Mục tiêu
- Sử dụng các mô hình khoa học thích hợp để giải thích và dự đoán hành trạng của các hiện tượng tự nhiên.
- Nhận dạng và mô tả các ngành nghề có gốc rễ khoa học và công nghệ liên quan đến vật lí học.
Từ khóa
- vật lí học
- khảo sát khoa học
- quan sát
- định tính
- định lượng
- lí thuyết
- mô hình
Cái khiến cho vật lí học thật hấp dẫn là bạn sẽ tham gia vào việc suy nghĩ về vũ trụ hoạt động như thế nào và tại sao nó lại hành xử như thế. Khi được yêu cầu định nghĩa khái niệm khoa học, Albert Einstein từng trả lời rằng “khoa học chẳng gì hơn là sự trau chuốt của tư duy hàng ngày”. Nếu bạn thay từ “khoa học” bằng từ “vật lí” trong định nghĩa của Einstein, thì sự trau chuốt mà ông đang nhắc tới đó là gì? Sử dụng ngôn ngữ toán học để xây dựng các mô hình và lí thuyết, vật lí học cố gắng giải thích và dự đoán các tương tác giữa vật chất và năng lượng. Trong vật lí học, sự tìm kiếm bản chất của những mối liên hệ này đưa chúng ta đưa chúng ta đi từ cấu trúc dưới hiển vi của nguyên tử đến cấu trúc siêu vĩ mô của vũ trụ. Tuy nhiên, mọi nỗ lực vật lí học đều có một đặc điểm chung: chúng đều nhắm tới việc thiết lập các sự thật cơ bản về bản chất của vũ trụ.
Nhiệm vụ của bạn trong khóa học này sẽ là phát triển một quá trình tự quyết cho phép bạn đi từ “tư duy hàng ngày” của Einstein đến “sự trau chuốt của tư duy hàng ngày” của ông. Sự trau chuốt này, quá trình thu thập dữ liệu một cách có hệ thống thông qua quan sát, thực nghiệm, tổ chức dữ liệu, và đưa ra các kết luận, thường được gọi là khảo sát khoa học. Phương pháp này bắt đầu với quá trình nêu giả thuyết. Một nhà khoa học giỏi sẽ cố gắng đi tìm bằng chứng không được một mô hình nào hậu thuẫn. Nếu tìm thấy bằng chứng mâu thuẫn, thì mô hình đó là không thỏa đáng.
Trong tài liệu này, bạn sẽ bắt gặp các quan niệm sai lầm được in chữ nhỏ ở hai bên lề trang. Hãy ngẫm xem suy nghĩ hiện tại của bạn có vướng phải những quan niệm sai lầm đó hay không. Sau đó, với việc khảo sát vật lí học qua sự trải nghiệm cùng khóa học, hãy phát triển kiến thức hiểu biết của riêng bạn.
Sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về vũ trụ đã bắt đầu như thế nào? Trước thời hiện nay, sự tiến bộ đã diễn ra như thế nào trong những thế kỉ qua? Tư duy mà chúng ta biết đó đã bắt đầu với Artistotle.
Quan niệm sai
Từ tia X đến các xung thần kinh
Nhiều người nghĩ rằng vật lí thật khó và mang tính toán học cao. Trong khi toán học đúng là một phần rất quan trọng đối với vật lí học, nhưng cơ sở của vật lí học thì chẳng gì khó hiểu đâu. Cho dù lĩnh vực nghiên cứu hứng thú nhất của bạn là gì đi nữa, thì có lẽ các khái niệm vật lí sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn một số phương diện của nó. Bạn có thể đặc biệt hứng thú với một ngành khoa học khác, như sinh học hoặc hóa học chẳng hạn. Khi sự nghiên cứu khoa học của bạn có bước tiến bộ, bạn sẽ phát hiện ra rằng mỗi ngành khoa học đều có liên quan lẫn nhau. Thí dụ, các nhà hóa học sử dụng tia X để nghiên cứu cấu trúc của các phân tử lớn. Các nhà sinh học sử dụng lí thuyết điện để nghiên cứu sự truyền tải các xung thần kinh.
Hai mô hình của Artistotle
Hơn 2300 năm trước đây, hai mô hình có liên quan đã được sử dụng làm cơ sở cho việc giải thích nguyên do các vật rơi xuống và chuyển động như chúng vốn như thế. Artistotle (384–328 tCN) đã sử dụng một mô hình để giải thích sự chuyển động của các vật trên Trái đất, và sử dụng một mô hình thứ hai (xem hình) để giải thích sự chuyển động của các ngôi sao và hành tinh trên bầu trời. Ngày nay, chúng ta không chấp nhận những mô hình này là sự giải thích tốt nhất cho sự chuyển động của các vật thể trên Trái đất và trong không gian vũ trụ. Tuy nhiên, vào thời đại ấy, chúng là những giải pháp rất thông minh để giải thích những hiện tượng này khi Aristotle quan sát chúng.
Hình 1.1: Vũ trụ quan Aristotle, Trái đất nằm tại trung tâm của vũ trụ, SGK vật lý 11, McGraw-Hill Ryerson
Đôi nét lịch sử
Richard Feynman (1918–1988), nhà khoa học đạt giải Nobel và là cha đẻ của công nghệ nano, là một trong những nhà vật lí nổi tiếng nhất của thế kỉ thứ 20. Năm 1959, trong khi trình bày một bài báo mang tựa đề “Có rất nhiều Không gian dưới Tận cùng” nói về các đặc trưng của thế giới dưới hiển vi khi đó còn ít người hiểu rõ, Feynman đã nhận xét: “Chẳng có gì ngoài kích cỡ vụng về của chúng ta ngăn chúng ta sử dụng không gian [đó]”. Khi ông nói ra những lời như thế, công nghệ nano vẫn còn là một giấc mơ xa vời. Giấc mơ đó ngày nay đã rất gần với thực tại. Thật vậy, ngành y khoa và khoa học máy tính thuộc thế kỉ thứ 21 có thể sẽ chứng kiến những ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano, vì cả hai ngành khoa học này đều đang chạy đua phát triển các công cụ một ngày nào đó sẽ cho phép chúng thao tác trên từng nguyên tử một.
Aristotle và Sự chuyển động
Mô hình giải thích sự chuyển động trên Trái đất xây dựng trên một quan điểm cấp tiến của những người Hi Lạp, sau sự tư duy của Aristotle. Aristotle thừa nhận quan điểm của Empedocles (492–435 tCN) rằng mọi vật có cấu tạo từ bốn nguyên tố hay bốn chất – đất, nước, không khí và lửa. Mọi vật thể được cho là tuân theo những quy luật cơ bản giống nhau tùy thuộc vào các chất mà chúng chứa. Mỗi chất có một vị trí tự nhiên trong trật tự vũ trụ. Vị trí của đất là ở dưới cùng, trên đó là nước, rồi không khí và lửa. Theo mô hình này, mỗi vật trong vũ trụ có cấu tạo gồm những lượng đa dạng thuộc bốn nguyên tố này. Một hòn đá hiển nhiên là đất. Khi được thả rơi, hòn đá rơi xuống nhằm tìm lại vị trí vốn dành cho nó trong trật tự của vạn vật. Lửa thì ở trên cùng trong số các chất. Khi một khúc gỗ bốc cháy, lửa mà nó thu nhận từ mặt trời trong quá trình nó lớn lên được giải phóng và bốc lên vị trí thượng cùng của nó. Theo Aristotle, vạn vật trôi nổi, rơi xuống, hay dâng lên là để trở lại nơi vốn có của nó trong thế giới. Những tác dụng này được phân loại là các chuyển động tự nhiên. Khi một vật chịu tác dụng của một lực, thì nó có thể chuyển động theo những hướng khác ngoài chuyển động tự nhiên đưa chúng trở lại vị trí tự nhiên của chúng. Một hòn đá có thể chuyển động theo phương ngang hoặc thẳng đứng lên cao bằng cách tác dụng một lực theo chiều như mong muốn. Khi lực ngừng tác dụng, thì chuyển động đó dừng lại.
Mô hình giải thích sự chuyển động trên bầu trời thì hơi khác một chút. Các nhà thiên văn học Hi Lạp biết rằng có hai loại “sao”, các ngôi sao cố định và các hành tinh (hay kẻ du thực), đồng thời còn có Mặt trời và Mặt trăng. Những vật thể này dường như không bị chi phối bởi các quy luật giống như các vật cấu tạo từ những chất khác. Chúng chuyển động ngang trên bầu trời mà không có lực nào tác dụng lên chúng hết. Người Hi Lạp xếp chúng vào chất thứ năm trong bảng danh mục vật chất của họ. Mọi vật thể thuộc nguyên tố thứ năm được xem là hoàn hảo. Mặt trăng, chẳng hạn, được cho là một quả cầu hoàn hảo. Mô hình của Aristotle giả sử rằng tồn tại những quả cầu hoàn hảo, trong suốt, không nhìn thấy, nâng đỡ cho các thiên thể.
Sau này, khi Ptolemy (87–150) phát triển mô hình vũ trụ địa tâm của ông, ông đã sử dụng quan điểm này làm nền tảng và mở rộng nó để đưa vào các vòng nội luân và ngoại luân nhằm giải thích vì sao các hành tinh thường chuyển động giật lùi. Một chuyển động tròn thôi chỉ có thể giải thích sự chuyển động của Mặt trời và Mặt trăng.
Đối với các nền văn hóa châu Âu, hai mô hình của Aristotle thành công đến mức gần như trong 2000 năm, người ta chấp nhận chúng mà chẳng nghi vấn gì. Chúng vẫn có thể được chấp nhận cho đến khi bị thách thức bởi Galileo Galilei (1564–1642).
Thử sức
Sử dụng các tài nguyên điện tử hoặc in ấn, hãy nghiên cứu một bài báo hiện đại hoặc một bài báo lịch sử trình bày một số phương diện của vật lí học. Tóm tắt bài báo đó thành hai hoặc ba đoạn, chú ý vì sao bạn nghĩ chủ đề đó là quan trọng. Hãy cung cấp càng nhiều thông tin về nguồn gốc của bài báo càng tốt.
Liên hệ ngôn ngữ
Thậm chí ngày nay, thuật ngữ nguyên tố thứ năm vẫn có ý nghĩa chỉ địa vị cao nhất của sự tồn tại. Bạn hãy sử dụng thuật ngữ này, ở dạng danh từ hoặc tính từ của nó, để mô tả một sự kiện quan trọng hay một người quan trọng trong cuộc đời của bạn.
SGK vật lý 11, McGraw-Hill Ryerson
