Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Phần 4

Vật lí học và các định luật bảo toàn

Làm thế nào các nhà vật lí khám phá ra những chân trời mới? Một trong những nguyên lí chỉ dẫn có sức mạnh nhất của họ là việc nhận ra rằng tự nhiên có các định luật bảo toàn nhất định phát biểu rằng những đại lượng nhất định là không thay đổi (được bảo toàn) trong một tương tác hay trong một quá trình nào đó. Như các chương sau này sẽ làm rõ, các định luật bảo toàn tỏ ra là một mảnh đất màu mỡ cho các nhà vật lí trong thế kỉ 20. Trong thế kỉ 19, các định luật bảo toàn sau đây đã tỏ ra hết sức hữu ích:

Bảo toàn động lượng. Định luật bảo toàn cũ xưa nhất trong vật lí học thu được từ hai trong ba định luật Newton của chuyển động. Định luật ba Newton, thường gọi là định luật của tác dụng và phản tác dụng, phát biểu rằng các lực luôn xuất hiện thành từng cặp bằng nhau và trái chiều. Chẳng hạn, trong khi lực hút hấp dẫn của Trái đất giữ Mặt trăng trong quỹ đạo của nó, thì lực hấp dẫn của Mặt trăng hút ngược lại phía Trái đất với một độ lớn bằng như vậy. Vì Trái đất có khối lượng lớn hơn vệ tinh của nó nhiều lần, cho nên tác dụng của lực hấp dẫn của Mặt trăng đối với Trái đất không tạo ra quỹ đạo quay mà tạo ra sự lắc lư, chao đảo, dễ thấy nhất là hiện tượng thủy triều đại dương.

Định luật hai Newton phát biểu rằng khi một lực tác dụng lên một vật, thì nó tạo ra một sự biến thiên ở một đại lượng gọi là động lượng, về mặt toán học đại lượng này thường được biểu diễn bằng tích số của khối lượng và vận tốc. Lực tác dụng lên một vật càng lâu, thì sự biến thiên động lượng của vật đó càng lớn. Khi hai vật tác dụng lên nhau những lực bằng nhau và ngược chiều, thì tổng độ biến thiên động lượng của hai vật phải bằng không. Động lượng của mỗi vật thì biến thiên, nhưng cho dù lực tác dụng giữa chúng mạnh bao nhiêu hay lâu bao nhiêu đi chăng nữa, thì tổng động lượng vẫn là như nhau tại mọi thời điểm – hay như các nhà vật lí phát biểu, tổng động lượng được bảo toàn.

Bảo toàn khối lượng. Một trong những định luật bảo toàn quan trọng liên quan đến khối lượng. Định luật Newton thứ nhất của chuyển động định nghĩa một đại lượng gọi là quán tính, hay xu hướng của một vật duy trì vận tốc của nó, trừ khi có lực tác dụng lên nó. Số đo của quán tính là cái các nhà vật lí gọi là khối lượng, nó thường được xem là lượng chất mà vật đó có. (Trong ngôn ngữ hàng ngày, người ta thường nói là một vật nặng bao nhiêu, chứ không nói nó có khối lượng bao nhiêu. Nhưng tốt hơn hết là nên sử dụng thuật ngữ khối lượng, vì lí do sau đây: Tính nặng nhẹ là lực mà trường hấp dẫn của Trái đất tác dụng lên vật. Trên Mặt trăng, vật sẽ cân nhẹ đi, nhưng khối lượng của nó thì không đổi).

Một trong những quan niệm cơ sở của thuyết nguyên tử của vật chất là tổng khối lượng của vật chất có mặt trong một phản ứng hóa học là không đổi. Các nguyên tử có thể sắp xếp lại, dẫn tới những hợp chất khác, nhưng bản thân các nguyên tử vẫn như cũ. Khi thế kỉ thứ 19 kết thúc, các nhà vật lí tin rằng định luật bảo toàn khối lượng là mang tính cơ bản.

Bảo toàn năng lượng. Các định luật Newton của chuyển động còn đưa đến một đại lượng gọi là năng lượng, nó có thể thuộc một trong hai dạng cơ bản gọi là động năng (năng lượng của chuyển động) và thế năng (năng lượng của vị trí). Cả hai dạng năng lượng có thể thu về từ một đại lượng gọi là công, đại lượng này được định nghĩa về mặt toán học là quãng đường mà vật đi được nhân với lực tác dụng theo hướng chuyển động của vật.

Công có thể tạo ra động năng bằng cách làm cho một vật chuyển động nhanh hơn, hoặc nó có thể tạo ra thế năng theo nhiều cách, thí dụ bằng cách kéo giãn hoặc nén một cái lò xo hoặc nâng một vật nặng lên cao. Lò xo đó có thế năng sẽ làm vật chuyển động khi nó hồi phục lại chiều dài ban đầu của nó. Vật nặng đó có thể rơi xuống, thu lấy động năng trong lúc rơi.

Một trong những thành tựu to lớn của nền vật lí học thế kỉ thứ 19 là việc công nhận mối liên hệ giữa năng lượng và nhiệt và phát triển một định luật bảo toàn mới. Khi hai vật tương tác với nhau, tổng động lượng của chúng được bảo toàn, nhưng tổng động năng và thế năng của chúng có thể thay đổi. Thí dụ, nếu hai chiếc xe hơi y hệt nhau, chuyển động ở tốc độ như nhau, va chạm trực diện với nhau, thì mớ hỗn tạp bẹp dí sẽ dừng lại ngay. Trước va chạm, mỗi xe hơi có động lượng bằng nhau, nhưng có chiều ngược nhau. Như vậy, tổng động lượng của chúng là bằng không lúc trước và sau khi chúng va chạm. Đúng như trông đợi, động lượng được bảo toàn.

Định luật Newton thứ hai và thứ ba của chuyển động dẫn tới kết luận rằng khi hai vật tương tác với nhau, thì động lượng của mỗi vật có thể thay đổi, nhưng tổng động lượng của chúng thì không đổi. Trong va chạm sớt qua của hai quả cầu có khối lượng khác nhau, thì mỗi quả cầu đổi hướng và tốc độ chuyển động, nhưng tổng động lượng của chúng vẫn như cũ.

Còn năng lượng thì sao? Không giống như động lượng, năng lượng không có chiều. Lượng lớn động năng trước va chạm dường như đã bị mất, và hai chiếc xe bẹp dí không có thế năng của bộ phận nén ép kiểu lò xo nào cả. Nhưng vụ va chạm sinh ra một lượng nhiệt lớn, chúng có thể dễ dàng được nhận thấy sau va chạm. Nếu hiểu nhiệt là số đo của tổng động năng của hai xe trước va chạm, thì hóa ra năng lượng vẫn được bảo toàn.

Một phân ngành vật lí học gọi là nhiệt động lực học mô tả cách thức nhiệt và năng lượng liên hệ với nhiệt độ. Các nhà vật lí phát biểu ba định luật của nhiệt động lực học, định luật đầu tiên trong số đó là một định luật bảo toàn. Nó phát biểu rằng khi có sự trao đổi nhiệt, thì năng lượng, giống như động lượng, được bảo toàn khi các vật tương tác với nhau, mà không có thêm sự tác dụng nào từ bên ngoài. Nhiệt động lực học có liên hệ mật thiết với một phân ngành vật lí toán phát triển vào cuối thế kỉ thứ 19 gọi là cơ học thống kê. Cơ học thống kê cho phép các nhà vật lí khảo sát nhiệt ở cấp độ nguyên tử. Nó định nghĩa nhiệt độ là số đo động năng trung bình của các nguyên tử hoặc phân tử trong vật chất, cho dù chúng đang chuyển động tự do và va chạm nhau như trong chất khí, hoặc chất lỏng, hoặc đang dao động tới lui trong chất rắn.

Cơ học thống kê giữ một vai trò quan trọng trong những khám phá đầy kịch tính buổi đầu của thập niên đầu tiên của thế kỉ thứ 20 – trong đó có sự thay đổi nhận thức của các nhà vật lí về các định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng.

Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Alfred B. Bortz
Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>