Theo thuyết tương đối thì không gian phải ba chiều và thời gian không phải là đơn vị độc lập. Cả hai lệ thuộc lẫn nhau và kết hợp thành một thể liên tục bốn chiều, không – thời gian. Vì thế, trong thuyết tương đối không bao giờ ta nói về không gian riêng lẻ mà không đưa thời gian vào, và ngược lại. Hơn thế nữa không thể có một dòng chảy đồng nhất của thời gian như trong mô hình của Newton. Nhiều quan sát viên sẽ ghi nhận những biến cố xảy ra trong những thời gian khác nhau, khi họ di chuyển đến các biến cố đó với vận tốc khác nhau. Trong trường hợp này, hai biến cố có thể đối với một quan sát viên là đồng thời, nhưng đối với người khác thì chúng xảy ra cái trước cái sau. Tất cả sự đo lường về không gian và thời gian đều mất tính tuyệt đối. Với thuyết tương đối thì khái niệm không gian của Newton, xem nó là một sân khấu cho mọi hiện tượng cơ lý diễn ra, khái niệm đó bị từ bỏ, khái niệm thời gian tuyệt đối cũng cùng chung số phận. Không gian và thời gian chỉ còn là những ngôn từ mà một quan sát viên nhất định sử dụng để mô tả hiện tượng mình nhìn thấy.

Các khái niệm không gian – thời gian thật hết sức cơ bản để mô tả hiện tượng tự nhiên, nên sự thay đổi của nó kéo theo sự thay đổi của toàn bộ hệ thống mà ta sử dụng để nói về tự nhiên. Hệ quả quan trọng nhất của sự thay đổi này là ta nhận ra rằng khối lượng không gì khác hơn là một dạng của năng lượng. Ngay cả một vật thể đứng yên cũng chứa trong nó năng lượng và mối liên hệ giữa hai mặt đó được thiết lập bằng đẳng thức nổi tiếng E = mc2, trong đó c là vận tốc ánh sáng, E: năng lượng, m: khối lượng của vật.

Hằng số c, vận tốc ánh sáng, đối với thuyết tương đối có một tầm quan trọng cơ bản. mỗi khi chúng ta mô tả các tiến trình cơ lý, trong đó có vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, chúng ta phải lưu tâm đến thuyết tương đối. Điều đó có giá trị đặc biệt cho các hiện tượng điện từ mà ánh sáng chỉ là một thí dụ trong đó và chính hiện tượng này đã đưa đến việc Einstein phát biểu thuyết tương đối của ông.

Năm 1915 Einstein trình bày thuyết tương đối tổng quát, trong đó phạm vi của thuyết tương đối đặc biệt đã được mở rộng bao trùm cả trường trọng lực, tức là lực hút lẫn nhau của các khối lượng. Trong thời gian đó, nếu thuyết tương đối đặc biệt đã được vô số thí nghiệm chứng tỏ, thì thuyết tương đối tổng quát chưa được thực nghiệm chứng minh. Thế nhưng thuyết đó được phần lớn công nhận là thuyết trọng trường nhất quán nhất và cũng là thích hợp nhất và được sử dụng rộng rãi trong vật lý thiên văn và vũ trụ học.

Theo thuyết của Einstein thì trường trọng lực có hiệu ứng làm “cong” không gian và thời gian. Điều đó có nghĩa là hình học thông thường của Euclid không còn giá trị trong một thời gian cong nữa, như hình học mặt phẳng hai chiều không thể áp dụng lên mặt cong của khối cầu. Thí dụ trên mặt phẳng ta có thể vẽ một hình vuông bằng cách đo một mét dài của một đường thẳng, lấy điểm cuối của đoạn đó vẽ một góc vuông, lại đo một mét rồi làm thêm một hai lần nữa, ta sẽ được một hình vuông. Trên một mặt cong, cách làm đó không thực hiện được, vì quy luật của hình học Euclid không thể áp dụng cho mặt cong.

Cũng như thế, ta có thể định nghĩa một không gian ba chiều cong, trong đó hình học Euclid hết còn giá trị. Thuyết Einstein cho rằng không gia ba chiều bị cong, và độ cong không gian bị trường trọng lực của vật chất gây nên. Bất cứ nơi nào có vật thể, ví dụ một vì sao hay hành tinh, không gian quanh nó bị cong và độ cong phụ thuộc vào khối lượng của vật chất.

Ngoài ra, trong thuyết tương đối, ta không bao giờ được tách rời thời gian, nên thời gian cũng chịu tác động của vật chất và có dòng chảy khác nhau tại nhiều nơi trong vũ trụ. Với thuyết tương đối tổng quát, Einstein đã hoàn toàn bỏ qua khái niệm “không gian tuyệt đối” và “thời gian tuyệt đối”. Không phải chỉ những đo lường trong không gian thời gian là tương đối, mà cả cơ cấu của thể thống nhất không – thời gian cũng tùy thuộc vào sự phân bố vật chất trong vũ trụ, và khái niệm “không gian trống rỗng” cũng mất luôn ý nghĩa.

Cách nhìn mang tính cơ giới của vật lý cổ điển dựa trên khái niệm về vật thể cứng chắc di chuyển trong không gian trống rỗng vẫn còn giá trị trong quy mô trung bình, tức là trong đời sống hàng ngày của chúng ta, trong đó vật lý cổ điển vẫn là một lý thuyết áp dụng được. Hai khái niệm – không gian trống rỗng và vật thể cứng chắc – đã bám rễ trong thói quen tư duy của ta, đến nỗi ta rất khó nghĩ ra một lĩnh vực cơ lý mà trong đó chúng ta không thể áp dụng được. Thế nhưng nền vật lý hiện đại buộc ta phải từ bỏ chúng, nếu ta muốn vươn ra khỏi quy mô trung bình nói trên. “Không gian trống rỗng” đã mất ý nghĩa trong vật lý thiên văn và vũ trụ học, và khái niệm “vật thể cứng chắc” đã bị vật lý nguyên tử về những hạt cực nhỏ, bác bỏ.

Khoảng cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, đã có nhiều hiện tượng trong cơ cấu nguyên tử được khám phá, chúng không được giải thích thỏa đáng với vật lý cổ điển. Dấu hiệu cho hay bản thân nguyên tử cũng có một cơ cấu riêng được khám phá cùng lúc với sự phát hiện quang tuyến X, một dạng bức xạ sớm đi vào lĩnh vực y học. Nhưng tia X không phải là tia duy nhất được phát hiện. Sau khi khám phá ra nó, người ta tìm thấy những loại tia khác, chúng phát ra từ nguyên tử của những chất được gọi là phóng xạ. Hiện tượng phóng xạ đã chứng minh rõ ràng là nguyên tử phải do nhiều thành phần cấu tạo thành, rằng nguyên tử của các chất phóng xạ không những phát ra những tia khác nhau, mà trong nội bộ nguyên tử phải có nhiều chất chuyển hóa lẫn nhau.

Nhờ vào hiện tượng phóng xạ, Max Von Laue dùng quang tuyến X nghiên cứu cơ cấu của nguyên tử ở dạng tinh thể và Ernest Rutherford nhận ra rằng, các hạt gọi là alpha được phát ra từ nguyên tử có tính phóng xạ là những phần tử bị bắn ra với tốc độ nhanh, có kích thước nhỏ hơn nguyên tử, và vì thế chúng được sử dụng để nghiên cứu cơ cấu nội tại của nguyên tử. Nếu ta dùng nó để bắn vào nguyên tử, thì dựa trên cách nó bị bứt ra mà suy đoán cơ cấu nguyên tử.

Khi Rutherford dùng hạt alpha bắn ào ạt nguyên tử thì ông nhận được những kết quả đáng kinh ngạc và hoàn toàn bất ngờ. Nguyên tử không hề là những hạt cứng chắc như người ta tưởng mà nó lại là một không gian rộng rãi, trong đó những hạt cực nhỏ – gọi là electron – chạy vòng xung quanh hạt nhân, chúng được nối với hạt nhân bằng điện lực. Không dễ dàng tưởng tượng ra được độ nhỏ của nguyên tử, nó nằm quá xa kích thước vĩ mô của chúng ta. Đường kính của một nguyên tử khảong một phần một trăm triệu của một centimet. Nếu bạn tưởng tượng một trái cam to như trái đất thì lúc đó nguyên tử chỉ vừa bằng một hạt đậu. Hàng tỉ tỉ hạt đậu nằm chen chúc trong một quả cầu to như trái đất, đó là hình ảnh của vô số nguyên tử của một trái cam.

Nguyên tử đã nhỏ như thế – so với vật thể vĩ mô, thì nó lại là cực lớn so với hạt nhân của  nó. Nếu nguyên tử to bằng quả dâu thì hạt nhân của nó không thể thấy. Nguyên tử to bằng trái bóng đá hay cả cái phòng thì hạt nhân cũng chưa thấy được bằng mắt thường. Nếu chúng cho nguyên tử lớn bằng giáo đường lớn nhất thế giới, giáo đường Peter tại Roma thì hạt nhân của nó vừa bằng một hạt cát. Một hạt cát nằm giữa giáo đường và đâu đó xa xa trong giáo đường vài đám bụi nhỏ đang tung vãi – như thế, ta hình dung ra hạt nhân và electron của một nguyên tử.

Không bao lâu sau khi phát hiện cơ cấu hành tinh của nguyên tử, người ta thấy rằng số lượng electron trong nguyên tử của một nguyên tố quyết định tính chất hóa học của nguyên tố đó và ngày nay người ta biết rằng toàn bộ hệ thống tuần hoàn của các nguyên tố có thể tạo nên bằng cách lần lượt thêm vào hạt nhân của nguyên tố nhẹ nhất (khinh khí) các proton và neutron và thêm vòng ngoài của nguyên tử số lượng tương quan các electron. Sự tương tác giữa các nguyên tử sinh ra tiến trình hóa học, thế nên toàn bộ nền hóa học thông qua các quy luật của vật lý nguyên tử mà được hiểu rõ.

Thế nhưng những quy luật này không được chấp nhận dễ dàng. Chúng được phát hiện vào thế kỷ 20 nhờ vào nhóm vật lý gia quốc tế, trong đó có người Đan Mạch Niels Bohr, người Pháp Louis de Broglie, người Áo Erwin Schrodinger và Wolfgang Pauli, người Đức Werner Heisenberg và người Anh Paul Dirac. Với năng lực tổng hợp, vượt qua mọi biên giới, những người đó đã tạo nên một thời kỳ sôi nổi của khoa học hiện đại, thời kỳ đưa con người lần đầu tiên đến tiếp cận với thực thể kỳ lạ và bất ngờ của thế giới hạ nguyên tử. Cứ mỗi khi nhà vật lý hỏi thiên nhiên bằng một thí nghiệm thì thiên nhiên trả lời bằng một sự nghịch lý và nhà vật lý càng tìm cách lý giải, sự nghịch lý càng lớn. Phải trải qua một thời gian dài, họ mới nhận ra rằng nghịch lý nằm ngay trong cơ cấu nội tại của nguyên tử, sự nghịch lý luôn luôn xuất hiện khi người ta mô tả những diễn biến trong hạt nhân bằng khái niệm truyền thống của vật lý. Khi đã nhận thức điều này thì nhà vật lý mới biết cách đặt câu hỏi và tránh được mâu thuẫn. Theo Heisenberg thì “bằng cách nào đó, họ đành chấp nhận tinh thần của thuyết lượng tử” và cuối cùng đưa ra được biểu thức toán học chính xác cho thuyết này.

(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