Nền tảng của thuyết quyết định luận nà là sự cách ly cơ bản giữa cái tôi và thế giới còn lại, sự cách ly này do Descartes đem vào triết học. Sự cách ly này làm người ta tin rằng, thế giới có thể được mô tả một cách khách quan, nghĩa là không cần quan tâm gì đến người quan sát và tính khách quan trong việc mô tả thế giới được xem là cứu cánh của mọi khoa học.

Thế kỷ 18 và 19 là nhân chứng cho thành tựu vĩ đại của cơ học Newton. Bản thân Newton áp dụng thuyết của ông vào vận động của thiên thể và nhờ đó mà giải thích được tính chất căn bản của hệ thống thái dương hệ. Thế nhưng mô hình các hành tinh của ông được đơn giản hóa rất nhiều, thí dụ lực hút giữa các hành tinh với nhau được bỏ qua vì thế mà ông gặp phải nhiều điều không hợp lý, không giải thích được. Ông giải quyết vấn đề này bằng cách cho rằng Chúa hiện diện thường hằng trong vũ trụ để sửa đổi những điều không hợp lý nọ.

Laplace, nhà toán học lớn, tự đặt cho mình trách nhiệm lớn lao, viết một tác phẩm bổ sung thêm các bài tính của Newton, để “mang lại một lời giải toàn triệt cho vấn đề cơ học lớn của thái dương hệ và đưa lý thuyết sát gần với mọi quan sát, để các phương trình xuất phát từ kinh nghiệm không còn chỗ đứng trong ngành thiên văn”. Kết quả là một tác phẩm đồ sộ với năm cuốn, mang nhan đề Mecanique Céleste (Cơ học thiên thể), trong đó Laplace thành công, lý giải mọi vận động của các hành tinh, các mặt trang, sao chổi, đến những chi tiết nhỏ như sự lên xuống của thủy triều và các thứ khác, các hiện tượng liên quan đến sức hút trọng trường. Ông chứng minh quy luật vận động của Newton bảo đảm tính ổn định của thái dương hệ và xem vũ trụ như một cỗ máy tự điều hành một cách toàn hảo. Khi Laplace trình tác phẩm này cho đại đế Napoleon xem, nghe nói nhà vua nói như sau: “Thưa ông Laplace, người ta báo với tôi, ông viết cuốn sách quy mô này về hệ thống vũ trụ mà không nhắc nhở tới đấng sáng tạo ra nó”. Laplace trả lời ngắn gọn: “Tôi không cần đến giả thuyết này”.

Phấn khởi trước những thành tựu rực rỡ của cơ học Newton, các nhà vật lý quay qua xem xét sự vận hành liên tục của vật thể ở trạng thái lỏng và sự rung độ của vật thể đàn hồi và đạt thành quả. Cuối cùng, thậm chí môn nhiệt học cũng có thể quy về cơ học khi người ta biết rằng nhiệt cũng là năng lượng, nó chỉ do chuyển động không trật tự của phân tử mà thành. Khi nhiệt độ của nước tăng cao thì các phân tử nước cũng tăng mức vận động, tăng cho đến khi chúng bứt khỏi lực liên kết nội hãm chúng và thoát đi nhiều hướng. Thế là nước ở trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái hơi. Ngược lại khi nhiệt giảm dần thì các phân tử nước hợp lại, kết thành một cấu trúc mới, cứng rắn, đó là thể rắn ở dạng băng. Theo cách này thì nhiều hiện tượng thuộc nhiệt học có thể hiểu bằng cách nhìn cơ học.

Thành công to lớn của mô hình cơ học làm cho nhà vật lý của đầu thế kỷ 19 tin rằng, quả thật vũ trụ phải là một hệ thống cơ giới khổng lồ, vận hành theo nguyên lý vận động do Newton đề ra. Những quy luật này được xem như nền tảng của quy luật tự nhiên và mô hình Newton là mô hình chung kết về thế giới hiện tượng. Thế nhưng chỉ không đầy một trăm năm sau, người ta khám phá một thực tại cơ lý khác, nó làm rõ giới hạn của mô hình Newton và chỉ ra rằng mô hình đó không hề có giá trị tuyệt đối.

Những nhận thức này không hề xuất hiện một cách bất ngờ, sự phát triển của chúng đã bắt nguồn từ thế kỷ 19 và mở đường chuẩn bị cho cuộc cách mạng khoa học của thời đại chúng ta. Bước đầu tiên của quá trình phát triển này là sự khám phá và nghiên cứu các hiện tượng điện từ, các hiện tượng đó không được giải thích ổn thỏa với mô hình cơ khí và trong các hiện tượng đó người ta thấy có một loại năng lực mới tham gia. Bước quan trọng này do Micheal Faraday và Clerk Maxwell thực hiện, người đầu là một trong những nhà thực nghiệm lớn nhất trong lịch sử khoa học, người sau là một lý thuyết gia xuất sắc. Khi Micheal Faraday tạo ra một cuộn dây đồng và biến một công cơ (mechanical work) – sự di chuyển nam châm – thành điện năng, ông đã tạo một bước ngoặt trong lịch sử khoa học và kỹ thuật. Thí nghiệm căn bản này một mặt đã khai sinh ra ngành điện từ, mặt kia nó làm nền tảng cho những suy luận lý thuyết của ông và của Maxwell, kết quả dẫn đến một lý thuyết hoàn chỉnh về điện từ. Faraday và Maxwell không những chỉ nghiên cứu hiệu ứng của lực điện từ, họ còn nghiên cứu bản chất những lực đó là gì. Hai ông mới thay khái niệm của lực bằng một trường và họ trở thành người đầu tiên vượt ra khỏi vật lý cơ giới của Newton.

Thay vì như cơ học Newton, cho rằng hai điện tích âm và dương hút nhau như hai khối lượng trong cơ học cổ điển, hai ông Faraday và Maxwell thấy đúng hơn, họ cho rằng mỗi điện tích tạo ra trong không gian một tình trạng nhiễu hay một điều kiện, nó làm cho một điện tích khác cảm thấy một lực tác động lên mình. Điều kiện này trong không gian, cái có thể sinh ra lực, được gọi là trường. Chỉ một điện tích duy nhất đã sinh ra trường, trường hiện hữu tự nó, không cần có sự hiện diện của một điện tích khác mới có trường và tác động của nó.

Đây là một sự thay đổi sâu sắc trong quan niệm của chúng ta về thực tại cơ lý. Theo cách nhìn của Newton thì lực tác động gắn chặt lên vật thể được tác động. Bây giờ khái niệm lực được thay thế bằng một khái niệm tinh tế hơn của một trường, trường này có thực thể riêng của nó, có thể được nghiên cứu mà không cần dựa trên vật thể nào khác. Đỉnh cao của lý thuyết này, được gọi là điện động, xuất phát từ nhận thức rằng ánh sáng không khác gì hơn là một trường điện từ, trường đó di chuyển trong không gian dưới dạng sóng. Ngày nay người ta biết rằng tất cả sóng truyền thanh, sóng ánh sáng hay quang tuyến X đều là sóng điện từ – tức là điện trường và từ trường giao thoa với nhau, chúng chỉ khác nhau về tần số rung và ánh sáng chỉ là một phần rất nhỏ của toàn bộ các trường điện từ.

Mặc dù có sự thay đổi sâu xa đó, cơ học Newton vẫn tạm giữ nền tảng của nền vật lý. Chính Maxwell cũng có khi thử giải thích thành quả của mình bằng quan điểm cơ học. Ông xem trường như là một dạng áp suất cơ học của một chất liệu đầy ắp trong không gian, chất đó được gọi là ê-te và sóng điện từ được xem như sự con giãn đàn hồi của chất ê-te đó. Điều này nghe rất tự nhiên vì sóng hay được hiểu là sự rung động của vật chất, kiểu như sóng là sự rung của nước, âm thành là sự rung của không khí. Thế nhưng Maxwell cùng lúc sử dụng nhiều cách cơ học để diễn dịch lý thuyết của mình nhưng thật sự không coi trọng chúng. Có lẽ ông đã biết một cách trực giác rằng, mặc dù không nói ra, yếu tố nền tảng của lý thuyết của mình là trường chứ không phải là mô hình cơ học. Rồi chính Einstein, người mà năm mươi năm sau nhận rõ điều này khi nói không hề có ê-te và điện từ trường là những đơn vị lý tính tự hiện hữu, nó đi xuyên suốt không gian trống rỗng và không thể được giải thích theo quan điểm cơ học.

Đến đầu thế kỷ 20 thì nhà vật lý có hai lý thuyết thành công trong tay, chúng được áp dụng cho nhiều hiện tượng khác nhau. Nền cơ học Nweton và lý thuyết điện từ trường Maxwell. Mô hình Newton không còn là nền tảng duy nhất của ngành vật lý nữa.

VẬT LÝ HIỆN ĐẠI

Ba mươi năm đầu của thế kỷ 20 thay đổi một cách triệt để tình hình chung của vật lý. Hai sự phát triển khác nhau, thuyết tương đối và vật lý nguyên tử, đã phá hủy mọi khái niệm căn bản của thế giới quan Newton, đó là hình dung về một không gian tuyệt đối và một thời gian tuyệt đối, một hạt khối lượng đặc cứng, tính tuyệt đối của nhân quả trong hiện tượng thiên nhiên và cứu cánh của sự mô tả khách quan về tự nhiên. Không khái niệm nào trong số này đứng vững được trong các lĩnh vực mà giờ đây nền vật lý đang thâm nhập.

Trong giai đoạn đầu của vật lý hiện đại ta phải kể đến thành tựu tư duy to lớn của một con người, Albert Eisntein. Trong hai công trình, công bố năm 1905, Einstein trình bày hai hướng tư duy cách mạng. một là thuyết tương đối đặc biệt của ông, hai là cách nhìn của ông về các bức xạ điện từ, cách nhìn đó sẽ là đặc trưng cho thuyết lượng tử, cái mà về sau trở thành lý thuyết của hiện tượng trong thế giới nguyên tử. Lý thuyết lượng tử hoàn chỉnh khoảng hai mươi năm sau mới được thiết do một nhóm nhà vật lý. Ngược lại, thuyết tương đối trong dạng hoàn chỉnh hầu như chỉ do Eistein xây dựng. Công trình khoa học của Einstein trong đầu thế kỷ 20 này sừng sững như một tòa tri thức vĩ đại – nó là kim tự tháp của văn minh hiện đại.

Eisntein tin tưởng một cách sâu sắc nơi sự hòa điệu nội tại của thiên nhiên và suốt trong cuộc đời khoa học thì cái tha thiết nhất của ông là đi tìm một nền tảng chung cho ngành vật lý. Ông bắt đầu chuyến hành trình này bằng cách xây dựng một cơ sở chung cho điện động học và cơ học, hai lý thuyết riêng lẻ của nền vật lý cổ điển. Cơ sở này chính là thuyết tương đối đặc biệt. Nó thống nhất và làm hoàn chỉnh cơ cấu của vật lý cổ điển, đồng thời chứa đựng những sự thay đổi quyết liệt về khái niệm truyền thống của không gian, thời gian và chôn vùi một trong những nền tảng của thế giới quan Newton.

(còn tiếp) 

TH: T.Giang – SCDRC

Nguồn tham khảo: Fritjof Capra – Đạo của vật lý – NXB THTPHCM – 2015

Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s