Benjamin Crowell
Chương 5
CÁC TRƯỜNG LỰC
Nền khoa học mũi nhọn dễ dàng thâm nhập vào nền văn hóa công chúng, đôi khi qua hình thức bị bóp méo. Trí tưởng tượng Newton thống trị khắp nơi chủ yếu với chất liệu đẹp vững chắc gọi là vật chất, nó được cấu thành từ những quả cầu có phần rắn chắc gọi là nguyên tử. Vào đầu thế kỉ 20, các vị khách hàng của tiểu thuyết giật gân và nền khoa học đại chúng hóa bắt đầu nghe nói tới một hình ảnh mới của vũ trụ, toàn đầy tia X, tia N và sóng Hertz. Cái mà họ bắt đầu thấm nhập qua da của họ là sự xét lại triệt để quan niệm của Newton về một vũ trụ cấu thành từ các khối vật chất có vẻ tương tác thông qua các lực. Trong bức tranh mới xuất hiện, vũ trụ cấu thành từ lực, hay nói mang tính kĩ thuật hơn, từ những gợn sóng trong các trường lực phổ biến. Không giống như đa số độc giả của tác phẩm Những câu chuyện vũ trụ hồi năm 1941, bây giờ bạn có đủ kiến thức kĩ thuật để hiểu được một trường lực thật sự là cái gì.
5.1 Tại sao lại là các trường lực ?
Sự trễ thời gian tác dụng lực từ xa
Cái gì đã thuyết phục các nhà vật lí rằng họ cần đến quan niệm mới này về một trường lực ? Mặc dù chúng ta đã quen thuộc nhiều với lực điện, nhưng hãy bắt đầu với một ví dụ lực từ. (Thật ra lí do chủ yếu khiến tôi hoãn chưa bàn tới từ học quá lâu vì các phép tính toán học của các hiệu ứng từ sẽ dễ nắm bắt hơn nhiều với quan niệm về trường lực) Trước hết, hãy nói qua một chút về cơ sở dẫn đến ví dụ của chúng ta. Một thanh nam châm, a, có một trục mà nhiều quỹ đạo electron định hướng dọc theo đó. Chính Trái Đất cũng là một nam châm, mặc dù không phải loại dạng thanh. Tương tác giữa nam châm-Trái Đất và thanh nam châm, b, làm cho chúng sắp thẳng hàng trục của chúng theo hướng ngược nhau (nói cách khác, các electron của chúng quay trong những mặt phẳng song song, nhưng một quỹ đạo quay theo chiều kim đồng hồ và quỹ đạo kia quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo trục) Ở kích thước nhỏ hơn, bất kì hai thanh nam châm nào đặt ở gần nhau cũng sẽ tự sắp chúng đầu nối đuôi, c.
Bây giờ chúng ta xét một ví dụ có liên quan. Rõ ràng là hai người cách nhau một bức tường mỏng cỡ tờ giấy có thể sử dụng một cặp thanh nam châm để truyền tín hiệu cho nhau. Mỗi người sẽ cảm thấy nam châm của mình cố gắng xoay đi phản ứng lại với bất kì chuyển động quay nào thực hiện bởi nam châm của người bên kia. Phạm vi thực tế của sự truyền thông sẽ rất ngắn đối với cách sắp đặt này, nhưng một thiết bị nhạy có thể thu được các tín hiệu từ tính từ những khoảng cách xa hơn nhiều. Thật ra, ở đây không khác gì mấy so với radio thực hiện: các electron chạy lên chạy xuống trong ănten phát tạo ra lực tác dụng lên các electron trong ănten thu ở xa. (Cả lực điện lẫn lực từ đều có mặt trong các tín hiệu radio thực tế, nhưng cho đến lúc này chúng ta không phải lo ngại gì về điều đó).
Bây giờ, một câu hỏi tự nhiên phát sinh là có hay không sự chậm trễ thời gian trong loại truyền thông qua các lực từ (và điện) này. Newton nghĩ rằng không, vì ông quan niệm về nền vật lí dưới dạng tác dụng lực tức thời xuyên khoảng cách. Tuy nhiên, ngày nay chúng ta biết rằng có một sự chậm trễ thời gian như thế. Nếu bạn thực hiện một cuộc gọi điện thoại đường dài gửi tín hiệu qua vệ tinh viễn thông, bạn sẽ dễ dàng có thể phát hiện sự chậm trễ khoảng chừng nửa giây trên hành trình 50.000 dặm khép kín của tín hiệu. Các phép đo hiện đại cho thấy các lực điện, lực từ và lực hấp dẫn đều truyền đi ở tốc độ ánh sáng, 3 x 108 m/s. (Thật ra, chúng ta sẽ sớm bàn đến việc chính bản thân ánh sáng cũng được cấu thành từ điện và từ).
Nếu như mất chút ít thời gian cho lực truyền qua không gian, thì rõ ràng phải có một thứ gì đó truyền qua không gian. Thật ra thì hiện tượng truyền ra xa ở cùng tốc độ như nhau theo mọi hướng gợi ý rõ ràng tới phép ẩn dụ sóng như các gợn sóng trên mặt hồ.
Nhiều bằng chứng cho thấy các trường lực là có thật: chúng mang năng lượng
Luận cứ đanh thép cho khái niệm lạ lùng này về các gợn sóng lực xuất phát từ thực tế là chúng mang năng lượng.
Đầu tiên, hãy giả sử một người đang cầm thanh nam châm ở phía bên phải quyết định lộn ngược nó lại, kết quả thu được là cấu hình d. Cô ta phải thực hiện công cơ học để làm xoay nó, và nếu cô ta buông thanh nam châm ra, năng lượng sẽ được giải phóng khi nó quay ngược trở lại c. Rõ ràng cô ta đã dự trữ năng lượng khi chuyển từ c sang d. Trong chừng mực nào đó, mọi thứ dễ dàng được giải thích mà không cần khái niệm trường lực.
Nhưng bây giờ hãy tưởng tượng hai người bắt đầu ở vị trí c và đồng thời lật thanh nam châm của họ cực kì nhanh sang vị trí e, giữ chúng thẳng hàng với nhau trong toàn bộ thời gian đó. Hãy tưởng tượng, vì mục đích lập luận, rằng họ có thể làm việc này nhanh đến mức từng nam châm bị đảo ngược trong khi tín hiệu lực từ nam châm kia vẫn còn trên đường truyền đi. (Đối với một ví dụ mang tính thực tế hơn, chúng ta phải có hai ănten radio, nhưng các nam châm thì dễ hình dung hơn) Trong khi lật, từng nam châm vẫn cảm nhận lực từ cách thức mà nam châm kia thường định hướng. Dù cho hai nam châm vẫn thẳng hàng trong khi lật, sự chậm trễ thời gian khiến cho mỗi người cảm thấy sự cản trở khi cô ta xoay tròn thanh nam châm của mình. Làm thế nào lại có chuyện này ? Cả hai người họ rõ ràng đang thực hiện công cơ học, nên họ phải đang dự trữ năng lượng từ bằng cách nào đó. Nhưng theo quan niệm kiểu Newton truyền thống về vật chất tương tác thông qua các lực tức thời xuyên khoảng cách, năng lượng tương tác phát sinh từ vị trí tương đối của các vật đang tương tác thông qua lực. Nếu các nam châm không bao giờ thay đổi sự định hướng tương đối của chúng đối với nhau, thì làm thế nào mà năng lượng từ có thể được dự trữ ?
Câu trả lời khả dĩ duy nhất là năng lượng phải rơi vào các gợn lực từ bắt chéo không gian giữa các nam châm. Chúng ta quen thuộc với ý tưởng rằng một ănten phát sóng radio tiêu thụ một lượng lớn công suất, và bằng cách nào đó phát nó ra vũ trụ. Một người làm việc xung quanh một ănten như thế cần phải thận trọng không tiến quá gần nó, vì toàn bộ năng lượng đó có thể dễ dàng nấu chín da thịt người (một hiện tượng đau đớn gọi là “sự đốt cháy RF”).
Trần Nghiêm dịch
Còn tiếp...
