Galileo và Phương pháp khảo sát khoa học
Năm 1609, sử dụng một chiếc kính thiên văn nguyên thủy (xem Hình 1.2), Galileo đã quan sát thấy bề mặt của mặt trăng lốm đốm những ngọn núi, các miệng hố, và các thung lũng; Mộc tinh thì có bốn vệ tinh riêng; Thổ tinh thì có vành; thiên hà của chúng ta (Dải Ngân hà) thì gồm nhiều ngôi sao hơn con số trước đây người ta tưởng tượng ra; và Kim tinh, giống như Mặt trăng vậy, có các pha của nó. Dựa trên những quan sát của mình, Galileo cảm thấy ông có thể thừa nhận một giả thuyết mang tính cách mạng – một giả thuyết đã được phát triển bởi một nhà thiên văn học người Ba Lan tên là Nicolaus Copernicus – cho rằng Trái đất, cùng các hành tinh khác trong Hệ Mặt trời, thật sự quay xung quanh Mặt trời.
Cái mà những người Hi Lạp không làm được là kiểm tra các giảng giải dựa trên các mô hình của họ. Khi Galileo quan sát các vật rơi, ông để ý thấy chúng dường như chẳng rơi ở những tốc độ khác nhau gì nhiều. Galileo đã chế tạo ra một thiết bị dùng để đo tốc độ của các vật rơi, ông đã làm các thí nghiệm, và phân tích các kết quả. Cái ông tìm thấy là mọi vật về căn bản rơi ở tốc độ như nhau hết. Tại sao những người Hi Lạp không nhận thấy điều này? Khá đơn giản thôi, khái niệm kiểm tra các mô hình của họ bằng cách làm thực nghiệm chẳng phải là cái được họ cho là hợp lí, hay có lẽ nó không xảy ra với họ.
Hình 1.2 Chiếc kính thiên văn mà qua nó, Galileo lần đầu tiên quan sát các vệ tinh của sao Mộc và thiên thể khác trong hệ mặt trời của chúng ta. SGK vật lý 11, McGraw-Hill Ryerso. Xem thêm hình ảnh thiên văn vũ trụ
Kể từ thời kì Galileo, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã nghiên cứu các vấn đề theo một kiểu có tổ chức, thông qua quan sát, thực nghiệm có hệ thống, và thận trọng phân tích các kết quả. Từ những phân tích này, các nhà khoa học đưa ra các kết luận, cái sau đó họ đem ra khảo sát lần nữa để đảm bảo tính đúng đắn của chúng.
Khi bạn dõi theo khóa học này, hãy luôn ghi nhớ trong đầu những quan niệm sau đây về các lí thuyết, các mô hình và các quan sát. Hãy sử dụng chúng để kích thích tư duy của bạn, và nêu nghi vấn về những quan niệm hiện nay.
Nghĩ thử xem
Một khúc gỗ nửa chìm nửa nổi trên một hồ nước. Khúc gỗ đó hiển nhiên là bằng gỗ, một chất liệu rõ ràng đã phát triển từ nguyên tố “đất”, và là một chất rắn khá đậm đặc giống như các vật thể bằng đất khác. Nếu bạn là một người Hi Lạp cổ đại tin vào Vũ trụ quan Aristotle, làm thế nào bạn có thể giải thích vì sao khúc gỗ lại nổi bồng bềnh chứ không chìm xuống như các hòn đá hay những vật thể bằng đất khác?
THỬ SỨC
Aristotle có đúng không?
Có phải các vật nặng thì rơi nhanh hơn các vật nhẹ? Hãy thả rơi đồng thời một cái tẩy chì và một tờ giấy từ mức cao ngang mắt xuống sàn. Cái nào chạm đất trước? Có cái gì trong sự chuyển động của tờ giấy khiến bạn nghĩ rằng đây không phải là một thử nghiệm tốt hay không? Giờ thì hãy vo tròn tờ giấy lại thành một quả cầu nhỏ và lặp lại thí nghiệm trên. Có sự khác biệt đáng kể nào về thời gian cần thiết để chúng chạm xuống sàn nhà hay không? Hãy mô tả các biến cố mà bạn đã cố gắng thử nghiệm.
ĐÔI NÉT LỊCH SỬ
Các mô hình của Aristotle đã được sử dụng để giải thích bản chất của sự rơi trong hàng thế kỉ. Theo Aristotle, vì một hòn đá lớn thì có nhiều chất “đất” hơn một hòn đá nhỏ, cho nên nó có khuynh hướng quay lại đất lớn hơn. Khuynh hướng này làm cho hòn đá to cân nặng hơn và vì thế nó phải rơi nhanh hơn hòn đá nhỏ. Đây là một áp dụng kinh điển của một mô hình để giải thích một hiện tượng. Tuy nhiên, chẳng có gì bất ngờ với bạn khi biết rằng vì mô hình đó là sai lầm, cho nên sự giải thích dựa trên mô hình đó cũng là sai lầm.
Nghĩ về Khoa học, Công nghệ
Xã hội và Môi trường
Vào giữa thế kỉ thứ 20, sự tiến bộ khoa học có những bước tiến rất nhanh lẹ. Sự có mặt của những nhân vật như Albert Einstein đã mang lại cho khoa học nói chung, vật lí học nói riêng, một hơi hướng gần như thần bí. Vật lí học thường xuyên chứng kiến một nghiên cứu thuần túy tách rời khỏi thế giới “thực tế”. Trái với hình ảnh đó, khoa học ngày nay được xem là một bộ phận của thế giới và có trách nhiệm ngang ngửa, hoặc thậm chí còn lớn hơn, đối với thế giới so với bất kì dạng nỗ lực nào khác. Mọi thứ khoa học nghiên cứu có sự tác động lâu dài đối với thế giới. Một phần của khóa học này là tìm hiểu mối quan hệ cộng sinh tồn tại giữa khoa học, công nghệ, xã hội và môi trường (STSE).
Đối với nhiều người, khoa học và công nghệ hầu như là một và là cái giống nhau. Chẳng gì phải nghi ngờ rằng chúng có quan hệ rất mật thiết với nhau. Những khám phá mới trong khoa học rất nhanh chóng được công nghệ đuổi kịp, và ngược lại. Thí dụ, từng được xem là một khám phá tinh xảo nhưng chẳng thực tiễn của vật lí học, laser là một thí dụ kinh điển của sự không thể tách rời của khoa học, công nghệ, xã hội và môi trường. Sự liên quan của laser trong cuộc sống của chúng ta hầu như là một sự xuất hiện hàng ngày. Công nghệ đã nhanh chóng trau chuốt và cải tiến sự hoạt động của nó. Ngày nay, laser được sử dụng rộng khắp. Các máy quét hàng ở siêu thị, dụng cụ trắc địa, thiết bị truyền thông, ảnh nổi ba chiều, máy cắt kim loại, công cụ phẫu thuật, và bút trỏ laser đơn giản chỉ là một vài thí dụ của những đổi mới mà công nghệ đã tìm ra cho laser. Rõ ràng không thể nào tách rời tầm quan trọng của khoa học và công nghệ ra khỏi xã hội. Hình 1.3 ở trang sau trình bày chỉ một vài trong số nhiều ứng dụng của vật lí học trong thế giới ngày nay.
Thường thì những phát triển giống nhau vừa có những tác động tích cực lẫn tiêu cực. Nhu cầu năng lượng không ngừng tăng lên của xã hội chúng ta đã thúc ép môi trường của chúng ta đến những giới hạn của nó. Xã hội, trong khi đòi hỏi năng lượng ngày một nhiều hơn, còn đồng thời đòi hỏi khoa học và công nghệ phải tìm ra các nguồn năng lượng thay thế. Điều này dẫn tới sự phát triển kĩ thuật hạt nhân, mặt trời, gió, nước, địa nhiệt, và nhiên liệu hóa thạch làm nguồn năng lượng. Mối quan hệ của xã hội và môi trường với khoa học và công nghệ giống như là một con dao hai lưỡi.
Hình 1.3 Một số ứng dụng của các khám phá vật lí
Phẫu thuật mắt bằng laser là một trong nhiều ứng dụng mà công nghệ đã tìm ra cho laser.
Vật lí học nghiên cứu các tính chất nhiệt của vật liệu cùng các tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực thiết kế cấu trúc kết hợp nhau đã mang lại những ngôi nhà hiệu quả năng lượng, làm giảm đáng kể nhu cầu đốt nhiên liệu của chúng ta.
“Chiếc đàn ghita” nhỏ xíu này (kích cỡ chừng bằng một tế bào hồng cầu) được chế tạo bằng công nghệ nano. Công nghệ này sẽ giúp các nhà khoa học khảo sát các quá trình mà nhờ đó các nguyên tử và phân tử có thể được sử dụng riêng lẻ làm những viên gạch cấu trúc dưới hiển vi.
Xe lai chạy bằng điện và xăng có thể cắt giảm đáng kể sự phát thải các chất gây ô nhiễm. Xe hơi chế tạo từ vật liệu composite carbon thì nhẹ hơn và bền hơn xe hơi chế tạo từ vật liệu truyền thống. Hệ thống đánh lửa và hệ thống nhiên liệu do máy tính điều khiển làm tăng thêm hiệu suất của động cơ. Toàn bộ những yếu tố này có thể hỗ trợ cho việc bảo vệ môi trường.
Các cải tiến công nghệ đã mang lại khả năng đưa ngày một nhiều máy vi tính và máy tính ngày một mạnh hơn vào trong một không gian ngày một nhỏ hơn.
Công nghệ đã chạm tới những mặt trần tục nhất trong cuộc sống của chúng ta. Các lớp TeflonTM dày cỡ micro trên lưỡi dao cạo khiến chúng trượt đi nhẹ nhàng hơn trên bề mặt da.
SGK vật lý 11, McGraw-Hill Ryerson
