NHỮNG THÀNH CÔNG, HẠN CHẾ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CƠ HỌC NEWTON ĐỐI VỚI VẬT LÝ HỌC CỔ ĐIỂN
4.3.Ảnh hưởng của cơ học Newton đối với vật lý học cổ điển.
Tất cả các ngành của cơ học cổ điển đều đã chịu ảnh hưởng sâu sắc của cơ học Newton. Chính cơ học Newton đã thúc đẩy các ngành vật lý phát triển mạnh mẽ vào thế kỷ XVIII và XIX, và cũng chính nó đã gây khó khăn, cản trở bước tiến của vật lý học và gây ra cộc khủng hoảng trong vật lý học vào cuối thể kỷ XIX, đầu thế kỷ XX. Chúng ta hãy điểm qua một số ảnh hưởng của cơ học đối với một số ngành vật lý.
Có thể nói quang học là ngành vật lý đã chịu ảnh hưởng trực tiếp nhất của cơ học Newton. Bản than Newton là một nhà thực nghiệm tài giỏi, ông đã trực tiếp tự tay chế tạo ra thấu kính, lăng kính, gương cầu và các dụng cụ đó để nghiên cứu các hiện tượng quang học: phản xạ, khúc xạ, tán xạ, giao thoa….. Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu thực nghiệm đó, ông đã xây dựng những quan niệm của ông về bản chất ánh sáng và ccas hiện tượng quang học, những quan niệm đó sau này được những người theo trường phái của ông bảo vệ và phát triển. Những công trình nghiên cứu của ông sau này được xuất bản năm 1704 trong cuốn << Quang học>> của ông.
Newton quan niệm rằng tia sáng ( mà ngày nay chúng ta coi là một khái niệm hình học để thay cho một chùm sáng rất mảnh) là thành phần nhỏ nhất của chùm sáng. Thành phần nhỏ nhất đó có thể tồn tại độc lập một mình, mà khong cần đến các thành phần khác của chùm sáng. Nó có thể tự một mình truyền đi, phản xạ, khúc xạ…hoặc chịu bất kỳ một sự biến đổi nào mà các thành phần khác không nhất thiết phải chịu. Như vậy tia sáng của Newton cũng giống như hạt nguyên tử của ông. Newton chống lại thuyết sóng về ánh sáng và bảo vệ thuyết hạt. Ông cho rằng một vật phát sáng là phát ra những hạt ánh sáng, và các tia sáng gồm các hạt ánh sáng khác nhau. Ác hiện tượng phản xạ, khúc xạ, tán sắc điều có thể được giải thích bằng tương tác giữa các hạt ánh sáng và các hạt nguyên tử của vật thể vật chất.
Thí dụ để giải thích hiện tượng tán sắc của ánh sáng trắng Newton giải thuyết rằng ánh sáng trắng gồm nhiều loại ánh sáng khác nhau. Những hạt nhỏ nhất và nhẹ nhất là những hạt ánh sáng tím, gây ra màu sắc tối nhất và yếu nhất, và cũng dể bị các hạt vật chất làm lệch khỏi phương chuyển động thẳng, vì thế tia sáng tím bị khúc xạ mạnh nhất. Các hạt lớn hơn tạo ra các màu sắc khác: xanh, vàng….và tia sáng đỏ gồm
[Type text] Page 44
các hạt lớn nhất, nặng nhất, gây ra màu sắc sáng nhất và đậm nhất, khó bị làm lệch khỏi phương chuyển động thẳng hơn, nên bị khúc xạ ít hơn. Giả thuyết thô sơ này ngày nay không được thừa nhận nữa.
Khi nghiên cứu tác dụng của ánh sáng đối với các phản ứng hóa học, Newton giả thuyết rằng hạt ánh sáng và hạt vật chất có thể biến hóa hạt này bằng hạt kia, và vật thể vật chất có thể tăng cường hoạt động của nó nhờ việc tiếp thu thêm những hạt ánh sáng vào thành phần cấu tạo của nó. Chính vì thế mà ánh sáng có tác dụng làm cho một số phản ứng hóa học diễn ra mạnh hơn. Cho mãi tới đầu thế kỷ XX, khoa học hiện đại mới tìm ra sự chuyển hóa tương hổ “ hạt ánh sáng”( phôtôn) và “ hạt vật chất” ( êlectron và positron). Lẽ tất nhiên các “ hạt” này và sự chuyển hóa này hoàn toàn khác với quan niệm của Newton, nhưng giả thuyết của Newton cũng làm chúng ta thấy rõ sự sâu sắc và tinh vị đặc biệt trong tư duy của ông. Giả thuyết hạt về ánh sáng giải thích được một số hiện tượng quang học, đặt biết trong quang hình học, nhưng nó không giải thích được các hiện tượng quang lý học, những hiện tượng giải thích tính chất sóng, và lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng.
Trong nhiệt học, cơ học Newton đượ làm cơ sở cho thuyết động học phân tử. Chất khí lý tưởng trong thuyết động học phân tử được coi là tập hợp một số rất lớn các phân tử, mỗi phân tử tựa như một hòn bi đàn hồi, không biến đổi và có thể động nhất với chất điểm của cơ học Newton. Ngoài sự va chạm lẫn nhau và va chạm với thành bình, giữa các phân tử không có loại tương tác nào khác. Các phân tử luôn luôn chuyển động hỗn loạn theo mọi phương, với các vận tốc rất khác nhau, và tuân theo cơ học Newton.
Người ta chứng minh được rằng áp xuất của một khối khí được xác định bằng công thức:
trong n là số phân tử khí trong đơn vị thể tích, và là động năng trung bình của các phân tử. Giữa nhiệt độ của chất khí (tính theo nhiệt giai Kenvin) và động năng trung bình các phân tử, có hệ thức:
[Type text] Page 45
trong đó K là nhiệt độ và k là hằng số Bôndơman ( J/độ). Thuyết động học phân tử có tính chất thống kê, nó xét đến động năng trung bình của một số rất lớn của các phân tử, nhưng không xét đến trạng thái cơ học tổng quát của cả hệ phân tử, không xét trạng thái của từng phân tử riêng lẻ. Theo định luật về sự phân bố các vận tốc, nó cũng tính được xác suất ứng với mỗi miền vận tốc xác định, nhưng không xét đến vận tốc cụ thể của từng phân tử cụ thể.
Nhưng cần chú ý rằng theo cơ học Newton thì nó không phải là một vấn đề không thể làm được. Về nguyên tắc, hoàn toàn có thể xét riêng một phân tử, xác định vị trí và vận tốc của nó vào một thời điểm nào đó, xác định tất cả các lực tác dụng lên nó vào từng lúc một, và từ nó tính được quỹ đạo của nó, xác định được tất cả các trạng thái tương lai của nó. Nhưng vì số lượng phân tử quá lớn, vì chúng chuyển động hỗn độn quá phức tạp, nên phép tính đó khó quá, chúng ta không làm được, vả lại mặt khác cũng không cần phải xét đến trạng thái của từng phân tử làm gì. Chúng ta không làm được vì chưa đủ thông minh, và cũng vì chưa cần thiết, chứ không phải vì cơ học Newton không cho phép làm, nếu như có một “ sinh vật biết suy nghĩ và đủ thông minh” theo kiểu Laplaxơ, sinh vật đó sẽ có thể làm được. Như vậy tính thống kê trong thuyết động học phân tử còn là tính thống kê cổ điển, khác với tính thống kê trong vật lý học hiện đại.
Thuyết động học phân tử giải thích bản chất của áp suất, nhiệt độ, giải thích các định luật Bôi-Mariôt, Gay-luxăc đối với chất khí lý tưởng, và một số hiện tượng nhiệt học khác. Nhưng đối với chất khí thật, đã phải có sự hiệu chỉnh lại, và đối với một số hiện tượng khác, thuyết động học phân tử không còn hiệu lực nữa. Nó không giải thích được tính không thuận nghịch của các quá trình nhiệt, trong khi các quá trình cơ học đều là thuận nghịch. Nó không giải thích được tại sau trong một hệ kín các quá trình nhiệt lại phải diễn ra theo chiều làm tăng entrôpi của hệ.
Mô hình cơ học cũng dùng để nghiên cứu nhiều hiện tượng điện từ. Trong tĩnh điện học, các điện tích là các hạt không đổi, có thể coi là những chất điểm, tương tác
[Type text] Page 46
với nhau bằng những lực tác dụng xa dùng trong chân không, những lực Culông tương tự như lực hấp dẫn:
Ở đây, và là điện tích của các hạt, và là một hằng số phụ thuộc hệ đơn vị. Đối với tĩnh từ học, người ta cũng đưa ra khái niệm “ từ tích”, và thành lập công thức về tương tác giữa các “ từ tích” giống như tương tác Culông giữa các điện tích:
Ở đây, và là các “ từ tích”, và là một hằng số phụ thuộc vào hệ đơn vị.
Bức tranh về tương tác tĩnh điện, và tương tác tĩnh từ hoàn toàn giống bức tranh về tương tác hấp dẫn. Chỉ có điều khác là tương tác hấp dẫn có tính phổ biến hơn các tương tác điện và từ, và lực điện và lực từ có thể là lực hút hoặc lực đẩy, trong khi lực hấp dẫn chỉ là lực hút. Các khái niệm điện trường, từ trường cũng như khái niệm trọng trường và trường hấp dẫn, chỉ là những khái niệm hổ trợ, có tính chất hình thức, đặt trưng cho tính chất không gian tuyệt đối ở xung quanh một điện tích, một “từ tích” hay mọt vật hấp dẫn nào đó. Nó được dùng để tiện cho việc tính toán, chư nó không mô tả một cái nào cụ thể. Do đó hai công thức:
à
(trong đó là điện trường của điện tích tại điểm chứa điện tích ) được coi là hoàn toàn tương đương với nhau.
Khi Macxoen tìm ra những đặt tính của điện từ trường ( khối lượng, năng lượng, xung lượng...) và khoa học đã chứng minh được rằng điện từ trường là một dạng vật chất, người ta đã thay thế khoảng không gian trống rỗng liên tục giữa các điện tích bằng một không gian chứa đầy trường điện từ liên tục, và hình ảnh của các
[Type text] Page 47
hiện tượng điện từ về cơ bản hầu như không đổi quyết định luật cơ giới, như đã nói ở trên, vẫn còn giữ nguyên hiệu lực của nó.
Điện động lực học của Macxoen không thừa nhận tác dụng từ xa và tức thời của cơ học Newton. Tương tác điện từ không truyền tức thời trong chân không, được điện từ trường truyền lần lượt và liên tiếp từ điểm này sang điểm khác, với một vận tốc truyền hữa hạn bằng c=300 000km/s. Theo nguyên lý tác dụng xa, nếu một điện tích gây ra một điện trường ở một điểm A cách xa nó một khoảng bất kỳ, thì điện thế tại A vào thời điểm t phụ thuộc vào giá trị điện tích cũng vào đúng thời điểm t đó, vì tác dụng của điện trường truyền tức thời đến A. Theo nguyên lý tác dụng gần, tác dụng của điện tích chỉ truyền được tới A sau một khoảng thời gian bằng , thành thử điện thế tại A vào thời điểm t phụ thuộc giá trị của điện tích vào thời điểm t’ trước nó, với . Đó là sai khác căn bản giwuax tác dụng xa và tác dụng gần. Để giải quyết mâu thuẫn đó. Người ta đã đưa ra khái niệm “thế trễ” : mỗi sự biến đổi của điện thế tại A điều diễn ra trễ hơn sự biến đổi của điện tích gây ra điện thế đó. Nếu điện thế
tại A do điện tích biến thiên de gây ra, thì theo thuyết tác dụng xa, ta viết được:
Đó là công thức của thế Culông. Theo thuyết tác dụng gần, với khái niệm thế trễ ta viết được:
Ở đây là giá trị của điện thế tại thời điểm t và là giá trị của điện tích tại thời điểm là giá trị của điện tích tại thời điểm . Cách viết như vậy cũng được coi là dạng thế Culông ở trên.
Có thể nói rằng việc đưa ra khái niệm “thế trễ” là một “biện pháp giải hòa”, nhằm che lấp mối mâu thuẫn với phát sinh và duy trì mô hình cơ học của các hiện tượng điện từ. Nhưng trong quá trình phát triển của điện học, cũng như của các ngành
[Type text] Page 48
vật lý khác, những mâu thuẫn mới giữa những sự kiện vật lý mới được nhiên cứu và bức tranh cơ giới về vũ trụ ngày càng nghiêm trọng hơn, mọi biện pháp giải hòa đều tỏ ra vô hiệu lực. Các mâu thuẫn đó không thể giải quyết được bằng những biện pháp chấp vá, trên cơ sở bảo vệ những quan niệm của cơ học Newton. Chúng đòi hỏi xây dựng một quan điểm mới, khác với những quan niệm cổ điển, nhưng phù hợp với những lĩnh vực khoa học mới mà con người đã bắt đầu bước chân vào : lĩnh vực của các vận tốc lớn và lĩnh vực của các kích thước vô cùng nhỏ thuộc cỡ nguyên tử , và các kích thước vô cùng lớn thuộc cở vũ trụ.