Vì sao E = mc2? - Phần 9 | Thư Viện Vật Lý

Trở lại câu chuyện của chúng ta, trong lúc tìm kiếm sự nhất quán toán học, Maxwell đã bổ sung thêm một mảnh ghép nữa, gọi là dòng điện dịch, vào phương trình mô tả các quan sát thực nghiệm của Faraday về sự lệch của kim nam châm do dòng điện chạy trong dây dẫn gây ra. Dòng điện dịch là không nhất thiết để mô tả các quan sát của Faraday, và các phương trình mô tả dữ liệu thực nghiệm lúc ấy có hoặc không có nó. Tuy nhiên, ban đầu Maxwell không rõ, nhưng với bổ sung đơn giản này các phương trình đẹp đẽ của ông mô tả tốt hơn nhiều sự vận hành của các động cơ điện. Với khái niệm dòng điện dịch, xuất hiện một mối liên hệ sâu sắc giữa điện trường và từ trường. Đặc biệt, các phương trình mới có thể đúc kết thành một dạng phương trình sóng, chúng mô tả chuyển động sóng. Các phương trình mô tả sự truyền âm trong không khí là phương trình sóng, chúng giống với các phương trình mô tả hành trình của sóng ngoài khơi vỗ đến bờ biển. Khá bất ngờ, mô tả toán học của Maxwell cho các thí nghiệm của Faraday với các dây dẫn và nam châm dự đoán sự tồn tại của một dạng sóng lan truyền. Nhưng trong khi sóng đại dương là những nhiễu động lan truyền trong nước, và sóng âm là gồm các phân tử không khí đang chuyển động, thì các sóng của Maxwell lại gồm các điện trường và từ trường đang dao động.

Vậy những trường dao động bí ẩn này là gì? Hãy tưởng tượng một điện trường bắt đầu lớn dần vì Faraday tạo ra một xung điện chạy trong dây dẫn. Ta biết rằng khi xung điện chạy theo dọc theo dây dẫn thì một từ trường được tạo ra (hãy nhớ Faraday đã quan sát thấy kim nam châm trong vùng phụ cận của dây dẫn đó bị lệch hướng). Nói theo ngôn ngữ Maxwell thì một điện trường biến thiên tạo ra một từ trường biến thiên. Faraday còn cho ta biết rằng khi ta làm biến thiên từ trường bằng cách đẩy một nam châm xuyên qua một cuộn dây dẫn, thì một điện trường được tạo ra, gây ra dòng điện chạy trong dây. Bây giờ hãy tưởng tượng bỏ đi dòng điện và nam châm. Ta chỉ còn lại các trường dao động qua lại vì các biến thiên ở trường này gây ra các biến thiên ở trường kia. Các phương trình Maxwell mô tả hai trường này liên hệ với nhau ra sao, dao động qua lại như thế nào. Chúng còn dự đoán rằng những sóng này truyền về trước với một tốc độ nhất định. Có lẽ chẳng có gì bất ngờ, tốc độ này được cố định bởi những đại lượng mà Faraday đã đo. Trong trường hợp sóng âm, tốc độ truyền sóng xấp xỉ 330 m/s, chỉ hơi nhanh hơn máy bay chở khách một chút. Tốc độ âm thanh được cố định bởi các chi tiết tương tác giữa các phân tử không khí truyền sóng. Nó biến thiên theo áp suất không khí và nhiệt độ, những đại lượng mô tả các phân tử không khí ở gần nhau như thế nào và va chạm với nhau bao nhanh. Trong trường hợp các sóng Maxwell, tốc độ được dự đoán bằng tỉ số của cường độ điện trường và cảm ứng từ, và tỉ số này có thể đo được rất dễ dàng. Độ lớn của cảm ứng từ có thể được xác định bằng cách đo lực giữa hai nam châm. Từ “lực” sẽ xuất hiện lúc này lúc khác, và khi dùng từ này ý ta muốn nói cái gì đó bị hút hoặc bị đẩy một lượng bao nhiêu. Lượng hút/đẩy đó có thể được định lượng và được đo, và nếu ta cố gắng tìm hiểu thế giới vận hành ra sao thì sẽ có chút bất ngờ là ta sẽ muốn tìm hiểu các lực phát sinh như thế nào. Theo một cách đơn giản không kém, cường độ điện trường có thể được đo bằng cách tích điện cho hai vật và đo lực tương tác giữa chúng. Có khả năng vô tình bạn đã từng tự mình trải nghiệm quá trình “tích điện”. Có lẽ bạn đã từng đi trên thảm nylon vào một ngày khô ráo và sau đó chịu một cú sốc điện khi bạn cố gắng mở cửa bằng nắm xoay kim loại. Kinh nghiệm mở cửa khó chịu này xảy ra bởi vì bạn đã cọ xát các electron, những hạt mang điện cơ bản, ra khỏi thảm và đi sang đế giày của bạn. Bạn trở nên bị tích điện, và điều này có nghĩa là một điện trường tồn tại giữa bạn và cái nắm cửa. Vào lúc bạn cầm tay vào cái nắm cửa thì điện trường này gây ra một dòng điện chạy, đó chính là cái Faraday đã tìm thấy trong các thí nghiệm của ông.

Bằng cách tiến hành những thí nghiệm đơn giản như thế, các nhà khoa học có thể đo độ lớn của điện trường và từ trường, và các phương trình Maxwell dự đoán rằng tỉ số của hai độ lớn đó cho ta tốc độ truyền sóng. Vậy câu trả lời là gì? Các thí nghiệm trên bàn của Faraday, cùng với thiên tài toán học của Maxwell, dự đoán giá trị bao nhiêu cho tốc độ của sóng điện từ? Đây là một trong những thời khắc chủ chốt trong câu chuyện của chúng ta. Nó là một ví dụ tuyệt vời giải thích vì sao vật lí học là một ngành tươi đẹp, quyền năng và sáng giá: Các sóng của Maxwell lan truyền ở tốc độ 299.792.458 m/s. Thật bất ngờ, đây chính là tốc độ ánh sáng – Maxwell đã tình cờ tìm ra bản chất của ánh sáng. Bạn nhìn thấy thế giới xung quanh mình vì trường điện từ của Maxwell tự lái nó xuyên qua bóng tối và đi vào mắt bạn, ở tốc độ có thể dự đoán chỉ sử dụng một cuộn dây dẫn và một nam châm. Các phương trình Maxwell là vết nứt trên cánh cửa để ánh sáng đi vào câu chuyện của chúng ta theo kiểu mà mỗi cái nhỏ nhặt cũng quan trọng như các khám phá của Einstein mà chúng đã mang lại. Sự tồn tại trong tự nhiên của tốc độ đặc biệt này, 299.792.458 m/s bất biến, sẽ đưa ta sang chương tiếp theo, giống hệt như nó đã khiến Einstein, vứt bỏ khái niệm thời gian tuyệt đối.