Nội dung
Giới thiệu: Thế nào là một định luật tự nhiên?
1. Quang học
Các định luật về ánh sáng
2. Các định luật điện từ học
3. Dòng điện
Định luật Ohm và Định luật Joule
Định luật nghịch đảo bình phương
Niên đại
Tiểu sử các nhà khoa học
Tài liệu tham khảo
Thuật ngữ
Về tác giả
Giới thiệu
Thế nào là một định luật tự nhiên?
Mọi người đều biết một điều luật là gì. Nó là một quy tắc yêu cầu mọi người phải hoặc không phải làm một cái gì đó. Các điều luật cho chúng ta biết rằng chúng ta không nên lái xe nhanh hơn tốc độ giới hạn được phép, rằng chúng ta không được phép lấy tài sản của người khác, rằng chúng ta phải đóng thuế thu nhập hàng năm.
Những điều luật này từ đâu mà có? Ở nước Mĩ và những nước dân chủ khác, các điều luật được soạn ra bởi những đại biểu được bầu. Những người này đưa ra thảo luận những ý tưởng mà họ nghĩ là hợp lí và có ích. Sau đó, họ bỏ phiếu để quyết định những ý tưởng nào sẽ thật sự trở thành luật.
Nhưng còn có một loại luật khác nữa, đó là định luật khoa học. Thí dụ, bạn sẽ đọc về định luật Coulomb ở cuối quyển sách này. Định luật Coulomb cho chúng ta biết rằng lực điện giữa hai vật bất kì phụ thuộc vào hai yếu tố: lượng điện tích của mỗi vật, và khoảng cách giữa hai vật. Vậy định luật Coulomb từ đâu mà có, và chúng ta có thể làm gì nếu chúng ta muốn thay đổi nó?
Định luật Coulomb rất khác với giới hạn tốc độ hay điều luật quy định bạn phải đóng thuế. Giới hạn tốc độ ở những nơi khác nhau thì khác nhau. Trên nhiều tuyến cao tốc xuyên tỉnh, lái xe có thể chạy đến 105 km/h. Trên những tuyến phố đông đúc, họ phải lái xe chậm lại. Nhưng lực điện thì luôn tác dụng giống như nhau cho dù bạn đang ở đâu – ở đồng quê hay thành thị, ở Pháp, ở Brazil hay ở Mĩ.
Thỉnh thoảng, người ta vi phạm luật. Khi giới hạn tốc độ là 89 km/h, người ta thường lái 97 km/h hoặc thậm chí còn nhanh hơn. Nhưng chuyện gì sẽ xảy ra nếu bạn thử vi phạm định luật Coulomb? Bạn không thể. Nếu bạn kiểm tra một nghìn vật tích điện, bạn sẽ nhận thấy mỗi và mọi vật đều tuân theo quy tắc mô tả trong định luật Coulomb. Mọi vật đều tuân theo định luật này. Và chúng ta biết rằng định luật Coulomb vẫn phát huy tác dụng cho dù người ta có đang theo dõi vật hay không.
Định luật Coulomb là một định luật tự nhiên, hay một quy tắc của tự nhiên. Các nhà khoa học và nhà triết học đã nghiên cứu những sự kiện xảy ra trong thế giới của chúng ta trong một thời gian dài. Họ đã tiến hành những quan sát tỉ mỉ và đã làm nhiều thí nghiệm. Và họ nhận thấy những sự kiện nhất định xảy ra mãi mãi theo một kiểu có quy luật, có thể dự đoán trước. Có lẽ bạn cũng đã từng chú ý tới một số dạng thức này trong thế giới quanh ta.
Một định luật khoa học là một phát biểu giải thích vạn vật hoạt động như thế nào trong vũ trụ. Nó mô tả cách thức vạn vật hoạt động, chứ không phải cách thức chúng ta muốn chúng như thế. Điều đó có nghĩa là một định luật khoa học không phải là cái gì đó có thể thay đổi hễ khi nào chúng ta lựa chọn. Chúng ta có thể thay đổi tốc độ giới hạn hay tỉ suất thuế nếu chúng ta nghĩ chúng quá cao hoặc quá thấp. Nhưng cho dù chúng ta có muốn lực điện tác dụng khác đi như thế nào chăng nữa, thì định luật Coulomb vẫn phát huy tác dụng. Chúng ta không thể thay đổi nó; chúng ta chỉ có thể mô tả cái xảy ra mà thôi. Công việc của một nhà khoa học là mô tả các định luật của tự nhiên càng đúng và càng chính xác càng tốt.
Những định luật mà bạn đọc trong tập sách này là những định luật vạn vật. Điều đó có nghĩa là chúng không những đúng tại đây, trên Trái đất này, mà còn đúng trong toàn cõi vũ trụ. Vũ trụ bao gồm tất cả những thứ mà chúng ta biết là tồn tại: hành tinh của chúng ta, hệ mặt trời của chúng ta, thiên hà của chúng ta, toàn bộ hàng tỉ ngôi sao và thiên hà khác, và toàn bộ khoảng không gian trống rỗng vô tận ở giữa chúng. Toàn bộ những bằng chứng mà các nhà khoa học thu thập được về những hành tinh và những ngôi sao khác trong vũ trụ của chúng ta cho chúng ta biết rằng những định luật khoa học áp dụng được cho Trái đất này cũng áp dụng được cho mọi nơi khác.
Trong lịch sử khoa học, một số định luật đã được tìm thấy qua những khám phá xuất sắc của một cá nhân nào đó. Nhưng thông thường, các định luật khoa học được khám phá qua sự nỗ lực của nhiều nhà khoa học, mỗi người xây dựng trên nền tảng của những người khác đã đi trước. Khi một nhà khoa học – như Charles Augustin de Coulomb – nhận được vinh dự khám phá ra một định luật, thì điều quan trọng nên nhớ là những người khác cũng có đóng góp cho sự khám phá đó. Hầu như mọi khám phá khoa học đều dựa trên những vấn đề và những câu hỏi mà nhiều nhà khoa học trước đó đã nghiên cứu.
Các định luật khoa học hiếm khi thay đổi. Chúng bất biến vì chúng ta nói vũ trụ hành xử khác đi. Các định luật khoa học chỉ thay đổi khi chúng ta có thêm những thông tin mới hay những quan sát chính xác hơn. Định luật thay đổi khi các nhà khoa học có những khám phá mới cho thấy định luật cũ không còn mô tả vũ trụ tốt như thế nữa. Hễ khi nào các nhà khoa học thống nhất một sự thay đổi trong các định luật tự nhiên, thì định luật mới mô tả các sự kiện một cách hoàn chỉnh hơn, hoặc đơn giản và rõ ràng hơn.
Một thí dụ hay kiểu này là các định luật mô tả điện học và từ học. Các nhà khoa học đã từng nghĩ rằng điện và từ là hai hiện tượng khác nhau và tách rời nhau. Nhưng những khám phá mới và những phép đo cải tiến đã giúp cho một nhà khoa học lớn, James Clerk Maxwell, viết lại các định luật mô tả điện và từ hoạt động như thế nào. Maxwell nhận ra rằng lực điện và lực từ là hai dạng khác nhau của cùng một lực. Bạn có thể đọc về những khám phá của Maxwell ở phần sau tập sách này.
Các định luật tự nhiên thường được viết theo ngôn ngữ toán học. Ngôn ngữ này cho phép các nhà khoa học chính xác hơn trong những mô tả của họ rằng vạn vật hoạt động như thế nào. Thí dụ, định luật Coulomb thật ra được viết như thế này:
Đừng để toán học làm bạn hoa mắt. Nó chính là định luật mô tả các điện tích tương tác như thế nào. Viết định luật đó ra như thế này cho phép các nhà khoa học tính toán chính xác lực điện tương tác trong nhiều tình huống khác nhau ở trên Trái đất này và ở mọi nơi trong vũ trụ.
Ngành khoa học nghiên cứu vật chất và năng lượng và cách thức chúng hành xử được gọi là vật lí học. Trong hàng trăm năm qua, các nhà vật lí đã và đang nghiên cứu vũ trụ của chúng ta, họ đã khám phá ra nhiều định luật tự nhiên. Trong tập sách này, bạn sẽ bắt gặp một vài trong số những khám phá vĩ đại này. Sẽ có một số thí nghiệm đơn giản bạn có thể thực hiện để nghiệm xem các định luật tác dụng như thế nào. Hãy cùng đọc và cùng chia sẻ những câu chuyện thú vị về những định luật tiết lộ những bí ẩn của vũ trụ của chúng ta.
Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học
Paul Fleisher
Trần Nghiêm dịch
![[Sách] Sóng - Các nguyên lí của ánh sáng, điện và từ học](/bai-viet/images/2011/08/song-nguyenli.bmp)
