Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Phần 2

Giới thiệu

Cỗ máy vũ trụ thế kỉ 19

Vào giữa thập niên 1890, các nhà vật lí – các nhà khoa học nghiên cứu vật chất và năng lượng – đã nhìn về thế kỉ 20 với niềm kiêu hãnh đầy tự mãn. Càng nghiên cứu vũ trụ trong thế kỉ 19, họ càng thấy nó thật thứ tự, ngăn nắp. Hành trạng của nó hoàn toàn có thể tiên đoán qua các định luật của tự nhiên mà họ đã biểu diễn được theo ngôn ngữ toán học chính xác. Mặc dù vẫn có một vài câu hỏi quan trọng cần được trả lời, nhưng đa số nhà vật lí khi ấy hài lòng rằng thế kỉ 20 sẽ dành cho việc tinh chỉnh các lí thuyết và tiến hành những phép đo quan trọng cần thiết để hoàn thiện tấm thảm thêu khoa học của họ.

Họ không thể nào sai lầm hơn nữa. Thay vì buộc chặt các đầu dây mối dệt lỏng lẻo, các nhà vật lí lại đi kéo giật một vài chỗ rách và nhìn vào từng phần khuôn khổ lí thuyết của vật lí học. Phải mất gần như đa phần thế kỉ mới để dệt lại tấm thảm ấy. Quá trình ấy đã đánh giá lại hầu như mọi thứ mà người ta nghĩ họ đã hiểu về vật chất và năng lượng, không gian và thời gian, về sóng và hạt. Để tìm hiểu những sự chuyển biến ngoạn mục ấy trong nền vật lí học thế kỉ 20, trước hết người ta phải khảo sát những thành tích nổi bật của nền khoa học trong thế kỉ trước, đáng chú ý nhất là điện từ học – trong đó có bản chất điện từ của ánh sáng – và thuyết nguyên tử của vật chất.

Thuyết nguyên tử vật chất

Hiểu theo một nghĩa nào đó thì thuyết nguyên tử chẳng có gì mới mẻ. Quan niệm rằng vật chất gồm những hạt nhỏ xíu, không thể phân chia đã có từ hơn 2000 năm trước với các nhà hiền triết Hi Lạp cổ đại Democritus và Leucippus, nhưng nó đã bị lãng quên một thời gian dài mãi cho đến khi nhà khí tượng học John Dalton (1766 – 1844) thử đi tìm ý nghĩa của cái mà các nhà hóa học đã phát hiện về các chất khí. Năm 1810, ông cho xuất bản một quyển sách mang tính bước ngoặc tựa đề là Một hệ thống triết lí hóa học mới, trong đó ông đề xuất một lí thuyết mới của vật chất. Dalton đề xuất rằng vật chất gồm các nguyên tố kết hợp theo những tỉ số nhất định để hình thành nên các hợp chất. Cơ sở cho các tỉ số đặc biệt ấy, như Dalton đã lí thuyết hóa, là mỗi nguyên tố gồm những hạt nhỏ xíu, không thể phân chia gọi là các nguyên tử, và các nguyên tử kết hợp lại thành phân tử, đơn vị cơ bản của các hợp chất.

Thuyết nguyên tử nhanh chóng trở thành cơ sở của hóa học, và các nhà khoa học liên tục phát hiện ra những nguyên tố mới. Họ đã đo và phân loại các tính chất của từng nguyên tố, ví dụ như nhiệt độ đông đặc và nhiệt độ sôi, và tỉ trọng (khối lượng hoặc trọng lượng trên centimet khối). Họ đã nghiên cứu hành trạng hóa học của các nguyên tố và suy luận ra khối lượng nguyên tử của chúng. Khi số lượng nguyên tố đã biết tăng lên, các nhà khoa học đi tìm một khuôn khổ phân loại – một sự sắp xếp các nguyên tố sao cho những nguyên tố có những tính chất hóa học giống nhau sẽ nằm chung nhóm với nhau.

Năm 1869, một giáo sư hóa học người Nga tên là Dmitry Mendeleyev (1834 – 1907) đã lập ra sự sắp xếp đó, một mạng lưới các hàng và cột mà ông gọi là bảng tuần hoàn các nguyên tố. Bắt đầu ở góc trên bên trái với nguyên tử nhẹ nhất, ông đặt các nguyên tố xuống cột thứ nhất của mạng lưới của ông theo thứ tự khối lượng nguyên tử tăng dần. Sau đó, ông dời sang phải từ cột này sang cột kế tiếp, đặt các nguyên tử có những tính chất hóa học giống nhau ở liền nhau trong các hàng. (Bảng tuần hoàn ngày nay, có trong phần Phụ lục, đảo ngược lại vai trò của các hàng và cột, nhưng vẫn tuân theo phương pháp của Mendeleyev). Thỉnh thoảng, để làm phù hợp các tính chất hóa học, ông phải bỏ trống một ô trong mạng lưới. Ông trông đợi những khoảng trống đó sẽ được lấp đầy sau này với những nguyên tố chưa được phát hiện ra – và ông đã đúng. Khi những nguyên tố còn thiếu đó được tìm thấy, tính chất của chúng phù hợp với các tiên đoán của bảng tuần hoàn.

Bảng tuần hoàn là một thành tựu lớn, nhưng vẫn còn đó những câu hỏi quan trọng. Cái gì phân biệt nguyên tử của một nguyên tố này với nguyên tử của nguyên tố kia và làm thế nào những khác biệt đó mang lại tính quy tắc của bảng tuần hoàn? Việc trả lời những câu hỏi đó sẽ phải đợi đến tận thế kỉ 20.

Điện từ học và Ánh sáng

Thế kỉ 19 cũng mang lại những kiến thức quan trọng về điện học, từ học, và ánh sáng. Khi thế kỉ ấy bắt đầu, các nhà vật lí đã xem điện và từ là những hiện tượng độc lập và họ đang cố gắng chọn lựa giữa hai quan điểm thế kỉ 17 cạnh tranh nhau về bản chất của ánh sáng. Có phải ánh sáng là sóng, như nhà khoa học Hà Lan Christiaan Huygens (1629 – 95) khẳng định, hay nó là một dòng hạt, như nhà vật lí vĩ đại người Anh, ngài Isaac Newton (1643 – 1727) vẫn tin như thế?

Câu hỏi đó được xử trí nhanh chóng. Năm 1801, nhà khoa học và nghiên cứu người Anh, Thomas Young (1773 – 1829), đã tiến hành một thí nghiệm chứng minh dứt khoát. Ông tách một chùm ánh sáng thành hai chùm và cho cả hai phần ấy rọi lên một màn hình. Thay vì thấy hai vùng sáng như trông đợi từ hai dòng hạt, ông quan sát thấy một hiện tượng gọi là giao thoa – một dải khe sáng và tối tạo ra bởi các sóng chồng chất.
Thí nghiệm của Young lập tức làm phát sinh một câu hỏi mới. Sóng ánh sáng truyền đi từ các ngôi sao qua chân không vũ trụ, vậy thì cái gì trung chuyển sóng ấy? Một số nhà vật lí đề xuất rằng toàn bộ không gian tràn ngập một thứ chất lỏng gọi là ê-te truyền sáng. Ê-te gợn sóng khi ánh sáng truyền qua nó, nhưng không mang lại sự cản trở cơ giới nào đối với các vật chuyển động, ví dụ như các hành tinh. Lời giải thích đó không làm thỏa mãn tất cả các nhà khoa học vì nó yêu cầu sự tồn tại của một thứ tràn ngập vũ trụ nhưng lại không có những tính chất cơ học có thể phát hiện ra được – nó không có khối lượng – nhưng đó mới chỉ là một điểm xuất phát.

Vào những năm 1820 và 1830, một số nhà vật lí, nổi bật nhất là nhà nghiên cứu trứ danh người Anh, Michael Faraday (1791 – 1867), đã khảo sát điện học, từ học, và các quan hệ giữa chúng. Họ đã học cách chế tạo nam châm điện và phát triển những động cơ và máy phát điện đầu tiên. Họ còn phát hiện thấy lực điện là lực liên kết các nguyên tử lại với nhau trong các hợp chất. Các nhà vật lí bắt đầu sử dụng thuật ngữ điện từ học và tìm kiếm các phương thức mô tả lực điện từ bằng toán học, giống như Newton đã từng làm với lực hấp dẫn khoảng 150 năm trước đó.

Năm 1859, vị giáo sư vật lí gốc người Scotland tại trường Đại học Cambridge, James Clerk Maxwell (1831 – 79) phát triển một hệ bốn phương trình toán học dựa trên các khám phá của Faraday và những người khác. Một phương trình là công thức cho lực tác dụng lên các điện tích, một phương trình mô tả lực tác dụng lên các cực từ, và hai phương trình mô tả mối liên hệ giữa lực điện và lực từ. Thật bất ngờ, hệ phương trình Maxwell còn mô tả các sóng năng lượng điện từ có thể truyền đi trong không gian trống rỗng. Điều đáng chú ý là các phương trình Maxwell tiên đoán tốc độ của các sóng điện từ ấy phù hợp với cái do các nhà vật lí khác đã đo là tốc độ của ánh sáng. Kết luận dường như không thể nào tránh khỏi: Ánh sáng là sóng điện từ, và hệ phương trình Maxwell mô tả các tính chất điện và từ của ê-te.

Với hệ phương trình Maxwell và bảng tuần hoàn hóa học, các nhà vật lí thế kỉ 19 cảm thấy họ đã ở gần ranh giới hiểu biết trọn vẹn về giới tự nhiên. Mọi đối tượng vật chất, cho dù lớn hay nhỏ, là gồm các nguyên tử không thể chia cắt liên kết với nhau bằng lực điện. Ở quy mô lớn hơn, ví dụ như hệ mặt trời, lực hấp dẫn liên kết vật này với vật khác. Ngoài ra, vũ trụ còn tràn ngập năng lượng chảy qua dưới dạng sóng điện từ. Một số câu hỏi lớn vẫn còn đó: Đâu là nguồn gốc của ánh sáng sao? Các nguyên tử và ê-te là có thật không, và nếu có thật thì làm thế nào có thể phát hiện ra chúng? Nhưng nói chung, vũ trụ có vẻ như là một cỗ máy có thể tiên đoán được và có trật tự như một tấm thảm dệt, được chi phối bởi các định luật toán học chính xác của chuyển động, sự hấp dẫn, và điện từ học.