Chúng tôi trích giới thiệu với các bạn một số bản dịch từ tác phẩm Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông của hai tác giả người Nga L. Tarasov và A. Tarasova, sách xuất bản ở Nga năm 1968. Bản dịch lại từ bản tiếng Anh xuất bản năm 1973.
Các bài giảng được trình bày dưới dạng thảo luận hỏi đáp giữa giáo viên và học sinh.
§22. Bàn về lí thuyết trường
GV: Chúng ta hãy nói về trường, một trong những khái niệm vật lí cơ bản. Để cho tiện lợi, chúng ta sẽ xét trường tĩnh điện. Các em hiểu gì về một trường? Các em nghĩ nó là cái gì?
HS A: Em phải thú nhận rằng em rất mơ hồ một trường thật sự là cái gì. Một trường là cái gì đó khó nắm bắt, vô hình, một loại bóng ma. Đồng thời, người ta nói nó có mặt trong toàn bộ không gian. Em không phản đối trường được định nghĩa là một thực thể vật chất. Nhưng điều này chẳng có nghĩa lí gì đối với em. Khi chúng ta nói tới vật chất, em hiểu cái chúng ta đang nói. Nhưng khi chúng ta nói tới trường, em đành chịu.
HS B: Đối với em, khái niệm trường khá hữu hình. Vật chất trong bất kì chất liệu nào là ở dạng tập trung, như nó vốn thế. Trái lại, trong một trường, vật chất “rải ra” khắp không gian, nói đại khái thế. Thực tế chúng ta không thể nhìn thấy một trường bằng mắt trần không chứng minh cái gì cả. Một trường có thể được “nhìn thấy” rõ ràng qua phương tiện là những thiết bị tương đối đơn giản. Trường có tác dụng là môi trường trường tương tác giữa các vật. Có thể nói mỗi điện tích sinh ra một trường xung quanh nó. Một trường do một điện tích sinh ra ảnh hưởng lên một điện tích khác và, ngược lại, trường do điện tích thứ hai sinh ra thì ảnh hưởng đến điện tích thứ nhất. Nhờ đó, tương tác Coulomb (tĩnh điện) của các điện tích được thực hiện.
HS A: Nhưng chẳng phải chúng ta vẫn có thể giải thích mà không cần cái gì “ở giữa” sao? Có cái gì ngăn cản chúng ta giả sử rằng một điện tích tác dụng trực tiếp lên điện tích kia đâu?
HS B: Giả thiết của bạn có thể làm phát sinh những lí do phản đối nặng kí. Giả sử tại một thời điểm nào đó một trong các điện tích bị dịch chỗ (tức là “nhúc nhích”) vì một nguyên nhân gì đó. Nếu chúng ta tiếp tục từ giả thiết “tương tác trực tiếp”, ta phải kết luận rằng điện tích thứ hai cũng bị “nhúc nhích” tại đúng thời điểm đó. Điều này có nghĩa là một tín hiệu từ điện tích thứ nhất đi tới điện tích thứ hai một cách tức thời. Như vậy sẽ mâu thuẫn với những nguyên lí cơ bản của thuyết tương đối. Tuy nhiên, nếu chúng ta có một môi trường truyền tương tác, tức là một trường, thì tín hiệu được truyền từ điện tích này đến điện tích kia thông qua trường. Cho dù vận tốc truyền lớn bao nhiêu thì nó vẫn luôn luôn hữu hạn. Do đó, tồn tại một khoảng thời gian nhất định trong đó điện tích thứ hai ngừng “nhúc nhích” và điện tích thứ hai chưa bắt đầu dịch chỗ. Trong khoảng thời gian này, chỉ có trường chứa tín hiệu “nhúc nhích”.
HS A: Nói gì thì nói, em muốn nghe một định nghĩa chính xác của trường.
GV: Tôi thấy phần thảo luận của hai em hay đấy. Tôi cảm thấy em B có biểu hiện quan tâm sâu sắc đến những vấn đề của vật lí hiện đại và đã đọc khá nhiều sách phổ cập vật lí học. Nhờ đó, em đã phát triển cái có thể gọi là suy nghĩ chủ động. Đối với em, khái niệm trường là một khái niệm khá thực tế, “sống động”. Những nhận xét của em rằng trường là môi trường truyền tương tác là khá chính xác. Còn học sinh A rõ ràng đã tự hạn chế mình chỉ đọc sách giáo khoa chính thống. Vì thế, suy nghĩ của em không đủ hiệu quả trong chừng mực có thể xét đến. Tất nhiên, tôi nói như vậy không phải để xúc phạm em này hay em nào khác, mà tôi muốn nói rằng nhiều thí sinh cảm thấy khá hoang mang trong những trường hợp giống như thế. Cái có chút lạ là một số tương đối lớn học sinh hầu như chưa từng được một tác phẩm phổ biến khoa học nào. Tuy nhiên, chúng ta hãy trở lại với cái cốt lõi của vấn đề. (Nói với học sinh A) Em muốn có một định nghĩa chính xác của trường. Không có một định nghĩa như thế thì em thấy khái niệm trường khó nắm bắt được. Tuy nhiên, em có nói rằng em hiểu vật chất là cái gì. Nhưng em có thật sự biết định nghĩa chính xác của vật chất hay không?
HS A: Khái niệm vật chất không đòi hỏi một định nghĩa nào cả. Vật chất có thể “chạm được” bởi tay của chúng ta.
GV: Trong trường hợp đó, khái niệm trường cũng “không cần định nghĩa nào cả”; nó cũng có thể “chạm được”, mặc dù không phải bởi tay của em. Tuy nhiên, vấn đề định nghĩa là cái nghiêm túc hơn nhiều. Muốn đưa ra một định nghĩa chính xác, dễ hiểu, ta cần biểu diễn khái niệm trường theo một số khái niệm “sơ cấp” hơn. Nhưng chúng ta có thể làm gì nếu khái niệm đã cho là một trong những khái niệm “sơ cấp” rồi? Hãy thử định nghĩa một đường thẳng trong hình học xem. Tình huống xảy ra gần như tương tự với khái niệm vật chất và khái niệm trường. Đây là những khái niệm sơ cấp, căn bản, từ đó chúng ta không dám hi vọng tìm thấy một định nghĩa tường minh, rõ ràng.
HS A: Tuy nhiên, liệu chúng ta có thể tìm thấy một định nghĩa hợp lí nào đó hay không?
GV: Tất nhiên là có rồi. Chỉ có điều chúng ta nên nhớ trong đầu rằng không có một định nghĩa nào thấu đáo hết cả. Vật chất có thể tồn tại ở những dạng đa dạng. Nó có thể tập trung bên trong một vùng không gian hạn chế với ranh giới ít nhiều rõ ràng (hay nó có thể “định xứ”), nhưng nó cũng có thể bị “mất định xứ”. Dạng thứ nhất trong những trạng thái này của vật chất có thể đi cùng với khái niệm vật chất theo nghĩa là một “chất”, và trạng thái thứ hai đi cùng với khái niệm “trường”. Cùng với những đặc trưng riêng của chúng, cả hai trạng thái đó có những đặc trưng vật lí chung. Ví dụ, có năng lượng của một đơn vị thể tích vật chất (dạng một chất) và năng lượng của một đơn vị thể tích trường. Chúng ta có thể nói động lượng của một đơn vị thể tích của một chất và động lượng của một đơn vị thể tích của một trường. Mỗi loại trường truyền một loại tương tác nhất định. Chính nhờ tương tác này mà chúng ta có thể xác định các đặc trưng của trường tại một điểm bất kì. Một vật tích điện, chẳng hạn, tạo ra một trường tĩnh điện trong không gian xung quanh nó. Để làm rõ trường này và đo cường độ của nó tại một điểm nhất định trong không gian, cần mang một vật tích điện khác đến điểm này và đo lực tác dụng lên nó. Giả sử rằng vật tích điện thứ hai là đủ nhỏ để cho sự biến dạng do nó gây ra trong trường đó có thể bỏ qua được.
Các tính chất của vật chất là vô tận, quá trình tìm kiếm kiến thức là không có điểm dừng. Dần dần, từng bước một, chúng ta tiến lên trên con đường học hỏi và ứng dụng thực tế các tính chất của vật chất xung quanh chúng ta. Trong sự tiến bộ của chúng ta, chúng ta phải “dán nhãn” lần này đến lần khác cho một loại địa hình mà chúng ta bắt gặp trên con đường nhận thức đó. Bây giờ chúng ta dán cho cái gì đó là một “trường”. Chúng ta hiểu “cái gì đó” này thật ra là bờ vực nguyên sinh. Chúng ta biết nhiều về cái vực mà chúng ta đã gọi là một trường này, và do đó chúng ta có thể sử dụng khái niệm mới nêu với ít nhiều hài lòng. Chúng ta biết nhiều, nhưng còn lâu mới biết hết. Một nỗ lực muốn đưa ra một định nghĩa rõ ràng là tựa như một cố gắng đo chiều sâu của một cái vực không đáy.
HS B: Em nghĩ rằng khái niệm trường, cũng như bất kì khái niệm nào khác xuất hiện trong hành trình của chúng ta nghiên cứu thế giới vật chất, là vô tận. Đây chính là lí do tại sao không thể nêu ra một định nghĩa chính xác, thấu đáo của một trường.
GV: Tôi hoàn toàn đồng ý với em.
HS A: Em khá hài lòng với nhận xét của thầy về chất và trường là hai trạng thái của vật chất – định xứ và không định xứ. Nhưng tại sao thầy lại mở đầu phần thảo luận này về sự vô tận của những khái niệm vật lí và sự trường tồn của sự học? Ngay khi em nghe nói thế, sự rõ ràng lại biến mất và mọi thứ trở nên mờ ảo, mơ hồ.
GV: Tôi hiểu tình trạng của em. Em đang tìm kiếm một định nghĩa bình yên nào đó của một trường, cho dù nó không tuyệt đối chính xác. Em sẵn lòng học thuộc định nghĩa này và trình bày nó khi được hỏi. Em không công nhận rằng tình huống đó không hề êm đềm mà, trái lại, là một tình huống động. Em không nên tin rằng mọi thứ trở nên nhạt nhòa và mơ hồ. Tôi muốn nói rằng mọi thứ trở nên động theo nghĩa là nó có xu hướng biến đổi. Bất kì định nghĩa chính xác nào, tự nó, là chắc chắn và tối hậu. Nhưng các khái niệm vật lí không nên được nghiên cứu ở tình trạng phát triển của chúng. Cái chúng ta hiểu là khái niệm trường ngày hôm qua khác đáng kể với cái chúng ta hiểu khái niệm này hôm nay. Vì thế, chẳng hạn, vật lí hiện đại, trái với vật lí cổ điển, không vạch ra một ranh giới rõ ràng giữa trường và chất. Trong vật lí hiện đại, trường và chất có thể chuyển hóa qua lại: một chất có thể trở thành một trường và một trường có thể trở thành một chất. Tuy nhiên, lúc này mà nói vấn đề này cụ thể hơn là đã đi quá xa rồi.
HS B: Thảo luận của chúng ta về vật lí vừa có một bước ngoặc triết lí thấy rõ.
GV: Điều đó là khá tự nhiên bởi vì mọi thảo luận về những khái niệm vật lí nhất thiết phải giả sử trước rằng những người tham gia đều có khả năng suy nghĩ biện chứng đã phát triển đủ mức. Nếu khả năng này chưa được trưởng thành, thì chúng ta phải đi lạc đề sang triết học. Đây chính là lí do tại sao tôi luôn khăng khăng khuyên các em đọc càng nhiều loại sách càng tốt. Nhờ đó các em sẽ rèn luyện phương tiện tư duy của mình, làm cho nó linh hoạt hơn và có tính động hơn. Nhân tiện, có một quyển sách của V.I Lenin dành cho bạn trẻ, Chủ nghĩa duy vật và Chủ nghĩa phê phán kinh nghiệm, tôi khuyên các em nên đọc nó.
HS A: Nhưng đây là một quyển sách rất khó hiểu. Nó được nghiên cứu bởi sinh viên thuộc các học viện và trường đại học thôi.
GV: Tôi đâu có ép các em phải đọc quyển sách này. Nó chắc chắn không phải sách dành cho người đọc lướt. Hãy thử đọc nó tỉ mỉ xem. Tùy vào nền tảng kiến thức của các em, quyển sách này sẽ có tác động ít nhiều lên lối suy nghĩ của các em. Dẫu sao nó cũng có lợi mà.
Tóm lại, tôi muốn nói như sau: Học sinh A rõ ràng lo ngại chuyện mơ hồ hoặc không rõ ràng; em đòi hỏi sự chính xác tối đa. Em quên rằng có một giới hạn hợp lí cho mỗi thứ, cho dù là sự chính xác. Hãy thử tưởng tượng một thế giới hoàn toàn chính xác mà chúng ta có thông tin thấu đáo. Hãy hình dung một thế giới như thế và cho tôi biết: có phải các em chẳng hề ngạc nhiên trước tính nguyên sơ và bất lực không thể phát triển thêm cái gì nữa? Hãy suy nghĩ cho kĩ và đừng vội vàng kết luận gì. Và bây giờ chúng ta hãy tiếp cận vấn đề từ một góc độ khác. Tôi sẽ nêu câu hỏi sau: “Một trường được mô tả như thế nào?” Tôi biết rằng nhiều người, sau khi có câu trả lời, sẽ nói: “Bây giờ chúng ta biết trường là cái gì rồi.”
Trường là gì? Một trường được mô tả như thế nào? Chuyển động trong một trường xảy ra như thế nào? Những bài toán vật lí căn bản này có thể được xét một cách thuận tiện nhất với trường tĩnh điện là một ví dụ.
Chuyển động sẽ nói về chuyển động của những vật tích điện trong một trường tĩnh điện đều. Một số bài toán minh họa cho định luật Coulomb sẽ được giải cụ thể. Mời các bạn đón xem những bài tiếp theo.
Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông
L. Tarasov và A. Tarasova
Trần Nghiêm dịch
Phần tiếp theo >>
