Vì sao E = mc2? - Phần 7 | Thư Viện Vật Lý

Chương 2

Tốc độ Ánh sáng

Michael Faraday, con trai của một thợ rèn Yorkshire, chào đời ở phía nam thành London vào năm 1791. Ông là người tự học, ông bỏ học năm mười bốn tuổi để học việc đóng sách. Ông may mắn lọt chân vào thế giới khoa học chuyên nghiệp sau khi tham dự một buổi thuyết giảng ở London của nhà hóa học xứ Cornwall, ngài Humphry Davy, vào năm 1811. Faraday gửi các ghi chép do ông ghi lại tại buổi giảng cho Davy, khiến Davy cảm thấy ấn tượng trước kĩ năng ghi chép cần mẫn nên đã thuê Faraday làm trợ lí khoa học. Faraday dần phát triển thành một nhân vật lớn của làng khoa học thế kỉ mười chín, được đông đảo mọi người tôn vinh là một trong những nhà vật lí thực nghiệm lỗi lạc nhất mọi thời đại. Người ta kể Davy từng phát biểu rằng Faraday chính là khám phá khoa học vĩ đại nhất của ông.

Là những nhà khoa học thế kỉ hai mươi mốt, người ta dễ có cảm giác thèm khát khi nhìn lại giai đoạn đầu thế kỉ mười chín. Faraday chẳng cần phải hợp tác với 10.000 nhà khoa học và kĩ sư khác tại CERN hoặc phóng một chiếc kính thiên văn vũ trụ cỡ bằng xe bus lên quỹ đạo Trái đất tầm cao để thực hiện những khám phá nổi bật. “CERN” của Faraday nằm vừa vặn trên cái bàn làm việc của ông, nhưng ông lại có thể thực hiện những khám phá trực tiếp đưa đến sự sụp đổ của khái niệm thời gian tuyệt đối. Quy mô khoa học chắc chắn đã thay đổi qua các thế kỉ, một phần bởi vì những lĩnh vực nghiên cứu của tự nhiên không đòi hỏi những trang thiết bị công nghệ tiên tiến để quan sát chúng đã được người ta nghiên cứu hết sức kĩ lưỡng. Nói như thế không phải là không có những thí dụ trong khoa học ngày nay trong đó các thí nghiệm đơn giản mang lại những kết quả quan trọng, mà chỉ muốn nhấn mạnh rằng các tiền tuyến nghiên cứu thường đòi hỏi những máy móc phức tạp. Ở London đầu thời Victoria, Faraday chẳng cần cái gì tốn kém hoặc lạ lẫm hơn các cuộn dây dẫn, các nam châm, và một la bàn để cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên rằng thời gian không phải là cái như nó trông như thế. Ông thu thập bằng chứng này bằng cách làm cái mà các nhà khoa học thích làm nhất. Ông bố trí các vật dụng linh tinh cùng với dòng điện mới được khám phá, tiến hành các thao tác, và quan sát thật tỉ mỉ. Bạn hầu như có thể ngửi thấy mùi bàn ghế đánh vecni màu sẫm in bóng rằn ri của cuộn dây quấn đang dịch chuyển dưới ánh sáng đèn khí ga, mặc dù bản thân Davy đã làm mãn nhãn khán giả với các trình diễn đèn điện vào năm 1802 tại Hội Hoàng gia, nhưng thế giới phải chờ đến muộn hơn nhiều sau này trong thế kỉ ấy đến lúc Thomas Edison hoàn thiện một bóng đèn điện có thể dùng được. Vào đầu thế kỉ mười chín, điện học trong vật lí và trong kĩ thuật còn nằm ở tiền phương nghiên cứu.

Faraday phát hiện thấy nếu bạn đưa một nam châm xuyên qua một cuộn dây dẫn, thì có một dòng điện chạy trong cuộn dây lúc nam châm đang di chuyển. Ông còn quan sát thấy rằng nếu bạn gửi một xung điện đi trong một dây dẫn, thì một kim la bàn đặt gần đó bị lệch đồng thời với xung điện. La bàn chẳng gì hơn là một nam châm thử; khi không có dòng điện chạy xung trong dây dẫn, thì nó sẽ sắp theo phương của từ trường Trái đất và chỉ về hướng Cực Bắc. Vì thế, xung điện phải tạo ra một từ trường giống như từ trường của Trái đất, mặc dù có mạnh hơn bởi vì kim la bàn bị lệch khỏi phương bắc từ ngay khi xung điện chạy. Faraday nhận ra rằng ông đang chứng kiến một loại liên hệ sâu sắc nào đó giữa điện và từ, hai hiện tượng thoạt trông hoàn toàn chẳng có liên quan gì với nhau. Dòng điện chạy qua bóng đèn khi bạn bật công tắc điện trên tường trong phòng ở thì liên quan gì tới lực từ hút giữ cánh cửa tủ lạnh nhà bạn? Mối liên hệ đó chắc chắn không dễ thấy, nhưng Faraday đã nhìn ra bằng cách tỉ mỉ quan sát rằng dòng điện tạo ra từ trường, và các nam châm đang dịch chuyển tạo ra dòng điện. Hai hiện tượng đơn giản này, ngày nay được gọi tên là sự cảm ứng điện từ, là cơ sở cho việc phát điện ở tất cả các nhà máy điện trên thế giới và tất cả các động cơ điện mà chúng ta sử dụng mỗi ngày, từ máy bơm trong tủ lạnh đến cơ chế “đẩy nuốt” ở máy hát DVD. Sự đóng góp của Faraday cho thế giới công nghiệp là không thể nào tính nổi.

Tuy nhiên, các tiến bộ trong lĩnh vực vật lí cơ bản hiếm khi chỉ đến từ các thí nghiệm. Faraday muốn tìm hiểu cơ chế lí giải cho những quan sát của ông. Làm thế nào, ông hỏi, một nam châm chẳng có gắn kết gì với dây dẫn lại có thể gây ra một dòng điện chạy? Và làm thế nào một xung điện có thể làm lệch kim la bàn ra khỏi phương bắc từ? Một loại tác dụng nào đó phải đi qua không gian trống rỗng giữa nam châm, dây dẫn, và la bàn; cuộn dây phải nhận biết nam châm đang đi qua nó, và kim la bàn phải nhận biết dòng điện. Tác dụng này ngày nay được gọi là trường điện từ. Chúng ta đã dùng từ “trường” trong ngữ cảnh từ trường của Trái đất, bởi vì từ “trường” có mặt trong ngôn ngữ hàng ngày và có lẽ bạn không để ý đến nó. Thật ra, trường là một trong những khái niệm trừu tượng trong vật lí học. Chúng còn là một trong những cái thiết yếu nhất và hữu hiệu nhất để phát triển nhận thức sâu sắc hơn. Các phương trình mô tả tốt nhất hành trạng của hàng tỉ hạt hạ nguyên tử cấu tạo nên quyển sách mà bạn đang đọc lúc này, cánh tay mà bạn đang cầm quyển sách ở trước mắt bạn, và cả đôi mắt của bạn nữa, là các phương trình trường. Faraday hình dung các trường của ông là một loạt những đường vẽ, cái ông gọi là đường sức, đi ra từ nam châm và dây dẫn mang dòng điện. Nếu bạn từng đặt một nam châm bên dưới một tờ giấy có rải mạt sắt, thì bạn đã từng tự chứng kiến những đường sức này. Một ví dụ đơn giản của một đại lượng hàng ngày có thể được biểu diễn bởi một trường là nhiệt độ không khí trong phòng của bạn. Càng gần lò sưởi thì không khí càng nóng. Càng gần cửa sổ thì không khí càng lạnh hơn. Bạn có thể tưởng tượng việc đo nhiệt độ tại mỗi điểm trong phòng và ghi lại vô số giá trị đo này vào một bảng số liệu. Bảng số liệu khi đó sẽ là một biểu diễn của trường nhiệt độ trong phòng của bạn. Trong trường hợp từ trường, bạn có thể tưởng tượng việc để ý hướng lệch của kim la bàn tại mỗi điểm, và theo cách đó bạn có thể dựng lên một biểu diễn của từ trường ở trong phòng. Một trường hạt hạ nguyên tử thì còn trừu tượng hơn nữa. Giá trị của nó tại một điểm trong không gian cho bạn biết xác suất hạt sẽ được tìm thấy tại điểm đó nếu bạn tìm kiếm nó. Chúng ta sẽ gặp lại các trường này ở Chương 7.