CÁC ĐỘT PHÁ TRONG VẬT LÍ HỌC
Giữa lúc chiến tranh thịnh nộ, các khám phá quan trọng khác cũng xảy ra trong vật lí học, đáng chú ý nhất là nghiên cứu điện học và từ học. Phải mất nhiều năm người ta mới hiểu được các hiện tượng mới một cách thấu tình đạt lí, và để ứng dụng chúng cho các dụng cụ hữu ích, thế nhưng rõ ràng cuối cùng chúng có tác động hết sức to lớn đối với chiến trận và vũ khí, và với cuộc sống thường ngày.
Vào đầu thập niên 1730, nhà vật lí Pháp Charles du Fay phát hiện thấy các vật nhiễm điện thỉnh thoảng hút lẫn nhau và thỉnh thoảng đẩy lẫn nhau. Ông nêu giả định rằng có hai loại chất lỏng điện, ông gọi chúng là điện thủy tinh và điện nhựa (về sau chúng được gọi là điện tích dương và điện tích âm). Ông còn lưu ý rằng một số vật liệu dẫn điện tốt hơn các vật liệu khác; ông xem tính chất này là “nhiễm điện tiếp xúc”.
Vài năm sau, năm 1746, chính khách và nhà khoa học Benjamin Franklin trở nên yêu thích với điện và đã tiến hành các thí nghiệm sử dụng chai Leyden (một cái chai có một thanh đồng dựng tại tâm của nó, có thể dùng để trữ điện tích). Ông tự hỏi liệu tia sét trong cơn giông có liên hệ với tia lửa điện sinh ra gần quả cầu trên chóp đỉnh chai Leyden hay không. Nhằm thỏa mãn lòng hiếu kì của mình, ông thả một con diều trong cơn giông, trang bị cho nó một cần dây dẫn nối với một sợi dây lụa, và buộc một chìa khóa kim loại vào đầu kia của sợi dây lụa. Đúng như trông đợi, khi ông đặt tay mình gần chìa khóa, nó đánh lửa theo kiểu giống như chai Leyden vậy. Lúc này Franklin cam chắc rằng “chất lỏng điện” của chai Leyden cũng có mặt trong các đám mây giông.
Nhà vật lí Pháp Charles Coulomb bắt đầu khảo sát vấn đề hút và đẩy giữa các vật nhiễm điện vào đầu thập niên 1780. Ông đặc biệt quan tâm đến lực tương tác giữa chúng. Nếu chúng hút hoặc đẩy nhau thì phải có một lực gắn liền với hiện tượng đó. Ông chế tạo một dụng cụ rất nhạy gọi là cân xoắn cho phép ông đo độ lớn của lực đó, và ông tìm thấy nó tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích, và tỉ lệ với tích của hai điện tích. Ngày nay, chúng ta viết liên hệ này là F = q1q2/r2, trong đó q1 và q2 là độ lớn của hai điện tích và r là khoảng cách giữa chúng.
Bối cảnh khi ấy chuyển sang Italy, nơi bác sĩ và nhà vật lí Luigi Galvani bắt đầu hứng thú với lĩnh vực mới về “điện y học” vào khoảng năm 1790. Một ngày nọ, Galvani đang lột da ếch để ông làm thí nghiệm tĩnh điện trên đó. Người phụ tá của ông chạm con dao mổ bằng kim loại lên dây thần kinh ở chân ếch, với một chai Leyden tích điện đặt gần đó. Khi con dao mổ chạm trúng dây thần kinh, chân con ếch chết nhảy giật lên, như thể nó còn sống. Quan sát này khiến ông bất ngờ, và ông công bố nó vào năm 1791. Ông giả định rằng cú nhảy ấy là do một chất lỏng điện trong các dây thần kinh, và ông gọi hiện tượng này là “điện sinh vật”.9
Không lâu sau khi kết quả trên được công bố, một nhà vật lí khác ở Italy, Alessandro Volta, đọc thấy nó và lặp lại thí nghiệm. Ông hầu như nhận ra ngay rằng con ếch là không cần thiết; thứ duy nhất cần thiết là hai kim loại khác bản chất và một vật dẫn ẩm ướt (chúng thay cho chân ếch). Và trong một khoảng thời gian ngắn, ông còn tiến thêm bước nữa, chỉ ra rằng một dải nối tiếp gồm vài cặp dây kim loại và các vật dẫn ẩm ướt còn hoạt động tốt hơn. Volta tiếp tục nghiên cứu dụng cụ mới của ông, ông gọi nó là cột, sử dụng các đĩa bạc và kẽm chồng lên nhau với các đĩa giấy cứng tẩm nước muối kẹp giữa chúng. Với dụng cụ mới, cái ngày nay chúng ta gọi là pin, lần đầu tiên dòng điện liên tục được tạo ra.
Một khi các nhà khoa học có được “dòng” điện chạy trong dây dẫn, nhiều nhà vật lí bắt đầu làm thí nghiệm với nó. Một trong số họ là nhà vật lí Đức Georg Ohm. Ohm sớm nhận thấy rằng dòng điện chạy qua dây dẫn giữa hai điểm phụ thuộc vào “điện trở” của đoạn dây đó. Quy luật của ông ngày nay được gọi là định luật Ohm. Dòng điện ngày nay được đo theo một đơn vị gọi là ampere, và điện trở được đo theo đơn vị gọi là ohm. Về mặt toán học, định luật của ông có thể được viết là V = IR, trong đó V là điện áp giữa hai điểm, I là cường độ dòng điện, và R là điện trở.10
Cột điện của Volta
Thế nhưng vẫn còn một vấn đề nghiêm trọng. Bởi vì lực điện có quá nhiều tính chất giống với lực từ, cho nên có vẻ chúng phải có liên hệ với nhau, song chẳng ai có thể chứng minh được. Vào năm 1813, nhà vật lí Đan Mạch Hans Christian Oersted bắt đầu quan tâm đến vấn đề trên, nhưng sau vài năm làm thí nghiệm ông không thể tìm ra mối liên hệ giữa hai bên. Thế rồi một ngày nọ trong năm 1820 ông đang đứng giảng bài; trong lúc giảng ông bật một dòng điện tắt rồi mở. Nằm cạnh bên là một cái la bàn, và, trước sự bất ngờ của ông, ông để ý thấy hành động của ông có tác động lên cái la bàn. Ông mang la bàn đến gần dây dẫn, giữ kim la bàn song song với sợi dây. Khi ông bật dòng điện lên, kim la bàn lệch về hướng vuông góc với dây. Như vậy, ông đã xác định được rằng mỗi dòng điện có một từ trường gắn liền với nó. Từ trường đó bao xung quanh, hay vây tròn, dây dẫn mang dòng điện, và độ lớn của từ trường yếu dần khi khoảng cách đến dây tăng lên.11 Oersted công bố các kết quả của ông vào tháng Bảy 1820, và chúng sớm gây chú ý. Nay đã có bằng chứng: lực điện và lực từ thật sự có liên quan nhau. Đặc biệt, mỗi điện trường sẽ tạo ra một từ trường. Người ta cũng sớm thấy rằng một nam châm đang chuyển động có thể tạo ra dòng điện. Tương tác giữa hai trường ngày nay được gọi là trường điện từ.
Trong vòng vài tuần sau công bố khám phá của Oersted, nhà vật lí Pháp Andre Ampere đã đọc về nó. Ông xác thực công trình của Oersted và tiếp tục tiến hành các thí nghiệm về các trường xung quanh dây dẫn. Ông chứng minh được rằng hai dây dẫn song song mang dòng điện sẽ hút hoặc đẩy nhau, tùy thuộc vào hai dòng điện chạy cùng chiều hay ngược chiều. Nghiên cứu tường tận tương tác đó, ông chứng minh được rằng lực giữa chúng tuân theo một quy luật nghịch đảo bình phương. Rồi ông tiếp tục phát triển “quy tắc nắm tay phải” cho dòng điện, nó nói rằng nếu bạn nắm một sợi dây dẫn mang dòng điện với ngón tay cái chỉ theo chiều dòng điện và khum các ngón kia lại, thì các ngón tay của sẽ bạn chỉ theo chiều của từ trường. Ông cũng là người đầu tiên phát triển solenoid – một cuộn dây quấn thành xoắn ốc tạo ra từ trường tại tâm của nó.
Song có lẽ tỏa sáng rực rỡ nhất của thời kì này là Micharal Faraday, ông sinh năm 1791. Ông tự học là chính; ở tuổi mười bốn, ông theo học việc với một thợ đóng sách ở địa phương, nhờ thế giúp ông tiếp xúc với số lượng lớn sách vở. Ông đọc cơ man nào là sách trong thời gian rỗi rãi của mình, và ông đặc biệt có cảm hứng với một cuốn mô tả hiện tượng mới là dòng điện. Sau đó, ông tham dự các buổi thuyết giảng của nhà vật lí lỗi lạc Humphrey Davy.12
Sau khi đọc về cột Volta, ông đã tự chế cho mình một cái, và vào năm 1821, sau khi Oersted công bố khám phá của ông, Faraday chế tạo ra hai dụng cụ tạo ra cái ông gọi là “chuyển động quay điện từ”. Chúng là những phiên bản đơn giản của động cơ điện. Rồi vào năm 1830 ông bắt đầu tự hỏi rằng liệu từ trường hiện hữu có thể tạo ra một dòng điện hay không. Để tìm câu trả lời, ông quấn dây dẫn quanh một cái vòng sắt và gắn hai đầu nó với một cục pin, tạo ra một solenoid, rồi ông lắp một công tắc trong mạch điện để có thể mở nó hoặc tắt. Ở phía kia của vòng ông quấn thêm vài vòng dây khác và gắn hai đầu nó với một dụng cụ đo dòng điện, gọi là một điện kế. Sau đó Faraday bật công tắc ngắt mở vài lần, kì vọng thấy được dòng điện trong dây quấn thứ hai. Tuy nhiên, trước sự thất vọng của ông, chỉ có một dòng điện nhỏ tồn tại trong một phần nhỏ của một giây. Tiếp tục làm thí nghiệm, cuối cùng ông biết được rằng không phải sự tồn tại của các đường sức từ tạo ra dòng điện mà chính chuyển động của từ trường qua dây dẫn. Ông nhanh chóng chứng minh được rằng nếu ông chỉ việc đẩy một nam châm vào một cuộn dây, thì nó sẽ tạo ra dòng điện trong cuộn dây. Ngày nay chúng ta gọi hiện tượng này là sự cảm ứng điện từ.
Quy tắc nắm tay phải cho chiều của từ trường
Cuộn dây cảm ứng của Faraday
Vào năm 1845, Faraday còn phát hiện thấy những vật liệu nhất định biểu hiện một lực đẩy yếu đối với từ trường. Ông gọi hiện tượng là nghịch từ. Ngoài ra, ông còn chỉ ra rằng từ trường có thể ảnh hưởng đến tia sáng, chứng minh một mối liên hệ biểu kiến giữa từ trường và ánh sáng. Cuối cùng, trong những năm cuối đời mình, ông đề xuất rằng lực điện từ thật sự trải ra vào không gian trống rỗng xung quanh một vật dẫn ở dạng “các đường thông lượng”. Ngày nay, chúng ta gọi chúng là các đường sức điện trường.
Trong vòng vài năm công trình của Faraday đã đưa đến hai phát minh quan trọng: máy phát điện và máy biến áp. Máy phát điện được dùng làm nguồn cấp điện trong công nghiệp, và máy biến áp nhanh chóng được sử dụng rộng rãi để biến đổi hay điều chỉnh điện áp của một nguồn điện.
ĐIỀU NÀY ẢNH HƯỞNG NHƯ THẾ NÀO ĐẾN VŨ KHÍ CHIẾN TRANH
Mặc dù các khám phá trên thuộc về một số quan trọng nhất trong lịch sử thế giới, song phải mất vài năm thì chúng mới được sử dụng trong chiến tranh. Thế nhưng cuối cùng khi chúng được ứng dụng cho công nghệ của thời ấy, chúng đã đem lại cách mạng. Máy phát điện và động cơ điện nhanh chóng được phát triển là kết quả của những khám phá này, và cuối cùng chúng giữ một vai trò to lớn trong sự phát triển vũ khí chiến tranh. Các máy phát điện cỡ lớn cuối cùng thay thế hẳn các động cơ hơi nước làm nguồn năng lượng chính. Các nhà máy điện mọc lên khắp nơi của thế giới văn minh, thúc đẩy sản xuất trên nhiều phương diện. Vũ khí nhanh chóng được sản xuất ở tốc độ khủng khiếp.
Thế nhưng một trong nhưng kết cục chính của các đột phá về điện học và từ học là một niềm đam mê mới bất ngờ về khoa học và công nghệ, với vật lí học ở tiền tuyến. Đa số các quốc gia bắt đầu nhận ra tầm quan trọng của vật lí học và các khoa học khác đối với chiến trận và phát triển các vũ khí mới. Khoa học thuần túy đã được công nhận trước thời kì này, song các viên chức chính phủ đang dần nhận ra tầm quan trọng của khoa học thuần túy, và đặc biệt vật lí học, trong mối liên hệ với công nghệ ứng dụng quân sự.
Các đường thông lượng của Faraday, hay các đường sức điện đối với một điện tích dương và một điện tích âm.
Nhiều trường đại học mới mọc lên như nấm ở Anh, Pháp, và Đức, và cả ở Mĩ. Và sự nhấn mạnh mới vào khoa học và toán học, bao gồm cả vật lí học. Các nước khác, ví dụ Nhật Bản và Nga, cũng sớm đi tới kết luận tương tự.
“Dynamo” đầu tiên – một máy phát điện có khả năng sản xuất điện cho công nghiệp – được chế tạo vào năm 1832. Sau đó đến điện báo và pin nhiên liệu.
Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
