiệm kiệt xuất, cậu đã trở thành ngƣời Mỹ đầu tiên nhận đƣợc giải thƣởng Nobel năm 1907, cậu đã trở thành niềm tự hào và vinh quang của nƣớc Mỹ…
* Thí nghiệm Michelson – Morley
Lúc mới vào Học viện có 86 sinh viên, nhƣng khi tốt nghiệp chỉ còn cả thảy 29 ngƣời trong số đó có Michelson. Mới đầu, anh làm việc hai năm trên một con tàu quân sự với cấp bậc thiếu úy và khi hết nghĩa vụ, đƣợc gọi về Học viện làm việc tại khoa vật lý và hóa học. Lúc này, kỹ thuật thực nghiệm trong vật lý học cuối thế kỷ XIX đã cho phép đo đƣợc vận tốc ánh sáng một cách chính xác và khẳng định thuyết điện từ về ánh sáng. Để xây dựng mô hình cơ học về sự truyền sóng ánh sáng, ngƣời ta thừa nhận một môi trƣờng giả định là ê-te Vũ trụ, có mặt ở khắp nơi trong Vũ trụ và đứng yên trong không gian tuyệt đối. Do đó các nhà vật lý hy vọng rằng, nếu nhƣ các thí nghiệm cơ học không cho phép phát hiện không gian tuyệt đối thì các thí nghiệm quang học có thể cho phép làm việc đó.
Năm 1878, một năm trƣớc khi qua đời, J.C.Maxwell đã nêu lên một thí nghiệm tƣởng tƣợng cho phép phát hiện chuyển động của trái đất trong ê-te. Song tiếc thay, ông không kịp thực hiện thí nghiệm đó trên thực tế. Năm 1881, Michelson đã tìm ra một biện pháp tài tình để biến thí nghiệm tƣởng tƣợng của Maxwell thành thí nghiệm thực hiện đƣợc. Michelson lập luận: ―Trái đất chuyển động trên quỹ đạo quanh mặt trời với vận tốc xấp xỉ 30km/s‖.
Nếu nhƣ không gian chứa đầy ê-te Vũ trụ đứng yên tại chỗ, khi trái đất chuyển động ắt phải có một luồng ―gió ê-te‖ thổi ngƣợc lại, giống nhƣ một ngƣời đi xe ôtô lúc trời lặng gió vẫn thấy có luồng gió thổi ngƣợc. Michelson chuẩn bị thí nghiệm tỷ mỷ, công phu. Ông phát minh ra một dụng cụ vô cùng tinh vi mà giờ đây đƣợc gọi là ―Giao thoa kế Michelson‖. Thí nghiệm bắt đầu, nhà vật lý theo dõi dụng cụ một cách căng thẳng. Ngày này qua ngày khác, ông cần mẫn quay giao thoa kế nhích dần theo mọi phƣơng và quan sát kỹ các vân giao thoa. Kết quả thật bất ngờ: ―Không có dấu hiệu gì có gió ê-te, vậy thì ê-te, ―mi‖ ở đâu? Hay có thể, vì trái đất quay theo quỹ đạo quanh mặt trời đã cuốn ê-te theo mình, do vậy mà giao thoa kế không phát hiện thấy sự thay đổi về vận tốc ánh sáng chăng? ‖.
Và ông lại thí nghiệm, thí nghiệm tiếp… Các kết quả lại vẫn nhƣ cũ.
Ông công bố kết quả và phát biểu giả định của mình. Có thể là trái đất đã cuốn theo khi nó chuyển động nhƣ vậy, phần ê-te bao quanh trái đất là đứng yên so với trái đất, đó là nguyên nhân gây ra kết quả phủ định, kết quả ―âm‖ của thí nghiệm? nhƣng nhiều nhà vật lý học không công nhận giả thuyết đó. Để giải thích nhiều hiện tƣợng vật lý khác, có ngƣời cho rằng ê-te không bị Trái đất kéo theo, có ngƣời cho rằng nó bị kéo theo một phần thôi. Kết quả ―âm‖ lại vẫn là một điều bí hiểm!
Về sau, Michelson gặp giáo sƣ hóa học E.W.Morley. Ông này cũng là ngƣời chuộng chính xác. Trong các đo đạc của mình, Morley thƣờng theo đuổi đến độ chính xác hầu nhƣ tuyệt đối. Michelson chừng nhƣ thấy bản thân mình trong Morley. Với con ngƣời ấy, Michelson có thể hoàn toàn tin cậy.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 80 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Giờ đây, cả hai cùng hợp sức cải tiến giao thoa kế cho tinh vi hơn. Các dụng cụ đƣợc chế tạo hết sức cẫn thận để loại trừ tất cả các nhiễu loạn có thể xảy ra trong thời gian thí nghiệm. Thế rồi, năm 1887 thí nghiệm đƣợc tiến hành lại. Và cũng giống nhƣ trƣớc, kết quả cũng giống y hệt nhƣ Michelson đã từng nhận đƣợc. Michelson chắc mẩm, lần này với giao thoa kế ―siêu‖ chính xác mới của ông và Morley, may ra có thể phát hiện thấy sự thay đổi về vận tốc ánh sáng… ấy thế mà lại cũng vẫn kết quả ấy!
Ông lại cho công bố kết quả âm của mình, lần đầu tiên chứng minh với độ chính xác cao rằng: ―Vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào chuyển động của trái đất, rằng đại lƣợng đó là một hằng số‖. Michelson không tìm đƣợc cái mà ông theo đuổi mấy chục năm ròng. Những thí nghiệm tinh vi của ông đã đƣa tới kết quả ―âm‖. Song theo cách diễn tả của J.D.Bernal, nhà vật lý kiêm triết học xuất sắc thế kỷ XX thì: ―Đó là kết quả ―âm‖ vĩ đại nhất trong tất cả các kết quả ―âm‖ của lịch sử khoa học‖. ―Kết quả nhƣ là bản khai tử cho giả thuyết về đại dƣơng ê-te bất động!‖.
Sau này, trên cái nền mà Michelson đã chuẩn bị sẵn thì Einstein với tƣ duy sắc nhạy hiếm có đã xây dựng thuyết tƣơng đối của mình. Còn Michelson khi kể về thí nghiệm này, ông khiêm nhƣờng nói: ―Theo tôi thí nghiệm này không đến nổi tốn công vô ích, bởi vì việc tìm kiếm cách giải quyết vấn đề đặt ra đã dẫn tới việc phát minh ra giao thoa kế‖.
Tới năm 70 tuổi, ông lại trở về với lúc ban đầu. Ông đi California… Tại đây, trên ngọn San – Antonio, ông đặt một thiết bị khác trên ngọn Wilson, cách nhau khoảng 35km. Nhiều đêm liên tục, một chùm tia sáng hẹp, sau khi phản xạ từ hệ gƣơng đặt trên núi San – Antino, xuyên qua núi và đập vào gƣơng parabol ở trên núi Wilson. Ba năm trời, bắt đầu từ năm 1924 đến cuối năm 1927, hầu nhƣ tối nào cũng vậy, thí nghiệm nọ nối tiếp thí nghiệm kia… Cuối cùng, ông thu đƣợc kết quả trung bình của vận tốc ánh sáng là 299798 km/s.
Lúc này tuổi đã cao, tóc bạc da mồi, Michelson có quyền lắng mình nhìn lại cuộc đời và tự thấy chính ông đã sống nhƣ ông hằng mong muốn. Nhƣng không, Michelson vẫn chƣa thật hài lòng với kết quả đạt đƣợc. Ông lại nghĩ về một thí nghiệm mới, ông muốn làm khoảng cách giữa hai gƣơng dài xa hơn nữa… Trong thời gian làm thí nghiệm cuối cùng, mây mù và khói ở California đã gây không ít khó khăn cho ông. Để loại bỏ tất cả những chƣớng ngại gây rối đó, nhà vật lý cho tia sáng đi qua chân không.
Phải tạo một cái ống rất lớn, rồi hút hết không khí ra khỏi ống. Chỉ mổi công việc này cũng mất hàng tuần. Trƣớc kia, chƣa từng bao giờ đo vận tốc ánh sáng trong chân không gần nhƣ hoàn toàn. Một năm rƣỡi, hàng trăm phép tính…
Lúc này, ngoài hiện trƣờng nơi tiến hành thí nghiệm, bỗng dƣng ngƣời ta thấy vắng bóng nhà bác học già. Ông bất thình lình bị chảy máu não. Tuy vậy, nằm trên giƣờng bệnh, ông vẫn gắng gƣợng dồn hết sức ―chỉ huy‖ thí nghiệm, góp ý giải quyết những vấn đề nảy sinh trong quá trình thí nghiệm…
Kết quả tìm thấy là vận tốc ánh sáng bằng 2997764km/s
Thành công này làm ông phấn chấn. Độ chính xác vừa đạt đƣợc chừng nhƣ đƣa lại sinh khí cho ông, ông cảm thấy đẽ chịu hơn, ông đi lại đƣợc, thậm chí còn nhờ
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 81 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
ngƣời dìu tới tham dự một hội nghị có mặt Einstein và nhiều nhà khoa học lớn từ nhiều nƣớc trên thế giới.
Trong bữa tiệc chúc mừng mình, Einstein đứng lên kính cẩn hƣớng về phía ông già đang ngồi một cách khiêm tốn giữa những ngƣời khác và nói: ―Thƣa ngài Michelson vô cùng kính mến! Chính ngài đã bắt đầu công trình nghiên cứu của mình khi tôi còn là một đứa trẻ. Ngài đã mở ra cho các nhà vật lý những con đƣờng mới và bằng những thí nghiệm tuyệt vời của mình, ngài đã khai phá con đƣờng đi tới thuyết tƣơng đối. Nếu không có các công trình nghiên cứu của ngài, lý thuyết ấy ngày nay cũng vẫn chỉ là một giả thuyết lý thú‖.
Những ai nhìn thấy Michelson vào giây phút ấy đã nói lại rằng, nhà Bác học vô cùng xúc động. Ông đứng dậy, ôm chặt Einstein, tay ông run run, đôi mắt ông hoe đỏ. Cả phòng khách nhƣ lắng xuống…
Ông muốn quay trở lại làm việc, nhƣng ngày 1 tháng 3 ông nằm liệt giƣờng, sức khỏe ông giảm sút rất nhanh. Ngày 9 tháng 5 năm 1931, Michelson trút hơi thở cuối cùng. Thi hài ông theo di chúc đƣợc hỏa táng và tro đƣợc thả bay theo gió…
Biết tin ông qua đời, Einstein đã lặng đi trong giây lát và thốt lên: ―Michelson là nghệ sĩ vĩ đại nhất trong thế giới thí nghiệm khoa học‖.
Thí nghiệm Michelson giờ đây đã trở thành một thí nghiệm kinh điển đƣợc mô tả trong các giáo khoa vật lý các nƣớc. Có thể nói, hầu nhƣ cả cuộc đời Michelson chỉ làm đi làm lại thí nghiệm này. Với ý nghĩa vật lý then chốt của nó, thí nghiệm Michelson chính là xuất phát điểm, là cái thực trên khoa học thời đại, đã giúp cho Einstein với khả năng tƣ duy trừu tƣợng hiếm có của mình, bƣớc tới đỉnh cao của thiên tài.