Chương 2. CON ĐƯỜNG HÌNH THÀNH NHỮNG KIẾN THỨC VẬT LÝ CƠ BẢN
2.4. Các con đường hình thành những thuyết vật lý
2.4.2. Cấu trúc của một thuyết vật lý
Căn cứ vào ý kiến của nhiều nhà bác học, có thể coi một thuyết vật lý gồm ba thành phần sau: cơ sở của thuyết, hạt nhân của thuyết và những hệ quả của thuyết.
Cơ sở của một thuyết vật lý
Sự ra đời của một thuyết vật lý thường được bắt đầu từ khi xuất hiện những sự kiện mới không giải thích được bằng hệ thống lý thuyết cũ. Thoạt tiên, những sự kiện mới đó xuất hiện một cách rời rạc, ít ỏi, nhưng đặc biệt đáng chú ý là chúng mâu thuẫn với những đặc điểm cũ đã biết. Mâu thuẫn này được các nhà bác học phân tích, kiểm
tra kỹ lưỡng và bổ sung những sự kiện mới. Những sự kiện mới này được sắp xếp tạo thành cơ sở vững chắc cho sự ra đời của một thuyết mới. Đó là cơ sở thực nghiệm của thuyết. Thành phần cơ bản nhất của cơ sở thực nghiệm là những thí nghiệm nền tảng, trong đó bộc lộ rõ sự mâu thuẫn giữa hiện tượng mới và lý thuyết cũ. Ví dụ: thí nghiệm về chuyển động Braonơ đối với thuyết động học phân tử, thí nghiệm Rudơpho đối với thuyết cấu tạo nguyên tử.
Bên cạnh cơ sở thực nghiệm, còn có cơ sở kinh nghiệm của thuyết. Đó là những kinh nghiệm mà người nghiên cứu đã tích lũy được trong khi làm việc, sử dụng những tư tưởng, quan niệm, ý kiến, kỹ thuật có liên quan đến thuyết cũ.
Cơ sở thực nghiệm và cơ sở kinh nghiệm đó buộc ta phải từ bỏ hệ thống lý thuyết cũ, đồng thời cũng tạo ra khả năng chín muồi để đưa ra một thuyết mới thay thế cho thuyết cũ.
Những sự kiện thực nghiệm mới phải được mô tả bằng những khái niệm mới, những định luật thực nghiệm mới, cần phải thực nghiệm những phép đo các đại lượng vật lý mới. Những phép đo các đại lượng mới đó cũng là một thành phần của cơ sở của thuyết vì nó cho phép ta đối chiếu lý thuyết với thực tế.
Thông thường, để giải thích những định luật thực nghiệm, người ta đưa ra những mô hình lý tưởng như mô hình cấu trúc vật chất hay mô hình chức năng. Những mô hình này có những tính chất cơ bản giống vật thật. Nhờ những mô hình lý tưởng mà ta có thể dự đoán được một số tính chất, hiện tượng mới.
Như vậy, cơ sở của một thuyết vật lý bao gồm: cơ sở thực nghiệm, cơ sở kinh nghiệm, các khái niệm, định luật thực nghiệm, các mô hình lý tưởng như mô hình cấu trúc, mô hình chức năng.
Hạt nhân của thuyết vật lý
Hạt nhân của thuyết là thành phần quan trọng nhất của một thuyết vật lý. Nhờ hạt nhân này, người ta có thể giải thích được trọn vẹn những hiện tượng mới nằm trong cơ sở của thuyết và còn dự đoán được, giải thích được một lớp hiện tượng rộng rãi hơn mà ta gọi là những hệ quả của thuyết. Hạt nhân của thuyết bao gồm những tư tưởng cơ bản, những định luật nguyên lý cơ bản, những phương trình cơ bản, những hằng số cơ bản.
Tư tưởng cơ bản của thuyết là những phán đoán chung nhất, tổng quát nhất về bản chất bên trong của các hiện tượng. Nó cho phép ta giải thích được cơ chế của hiện tượng, cấu trúc của sự vật. Nó giúp ta xây dựng được mô hình của sự vật, hiện tượng.
Tư tưởng cơ bản của thuyết chi phối toàn bộ quá trình xây dựng thuyết. Nó làm cho thuyết mới có một màu sắc đặc biệt, khác hẳn các thuyết cũ. Có thể coi tư tưởng cơ bản như cột trụ của thuyết. Ví dụ: tư tưởng cơ bản của thuyết động học phân tử là sự vận dụng cơ học cổ điển vào thế giới vi mô, là giải thích các hiện tượng nhiệt bằng chuyển động phân tử theo quan điểm thống kê.
Các định luật cơ bản là những định luật biểu thị mối liên hệ giữa các hiện tượng mới chủ yếu nằm trong cơ sở của thuyết. Các định luật này được diễn tả dưới dạng các phương trình toán học liên kết các đại lượng vật lý mới với nhau. Ví dụ: trong thuyết điện từ của Mắcxoen có các định luật Culông, định luật Farađây, định luật Ampe và các cặp phương trình của Mắcxoen.
Các phương trình cơ bản của thuyết có thể xem như những mô hình toán học của thuyết. Ví dụ: các phương trình Mắcxoen có thể xem là mô hình của điện từ. Từ phương trình cơ bản này, có thể suy ra nhiều dự đoán mới. Ví dụ: từ phương trình Mắcxoen, người ta dự đoán được sự lan truyền của sóng điện từ và áp suất của ánh sáng.
Trong phương trình cơ bản của thuyết vật lý, thường chứa những hằng số cơ bản (hằng số vũ trụ) như vận tốc ánh sáng c, lượng tử tác dụng h, điện tích của electron e, hằng số hấp dẫn G, hằng số Bôndơman k … Việc đưa những hằng số cơ bản này vào một thuyết vật lý là thể hiện cụ thể việc vận dụng tư tưởng cơ bản của nó vào thực tế. Ví dụ: việc đưa vận tốc ánh sáng c vào các phương trình chuyển động là thể hiện sự phủ nhận tư tưởng tương tác xa (tương tác cách bức) và đánh dấu sự chuyển từ cơ học cổ điển của Niutơn sang cơ học tương đối của Anhstanh, việc đưa vào hằng số Plăng đánh dấu sự ra đời của thuyết lượng tử.
Những hệ quả của thuyết
Người ta gọi tất cả những hiện tượng mà thuyết có thể giải thích được, những định luật mới suy ra từ những định luật cơ bản của thuyết, những giả thuyết khoa học mới dựng được, những hiện tượng mới dự đoán được là những hệ quả của thuyết.
Hệ quả của thuyết phải nhiều hơn cơ sở ban đầu của nó. Nói cách khác, các thuyết vật lý phải có khả năng làm cho nhận thức của ta rộng hơn, sâu hơn, bản chất hơn, bao hàm một lớp hiện tượng lớn hơn nhiều so với những cơ sở của thuyết.
Từ hạt nhân của thuyết, muốn suy ra được những hê quả, ta phải thực hiện các phép suy luận logic và những suy luận toán học. Nhờ những suy luận toán học này mà các thuyết vật lý không những tiên đoán được mặt định tính mà còn mặt định lượng của hiện tượng.