CHƯƠNG 2. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LÍ HỌC
2. GIAI ĐOẠN VẬT LÍ HỌC TRỞ THÀNH MỘT KHOA HỌC ĐỘC LẬP
Galileo (1564 – 1642) là nhà thiên văn học, nhà vật lí học Italia. Lúc nhỏ gia đình nghèo, ông chưa học hết đại học, ông tự học và khi 25 tuổi được mời làm giáo sư đại học.
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 21 SP. Vật lí K36 Đầu tiên ông đưa ra nguyên lí quán tính, khái niệm lực và gia tốc, là người mở đường cho lực học kinh điển và vật lí học thực nghiệm. Ông là người đầu tiên dùng kính viễn vọng quan sát các thiên thể, chứng minh và phát triển thuyết Mặt Trời là trung tâm vũ trụ của Copernic. Ông được người đời sau mệnh danh là “Cha đẻ của khoa học cận đại”. [13]
Galileo là nhà khoa học nổi tiếng thời cổ đại, ông sinh ra ở thành Pisa (Italia). Suốt đời ông theo đuổi chân lí, hiến thân cho khoa học, dám giữ vững nguyên tắc của mình.
Khi còn đi học Galileo là một HS hay đặt ra câu hỏi, đối với những vấn đề hứng thú ông luôn tự tìm cách chứng minh. Có một thầy giáo đã đưa ra một câu hỏi hóc búa cho HS:
Dùng một sợi dây vòng thành các hình khép kín khác nhau, thì hình nào có diện tích lớn nhất? Để tìm câu trả lời Galileo đã tìm một sợi dây vòng thành các hình như hình vuông, chữ nhật, hình tròn,… Cuối cùng ông phát hiện hình tròn là hình có diện tích lớn nhất trong các hình, ông còn dùng những kiến thức toán học của mình học được để chứng minh quan điểm này. Thầy giáo của ông thấy sự chứng minh của Galileo như vậy hết sức vui mừng, cổ vũ ông học toán học.
Aristotle cho rằng hai vật cùng đồng thời rời từ trên cao xuống, vật nặng rơi xuống trước, vật nhẹ rơi xuống sau. Galileo thì ngày càng nghi ngờ điều này, ông nghĩ: “Các cục đá băng rơi từ trên trời xuống, cục to cục nhỏ chẳng phải rơi xuống đất như nhau sao? Aristotle sai hay ông sai?”.
Về sau, Galileo trở thành giáo sư dạy toán tại trường Đại học Pisa, ông đã đưa ra sự hoài nghi đối với học thuyết của Aristotle.
Các đồng sự của ông biết điều hoài nghi đó của ông đều bàn tán xôn xao, có người nói Aristotle là nhân vật vĩ đại như vậy, lẽ nào quan điểm của ông lại sai được? Đây chắc là muốn chơi trội. Lại có người nói giáo hội và Giáo hoàng đều thừa nhận những điều Aristotle nói là chân lí, Galileo lại dám nghi ngờ cả chân lí. Nhưng Galileo không để ý những điều mọi người dị nghị, ông nghĩ cách dùng thực nghiệm để chứng minh sự đúng đắn của mình. Ông nhớ lại lúc nhỏ cùng các em trèo lên tháp Pisa chơi trò ném đá xuống, mỗi lần ném một nắm đá xuống có hòn to hòn nhỏ, chúng đều cùng rơi xuống đất một lúc. Thế là ông quyết định phải lên tháp Pisa để làm thực nghiệm, để cho tất cả mọi người đều nhìn thấy kết quả thực nghiệm.
Galileo dán quảng cáo trong thành phố, ông viết: “Trưa mai mời mọi người dến tháp nghiêng Pisa xem thực nghiệm về vật rơi”. Tin được truyền đi, đúng trưa ngày hôm sau rất nhiều người đã kéo đến xem thực nghiệm, có người là nhà khoa học, có người chỉ là dân thường trong thành phố, có bạn bè của ông và có cả những người phản đối ông.
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 22 SP. Vật lí K36 Trong đám người đến xem vẫn có người cười ông, họ nói rằng có thằng ngốc mới tin rằng một chiếc lông gà và một viên đá cùng rơi xuống đất như nhau. Lúc đó Galileo hết sức tự tin vì rằng ông và các HS của ông đã làm thực nghiệm nhiều lần và mỗi lần đều chứng minh đúng. [13]
Thực nghiệm bắt đầu, Galileo và HS của mình đặt hai quả cầu sắt to nhỏ khác nhau tương đối rõ rệt vào một cái hộp, đáy của hộp có thể mở ra được, chỉ cần kéo đáy hộp ra là hai viên cầu sắt trong hộp đồng thời tự do rơi xuống. Galileo và các HS của mình đưa hộp lên đỉnh tháp, mọi người đứng phía dưới đều chăm chú ngẩng đầu nhìn lên.
Galileo đích thân kéo đáy hộp ra, mọi người nhìn thấy hai quả cầu sắt một to một nhỏ rơi xuống, tất cả đều nín thở. “Bịch” một tiếng, cả hai viên đồng thời rơi xuống đất mọi người đứng xem cùng reo lên, còn những người phản đối Galileo thì im lặng không nói gì. Thực tế mọi người nhìn thấy đã chứng minh: Mọi vật thể rơi từ trên cao rơi xuống, thời gian rơi xuống không liên quan đến trọng lượng. Điều đáng nói là năm 1969 các nhà du hành vũ trụ đã đặt chân lên Mặt Trăng, họ đã làm thực nghiệm, thả một chiếc lông vũ và một hòn đá cùng rơi xuống, kết quả chiếc lông và hòn đá cùng rơi xuống Mặt Trăng một lúc. Điều này đã nói cho biết nếu như không có lực đẩy của không khí, chiếc lông và hòn đá sẽ rơi xuống mặt đất cùng một lúc. Câu chuyện nổi tiếng về thực nghiệm ở tháp nghiêng Pisa vẫn còn lưu truyền trên thế giới đến ngày nay, nó đã trở thành một giai thoại lịch sử khoa học.
Cùng thời gian này cũng xuất hiện nhiều nhà vật lí thực nghiệm xuất sắc như:
Torricelli, Boylo, Mariotte, Descartes,... thuộc nhiều lĩnh vực như nhiệt, điện,...
Đầu thế kỉ XVII, ở Florenxia, một thành phố thương mại giàu có, người ta đào một cái giếng rất sâu. Từ miệng giếng đến mặt nước có đến hơn mười mét. Người ta muốn hút nước lên bằng một cái bơm, nhưng không làm sao bơm lên được. Chẳng ai hiểu rõ nguyên do vì đâu. Họ bèn cho mời Galileo, người có học thức nhất ở Florenxia lúc bấy giờ. Galileo đến xem kĩ cái bơm, ống hút nước và pittông. Tất cả đều nguyên lành không sao cả. Thế thì tại sao nước không lên được?
Galileo giải thích rằng, có lẽ trọng lượng của bản thân cột nước trong ống đã kéo tụt nước xuống. Một học trò của Galileo là Torricelli đẽ giải thích hiện tượng đó theo cách khác. Torricelli cho rằng vấn đề không phải chỉ ở trọng lượng của nước, mà còn ở trọng lượng của không khí nữa. Khi người ta hút nước bằng bơm thì không khí đã ngầm giúp người ta: không khí ở trên mặt giếng, dùng tất cả trọng lượng của mình để nén nước và buộc nước dâng lên theo ống. Nếu bơm không thể hút nước lên cao quá mười mét thì
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 23 SP. Vật lí K36 điều đó có nghĩa là không khí chỉ có khả năng đẩy nước tới một mức độ nào đó thôi. Để chứng minh cho lập luận của mình, Torricelli bèn làm một thí nghiệm. Ông lấy một cái ống thủy tinh một đầu bịt kín, trong ống đựng đầy thủy ngân. Sau đó ông lấy ngón tay bịt đầu hở lại, lật ngược ống và nhúng đầu hở ấy vào trong một chậu cũng đựng thủy ngân.
Thủy ngân không hoàn toàn tụt ra khỏi ống, mà chỉ tụt thấp xuống một chút thôi.
Cột thuỷ ngân tuy tụt xuống nhưng vẫn cao hơn mực thủy ngân ở chậu hơn 70cm. Trọng lượng cột thủy ngân tương đương với trọng lượng một cột nước cao khoảng 10m. Vậy thì cái gì đã giữ cho cột thủy ngân đó hạ xuống? Đó là áp suất của không khí.
Với thí nghiệm lịch sử này, Torricelli đã chứng minh được sự tồn tại của áp suất khí quyển mà trước đó chưa ai biết, đồng thời đã đánh tiếng chuông báo tử cho tín điều
“thiên nhiên sợ cái trống rỗng” của Aristotle. Chẳng trách, Leonardo da Vinci, nhà bác học kiêm họa sĩ vĩ đại, đã gọi thí nghiệm là “thầy của các thầy”.
Năm 1663, hiện tượng giao thoa ánh sáng trong các màng mỏng được mô tả. Năm 1665, một công trình trong đó Grimaldi (1658 - 1663) mô tả hiện tượng nhiễu xạ và nêu ra ý kiến về bản chất sóng của ánh sáng được công bố sau khi ông đã qua đời. Sau đó ít lâu, Huygens (1629 - 1695) công bố “Giáo trình quang học” viết bằng tiếng Latinh, sách đó được ông chỉnh lí lại và cho tái bản bằng tiếng Pháp năm 1690 và được coi là công trình đầu tiên về quang học sóng. Trong tác phẩm này, ông đã phát biểu nguyên lí truyền sóng, ngày nay được gọi là nguyên lí Huygens.
Đặc biệt, trong thời kì này, Newton với những đóng góp vĩ đại cho khoa học về các lĩnh vực như: cơ học, toán học, quang học. Thế giới quan của Newton phản ánh những mâu thuẫn của cuộc cách mạng tư sản ở Anh. Newton chống lại chủ nghĩa kinh viện tách rời thực tế và vô bổ. Ông bảo vệ một nền khoa học mang lại lợi ích thực tế, có khả năng phát triển kĩ nghệ, thương mại. Nhưng Newton cũng là một người ngoan đạo, ông tin rằng khoa học không những mang lại lợi ích thực tế, mà còn giúp ta nhận thức được Chúa nữa. Newton thừa nhận sự tồn tại của thế giới vật chất khách quan, vận động theo những qui luật nhất định mà ông đã bỏ nhiều công sức và tài năng để phát minh.
Nhưng ông cũng tin rằng có một thượng đế, một đấng tạo hóa đã sáng tạo ra thế giới và đang điều khiển thế giới.
Newton cho rằng hệ Mặt Trời không thể tự nó hình thành một cách tự nhiên. Phải có bàn tay của Chúa truyền cho mỗi hành tinh một “cái hích ban đầu” để tạo cho nó một chuyển động xung quanh Mặt Trời. Newton cũng không tin rằng trong thiên nhiên có sự bảo toàn chuyển động. Ông cho rằng mọi hình thức chuyển động trong vũ trụ đều giảm
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 24 SP. Vật lí K36 dần, và phải có sự can thiệp của Chúa để giữ cho chúng được bảo toàn. Chuyển động của các hành tinh cũng giảm dần và phải có những “cái hích bổ sung” của Chúa để giữ cho chúng không bị rơi vào Mặt Trời.
Về lí luận nhận thức, Newton ủng hộ phương pháp Bacon, và đặt sự qui nạp vào vị trí hàng đầu. Newton đã xác định phương pháp đó là: thực hiện thí nghiệm và quan sát, dùng phép qui nạp để rút ra từ chúng những kết luận tổng quát. Những kết luận nói trên chính là những nguyên lí tổng quát, nhưng chúng không phải là những nguyên lí tổng quát nhất không còn phải giải thích gì thêm nữa. Newton cho rằng tìm ra được những nguyên lí tổng quát của chuyển động cơ học “là một bước tiến lớn trong triết học, mặc dù nguyên nhân của những nguyên lí đó vẫn chưa được khám phá ra”.
Newton không phải lúc nào cũng tránh không nêu ra những giả thuyết, vì cũng có lúc ông nêu ra những giả thuyết tinh tế, có ý nghĩa sâu sắc. Nhưng ông phân biệt rất rõ đâu là những luận điểm chắc chắn, rút ra từ thí nghiệm bằng phương pháp qui nạp, và đâu là những giả thuyết còn có thể phải tranh cãi. Newton lảng tránh những cuộc tranh luận có liên quan trực tiếp đến những vấn đề chung của triết học và tôn giáo. Những cuộc tranh luận kéo dài với phái Descartes, thực ra là những môn đệ của ông, nhiều hơn là của chính ông. Phương pháp của ông là phương pháp thích hợp nhất đối với khoa học thời bấy giờ, khi mà phương pháp kinh viện đã bị gạt bỏ, và phương pháp của Descartes đã thể hiện những chỗ yếu của nó, đòi hỏi phải được thay thế. Newton đã tổng kết sự phát triển của vật lí học thế kỉ XVII, đã hoàn chỉnh sự hình thành vật lí học như một khoa học riêng biệt, tách nó khỏi triết học tự nhiên. [13]
Tuy nhiên, tư tưởng khoa học của Newton, với khái niệm không gian và thời gian tuyệt đối, hệ Mặt Trời không biến đổi, sự phủ nhận những giả thuyết,... là một tư tưởng siêu hình. Ảnh hưởng của nó trong khoa học đã cản trở sự phát triển của khoa học trong các giai đoạn sau. Những luận điểm có màu sắc tôn giáo vương vất đó đây trong học thuyết của Newton làm cho nó dễ được chấp nhận và ủng hộ ở Anh. Nhưng ở nước Pháp cách mạng, nơi giai cấp tư sản đang đứng lên chống phong kiến và chống tôn giáo, nó bị chỉ trích mạnh mẽ và không được chấp nhận. Phải tới thế kỉ XVIII, khi các nhà duy vật Pháp đã tước bỏ những yếu tố thần học, làm lộ rõ giá trị khoa học của học thuyết Newton, nó mới hoàn toàn được công nhận, và từ đó đóng một vai trò quan trọng đối với sự phát triển vật lí học trong những thế kỉ tiếp theo.
Sự thành công của cơ học Newton đồng thời cũng là sự thành công của PPTN trong vật lí học. Ông tổ của vật lí học thực nghiệm là Galileo đã nói rằng muốn hiểu thiên
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 25 SP. Vật lí K36 nhiên, phải trực tiếp quan sát thiên nhiên, phải làm thí nghiệm, phải “hỏi thiên nhiên” chứ không hỏi Aristotle hay hỏi kinh thánh. Trong khoa học, lời Aristotle hoặc ý Chúa không thể là sự phán xét cuối cùng, trái lại, phải “để cho thiên nhiên phán xét mỗi khi con người tranh luận với nhau về thiên nhiên”. Để hỏi được thiên nhiên, Galileo khuyên: “Hãy đo tất cả những gì có thể đo, và hãy làm cho những cái không thể đo trở thành cái có thể đo, bởi vì “cuốn sách thiên nhiên được viết bằng ngôn ngữ toán học””.
Newton là người đã tiếp tục xây dựng phương pháp do Galileo đề xướng và áp dụng nó một cách thành công. Tới nay, ta đã có thể nêu lên thực chất của PPTN như sau:
“Xuất phát từ quan sát và thực nghiệm, nhà khoa học xây dựng được một giả thuyết. Giả thuyết đó không chỉ đơn giản là sự tổng kết các thí nghiệm đã làm, nó còn chứa đựng một cái gì mới mẻ, không có sẵn trong từng thí nghiệm cụ thể. Bằng phép suy luận lôgic và bằng toán học, nhà khoa học có thể từ giả thuyết đó mà rút ra một số hệ quả, tiên đoán một số sự kiện mới chưa biết. Những hệ quả và sự kiện mới đó lại có thể được kiểm tra bằng thí nghiệm, và nếu sự kiểm tra đó thành công, nó khẳng định giả thuyết, biến giả thuyết thành một định luật chính xác, hoặc một học thuyết đáng tin cậy”. Như vậy PPTN là sự thống nhất giữa thí nghiệm và lí thuyết, nhằm mục đích nhận thức thiên nhiên.
PPTN cho phép từng bước mở rộng sự hiểu biết thiên nhiên và làm chủ thiên nhiên. Quá trình nhận thức thiên nhiên là một quá trình lâu dài, khó khăn đầy hấp dẫn trong thời kì này và tới mãi mai sau.
Tới thế kỉ XVIII, cơ học đã trưởng thành, trong khi đó nhiệt học mới bắt đầu được hình thành. Nhà thiên văn học A. Celsius đã làm một loạt thí nghiệm để kiểm tra xem các điểm cố định của thang nhiệt độ R.A.Réaumur có đúng là cố định không. Ông đã tiến hành thí nghiệm trong hai năm liền và công bố kết quả năm 1742. Các thí nghiệm được tiến hành trong những thời tiết khác nhau và với những áp suất khí quyển khác nhau.
Không những ông đặt nhiệt kế vào đá đang tan, mà lúc trời rét giá, ông còn lấy tuyết lạnh ngoài trời và mang vào trong phòng đặt lên bếp lò cho đến khi nó bắt đầu tan, hoặc mang thùng có đá đang tan đặt lên bếp lò đun thêm một lúc,... Ông nghiệm thấy rằng nhiệt độ của nước đá hoặc tuyết tan đúng là một điểm cố định. Ông cũng thấy rằng nhiệt độ sôi của nước phụ thuộc áp suất khí quyển. Cuối cùng, ông đề nghị một thang nhiệt độ mới có hai điểm cố định: điểm 1000 là nhiệt độ nóng chảy của nước đá và điểm 00 là nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 760mmHg (theo cách nói hiện nay). Nhà thực vật học Carl Von Linné đã dùng thang nhiệt độ đó nhưng đảo lại lấy 00 là nhiệt độ nóng chảy của nước đá, và 1000 là nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 760mmHg. Thang nhiệt độ như vậy hiện nay được gọi là thang nhiệt độ A. Celsius, và đơn vị nhiệt độ đo được kí hiệu là 0C.
SVTH: Tiêu Tín Nguyên 26 SP. Vật lí K36 Nhiệt học thế kỉ XVIII phát triển song song với hóa học và quang học. Lửa tạo ra nhiệt và ánh sáng, và gây ra các biến đổi hóa học. Điều đó khiến các nhà khoa học đi tìm mối quan hệ giữa các hiện tượng nhiệt học, quang học và hóa học. Năm 1756, Lomonosov công bố công trình nghiên cứu về nguồn gốc của ánh sáng và về lí thuyết các màu sắc. Thế kỉ XVIII là thời gian phát sinh ra trắc quang học, người sáng lập trắc quang học là Bughe (1698 - 1758) và Lambe (1728 - 1777). Bughe đã định nghĩa khái niệm trắc quang học mà ngày nay chúng ta gọi là “quang thông”, “cường độ ánh sáng của nguồn”,
“độ rọi”, “độ chói”. Trắc quang học là thành tựu quan trọng nhất của quang học thế kỉ XVIII. Những thành tựu đáng kể khác là việc phát minh ra các ống kính tiêu sắc dùng cho kính thiên văn và kính viễn vọng (một việc mà Newton cho rằng không thể làm được), và việc Bradley phát minh ra hiện tượng tinh sai vào năm 1728. Phát minh này cho phép xây dựng một phép đo vận tốc ánh sáng và sẽ có vai trò quan trọng trong sự phát triển quang học của các môi trường chuyển động.
Điện học cũng có những bước tiến quan trọng: Chai Leiden (Lây-đen) là dạng sơ khai nhất của tụ điện. Cái chai cho phép chất lỏng điện tạo ra bởi một máy phát tĩnh điện được tích góp và dự trữ để dùng trong tương lai. Những cái Chai Leiden đầu tiên được chế tạo ra một cách độc lập vào năm 1745 bởi Ewald Georg von Kleist ở Đức và Pierreter van Musschenbroek ở Leiden, cách Amsterdam chừng 35 km về hướng tây nam. Bức tranh khắc gỗ bên dưới cho thấy nỗ lực của van Musschenbroek nhằm làm nhiễm điện nước chứa trong một bình thủy tinh.
Điện tích tạo ra bởi sự ma sát của đôi tay trên quả cầu thủy tinh đang quay tròn được lấy ra khỏi bề mặt của quả cầu thủy tinh bằng một dây xích treo và chuyển tới que kim loại treo trong nước tạo nên cái tụ ở phía trong.
Chai Leiden