Những con số làm nên vũ trụ - Phần 36

Hans Oersted, Michael Faraday, và Cảm ứng điện từ

Lịch sử điện học, cho dù ngắn gọn như trình bày trong chương này, sẽ không hoàn chỉnh nếu không nhắc tới hai thí nghiệm chủ chốt có khả năng làm thay đổi tiêu chuẩn sống của người bình dân mạnh hơn cả những sự kiện khác trong lịch sử nhân loại. Thí nghiệm thứ nhất trong hai thí nghiệm này được thực hiện bởi nhà vật lí người Đan Mạch Hans Oersted, vào năm 1820 ông đã chứng minh rằng việc đóng mở một dòng điện ở gần một cái la bàn sẽ làm cho kim la bàn đó nhúc nhích. Kim la bàn thường chỉ nhúc nhích theo sự có mặt của nam châm; hệ quả rút ra là việc đóng mở dòng điện tạo ra một từ trường. Tất nhiên, từ trường chưa được nghĩ ra để mô tả cách lực điện và lực từ hoạt động; quan niệm trường là của Michael Faraday, ông đã thực hiện cái được xem là thí nghiệm quan trọng thứ hai vừa nói.

Mười một năm sau đó, Faraday đã lật ngược thí nghiệm của Oersted, ông lí giải rằng nếu một dòng điện có thể ảnh hưởng đến một nam châm, thì có khả năng cho nam châm cũng tác dụng lên dòng điện. Có lẽ ông đã thành công vượt ngoài những giấc mơ điên cuồng nhất của mình, ông chứng minh rằng nếu một nam châm chuyển động xuyên qua một cuộn dây sao cho chuyển động của nam châm đó liên tục thay đổi, thì sẽ có một dòng điện chạy trong dây. Đây được gọi là nguyên lí cảm ứng điện từ, và là cơ sở cho sự phát điện. Tôi không thể giúp gì nhưng tôi tự hỏi không biết nguyên do vì đâu mà có sự chậm trễ giữa thí nghiệm của Oersted và thí nghiệm của Faraday; có lẽ thực tế sự chuyển động biến thiên của nam châm – chứ không phải chuyển động đều – cần thiết để tạo ra dòng điện và việc không nhận ra điều này là nguyên nhân cho khoảng trống mười một năm đã nói.

Sự phát triển hết sức thịnh vượng của xã hội của chúng ta có lẽ là nhờ có năng lượng điện rẻ tiền và rộng khắp, bởi vì khám phá của Faraday đã cho phép chúng ta khai thác sức mạnh của lực hấp dẫn lẫn của Mặt trời. Nhiệt Mặt trời làm nước trên các đại dương bốc hơi. Nó dâng lên, lạnh đi, và rơi xuống dưới dạng mưa hoặc tuyết ở những vĩ độ cao. Lực hấp dẫn làm cho nước chảy từ trên cao xuống thấp, nên chúng ta có thể khai thác năng lượng bằng cách đặt các dynamo bên trong các đập nước. Dynamo quay làm sinh ra dòng điện, rồi dòng điện có thể truyền đi xa bằng hệ thống cáp điện. Khi chúng ta cắm một dụng cụ sử dụng động cơ điện vào ổ cắm, dòng điện làm cho các nam châm chuyển động, và chính chuyển động này cho phép thiết bị điện hoạt động. Rồi nhiệt Mặt trời lại làm bay hơi nước cấp nguồn cho các dynamo, và chu trình bắt đầu trở lại. Và, tất nhiên, chúng ta còn dựa trên hơi nước bốc hơi bằng cách đốt cháy than, dầu, và khí thiên nhiên, và bởi sự phân hạch hạt nhân, để làm quay các dynamo, và tạo ra điện.

Faraday còn có một trực giác sắc bén về lực điện và lực từ mà ông đang nghiên cứu. Nhiều tiến bộ khoa học lớn có thể xảy ra là nhờ những phương pháp mới khái niệm hóa các hiện tượng. Faraday hình dung lực điện và lực từ là gồm những đường sức choán đầy không gian, với lực lớn hơn tạo ra nhiều đường sức hơn trong một vùng nhất định. Phương pháp hình dung lực điện và lực từ như thế này dẫn tới khái niệm trường, một loại mô tả toán học chiếm một vị trí trung tâm trong vật lí học. Tuy nhiên, vượt ngoài chút hương vị này, lí thuyết trường sẽ vẫn nằm ngoài phạm vi của cuốn sách này.