Nếu bạn thả rơi chiếc giày của bạn và một đồng tiền sát bên nhau, chúng sẽ chạm đất cùng một lúc. Tại sao chiếc giày không rơi xuống trước, vì lực hấp dẫn hút nó mạnh hơn mà ? Làm thế nào thủy tinh thể của mắt bạn hoạt động được, và tác dụng cơ mắt của bạn phải nén thủy tinh thể của nó thành những hình dạng khác nhau để hội tụ các vật ở gần hay ở xa ? Đây là những loại câu hỏi mà các nhà vật lí đã cố gắng trả lời về hành vi của ánh sáng và vật chất, hai thứ cấu thành nên vũ trụ.
 |
| Phi thuyền Mars Climate Orbiter chuẩn bị cho sứ mệnh của nó. Các định luật vật lí là như nhau ở mọi nơi, kể cả trên Hỏa tinh, nên con tàu có thể được thiết kế trên các định luật vật lí đã phát hiện trên Trái đất. Có một lí do đáng tiếc nữa lí giải vì sao phi thuyền này lại có liên quan tới chủ đề của chương này: nó bị phá hủy khi cố đi vào bầu khí quyển của Hỏa tinh vì các kĩ thuật viên tại Lockheed Martin đã quên đổi số liệu về động cơ đẩy từ pound sang đơn vị hệ mét của lực (newton) trước khi cung cấp thông tin cho NASA. Việc đổi đơn vị thật quan trọng ! |
1. Phương pháp khoa học
Mãi cho đến rất gần đây trong lịch sử, không có tiến bộ nào được thực hiện trong việc trả lời những câu hỏi như thế này. Tệ hại hơn nữa, những câu trả lời sai viết ra bởi các nhà tư tưởng như nhà vật lí người Hi Lạp cổ đại Aristotle đã được chấp nhận mà không hề nghi ngờ trong hàng nghìn năm. Tại sao kiến thức khoa học tiến triển kể từ thời Phục hưng lại tiến bộ hơn toàn bộ thiên niên kỉ trước đó kể từ khi có lịch sử ghi lại ? Rõ ràng cuộc cách mạng công nghiệp là một phần của câu trả lời. Việc phát triển các khẩu pháo, động cơ hơi nước, đòi hỏi những kĩ thuật cải tiến cho xây dựng và đo lường chính xác. (Ngay từ sớm, nó đã được xem là một tiến bộ lớn khi các cửa hàng máy móc ở Anh học được cách chế tạo piston và xilanh và lắp vào nhau với một khe hẹp hơn bề dày của đồng penny) Nhưng trước cả cách mạng công nghiệp, đã có các bước khám phá, chủ yếu vì đưa ra phương pháp khoa học hiện đại. Mặc dù nó tiến triển theo thời gian, nhưng đa số nhà khoa học ngày nay thống nhất với nhau về một số điều như liệt kê dưới đây về các nguyên tắc cơ bản của phương pháp khoa học:
(1) Khoa học là một chu trình của lí thuyết và thực nghiệm. Các lí thuyết khoa học được đưa ra để giải thích kết quả thí nghiệm tạo ra dưới những điều kiện nhất định. Một lí thuyết thành công cũng sẽ đưa ra những tiên đoán mới về những thí nghiệm mới dưới những điều kiện mới. Tuy vậy, cuối cùng, điều luôn xảy ra là một thí nghiệm mới xuất hiện, cho thấy dưới những điều kiện nhất định, lí thuyết đó không hẳn là một sự gần đúng tốt hay thậm chí không còn giá trị nữa. Quả bóng khi đó được đá trở lại sân của các nhà lí thuyết. Nếu một thí nghiệm không ăn khớp với lí thuyết hiện tại, thì lí thuyết đó phải thay đổi, chứ không phải thí nghiệm.
a/ Khoa học là một chu trình của lí thuyết và thực nghiệm
(2) Lí thuyết phải vừa có tính tiên đoán vừa có tính giải thích. Yêu cầu của sức mạnh dự đoán có nghĩa là một lí thuyết sẽ chỉ có đầy đủ ý nghĩa nếu như nó có khả năng tiên đoán cái gì đó có thể kiểm tra trên cơ sở các phép đo thực nghiệm mà lí thuyết đó không với tới ngay. Nghĩa là, một lí thuyết phải có thể kiểm tra được. Giá trị giải thích có nghĩa là nhiều hiện tượng phải được xem xét đối với vài nguyên lí cơ bản. Nếu bạn trả lời mỗi câu hỏi “tại sao” rằng “bởi vì nó là như thế” thì lí thuyết của bạn không có giá trị giải thích. Sưu tập nhiều số liệu mà không có khả năng tìm ra bất kì nguyên lí nền tảng cơ sở nào thì không phải là khoa học.
(3) Các thí nghiệm phải có thể lặp lại được. Một thí nghiệm sẽ bị xem xét với sự hoài nghi nếu như nó chỉ hoạt động đối với một người, hoặc chỉ hoạt động trong một bộ phận của thế giới. Bất kì ai có kĩ năng và trang thiết bị cần thiết đều có thể thu được kết quả như nhau từ những thí nghiệm như nhau. Điều này ngụ ý rằng nền khoa học vượt qua ranh giới quốc gia và tôn giáo; bạn có thể chắc chắn rằng chẳng có ai đang làm khoa học thật sự khi họ khẳng định công việc của họ là “Aryan, không phải Do Thái,” “mác-xít, không phải tư bản,” hay “Công giáo, không phải vô thần”. Một thí nghiệm không thể tái dựng lại được nếu như nó là bí mật, cho nên khoa học nhất thiết phải là một sự nghiệp chung.
 |
| b/ Hình vẽ châm biếm phòng làm việc của một nhà giả kim thuật. H. Cock, vẽ lại theo Peter Brueghel (thế kỉ 16) |
Một thí dụ của chu trình lí thuyết và thực nghiệm, một bước tiến cần thiết đến nền hóa học hiện đại là quan sát thực nghiệm cho thấy các nguyên tố hóa học không thể chuyển hóa lẫn nhau, chẳng hạn như chì không thể biến thành vàng. Điều này dẫn tới lí thuyết cho rằng các phản ứng hóa học bao gồm sự sắp xếp lại của các nguyên tố theo những kết hợp khác nhau, không có bất kì sự thay đổi nào ở nhân dạng của bản thân các nguyên tố. Lí thuyết đó hoạt động trong hàng trăm năm, và được xác nhận bằng thực nghiệm trên một phạm vi rộng của áp suất và nhiệt độ và với nhiều kết hợp của các nguyên tố. Chỉ trong thế kỉ 20, chúng ta mới biết rằng một nguyên tố có thể chuyển hóa thành một nguyên tố khác dưới những điều kiện áp suất và nhiệt độ cực cao tồn tại trong quả bom hạt nhân hoặc bên trong một ngôi sao. Quan sát đó không hoàn toàn vô hiệu hóa lí thuyết ban đầu về sự bất biến của các nguyên tố, nhưng nó cho thấy nó chỉ là một sự gần đúng, hợp lí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường.
Một pháp sư lên đồng tham gia nói chuyện với linh hồn người đã mất. Ông nói ông có sức mạnh ma thuật đặc biệt mà người khác không có, nó cho phép ông “liên lạc” thông tin với các linh hồn. Ở đây, phần nào của nguyên tắc khoa học đã bị vi phạm ?
Phương pháp khoa học mô tả ở đây là một sự lí tưởng hóa, và không nên hiểu là một tập hợp thủ tục dùng trong làm khoa học. Các nhà khoa học có nhiều nhược điểm và tính xấu như mọi nhóm người khác, và rất thường xảy ra với các nhà khoa học là cố gắng làm mất uy tín của thí nghiệm của người khác khi kết quả của người ta trái ngược với quan điểm ưa thích của họ. Nền khoa học thành công cũng phải làm việc với sự may mắn, trực giác và sáng tạo nhiều hơn đa số mọi người nhận thấy, và hạn chế của phương pháp khoa học là không hề kiềm chế cá tính và sự tự biểu hiện hơn so với dạng fugue sonata kiềm chế Bach và Haydn. Có một xu hướng gần đây trong số các nhà khoa học xã hội là đi xa hơn nữa và đi tới phủ nhận sự tồn tại của phương pháp khoa học, khẳng định khoa học không gì hơn là một hệ thống xã hội độc đoán xác định ý tưởng nào được chấp nhận dựa trên tiêu chuẩn của nhóm người có chung quyền lợi. Nếu khoa học là một lễ nghi xã hội độc đoán, thì hình như khó mà giải thích được tính hiệu quả của nó trong việc chế tạo các đồ đạc hữu ích như máy bay, máy hát đĩa CD và máy may. Nếu như thuật giả kim và chiêm tinh học không kém tính khoa học hơn trong phương pháp của nó so với hóa học và thiên văn học, thì cái gì khiến cho chúng không tạo ra được cái nào có ích cả ?
Xét xem có hay không có phương pháp khoa học áp dụng trong những thí dụ sau đây. Nếu phương pháp khoa học không được áp dụng, hỏi những người có hoạt động được mô tả có đang tiến hành một hoạt động con người hữu ích hay không, dẫu là một hoạt động phản khoa học ?
A. Châm cứu là một kĩ thuật y khoa cổ truyền có nguồn gốc châu Á trong đó những cây kim nhỏ được cắm vào cơ thể con người để làm giảm đau đớn. Nhiều bác sĩ được đào tạo ở phương tây xem châm cứu là không có giá trị nghiên cứu thực nghiệm, vì nếu như nó có tác dụng chữa bệnh, thì những tác dụng đó không thể nào giải thích bằng lí thuyết của họ về hệ thần kinh. Ai là người mang tính khoa học hơn, những người hành nghề phương tây hay phương đông ?
B. Goethe, một nhà thơ Đức, ít được biết tới cho lí thuyết của ông về màu sắc. Ông đã xuất bản một cuốn sách về đề tài đó, trong đó ông biện hộ rằng dụng cụ khoa học dùng để đo và định lượng màu sắc, như lăng kính, thấu kính và bộ lọc màu, không thể mang lại cho chúng ta cái nhìn trọn vẹn vào ý nghĩa tối hậu của màu sắc, chẳng hạn cảm giác lạnh gợi lên bởi màu lam và lục, hay tính khoa trường do màu đỏ kích động. Hỏi nghiên cứu của ông có mang tính khoa học không ?
C. Một đứa trẻ thắc mắc tại sao mọi vật đều rơi xuống, và một người trưởng thành trả lời “vì hấp dẫn”. Nhà triết học Hi Lạp cổ đại Aristotle giải thích rằng đất đá rơi xuống vì bản chất của chúng tìm lại vị trí tự nhiên của chúng, tiếp giáp với Trái đất. Những lời giải thích này có mang tính khoa học không ?
D. Đạo Phật phần nào là một lời giải thích tâm lí học của sự trải nghiệm của con người, và tâm lí học tất nhiên là một khoa học. Đức Phật có thể nói là phải bận rộn trong một chu trình lí thuyết và thực nghiệm, vì ông nghiên cứu bằng cách thử và sai, và cho dẫu muộn trong cuộc đời ông, ông đã yêu cầu các môn đồ thử thách ý tưởng của ông. Phật giáo còn có thể xem là có tính sinh sôi, vì Đức Phật bảo các môn đồ của ông rằng họ có thể tìm sự khai sáng cho chính họ nếu họ tuân theo một khóa nghiên cứu và rèn luyện nhất định. Hỏi Phật giáo có phải là một hoạt động theo đuổi khoa học hay không ?
2. Vật lí là gì ?
Cho rằng trong chốc lát, một người thông minh có thể lĩnh hội tất cả các lực mà nhờ đó tự nhiên được cấp thêm sinh khí và vị trí tương ứng của những thứ tạo ra nó… thì không có gì là không chắc chắn, và tương lai cũng như quá khứ sẽ nằm trước mắt nó.
Pierre Simon de Laplace
Vật lí là sử dụng phương pháp khoa học để tìm ra các nguyên lí cơ bản chi phối ánh sáng và vật chất, và khám phá ra hệ quả của những định luật này. Một phần của cái phân biệt quan điểm hiện đại với thế giới quan cổ đại là giả định có những quy luật mà nhờ đó các chức năng vũ trụ, và những định luật đó có thể được hiểu ít nhất là phần nào đó bởi con người. Từ kỉ nguyên Lí trí cho đến thế kỉ 19, nhiều nhà khoa học bắt đầu bị thuyết phục rằng các định luật tự nhiên không những có thể hiểu được mà, như Laplace khẳng định, những định luật đó về nguyên tắc còn có thể sử dụng để tiên đoán mọi thứ về tương lai của vũ trụ nếu như có đủ thông tin về trạng thái hiện nay của toàn bộ ánh sáng và vật chất. Trong những phần sau, tôi sẽ mô tả hai loại giới hạn chung trên tiên đoán sử dụng các định luật vật lí, chúng chỉ được ghi nhận trong thế kỉ 20.
Vật chất có thể định nghĩa là thứ gì đó bị tác dụng bởi hấp dẫn, tức là nó có trọng lực hay sẽ có sức nặng nếu nó nằm gần Trái đất hoặc một ngôi sao khác hoặc một hành tinh đủ nặng để tạo ra sức hấp dẫn có thể đo được. Ánh sáng có thể định nghĩa là thứ gì đó có thể truyền từ nơi này sang nơi khác qua không gian trống rỗng và có thể tác dụng lên vật chất, nhưng không có trọng lượng. Ví dụ, ánh sáng Mặt trời có thể tác dụng lên cơ thể bạn bằng cách làm nó nóng lên hay phá hỏng DNA của bạn và làm cho bạn bị ung thư da. Định nghĩa ánh sáng của nhà vật lí bao gồm nhiều hiện tượng phong phú không nhìn thấy với mắt thường, gồm có sóng vô tuyến, vi sóng, tia X và tia gamma. Những đối tượng này là “màu” của ánh sáng không rơi vào ngưỡng hẹp từ-tím-tới-đỏ của cầu vồng mà chúng ta có thể nhìn thấy.
Vào đầu thế kỉ 20, một hiện tượng mới lạ được phát hiện thấy trong ống chân không: các tia bí ẩn có nguồn gốc và bản chất không rõ. Những tia này giống như các tia bắn từ phía sau ống đèn hình ti vi nhà bạn và chạm tới phía trước tạo ra hình ảnh. Các nhà vật lí vào năm 1895 không hề có ý tưởng xem những tia này là cái gì, nên họ đặt tên đơn giản cho chúng là “tia cathode”, theo tên của tiếp xúc điện từ đó chúng phát ra. Một cuộc tranh luận sôi nổi nổ ra, hoàn toàn với ý nghĩa quan niệm, xem những tia này thuộc dạng ánh sáng hay vật chất. Người ta sẽ phải làm gì để giải quyết vấn đề đó ?
Nhiều hiện tượng vật lí bản thân chúng không phải là ánh sáng hay vật chất, mà là tính chất của ánh sáng hay vật chất hoặc tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Chẳng hạn, chuyển động là một tính chất của mọi ánh sáng và một số vật chất, nhưng bản thân nó không phải là ánh sáng hay vật chất. Áp suất giữ cho lốp xe đạp căng lên là sự tương tác giữa không khí và lốp xe. Áp suất không thuộc dạng vật chất mà thuộc dạng riêng của nó. Nó là một tính chất của lốp xe cũng như của không khí. Tương tự, tình cảnh chị em và chủ tớ là quan hệ giữa người với người, nhưng không phải là bản thân con người.
 |
| Hình chụp qua kính thiên văn này cho thấy hai ảnh của cùng một vật ở xa, một vật kì lạ, rất sáng gọi tên là quasar. Đây được xem là bằng chứng cho một vật nặng, mờ tối, có khả năng là một lỗ đen, dường như nằm giữa chúng ta và nó. Nói cách khác, các tia sáng sẽ trượt qua Trái đất ở mỗi phía bị bẻ cong bởi sức hấp dẫn của vật tối sao cho chúng đi tới chúng ta. Hướng thật sự đến quasar có thể đoán chừng là ở chính giữa hình, nhưng ánh sáng truyền dọc theo đường chính giữa không đi tới chúng ta vì nó bị vật tối hấp thụ. Quasar trên được gọi tên qua số danh mục của nó, MG1131+0456, hay tên gọi kém chính thức hơn là Vòng Einstein. |
Một số thứ dường như không trọng lượng lại thật sự có trọng lượng, và vì thế được xem là vật chất. Không khí có trọng lượng, và vì thế nó là một dạng vật chất, mặc dù 1 inch khối không khí nhẹ hơn cả một hạt cát. Quả bóng helium có trọng lượng, nhưng được giữ cho khỏi rơi xuống bởi lực tác dụng của không khí xung quanh đậm đặc hơn, chúng đẩy nó lên. Các nhà thiên văn trên quỹ đạo xung quanh Trái đất có trọng lượng, và đang rơi theo một đường cong, nhưng họ chuyển động quá nhanh nên cung cong của quỹ đạo rơi của họ đủ rộng để mang họ theo hành trình xung quanh Trái đất có dạng hình tròn. Họ tự cảm thấy mình không có trọng lượng vì tổ hợp không gian đang rơi cùng với họ, và vì thế sàn đỡ không đẩy chân họ lên.
Sự thay đổi hiện đại ở định nghĩa ánh sáng và vật chất
Einstein tiên đoán một hệ quả của lí thuyết tương đối của ông là ánh sáng sau hết thảy sẽ bị tác động bởi hấp dẫn, mặc dù hiệu ứng đó cực kì yếu dưới những điều kiện bình thường. Tiên đoán của ông đã khai sinh ra các quan sát sự bẻ cong tia sáng phát ra từ các sao khi chúng đi gần Mặt trời trong hành trình của chúng đến với Trái đất. Lí thuyết của Einstein còn gợi ý sự tồn tại của các lỗ đen, các sao nặng và rắn chắc đến mức sức hấp dẫn mạnh của chúng không cho phép ánh sáng thoát ra ngoài (Hiện nay, có bằng chứng mạnh mẽ cho thấy các lỗ đen thật sự tồn tại).
Giải thích của Einstein là ánh sáng không phải thật sự có khối lượng, mà là năng lượng bị tác động bởi hấp dẫn giống hệt như khối lượng vậy. Năng lượng trong một chùm sáng tương đương với một lượng khối lượng nhất định, cho bởi công thức nổi tiếng E = mc2, trong đó c là tốc độ ánh sáng. Vì tốc độ ánh sáng là một con số lớn, nên một lượng lớn năng lượng là tương đương với chỉ một lượng rất nhỏ của khối lượng, nên lực hấp dẫn tác dụng lên tia sáng có thể bỏ qua trong đa số mục đích thực tiễn.
Tuy nhiên, có một sự khác biệt còn cơ bản và thỏa đáng hơn nữa giữa ánh sáng và vật chất, đối với bạn điều đó có thể hiểu được nếu như bạn có học qua hóa học. Trong hóa học, người ta biết rằng các electron tuân theo nguyên lí loại trừ Pauli, nguyên lí cấm có nhiều hơn một electron chiếm giữ cùng một quỹ đạo nếu như chúng có cùng spin. Nguyên lí loại trừ Pauli được tuân thủ bởi các hạt hạ nguyên tử cấu thành nên vật chất, nhưng không được tuân thủ bởi các hạt, gọi là photon, cấu thành nên chùm tia sáng.
Lí thuyết tương đối của Einstein sẽ được thảo luận trọn vẹn hơn trong quyển 6 của bộ sách này.
Ranh giới giữa vật lí học và các khoa học khác không phải lúc nào cũng rõ ràng. Chẳng hạn, hóa học nghiên cứu các nguyên tử và phân tử, chúng là thứ cấu thành nên vật chất, và có một số nhà khoa học hài lòng như nhau tự gọi họ là nhà hóa lí hoặc nhà lí hóa. Dường như sự khác biệt giữa vật lí học và sinh học thì rõ ràng hơn, vì vật lí hình như làm việc với các vật vô tri vô giác. Thật ra, hầu như mọi nhà vật lí đều đồng ý rằng các định luật cơ bản của vật lí áp dụng cho các phân tử trong một ống thử hoạt động tốt tương tự đối với sự kết hợp của các phân tử cấu thành nên một con vi khuẩn. (Một số người có lẽ tin rằng một số thứ thì có khả năng xảy ra hơn trong ý nghĩ của con người, hay thậm chí là ý tưởng của mèo và chó) Cái phân biệt vật lí với sinh học là nhiều lí thuyết khoa học mô tả sự sống, trong khi rút cuộc thu được từ các định luật cơ bản của vật lí, không thể nào suy luận chặt chẽ từ các nguyên lí vật lí.
d/ Giản hóa luận
Hệ cô lập và giản hóa luận
Để tránh nghiên cứu mọi thứ cùng một lúc, các nhà khoa học cô lập mọi thứ mà họ đang cố gắng nghiên cứu. Chẳng hạn, một nhà vật lí muốn nghiên cứu chuyển động của một con quay hồi chuyển đang quay sẽ có khả năng thích nó được tách rời khỏi các dao động và dòng không khí xung quanh. Ngay cả trong sinh học, lĩnh vực nghiên cứu cần thiết phải tìm hiểu sự sống liên hệ như thế nào với toàn bộ môi trường của chúng, thật hào hứng lưu ý đến vai trò lịch sử thiết yếu của nghiên cứu của Darwin trên quần đảo Galapagos, nơi tách rời khỏi phần còn lại của thế giới. Bất kì bộ phận nào của vũ trụ được xem là tách rời khỏi phần còn lại có thể gọi là một “hệ”.
Vật lí học đã có những thành công to lớn của nó khi tiến hành quá trình cô lập này để cách li, chia nhỏ vũ trụ thành những phần ngày càng nhỏ hơn. Vật chất có thể chia thành các nguyên tử, và hành vi của từng nguyên tử có thể nghiên cứu được. Các nguyên tử có thể phân chia thành các neutron, proton và electron cấu thành của chúng. Proton và neutron hình như được cấu thành từ các hạt còn nhỏ hơn nữa gọi là quark, và đã có một số khẳng định bằng chứng thực nghiệm các quark có những bộ phận nhỏ hơn bên trong chúng. Phương pháp phân tích các thứ thành những bộ phận càng lúc càng nhỏ hơn và nghiên cứu xem những bộ phận đó tương tác lẫn nhau như thế nào được gọi là sự giản hóa luận. Hi vọng là các quy luật có vẻ phức tạp chi phối những đơn vị lớn có thể được hiểu tốt hơn dưới dạng những quy luật đơn giản hơn chi phối những đơn vị nhỏ hơn. Để đánh giá đúng cái do giản hóa luận mang lại cho khoa học, chỉ cần nghiên cứu một cuốn sách giáo khoa hóa học thời thế kỉ 19. Vào lúc ấy, sự tồn tại của các nguyên tử vẫn còn bị một số người nghi ngờ, các electron thì bị khả nghi là không tồn tại, và hầu như người ta chẳng hiểu những quy luật cơ bản nào chi phối cách thức các nguyên tử tương tác lẫn nhau trong phản ứng hóa học. Học sinh phải ghi nhớ những danh sách dài các hóa chất và phản ứng của chúng, và không có cách nào hiểu được nó một cách có hệ thống. Ngày nay, học sinh chỉ cần ghi nhớ một tập hợp nhỏ các quy luật về cách thức các nguyên tử tương tác, chẳng hạn các nguyên tử thuộc một nguyên tố không thể nào chuyển hóa thành nguyên tố khác qua phản ứng hóa học, hay các nguyên tử ở phía bên phải của bảng hệ thống tuần hoàn có xu hướng hình thành liên kết mạnh với các nguyên tử ở phía bên trái.
A. Tôi vừa đề nghị thay định nghĩa bình thường của ánh sáng bằng một định nghĩa mang tính kĩ thuật hơn, chính xác hơn bao hàm sự không trọng lượng. Dù vậy, vẫn có khả năng là chất liệu mà một cái bóng đèn tạo ra, thông thường gọi là “ánh sáng”, thật sự có một lượng nhỏ trọng lượng nào đó. Hãy đề xuất một thí nghiệm nhằm đo xem nó có trọng lượng hay không.
B. Nhiệt không có trọng lượng (tức là một vật không hề trở nên nặng hơn khi bị nung nóng), và có thể truyền qua căn phòng trống từ bếp lửa tới da của bạn, nơi nó tác động đến bạn qua việc làm nóng bạn. Vậy thì theo định nghĩa của chúng ta, nhiệt có được xem là một dạng ánh sáng hay không ? Tại sao được hay tại sao không ?
C. Tương tự, âm thanh có được xem là một dạng ánh sáng hay không ?
3. Học vật lí như thế nào?
Nhiều sinh viên đến với khóa học khoa học với ý tưởng rằng họ có thể thành công bằng việc ghi nhớ các công thức, khi một bài toán được đưa vào bài tập ở nhà hay bài thi, họ sẽ có thể thế số vào công thức và thu được kết quả bằng số trên chiếc máy tính bỏ túi của mình. Thật sai lầm ! Đó không phải là cách học khoa học đâu ! Có một sự khác biệt lớn giữa việc học thuộc các công thức và hiểu các khái niệm. Để bắt đầu, các công thức khác nhau có thể áp dụng trong những tình huống khác nhau. Một phương trình có thể biểu diễn một định nghĩa, nó luôn luôn đúng. Một phương trình khác có thể là một phương trình rất đặc biệt cho tốc độ của một vật trượt trên một mặt phẳng nghiêng, nó sẽ không đúng nếu như vật là một tảng đá đang trôi giạt xuống đáy đại dương. Nếu bạn không chịu khó tìm hiểu vật lí ở mức độ khái niệm, bạn sẽ không biết công thức nào được sử dụng khi nào.
Đa số học sinh tham gia những khóa học khoa học lần đầu tiên còn có rất ít kinh nghiệm với việc giải thích ý nghĩa của một phương trình. Hãy xét phương trình w = A/h liên hệ chiều rộng của một tam giác với chiều cao và diện tích của nó. Một học sinh không được phát triển kĩ năng giải thích có thể xem đây là một phương trình khác để học thuộc và vận dụng khi cần thiết. Một học sinh hiểu biết hơn một chút nhận ra đây đơn giản là công thức quen thuộc A = wh ở một dạng khác. Khi hỏi một tam giác sẽ có chiều rộng lớn hơn hay nhỏ hơn so với một tam giác khác có cùng diện tích nhưng chiều cao nhỏ hơn, người học sinh ngây thơ có thể lúng túng, không có con số nào để bấm máy tính cả. Người học sinh kinh nghiệm hơn thì biết cách lí giải một phương trình liên quan tới phép chia – nếu h nhỏ hơn, và A giữ không đổi, thì w phải lớn hơn. Thường thì học sinh hay thất bại ở việc nhận ra hệ quả của các phương trình như con đường đưa đến kết quả cuối cùng, nên họ nghĩ tất cả các bước trung gian đều là những công thức quan trọng như nhau mà họ phải học thuộc.
Khi tìm hiểu bất kì vật nào, điều quan trọng là càng liên hệ tích cực càng tốt, từ không tìm cách đọc toàn bộ thông tin một cách nhanh chóng mà không nghĩ về nó. Một ý tưởng hay là hãy đọc và nghĩ tới những câu hỏi đặt ra ở cuối mỗi phần của những tài liệu này khi bạn gặp chúng, sao cho bạn biết rằng bạn đã hiểu cái mình đang đọc.
Khó khăn của nhiều học sinh về vật lí rút lại chủ yếu là những khó khăn với toán học. Giả sử bạn cảm thấy tự tin rằng bạn có đủ nền tảng toán học để thành công trong khóa học này, nhưng bạn đang gặp rắc rối với một số thứ nhất định. Trong một số lĩnh vực, nhận xét chính nêu trong chương này có lẽ là đủ, nhưng trong một số lĩnh vực khác, nó có khả năng không đủ. Một khi bạn nhận ra những lĩnh vực toán học mà bạn gặp trục trặc, hãy tìm sự hỗ trợ trong những lĩnh vực đó. Đừng lê chân qua toàn khóa học với cảm giác mơ hồ nghĩ tới mà sợ về thứ kiểu như khái niệm khoa học. Khó khăn sẽ không biến mất nếu bạn bỏ qua nó. Điều tương tự áp dụng cho các kĩ năng toán học cần thiết mà bạn học trong khóa học này lần đầu tiên, ví dụ như phép cộng vector.
Đôi khi, học sinh bảo tôi họ đã cố gắng tìm hiểu một chủ đề nhất định trong sách, và nó không có ý nghĩa gì hết. Thứ tồi tệ nhất bạn có thể làm trong tình huống đó là cố đọc tới đọc lui một trang đó mãi. Mỗi sách vở giải thích những thứ nhất định thật tệ - kể cả sách của tôi! – nên thứ tốt nhất để làm trong tình huống này là nhìn vào một cuốn sách khác. Thay cho giáo trình nhắm tới cùng mức độ toán học như khóa học bạn đang tham gia, trong một số trường hợp, bạn có thể nhận thấy sách vở trung học hay sách ở mức độ toán thấp hơn cho lời giải thích rõ ràng hơn. Ba cuốn sách liệt kê ở bên trái, theo quan điểm của tôi, là những cuốn sách giới thiệu vật lí học tốt nhất hiện có, mặc dù chúng không thích hợp làm sách giáo khoa sơ cấp cho khóa học cao đẳng về khoa học cơ bản.
Cuối cùng, khi ôn tập thi, đừng nên rà soát lại những câu chữ và chú ý như bạn đã học. Thay vì vậy, hãy thử sử dụng một phương pháp ôn tập tích cực, chẳng hạn bằng việc thảo luận một số câu hỏi với học sinh khác, hoặc làm bài tập ở nhà mà bạn chưa từng làm lần nào.
Trích Bài giảng Cơ học Newton, Benjamin Crowell, hiepkhachdich dịch. Bạn có thể tập sách này tại đây.
