Vật lư học là ngành khoa học nghiên cứu về các quy luật vận động của tự nhiên, từ thang vi mô (các hạt cấu tạo nên vật chất) cho đến thang vĩ mô (các hành tinh, thiên hà và vũ trụ). Trong tiếng Anh, từ vật lư (physics) bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp φύσις (phusis) có nghĩa là tự nhiên và φυσικός (phusikos) là thuộc về tự nhiên. Đối tượng nghiên cứu chính của vật lư hiện nay bao gồm vật chất, năng lượng, không gian và thời gian.
Vật lư c̣n được xem là ngành khoa học cơ bản bởi v́ các định luật vật lư chi phối tất cả các ngành khoa học tự nhiên khác. Điều này có nghĩa là những ngành khoa học tự nhiên như sinh học, hóa học, địa lư học... chỉ nghiên cứu từng phần cụ thể của tự nhiên và đều phải tuân thủ các định luật vật lư. Ví dụ, tính chất hoá học của các chất đều bị chi phối bởi các định luật vật lư về cơ học lượng tử, nhiệt động lực học và điện từ học.
Vật lư có quan hệ mật thiết với toán học. Các lư thuyết vật lư là bất biến khi biểu diễn dưới dạng các quan hệ toán học, và sự xuất hiện của toán học trong các thuyết vật lư cũng thường phức tạp hơn trong các ngành khoa học khác. Sự khác biệt giữa vật lư và toán học là ở chỗ, vật lư luôn gắn liền với thế giới tự nhiên, trong khi toán học lại biểu diễn các mô h́nh trừu tượng độc lập với thế giới tự nhiên. Tuy vậy, sự khác biệt không phải lúc nào cũng rơ ràng. Thực tế có một ngành nghiên cứu thuộc lĩnh vực trung gian giữa toán học và vật lư, đó là Toán vật lư - ngành học phát triển các cấu trúc toán học để phục vụ cho các lư thuyết vật lư.
Từ xa xưa, con người đă cố gắng t́m hiểu về các đặc điểm của vật chất và đặt ra các câu hỏi như: tại sao một vật lại có thể rơi được xuống đất? Tại sao vật chất khác nhau lại có các đặc tính khác nhau? Và vũ trụ kia vẫn là điều bí ẩn: trái đất được h́nh thành như thế nào? đặc điểm của các thiên thể như Mặt Trời hay Mặt Trăng ra sao? Một vài thuyết đă được đưa ra, nhưng đa phần đều không chính xác. Những thuyết này mang đậm nét triết lư và chưa từng qua các bước kiểm chứng như các thuyết hiện đại. Một số ít được công nhận, số c̣n lại đă lỗi thời, ví dụ như nhà tư tưởng người Hy Lạp, Archimedes, đưa ra nhiều mô tả định lượng chính xác về cơ học và thủy tĩnh học.
Thế kỷ thứ 17, Galileo Galilei là người đi tiên phong trong lĩnh vực sử dụng thực nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của lư thuyết, và nó là ch́a khóa để h́nh thành nên ngành khoa học thực nghiệm. Galileo xây dựng và kiểm tra thành công nhiều kết quả trong động lực học, cụ thể là Định luật quán tính. Năm 1687, Isaac Newton công bố cuốn sách Principia Mathematica, mô tả chi tiết và hoàn thiện hai thuyết vật lư: Định luật chuyển động Newton, là nền tảng của cơ học cổ điển, và Định luật hấp dẫn, mô tả lực cơ bản của hấp dẫn. Cả hai thuyết trên đều được công nhận bằng thực nghiệm. Cuốn Principia Mathematica cũng giới thiệu một vài thuyết thuộc ngành thủy động lực học. Cơ học cổ điển được mở rông bởi Joseph Louis Lagrange, William Rowan Hamilton, và một số nhà vật lư khác, là các người đă xây dựng lên các công thức, nguyên lư và kết quả mới. Định luật hấp dẫn mở đầu cho ngành vật lư thiên văn, ở đó mô tả các hiện tượng thiên văn dựa trên các thuyết vật lư.
Bước sang thế kỷ thứ 18, nhiệt động lực học được ra đời bởi Robert Boyle, Thomas Young và một số nhà vật lư khác. Năm 1733, Daniel Bernoulli sử dụng phương pháp thống kê với cơ học cổ điển để đưa ra các kết quả cho nhiệt động lực học, từ đó ngành thống kê cổ điển được ra đời. Năm 1798, Benjamin Thompson chứng minh được việc chuyển hóa cơ năng sang nhiệt, và năm 1847, James Prescott Joule dặt ra định luật bảo toàn năng lượng, dưới dạng nhiệt cũng như năng lượng cơ học, cơ năng.
Đặc điểm của điện và từ tính được nghiên cứu bởi Michael Faraday, Georg Ohm, cùng với một số nhà vật lư khác. Năm 1855, James Clerk Maxwell thống nhất hai ngành điện học và từ học vào làm một, gọi chung là Điện từ học, được mô tả bằng các phương tŕnh Maxwell. Dự đoán của thuyết này đó là ánh sáng là một dạng sóng điện từ. Năm 1895, Wilhelm Conrad Röntgen khám phá ra tia X quang, là một dạng tia phóng xạ điện từ tần số cao. Độ phóng xạ được t́m ra từ năm 1896 bởi Henri Becquerel, và sau đó là Marie Curie (Maria Skłodowska-Curie), Pierre Curie, cùng với một số nhà vật lư khác. Từ đó khai sinh ra ngành vật lư hạt nhân.
Năm 1905,
Albert Einstein xây dựng
Thuyết tương đối đặc biệt, kết hợp không gian và thời gian vào một khái niệm
chung,
không-thời gian.
Thuyết tương đối hẹp dự đoán một sự biến đối khác nhau giữa các điểm gốc hơn
là cơ học cổ điển, điều này dẫn đến việc phát triển
cơ học tương đối tính để thay thế cơ học cổ điển. Với trường hợp vật tốc nhỏ,
hai thuyết này dẫn đến cùng một kết quả. Năm
1915, Einstein phát
triển thuyết tương đối đặc biệt để giải thích lực hấp dẫn, thuyết này do đó được
gọi là
Thuyết tương đối tổng quát hay
Thuyết tương đối rộng, thay thế cho định luật hấp dẫn của Newton. Trong
trường hợp khối lượng và năng lượng thấp, hai thuyết này cũng cho một kết quả
như nhau.
Năm 1911, Ernest Rutherford suy luận từ thí nghiệm tán xạ về sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử, với thành phần mang điện tích dương được đặt tên là proton. Neutron, thành phần của hạt nhân nguyên tử không mang điện tích, được phát hiện ra năm 1932 bởi James Chadwick.
Bước sang thế kỷ thứ 20, Max Planck, Einstein, Niels Bohr cùng với một số nhà vật lư khác xây dựng thuyết lượng tử để giải thích cho các kết quả thí nghiệm bất thường bằng việc mô tả các lớp năng lượng rời rạc. Năm 1925, Werner Heisenberg và năm 1926 Erwin Schrodinger và Paul Dirac công thức hóa cơ học lượng tử, để giải thích thuyết lượng tử bằng các công thức toán học. Trong cơ lương tử, kết quả của các đo đặc vật lư tồn tại dưới dạng xác suất, và lư thuyết này đă rất thành công khi mô tả các đặc điểm và tính chất của thế giới vi mô.
Cơ lượng tử là công cụ cho ngành vật lư vật chất rắn, một ngành nghiên cứu các tính chất vật lư của chất rắn và chất khí, bao gồm các đặc tính như cấu trúc mạng tinh thể, bán dẫn và siêu dẫn. Người đi tiên phong trong ngành vật lư vật chất đặc đó là Felix Bloch, người đă sáng tạo ra một bộ mặt lượng tử các tính chất của electron trong cấu trúc tinh thể năm 1928.
Trong thời Đệ nhị thế chiến, các nghiên cứu khoa học đă phần hướng về ngành vật lư hạt nhân với mục đích tạo ra bom nguyên tử. Sự cố gắng của người Đức, dẫn đầu bởi Heisenberg, đă không thành công, nhưng dự án Manhattan của Mỹ đă đạt được được mục đích. Nhóm khoa học người Mỹ, đứng đầu là Enrico Fermi đă là người đầu tiên xây dựng ḷ phản ứng hạt nhân năm 1942, và chỉ 3 năm sau, năm 1945, vụ thử hạt nhân đầu tiên đă diễn ra tại Trinity, gần Alamogorgo, New Mexico.
Lư thuyết trường lượng tử được xây dựng để phát triển cơ lượng tử, với việc kết hợp thuyết tương đối hẹp. Một phiên bản mới được h́nh thành vào cuối năm 1940 bởi Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga và Freeman Dyson. Họ đă công thức hóa thuyết điện động lực học lượng tử để mô tả tương tác điện từ.
Thuyết trường lượng tử tạo nền cho ngành vật lư hạt, ở đó nghiên cứu các lực tự nhiên và các hạt cơ bản. Năm 1945. Dương Chấn Ninh và Robert Mills phát triển một dạng thuyết gauge, tạo cơ sở cho Mô h́nh chuẩn. Mô h́nh chuẩn đă được hoàn chỉnh vào năm 1970, với thành công là việc mô tả tất cả các hạt biết được khi ấy.
Hai lư thuyết vật lư chính của thế kỷ 20, thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, hiện không tương thích với nhau. Cơ học lượng tử mô tả vật chất trong kích thước nhỏ hơn nguyên tử, trong đó không-thời gian là tuyệt đối, trong khi thuyết tương đối rộng mô tả vũ trụ trên khoảng cách rộng lớn giữa các hành tinh trong hệ mặt trời cho rằng không thời gian bị bẻ cong bởi vật chất. Để thống nhất hai thuyết này, lư thuyết dây đă ra đời, mô tả không-thời gian như một đa không gian, không phải của các điểm, mà của các vật có h́nh dạng một chiều, gọi là dây. Lư thuyết này cho ra những kết quả nhiều hứa hẹn, nhưng chưa thể được kiểm chứng. Cuộc t́m kiếm các thí nghiệm để kiểm tra lư thuyết dây vẫn đang được tiến hành.
Các nghiên cứu trong vật lư được chia ra làm hai loại riêng biệt, vật lư lư thuyết và vật lư thực nghiệm. Từ thế kỷ thứ 20, đa phần các nhà vật lư thuộc một trong hai lĩnh vực này; chỉ có một số ít các nhà vật lư thành công trên cả hai lĩnh vực cùng một lúc. Ngược lại, hầu hết các kết quả thành công trong sinh học hay hóa học thuộc lĩnh vực thực nghiệm.
Nói chung, các nhà lư thuyết xây dựng và phát triển các lư thuyết để giải thích cho những kết quả của thực nghiêm, và dự đoán cho những kết quả trong tương lại, trong khi các nhà thực nghiệm xây dựng và thiết lập các thí nghiệm kiểm chứng để khám phá ra những hiện tượng mới hay kiểm tra tính đúng đắn của các dự đoán trong lư thuyết. Mặc dầu ngành lư thuyết và ngành thực nghiệm được phát triển một cách độc lập, song giữa hai ngành này lại có một mối quan hệ tương hỗ với nhau. Trong quá tŕnh thí nghiệm, có nhiều kết quả khác biệt so với dự đoán ban đầu, do đó cần đến những lư thuyết mới để giải thích cho kết quả t́m ra, và mô tả những dự đoán mới. Nếu không có thực nghiệm, các nghiên cứu lư thuyết có thể đi lạc đường, một thí dụ điển h́nh chính là thuyết M, một thuyết rất phổ biến trong ngành vật lư năng lượng cao, nhưng lại chưa từng có một thí nghiệm kiểm chứng nào được h́nh thành.
Mặc dầu đối tượng của vật lư được trải dài trên một khoảng rộng, từ thang vi mô đến thang vĩ mô, song chỉ có một vài lư thuyết vật lư chính, bao quát được hết các hệ thống trong đó. Mỗi thuyết, về cơ bản, đều mô tả đúng trên một phạm vi nhất định. Đầu tiên đó là thuyết cơ học cổ điển, mô tả chính xác chuyển động của vật, với điều kiện vật này lớn hơn nhiều so với kích thước của nguyên tử và có vận tốc nhỏ hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng. Với sự ra đời của Ba định luật chuyển động của Newton, làm nền tảng cho các nghiên cứu trong thế giới trung mô, thế giới mà chúng ta đang sống. Thuyết này vẫn tiếp tục được nghiên cứu, một trong những thành công của nó chính là sự ra đời của lư thuyết hỗn độn ở thế kỷ 20. Tuy nhiên, một số nhà vật lư cho rằng thuyết cơ học cổ điển vẫn có nhiều điểm hạn chế như khi được đặt ở một phạm vi khác, như thế giới vi mô hay thế giới vĩ mô, th́ cơ học cổ điển không c̣n mô tả chính xác nữa. Cơ học cổ điển vấn rất gần gũi với chúng ta, bởi v́ nó mô tả đúng những ǵ trong thế giới mà chúng ta đang sống.
Các nghiên cứu hiện tại trong vật lư được chia ra làm một số ngành riêng biệt, nhằm mục đích t́m hiểu các khía cạnh khác nhau của thế giới vật chất. Vật lư chất rắn được cho là ngành lớn nhất, quan tâm tới tính chất của phần lớn các vật chất, như chất rắn và chất lỏng trong thế giới thường ngày của chúng ta, dựa trên các đặc tính và tương tác giữa các nguyên tử. Ngành vật lư nguyên tử, phân tử và quang tử quan tâm tới đặc điểm riêng biệt của các nguyên tử và phân tử, ví dụ như việc chúng hấp thụ và bức xạ ánh sáng. Ngành vật lư hạt, được coi là ngành vật lư năng lượng cao ở đó nghiên cứu các tính chất của các hạt hạ nguyên tử, như các hạt cơ bản cấu thành nên vật chất. Và sau cùng là ngành vật lư thiên văn, ở đó ứng dụng các định luật của vật lư để giải thích các hiện tượng thiên văn học, với đối tượng là Mặt Trời, các thiên thể trong Hệ Mặt Trời cũng như toàn vũ trụ.
Năm 2004 qua đi, bên cạnh những thành công đạt được, vật lư học vẫn phải đối diễn với những câu hỏi lớn chưa có lời giải.
Trong ngành vật lư chất rắn, vấn đề lư thuyết lớn nhất vẫn chưa được giải quyết là việc giải thích tính chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Ngoài ra c̣n có sự nỗ lực, cùng với một khối lượng lớn các thí nghiệm được thực hiện, với mục đích xây dựng các linh kiện spintronics và máy tính lượng tử.
Trong ngành vật lư hạt, bằng chứng đầu tiên trong thí nghiệm của Mô h́nh chuẩn mở rộng đă được t́m ra. Cùng với nó là việc công nhận neutrino có khối lượng khác không. Những thí nghiệm này h́nh thành sẽ giải quyết các vấn đề c̣n tồn tại bấy lâu nay trong bài toán neutrino của Mặt Trời, thuộc ngành vật lư Thái dương hệ. Vật lư neutrino đang ở thời kỳ phát triển, với một số lượng lớn các nghiên cứu trên cả hai lĩnh vực lư thuyết và thực nghiệm. Trong vài năm tới, các máy gia tốc thang đo TeV sẽ hoàn thành, ở đó các nhà thực nghiệm đặt nhiều hy vọng để phát hiện ra hạt Higgs boson và các hạt siêu đối xứng.
Trong ngành thiên văn học, vẫn c̣n có nhiều hiện tượng chưa thể giải thích được, bao gồm sự tồn tại của tia vũ trụ năng lượng cao và tốc độ quay dị thường của các thiên hà. Các nhà vật lư đă đưa ra lời đề nghị về việc giải quyết những vẫn đề bao gồm thuyết tương đối hẹp kép, động lực học Newton sửa đổi và sự tồn tại của vật chất tối. Thêm vào đó, các dự đoán thiên văn của vài thập niên trở lại đây đều mâu thuẫn với những bằng chứng hiện tại về việc vũ trụ mở rộng có gia tốc.
Trên lĩnh vực lư thuyết, các nhà vật lư nỗ lực thống nhất cơ học lượng tử vào trong thuyết tương đối rộng, để thành một thuyết thống nhất, thuyết hấp dẫn lượng tử. Công việc này đă được nghiên cứu trong suốt 50 năm qua, tuy nhiên một thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn chỉnh vẫn chưa được ra đời. Bên cạnh đó, c̣n phải kể đến những cố gắng trong việc xây dựng các thuyết hiện đại, nổi bật như thuyết M, thuyết dây và thuyết hấp dẫn lượng tử ṿng.
Năm 2005 là năm được tổ chức UNESCO của Liên Hợp Quốc chọn làm Năm vật lư thế giới. Đây là một hoạt động nhằm kỉ niệm và tôn vinh những thành tựu vật lư đă đạt được đối với khoa học cũng như đối với cuộc sống thường ngày trong những năm qua.
(Bách khoa toàn thư mở Wikipedia)
