CHƯƠNG 2. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LÍ HỌC
3. GIAI ĐOẠN HOÀN THIỆN VẬT LÍ HỌC CỔ ĐIỂN
Từ giữa thế kỉ XIX cho đến cuối thế kỉ XIX là thời kì mà chủ nghĩa tư bản phát triển mạnh mẽ, đã thúc đẩy sự phát triển của sản xuất và kĩ thuật phục vụ cho sản xuất.
Đặc biệt là sự phát triển của kĩ thuật nhiệt và kĩ thuật điện trong giai đoạn này.
Động cơ hơi nước ra đời vào cuối thế kỉ XVIII. Nó đã đánh dấu cho cuộc cách mạng công nghiệp diễn ra. Văn minh con người chuyển từ văn minh nông nghiệp sang văn minh công nghiệp. Nó được sử dụng rộng rãi trong giao thông vận tải và ngày được cải tiến để nâng cao hiệu suất động cơ. Chính trong quá trình đó, môn Nhiệt động lực học đã được hình thành và phát triển.
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 28 SP. Vật lí K36 Kĩ thuật điện cũng đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của vật lí học trong giai đoạn này: Điện báo là cách thức truyền thông tin không lời thoại. Sử dụng rộng rãi trong ngành hàng hải và hàng không, ra đời vào năm 1844. Từ những năm 80, điện năng đã được sử dụng rất rộng rãi, từ đó xuất hiện nhu cầu tạo ra những nguồn điện mạnh, và có thể truyền tải điện năng đi xa được. Vấn đề này được giải quyết khi điện xoay chiều ra đời. Sự phát triển của ngành chế tạo máy phát điện đã có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của môn Điện động lực học đến việc nghiên cứu các tính chất của các vật liệu từ và xây dựng lí thuyết của các hiện tượng từ. Đồng thời việc ứng dụng điện rộng rãi trong kĩ thuật và sản xuất cũng thúc đẩy sự phát triển của kĩ thuật đo điện. Thời kì này các nhà khoa học đã nghiên cứu và xây dựng hệ thống đơn vị đo lường thống nhất trong lĩnh vực điện học.
Như vậy trong sự phát triển của vật lí học cuối thế kỉ XIX, chúng ta thấy khoa học và kĩ thuật đã gắn bó chặt chẽ với nhau và thúc đẩy nhau cùng phát triển.
3.1. Nhiệt động lực học
Những nghiên cứu đầu tiên mà chúng ta có thể xếp vào ngành nhiệt động học chính là những công việc đánh dấu và so sánh nhiệt độ, hay sự phát minh của các nhiệt biểu, lần đầu tiên được thực hiện bởi nhà khoa học người Đức Gabriel Fahrenheit (1686 - 1736) - người đã đề xuất ra thang đo nhiệt độ đầu tiên mang tên ông. Trong thang nhiệt này, 320F và 2120F là nhiệt độ tương ứng với thời điểm nóng chảy của nước đá và sôi của nước. Năm 1742, nhà bác học Thụy Sĩ Anders Celsius (1701 - 1744) cũng xây dựng nên một thang đo nhiệt độ đánh số từ 0 đến 100 mang tên ông dựa vào sự giãn nở của thủy ngân.
Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quá trình truyền nhiệt giữa các vật thể.
Nếu như nhà bác học Daniel Bernoulli (1700 - 1782) đã nghiên cứu động học của các chất khí và đưa ra liên hệ giữa khái niệm nhiệt độ với chuyển động vi mô của các hạt.
Ngược lại, nhà bác học Antoine Lavoisier (1743 - 1794) lại có những nghiên cứu và kết luận rằng quá trình truyền nhiệt được liên hệ mật thiết với khái niệm dòng nhiệt như một dạng chất lưu.
Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học là phải chờ đến mãi thế kỉ thứ XIX với tên của nhà vật lí người Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832) cùng với cuốn sách của ông mang tên “Ý nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dụng loại năng lượng này”. Ông đã nghiên cứu những cỗ máy được gọi là động cơ nhiệt:
một hệ nhận nhiệt từ một nguồn nóng để thực hiện công dưới dạng cơ học đồng thời
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 29 SP. Vật lí K36 truyền một phần nhiệt cho một nguồn lạnh. Chính từ đây đã dẫn ra định luật bảo toàn năng lượng (tiền đề cho nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học), và đặc biệt khái niệm về quá trình thuận nghịch mà sau này sẽ liên hệ chặt chẽ với nguyên lí thứ hai. Ông cũng bảo vệ cho ý kiến của Lavoisier rằng nhiệt được truyền đi dựa vào sự tồn tại của một dòng nhiệt như một dòng chất lưu.
Những khái niệm về công và nhiệt được nghiên cứu kĩ lưỡng bởi nhà vật lí người Anh James Prescott Joule (1818 - 1889) trên phương diện thực nghiệm và bởi nhà vật lí người Đức Robert von Mayer (1814 - 1878) trên phương diện lí thuyết xây dựng từ cơ sở chất khí. Cả hai đều đi tới một kết quả tương đương về công và nhiệt trong những năm 1840 và đi đến định nghĩa về quá trình chuyển hóa năng lượng. Chúng ta đã biết rằng sự ra đời của nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học là do một công lao to lớn của Mayer.
Nhà vật lí người Pháp Émile Clapeyron (1799 - 1864) đã đưa ra phương trình trạng thái của chất khí lí tưởng vào năm 1843. Tuy nhiên, chỉ đến năm 1848 thì khái niệm nhiệt độ của nhiệt động học mới được định nghĩa một cách thực nghiệm bằng Kelvin bởi nhà vật lí người Anh, một nhà quí tộc có tên là SirWilliam Thomson hay còn gọi là Lord Kelvin (1824 - 1907). Chúng ta không nên nhầm lẫn ông với nhà vật lí cùng họ Joseph John Thompson (1856 - 1940), người đã khám phá ra êlectron và đã phát triển lí thuyết về hạt nhân.
Nguyên lí thứ hai của nhiệt động học đã được giới thiệu một cách gián tiếp trong những kết quả của Sadi Carnot và được công thức hóa một cách chính xác bởi nhà vật lí người Đức Rudolf Clausius (1822 - 1888) - người đã đưa ra khái niệm entropy vào những năm 1860. Những nghiên cứu trên đây đã cho phép nhà phát minh James Watt (1736 - 1819) hoàn thiện máy hơi nước và tạo ra cuộc cách mạng công nghiệp ở thế kỉ thứ XIX.
Cũng cần phải nhắc đến nhà vật lí người Áo Ludwig Boltzmann (1844 - 1906), người đã góp phần không nhỏ trong việc đón nhận entropy theo quan niệm thống kê và phát triển lí thuyết về chất khí vào năm 1877. Tuy nhiên, đau khổ vì những người cùng thời không hiểu và công nhận, ông đã tự tử khi tài năng còn đang nở rộ. Chỉ đến mãi về sau thì tên tuổi ông mới được công nận và người ta đã khắc lên mộ ông, ở thành phố Vienne, công thức nổi tiếng W = k.logO mà ông đã tìm ra.
Riêng về lĩnh vực hóa nhiệt động, chúng ta phải kể đến tên tuổi của nhà vật lí Đức Hermann von Helmholtz (1821 - 1894) và nhà vật lí Mĩ Willard Gibbs (1839 - 1903).
Chính Gibbs là người đã có những đóng góp vô cùng to lớn trong sự phát triển của vật lí thống kê. Cuối cùng, để kết thúc lược sử của ngành nhiệt động học, xin được nhắc đến
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 30 SP. Vật lí K36 nhà vật lí người Bỉ gốc Nga Ilya Prigonine (sinh năm 1917) - người đã được nhận giải Nobel năm 1977 về những phát triển cho ngành nhiệt động học không cân bằng.
3.2. Nhiệt và nhiệt độ
Bằng trực giác, mỗi chúng ta đều biết đến khái niệm nhiệt độ. Một vật được xem là nóng hay lạnh tùy theo nhiệt độ của nó cao hay thấp. Nhưng thật khó để đưa ra một định nghĩa chính xác về nhiệt độ. Một trong những thành tựu của nhiệt động học trong thế kỉ XIX là đã đưa ra được định nghĩa về nhiệt độ tuyệt đối của một vật, đo bằng đơn vị Kelvin.
Khái niệm nhiệt còn khó định nghĩa hơn. Một lí thuyết cổ, được bảo vệ bởi Antoine Lavoisier, cho rằng nhiệt là một dịch thể đặc biệt (không màu sắc, không khối lượng), gọi là chất nhiệt, chảy từ vật này sang vật khác. Một vật càng chứa nhiều chất nhiệt thì nó càng nóng. Thuyết này sai ở chỗ chất nhiệt không thể đồng nhất với một đại lượng vật lí được bảo toàn. Về sau, nhiệt động học đã làm rõ nghĩa cho khái niệm nhiệt lượng trao đổi.
3.3. Các động cơ nhiệt
Nhiệt động học cổ điển đã vươn lên với tư cách là khoa học của các động cơ nhiệt hay khoa học về nhiệt động năng.
Nicolas Léonard Sadi Carnot đã mở đầu cho các nghiên cứu hiện đại về các động cơ nhiệt trong một tiểu luận có tính nền tảng: “Ý nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dụng loại năng lượng này” (1823). Chu trình Carnot vẫn còn là một ví dụ lí thuyết điển hình trong các nghiên cứu về các động cơ nhiệt. Ngày nay, thay vì dùng khái niệm nhiệt động năng, người ta phát biểu rằng các động cơ nhiệt có khả năng sinh công cơ học, đồng thời tìm hiểu cách thức sử dụng nhiệt để tạo ra công.
Mọi chuyển động của các vật trong thế giới vĩ mô (khoảng gần 1 milimét trở lên được xem là vĩ mô) đều có thể sinh nhiệt, với ý nghĩa là nó làm cho vật nóng thêm. Có thể thử nghiệm bằng cách xoa hai bàn tay vào nhau. Ngược lại, nhiệt cũng có thể làm cho các vật thể vĩ mô chuyển động (ví dụ: có thể quan sát sự chuyển động của nước khi được đun sôi). Đây là cơ sở để chế tạo các động cơ nhiệt. Chúng là các hệ vĩ mô, trong đó chuyển động được duy trì nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa bộ phận “nóng” và bộ phận
“lạnh”.
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 31 SP. Vật lí K36 3.4. Động cơ vĩnh cửu
Là một thiết bị cơ khí do con người tưởng tượng ra, với hi vọng là động cơ này tự hoạt động mãi mãi mà không cần cung cấp năng lượng. Do đi ngược lại với nguyên tắc của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, động cơ vĩnh cửu là vấn đề không tưởng. Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều kiến thức giúp ích cho việc chế tạo các động cơ tiết kiệm nhiên liệu, giảm ma sát và các công vô ích.
3.5. Vật lí thống kê
Vật lí thống kê là một ngành trong vật lí học, áp dụng các phương pháp thống kê để giải quyết các bài toán liên quan đến các hệ chứa một số rất lớn những phần tử, có số bậc tự do cao đến mức không thể giải chính xác bằng cách theo dõi từng phần tử, mà phải giả thiết các phần tử có tính hỗn loạn và tuân theo các qui luật thống kê. Ví dụ của các hệ có thể là các vật chất trong tự nhiên, chứa điện tử, quang tử, nguyên tử, phân tử, tồn tại dưới những trạng thái vật chất khác nhau (chất khí, chất lỏng, chất rắn, plasma,...). Các phương pháp của vật lí thống kê hoàn toàn có thể mở rộng cho các hệ như hệ nơron thần kinh, quần thể sinh vật, quần thể người trong xã hội, hay các hệ hỗn loạn trong kinh tế học.
Ludwig Boltzmann (1844 - 1906), nhà vật lí và nhà triết học Áo, là một trong những tư tưởng gia độc đáo nhất của hậu bán thế kỉ XIX và được xem như là cha đẻ của vật lí thống kê. Phương pháp giải thích entropy của ông - đưa khái niệm xác suất vào nhiệt động lực học, đã gợi ý cho Planck và Einstein về lí thuyết thống kê của bức xạ, về giả thuyết lượng tử và phôtôn. Định lí H của ông đã giúp cho ta hiểu được thế giới vĩ mô trên cơ sở của động lực học phân tử.
3.6. Lí thuyết trường điện từ
Trường điện từ (còn gọi là trường Maxwell) là một trong những trường của vật lí học. Nó là một dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các hạt mang điện. Trường điện từ cũng do các hạt mang điện sinh ra, và là trường thống nhất của điện trường và từ trường. Đặc trưng cho khả năng tương tác của trường điện từ là các đại lượng cường độ điện trường, độ điện dịch, cảm ứng từ và cường độ từ trường (thường được kí hiệu lần lượt là E, D, B và H).
James Clerk Maxwell (1831 - 1879) là một nhà toán học, một nhà vật lí học người Scotland. Ông đã đưa ra hệ phương trình miêu tả những định luật cơ bản về điện trường
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 32 SP. Vật lí K36 và từ trường được biết đến với tên gọi phương trình Maxwell. Đây là hệ phương trình chứng minh rằng điện trường và từ trường là thành phần một trường thống nhất, điện từ trường. Ông cũng đã chứng minh rằng trường điện từ có thể truyền đi trong không gian dưới dạng sóng với tốc độ không đổi là 300 000 km/s, và đưa ra giả thuyết rằng ánh sáng là sóng điện từ.
Có thể nói Maxwell là nhà vật lí học thế kỉ XIX có ảnh hưởng nhất tới nền vật lí của thế kỉ XX, người đã đóng góp vào công cuộc xây dựng mô hình toán học mới của nền khoa học hiện đại. Vào năm 1931, nhân kỉ niệm 100 ngày sinh của Maxwell, Albert Einstein đã ví công trình của Maxwell là “sâu sắc nhất và hiệu quả nhất mà vật lí học có được từ thời của Isaac Newton”.
Năm 1865, nhà vật lí người Anh James Clerk Maxwell đã kết hợp các định luật về điện và từ đã biết để tạo ra lí thuyết Maxwell. Lí thuyết này dựa trên sự tồn tại của các trường, hiểu nôm na là môi trường truyền tác động từ nơi này đến nơi khác. Ông nhận thấy rằng các trường truyền nhiễu loạn điện và từ là các thực thể động: chúng có thể dao động và truyền trong không gian. Lí thuyết Maxwell có thể gộp lại vào hai phương trình mô tả động học của các trường này, gọi là các phương trình Maxwell. Dựa vào lí thuyết này, Maxwell đã đi đến một kết luận: tất cả các sóng điện từ đều truyền trong không gian (chân không) với một vận tốc không đổi bằng vận tốc ánh sáng.
Vật lí học thế kỉ XIX có những tác động quan trọng đối với các ngành KHTN và chuẩn bị bước sang thế kỉ phồn vinh.