Tài liệu Bài giảng lịch sử vật lí

MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU .................................................................................................... 1 PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................................2 1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ ............................................. 2 2. Quy luật cơ bản của sự phát triển của Vật lý học............................................ 2 3. Những quy luật nội tại của sự phát triển Vật lý học:....................................... 4 CHƯƠNG I THỜI KỲ BAN ĐẦU...........................................................................................5 1. Vật lý học thời cổ ñại: .................................................................................... 5 2. Vật lý học thời Trung ñại. .............................................................................. 8 CHƯƠNG II SỰ RA ĐỜI CỦA VẬT LÝ HỌC THỰC NGHIỆM ..............................10 1. Cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất: ....................................................... 10 2. Sự ra ñời của Vật lý thực nghiệm ................................................................. 11 CHƯƠNG III CƠ HỌC NEWTON VÀ SỰ HOÀN THÀNH ........................................14 1. Vũ trụ học của Descartes ............................................................................. 14 2. Newton và sự nghiệp khoa học của ông. ...................................................... 14 3. Cơ học Newton ............................................................................................ 15 4. Thế giới quan của Newton và vai trò của nó trong sự phát triển Vật lý học. . 15 CHƯƠNG IV SỰ HÌNH THÀNH VẬT LÝ HỌC CỔ ĐIỂN ........................................18 1. Cơ học thế kỷ XVIII .................................................................................... 18 2. Nhiệt học. .................................................................................................... 19 3. Quang học.................................................................................................... 20 4. Điện học và Từ học ...................................................................................... 20 CHƯƠNG V VẬT LÝ HỌC THỜI KỲ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP TƯ BẢN CHỦ NGHĨA ................................................................................................................................22 1. Cơ học nửa ñầu thế kỷ XIX.......................................................................... 22 2. Những bước phát triển mới của quang học sóng........................................... 23 3. Những bước ñầu của ñiện ñộng lực học. ...................................................... 24 CHƯƠNG VI SỰ PHÁT MINH RA ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG ................................................................................................................27 1. Bước ñầu nghiên cứu sự chuyển hóa giữa nhiệt và công .............................. 27 2. Sự hình thành ñịnh luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng ........................ 27 CHƯƠNG VII SỰ HOÀN CHỈNH VẬT LÝ HỌC CỔ ĐIỂN .......................................30 1. Những ñặc ñiểm phát triển vật lý học cổ ñiển nửa cuối thế kỷ XIX .............. 30 2. Sự phát triển Nhiệt ñông lực học và Vật lý thống kê .................................... 32 3. Sự hình thành và phát triển của lý thuyết trường ñiện từ. ............................. 35 4. Những ñặc trưng của Vật lý học cổ ñiển ......................................................... 38 CHƯƠNG VIII CUỘC CÁCH MẠNG MỚI TRONG VẬT LÝ HỌC........................41 l.Sự hình thành và phát triển thuyết tương ñối .................................................... 41 2. Sự hình thành và phát triển thuyết 1ượng tử ................................................... 49 3. Sự phát triển vật lý học sau thuyết tương ñối và thuyết lượng tử ..................... 53 4. Vài nét ñặc trưng của vật lý hiện ñại ............................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................64 LỜI GIỚI THIỆU Môn Lịch sử vật lý học trong chương trình ñào tạo ñã ban hành ñược bố trí thời lượng 2 tín chỉ và giáo trình chủ yếu theo cuốn Lịch sử vật lý học của GS. Đào Văn Phúc. Tập bài giảng này ñược soạn trên cơ sở tích lũy những kiến thức về môn học ñã ñược sử dụng giảng dạy cho sinh viên ngành Sư phạm vật lý trong những năm trước (học theo hệ niên chế). Với mong muốn giúp người học có ñiều kiện nghiên cứu tốt giáo trình và hiểu rõ hơn những bước phát triển mới của ngành vật lý những năm ñầu thế kỷ XXI, tác giả có cập nhật bổ sung một số tư liệu mới có trong những tài liệu khác; nhất là các nội dung ñược trình bày ở ñầu chương I và các chương VII,VIII. Vì vậy, kết cấu các chương, tiết trong tập bài giảng này vẫn tuân thủ ñúng theo giáo trình, nhưng ở từng chương có những cách tiếp cận riêng ñược thực hiện trên lớp học. Để giúp người học nghiên cứu tập giáo trình Lịch sử Vật lý học [1] với hơn 300 trang viết,tập bài giảng này có bổ sung một số kiến thức mới và ñưa ra một số nội dung câu hỏi cần thảo luận. Do thời lượng làm việc tại giảng ñường hạn chế trong khi kiến thức về Vật lý học rất ña dạng, tập bài giảng này không tránh khỏi những khiếm khuyết. Rất mong sự góp ý phê bình của ñồng nghiệp và sinh viên. Xin chân thành cám ơn. GVC.ThS.Tạ Lý 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đối tượng nghiên cứu và nhiệm vụ 1.1 Đối tượng nghiên cứu của môn học Trước hết cần xác ñịnh rõ ñối tượng nghiên cứu của Vật lý học là gì? Phần mở ñẩu các giáo trình Vật lý ñại cương luôn trình bày ñầy ñủ các nọi dung về ñối tượng nghiên cứu của Vật lý học. Trong giáo trình [1] ñã nêu rõLịch sử vật lý học nghiên cứu: - Quá trình hình thành và phát triển của vật lý học một cách thống nhất, không phải là sự liệt kê các thành tựu từ cổ chí kim. - Sự phát triển của Vật lý học cùng với các môn khoa học khác, luôn gắn liền với lịch sử phát triển của xã hội loài người. 1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu của môn học - Phát hiện và thuyết trình các sự kiện một cách hệ thống và có lọc lựa. - Phân tích các sự kiện, chứng minh giải thích tính tất yếu của sự phát triển ấy. - Tìm ra quy luật tổng quát của sự phát triển là cơ sở ñể ñịnh hướng cho Vật lý học trong tương lai. 1.3 Vai trò của môn học - Từ các bài học lịch sử thấy ñược sự cống hiến to lớn của khoa học vật lý và các nhà vật lý. - Sự phát triển vật lý học góp phần quan trọng trong việc xây dựng thế giới quan duy vật biện chứng ( các khái niệm về không gian và thời gian, vật chất và phản vật chất…). - Nắm bắt quá trình phát triển vật lý học một cách logic giúp cho việc nhận thức về dạy và học vật lý một cách sâu sát hơn. 2. Quy luật cơ bản của sự phát triển của Vật lý học Sự phát triển của vật lý học do nhu cầu của thực tiễn xã hội và trước hết là của sản xuất quyết ñịnh.(Dòng 2, trang 10, [1]). 2.1 Vật lý học và sản xuất Sự phát triển củaVật lý học gắn liền với thực tiễn sản xuất luôn tìm tòi phát hiện nhằm nâng cao sức lao ñộng. 2 Từ xưa ñến nay, những thành tựu của khoa học nói chung và vật lý nói riêng luôn là ñộng lực thúc ñẩy sự phát triển sản xuất. Suốt quá trình phát triển của xã hội loài người có nhiều minh chứng khẳng ñịnh ñiều ñó. Cùng với nó, một thực tế là thời gian ñể các công trình nghiên cứu khoa học ñến với thực tế sản xuất ngày càng ngắn lại.Người học tự tìm ra các ví dụ cụ thể ñể chứng minh ñiều ñó. 2.2 Vật lý học và triết học Thời cổ ñại Vật lý học chỉ là một phần trong triết học tự nhiên với những tri thức khái quát ñơn giản. Thời kỳ ñầu hơn 2000 năm trước, sự phát triển vật lý học từ các nhà triết học phương Tây với cái nôi là Hy Lạp khác xa với thế giới quan phương Đông. Theo các triết gia Hy Lạp vào thế kỷ VI TrCN(trước Công nguyên), từ physis nguyên nghĩa là sự tìm kiếm tự tính sự vật. Theo các triết gia Milesian(Hy Lạp cổ), không có khái niệm rạch ròi giữa vật chất và tâm thức, giữa hữu sinh và vô sinh…. Sau này với quá trình phát triển của khoa học mới có sự phát triển tách biệt giữa triết học và các khoa học khác. Nghiên cứu về lĩnh vực này người học cần tìm hiểu và ñưa ra các minh chứng ñể trả lời về các vấn ñề sau: - Những khái niệm tương ứng giữa Vật lý học và Triết học, Vật lý học phải dựa vào các khái niệm triết học nào? - Khi nào Vật lý học là môn khoa học riêng biệt và hiểu như thế nào về quan ñiểm “Triết học là khoa học ñứng trên các khoa học”? - Triết học duy vật biện chứng có mối quan hệ như thế nào với sự phát triển của khoa học tự nhiên? - Cho biết những ảnh hưởng của Triết học duy tâm với khoa học tự nhiên? 2.3 Vật lý học và các khoa học khác -Trước hết phải thấy rằng vật lý học phát triển phải dựa vào công cụ toán học, và sau ñó nhờ vật lý lý thuyết cũng tác ñộng làm sản sinh ra những ngành toán mới. -Thiên văn học có những ảnh hưởng trực tiếp ñến sự phát triển của Vật lý học. -Hóa học gắn liền với sự phân tích quang phổ, ñịnh luật bảo toàn và biến ñổi năng lượng, cùng với sự phát triển của ngành vật lý nguyên tử, cơ lượng tử… 3 -Ngay cả y học cũng tác ñộng ñến vật lý học: Ganvanni và hiện tượng tĩnh ñiện,… 3. Những quy luật nội tại của sự phát triển Vật lý học Lịch sử vật lý học ñã ñúc rút ra 3 quy luật phát triển của Vật lý học;ñó là: - Quá trình luân phiên giữa những thời kỳ tiến hóa bình yên và những thời kỳ biến ñộng mạnh mẽ của lý thuyết vật lý về các nguyên lý cơ bản, các ñịnh luật mới… - Luôn có tính kế thừa, cái mới luôn làm rõ hơn cái cũ theo quy luật phát triển thăng tiến. - Vật lý học thường sử dụng phương pháp tương tự và phương pháp mô hình nhất là ở những bước ñường tìm ra cái mới. 4.Câu hỏi thảo luận: Anh(chị) suy nghĩ gì về các quy luật này và ñưa ra các minh chứng với từng quy luật ñồng thời có thể mở rộng vấn ñề với các khoa học khác ? 4 CHƯƠNG I THỜI KỲ BAN ĐẦU 1 Vật lý học thời cổ ñại 1.1 Sự phát sinh những tri thức khoa học Những thành tựu của con người thời cổ ñại còn ñể dấu ấn ñến ngày nay là rất nhiều, ñáng chú ý là trong các lĩnh vực thiên văn học và toán học. Xét về lĩnh vực Vật lý học, các kiến thức có ñược trong quá trình nghiên cứu khoa học có thể chia làm ba giai ñoạn: Giai ñoạn 1 tích lũy các kết quả thu lượm từ kinh nghiệm, thông qua các hiện tượng ñã ñược giải thích thỏa ñáng từ thực tiễn ñời sống sản xuất. Giai ñoạn 2 có những khẳng ñịnh từ những kinh nghiệm nói trên ñược miêu tả bằng những biểu tượng toán học và rồi một khung toán học sẽ ñược ñưa ranhằm diễn tả biểu tượng toán học ñó một cách chính xác và phù hợp với lý luận. Đó chính là một mô hình toán học, hay nói một cách tổng quát, là một lý thuyết. Lý thuyết này lại ñược áp dụng ñể tiên ñoán kết quả của những thí nghiệm khác nhằm khảo nghiệm tính ñúng ñắn của nó. Giai ñoạn 3 chính là việc trình bày mô hình trên thực tiễn, nói khác ñi là diễn giải mô hình trên thành ngôn ngữ thông thường ñể ứng dụng trong ñời sống. Thực tế thì ba giai ñoạn này khó phân biệt trước sau, và nếu áp ñặt vào tiêu chuẩn ñánh giá thì có thể nói rằng ở thời cổ ñại chưa xuất hiện những mầm mống của vật lý học dẫu rằng ñã xuất hiện các kiến thức ban ñầu về cơ học. 1.2 Khoa học Phương Đông cổ ñại Những vấn ñề chính về khoa học thời cổ ñại ở Trung Quốc, Ấn Độ, Ai Cập ñã ñược nói ñến trong [1]. Phương Đông cổ ñại ñã có những mầm mống sơ khai của khoa học, những quan niệm duy vật về thế giới vật chất, nhưng sớm bị chuyển hóa trong những thuyết huyền bí của các trường phái tâm linh.Tuy nhiên, khi nghiên cứu về những vấn ñề cơ bản của vật lý hiện ñại, nhất là trong lĩnh vực vũ trụ học và vật lý hạt cơ bản, người ta lại thấy có mối quan hệ tương ñồng giữa những khái niệm của vật lý hiện ñại và cơ sở của triết học Phương Đông. Điều ñó có thể thấy mối tương ñồng về thế giới quan nhìn nhận sự nhất thể và mối liên hệ qua lại của mọi hiện tượng cũng như tính chất luôn chuyển ñộng không ngừng của vũ trụ. Cũng như triết học Phương Đông, vật lý hiện ñại nhìn thế giới vi mô là một hệ thống bất khả phân, luôn ảnh hưởng lẫn nhau và biến ñổi không ngừng, trong 5 ñó người quan sát là một phần tử trong hệ thống ñó. Vật lý hiện ñại không ñặt cơ sở trên trực giác nữa mà dựa trên những thí nghiệm chính xác, phức tạp và dựa trên một lý luận logic chặt chẽ của toán học. 1.3 Giai ñoạn mở ñầu của khoa học cổ ñại Triết học tự nhiên ra ñời ñồng thời ở Ấn Độ, Trung Quốc và Hy Lạp, nhưng cái nôi của khoa học là Hy Lạp. Tại sao như vậy? Những nét chính về khoa học cổ ñại Phương Đông ñã nói ở phần trên. Hy Lạp ñã sớm hình thành việc nghiên cứu khoa học có hệ thống, việc giảng dạy khoa học, sự xuất hiện của các nhà khoa học, các trung tâm khoa học và thông tin khoa học ñã có từ thế kỷ VI TrCN. Các thành tựu của trường phái Iôni (còn gọi là trường phái triết học Milesian), những quan ñiểm duy vật của trường phái Pitago, hay những quan ñiểm duy tâm của trường phái Elê(hay Elatic) ñã ñược ghi nhận. Người Hy Lạp ñời sau gọi những người theo trường phái lôni (các nhà Milesian) là Hylozoist (kẻ cho rằng vật chất cũng biết sống). Bởi lẽ họ không hề phân biệt vật chất giữa hữu sinh và vô sinh, giữa tâm thức và vật chất. Thậm chí họ không có khái niệm vật chất mà cho rằng mọi hiện tượng ñều là phát biểu của Physis, ở ñó chứa sẵn sự sống và tâm thức. Thales xem sự vật chứa ñầy linh tính còn Aneximander xem vũ trụ có dạng một cơ thể ñược pneuma (hơi thở, khí) của vũ trụ ñiều hòa, như con người ñược khí trời nuôi sống. Quan niệm nhất thể và hữu cơ của họ rất gần với thế giới quan của triết học Phương Đông, nhất là với Heraclitus. Theo ông, những gì tĩnh tại chỉ là ảo tưởng, nguyên lý vũ trụ của ông là ngọn lửa, thế giới luôn chuyển ñộng không ngừng và vĩnh viễn, mọi vật biến ñổi trong trời ñất là do sự vận ñộng và sự tác ñộng của các cặp ñối lập với tác ñộng ñầy sức sống và nhịp nhàng. Ông gọi mỗi cặp ñối lập ñó là cái nhất thể, cái xuyên suốt mọi cắp ñối lập là Logos. Với trường phái Pitago, thành tựu lớn nhất là quan niệm trái ñất hình cầu chuyển ñộng trong hệ ñịa tâm. Hình ảnh ngọn lửa thiêng trung tâm song hành cùng những bí ẩn thần kỳ của các con số luôn có trong tâm thức của con người. Đến trường phái Elatic thì cái nhất thể ñã ñược cưa ñôi, theo họ thì có một nguyên lý thiêng liêng (divine princiole) cao hơn cả thánh thần và con người. 6 Mới ñầu nguyên lý này ñược xem là sự nhất thể của vũ trụ, sau ñó người ta cho rằng nó là Thượng ñế có tính toàn trí và mang nhân trạng, là người ñứng trên và cai quản thế giới. Đó là khuynh hướng tách tâm và vật ra làm hai và dẫn triết học phương Tây theo hướng nhị nguyên. Theo trường phái này, Paramenides trái hẳn với Heraclitus ñưa ra nguyên lý về cái Tồn Tại, cho nó là cái có thực duy nhất và bất biến. Ông xem sự biến ñổi là không thể có, cái mà ta gọi là sự biến dịch trong thế gian chỉ là ảo giác. Từ ñó nảy sinh ra quan niệm về một vật chất bất hoại. Dung hòa hai trường phái này, người ta cho rằng cái tồn tại ñược thể hiện thông qua các chất liệu bất biến, nhưng khi ñem chúng trộn lẫn vào nhau hoặc tách nhau ra thì chúng lại tạo thành sự biến dịch của thế giới. 1.4 Thuyết nguyên tử cổ Hy Lạp Thoát ra khỏi tư duy trên, sự ra ñời của khái niệm nguyên tử là những hạt nhỏ nhất không thể phân chia ñã ñược trình bày rõ nhất trong triết học của Leucippus và Demokritus. Thuyết này ñã vạch ra ranh giới giữa tâm và vật, theo họ vật chất ñược cấu tạo từ các hạt nguyên tử. Các hạt này chuyển ñộng hoàn toàn thụ ñộng giữa các hạt khác và không có sự sống giữa một khoảng không gian trống rỗng. Lý do ñể các hạt chuyển ñộng không ñược giải thích rõ, thường ñược xem là do các lực bên nghoài tác ñộng mà các lực này có nguồn gốc từ tâm chứ không phải từ vật chất. Suốt các thế kỷ sau ñó hình dung này là yếu tố then chốt trong tư tưởng Phương Tây, của quan ñiểm nhị nguyên Tâm – Vật, giữa hồn phách và thể xác. Các nội dung chính của thuyết này ñã ñược Demokritus ñưa ra (xem SGK). 1.5 Vật lý học của Aristotle Những vấn ñề khoa học cuối thế kỷ V TrCN ñược trình bày tương ñối dài trong [1] vì những lí do ñặc biệt của giai ñoạn này. Suốt hơn 2000 năm sau thời kỳ ñỉnh cao của nền văn hóa và khoa học Hy Lạp, những ý niệm tách rời Tâm và Vật ñè nặng thế giới tư tưởng Phương Tây. Dựa trên những nhận thức khoa học trước ñó, Asristotle ñã hệ thống và tổ chức thành mô hình làm nền tảng cho quan niệm của Phương Tây về vũ trụ suốt hai ngàn năm. Nhưng cũng chính Aristotle lại nghĩ rằng những vấn ñề về linh hồn con người và suy tư về thượng ñế ñáng quý hơn là nghiên cứu về thế giới vật chất. Sở 7 dĩ thế giới quan này tồn tại lâu dài không những chính vì con người chỉ nghĩ nhiều ñến hưởng thụ hơn là nghiên cứu về thế giới vật chất, mà còn chịu ảnh hưởng lón của nhà thờ luôn là nguồn lực ủng hộ quan ñiểm của Aristotle suốt thời kỳ Trung cổ. 1.6 Vật lý học thời kỳ Hy Lạp hóa Vật lý học trong thời kỳ này gắn liền với thành tựu của Euclide, Achimedes,…(xem [1]). Trong lĩnh vực thiên văn phải kể ñến các kết quả ño chu vi trái ñất của Eratosthène và mô hình vũ trụñịa tâm của Ptolémée.Các vấn ñề trình bày trong [1] còn ñược xem xét cụ thể trong giáo trình Thiên văn học ñại cương. 2. Vật lý học thời Trung ñại Đây là thời kỳ dài ñến giữa thế kỷ XV, với sự ra ñời và ngày càng phát triển của chế ñộ phong kiến và các giáo phái. Chế ñộ phong kiến ở châu Âu hình thành sớm hơn và ñời sống tinh thần của xã hội do giáo hội Cơ Đốc chi phối trong khi ở phương Đông lại phát triển văn minh hơn, giàu có hơn. 2.1. Khoa học Phương Đông trung ñại Những kết quả nghiên cứu khoa học ñáng chú ý là của người Arập với các thành tựu toán học với cách viết số, sự phát triển của số học, ñại số và lượng giác. Các thành tựu vật lý gồm có: Al-Biruni xác ñịnh tỷ trọng của các chất, nghiên cứu về các hiện tượng thiên văn; Al-Haden nghiên cứu về ảnh của mặt trăng, mặt trời và các loại gương,… Người Arập còn có công ñưa ñến châu Âu nhiều phát minh quan trọng ñến từ Trung Quốc và Ấn Độ. 2.2. Khoa học châu Âu trung ñại Đây là thời kỳ dài ñen tối của khoa học châu Âu mà mọi vấn ñề về khoa học có thể tóm gọn lại là nói và làm theo ý Chúa. Tuy nhiên, cũng có những người mạnh dạn thực hiện các thí nghiệm khoa học và phát hiện ra những vấn ñề về thiên văn và vật lý vượt ra khỏi những sách vở giáo ñiều thường ñược răn dạy. Phải kể ñến năm 1440, khi có ñược cách in sách của Gutenberg tạo ra một phương tiện truyền bá tri thức rộng lớn thì lịch sử văn hóa và khoa học của nhân loại mới bước vào một thời kỳ phát triển mới ngày càng rực rỡ. 8 3.Các câu hỏi thảo luận: -Vật lý học thời kỳ này thực sự ñã ñáp ứng các yêu cầu nêu ra ở 1.1. chưa? -Tại sao cái nôi của khoa học lại là Hy Lạp chứ không phải từ Phương Đông? -Tại sao người ta lấy mốc chuyển thời kỳ phát triển của vật lý học là năm1440? 9 CHƯƠNG II SỰ RA ĐỜI Đ CỦA VẬT LÝ HỌC THỰC NGHIỆM M 1. Cuộc cách mạng ng khoa học h lần thứ nhất 1.1. Copernic và hệ nhật nh tâm Ở phần này người họ ọc cần so sánh nội dung của thuyết ñịaa tâm ccủa Ptol m và những nội dung thuyếtt nhật nh tâm mà Copernic nic trình bày trong tác ph phẩm “ Về sự quay của các thiên cầu”. ”. , nội dung của thuyếtt này khác so với quan niệm hiện ñạii khi nghiên cứu c ở giáo trình Thiên văn học sẽ còn ñược ñề cập tới. Cuốn sách trên ñược ñư in sau năm 1543 ñể rồi truyền bá tớ ới mọi người những kiến thức khác biệtt với v kinh thánh. Những quan ñiểm của Cope pernic : - Lý thuyếtt này như một m giả thuyết toán học. - Chuyển tâm vũ trụ ra ngoài Trái Đất. Đ - So sánh Trái Đất vớ ới bầu trời như cái hữu hạn so với cái vô hạn. n. - Đưa ra ví dụ ñầuu tiên về v tính tương ñối của chuyển ñộng. 1.2. Cuộc ñấu u tranh cho c hệ nhật tâm Thuyết nhậtt tâm khi mới m khởi xướng chưa có mô hình toán họọc của nó và hiển nhiên là sự ứng dụng ñể giảii thích các hi hiện tượng chưa ñủ sức ñể chống lạii các quan ñi ñiểm giáo ñiều từ thuyết ñịa tâm. Những luận ñiểm của Bruno ủủng hộ quan ñiểm của thuyết nhật tâm ñã ñưa ông lên giàn thiêu. Keppler trên cơ sở nghiên cứuu thiên văn theo trường phái Pitago với người thầyy Tikh Tikho Brahe ñã bỏ nhiều công sức sử dụng thuyết ñịaa tâm ññể giải Johanner Keppler thích sự chuyển ñộng của các thiên thể và ñã tìm ra một hướng ñi mới. Những ng ñịnh ñ luật Keppler với mô hình toán họcc ch chặt chẽ ñã khẳng ñịnh những luận ñiểểm ñúng ñắncủa Copernic và làm cho Trái Đ Đất mất ñi vị thế là trung tâm của vũ trụụ như bao thế hệ trước ñó ñã lầm tưởng.. Keppler còn có những ng công trình nghiên cứu c về quang học: lý thuyết về sự nhìn củủa mắt, kính thiên văn… 10 2. Sự ra ñời của Vật lý thực nghiệm 2.1 Galilee và chiếc kính thiên văn của ông Galilee (1564- 1642) ñã dùng 18 năm tuổi trẻ từ 1591 ñến 1609 ñể nghiên cứu sự rơi của vật thể xuống ñất. Ông hy vọng rằng từ những nghiên cứu này sẽ tìm ra những bí mật về sự chuyển ñộng của các thiên thể khi mà bác bỏ quan niệm của Aristotle cho rằng mọi chuyển ñộng trên trái ñất là thẳng ñều còn chuyển ñộng Galile O Galilee của các thiên thể ñều tròn. Ông ñã phát hiện mọi vật trong vũ trụ cần phải ñược chi phối bởi các ñịnh luật tự nhiên như nhau và sự phát hiện các ñịnh luật ấy chỉ bằng các quan sát và các thí nghiệm chính xác ñược lặp ñi lặp lại nhiều lần. Các thí nghiệm cơ học của ông cho thấy các vật rơi xuống ñất có cùng gia tốc chứ không phụ thuộc trọng lượng. 360 năm sau, người ta cũng làm lại thí nghiệm này khi cho một chiếc lông chim và một chiếc búa rơi trên bề mặt Mặt trăng. Năm 1608, Lippershey chế tạo kính thiên văn ñầu tiên, sau 1 năm nó ñã có ở nhiều nước châu Âu. Việc chế tạo kính thiên văn có khả năng phóng ñại gấp 32 lần ñã giúp Galilee quan sát bầu trời và phát hiện ra hàng loạt những hiện tượng mới khẳng ñịnh sự ñúng ñắn của thuyết nhật tâm của Copernic. Cuốn sách “Đối thoại về các hệ thống lớn của thế giới” của ông công bố năm 1632 ñã gọi những người theo thuyết ñịa tâm là những “kẻ ñần ñộn”. Cuốn sách này bị cấm lưu hành cho tới năm 1835 và mãi ñến năm 1992 Vaticăng mới công bố hủy bản án xét xử ông năm 1633. 11 2.2 Phương pháp mớ ới trong khoa học Đáng chú ý là những ng quan ñiểm ñi của Francis Bacon trong cuốn Công C cụ mới xuất bản năm 1620 mà sau này người ngư ta gọi là phương pháp quy nạp. Tiếp ñó là những ng quan ñiểm ñi củaa René Descartes trình bày trong cu cuốn Luận về phương pháp (1637) ñặặt nền móng cho phương pháp diễn dịch ch và ññã có công lao lớn khi ñưa các ñại lượng lư biến ñổi vào toán học ñồng thời ñặtt cơ ssở ban ñầu cho hình học giảii tích. Ông cho rằng r trong tự nhiên có hai lĩnh vựcc hoàn toàn tách rời và ñộc lập vớii nhau là tâm thức(res th cogitans) và vật chất(res extensa). V Với cách phân chia này thì vật chấất ñược phép xem là chết và hoàn toàn ñộcc llập với nhà khoa học; thế giới vật chấất chỉ là tập hợp của các ñối tượng ng khác nhau trong m một cỗ máy khổng lồ. Những ý tưởng củaa hai ông thực th chất ñã có từ thời Hy Lạp cổ ñư ñược phát triển và vận dụng theo quan ñiểểm mới. Sau này các nhà nghiên cứu thấy rằằng cần thiết phải phối hợp cả hai phương pháp này trong việc nghiên cứuu các quy luật vận ñộng của tự nhiên. 12 2.3 Tổ chức mới trong nghiên cứu khoa học Các trường ñại học thời ñó do giáo hội giám sát chặt chẽ. Sự ra ñời liên tiếp của các Hội khoa học và Viện hàn lâm kéo theo sự biến ñổi ñể các trường ñại học cũng thoát khỏi chủ nghĩa kinh viện. Tới thế kỷ thứ XVII, vật lý học ñã trở thành một hệ thống khoa học và khẳng ñịnh vị thế xứng ñáng trong ñời sống xã hội. 2.4 Những thành tựu ban ñầu của Vật lý học thực nghiệm Các thành tựu khoa học vật lý ban ñầu ñược kể ra với các tên tuổi: Ximon Stevin, Galilee…(trang72-79, cuốn [1]). Những công trình cần ghi nhận: -Stevin: tỷ số giữa lực kéo và trọng lượng vật bằng tỷ số giữa ñộ cao và ñộ dài của mặt phẳng nghiêng; tính áp suất chất lỏng… - Galilee: các vật rơi tự do và chuyển ñộng của các vật lăn trên mặt phẳng nghiêng hay ném ngang, dùng con lắc ñể ño thời gian… - Toricelli: áp suất khí quyển với ống mang tên ông; chân không Toricelli; người khởi ñầu nghiên cứu về khí tượng học. - Pascal với áp suất chất lỏng; các ñịnh luật về chất khí trong ñó ñịnh luật Boyle-Mariotte không ghi danh Townley. - Snell và Descartes với các ñịnh luật quang học và Huygens với giáo trình quang học ñầu tiên. - Ginbert là người ñầu tiên nghiên cứu về nam châm và từ trường Trái Đất; so sánh các hiện tượng ñiện và từ. Các câu hỏi thảo luận: -Hãy so sánh sự khác nhau giữa thuyết nhật tâm và thuyết ñịa tâm. -Tại sao công nhận Galilee là nhà khoa học thực nghiệm ñầu tiên? -Các phương pháp mới và tổ chức mới trong khoa học có gì ñặc biệt? -Vật lý học thực nghiệm ra ñời ñã ghi dấu ấn của sự giải thoát khỏi sự kiềm chế của giáo hội và bước ñầu phát triển 100 năm của nó hơn cả 1000 năm trung cổ.Hãy chứng minh ñiều ñó từ các thành tựu của vật lý trong thời kỳ này từ các tư liệu ñã ñược kể ra trong giáo trình[1]? 13 CHƯƠNG III CƠ HỌC H NEWTON VÀ SỰ HOÀN THÀNH CU CUỘC CÁCH MẠNG KHOA HỌC 1. Vũ trụ học củaa Descartes Những vấn ñề về cuốn cu Nguyên lý triết học của Descartes ñãã nói trong sách [1], người học cần n chú ý ñến những quan niệm của ông về không gian, vvề chuyển ñộng và những ngườii theo trường trư phái này ñãã không thành công trong vi việc phát triển các ý tưởng ñó. Thế giới quan có tính cơ giới củủa ông ñược Newton ủng hộ và phát triển lên mộtt bư bước vượt bậc trở thành nền tảng của vật lý cổ ñiển. n. Tri Triết học Descartes không những chỉ có ảnh hưởng ng trong Vật lý học cổ ñiển mà nó còn ảnh hưởng ñếnn tư duy phương Tây lâu dài. Câu nói nổi tiếng củaa ông ““Cogito ergo sum” (tôi tư duy, vậy tôi hiện hữu) u) làm cho ngư người R.Descartes phương Tây ñồng hóa mình với tâm thứcc thay vì vvới th và vật chấtt ccủa ông, mỗi toàn bộ con ngườii mình. Theo cách phân chia tâm thức con người tưởng ng mình là một m thể cô lập, một cá thể sống “trong ” thân xác. Tâm bbị tách rời khỏi cơ thể nhưng chịu ch trách nhiệm quản cơ thể ñó, vì thế sinh ra mâu thuẫn giữa ý chí có ý thứ ức và bản năng vô thức. Mỗi hỗn loạn nộii tâm do ñư ñược chia chẻ thành nhiềuu ngăn ô khác nhau (ho (hoạt ñộng, cảm xúc, niềm m tin…) ññầy mâu thuẫn ñược phản ánh qua cách nhìn nhận thế giới bên ngoài. Thế giớii xung quanh ñược nhìn nhận qua nhiều u vật v thể và các tiếnn trình khác nhau không ch chỉ trong thế giới vật chất mà cả trong cấu c trúc xã hội. Quan ñiểm cơ giới ñó ñãã phát tr triển thành công trong vật lý và kỹ thuật thu thì cũng mang ñến những hậu quả ñáng kkể về sự chia tách của xã hội phương Tây T ñể ñến ngày nay lại có xu thế hòa ñồng ng vvới thế giới quan mang tính hữu cơ củaa phương Đông. 2. Newton và sự nghiệp nghi khoa học của ông Nhiều sách nói về những nh ñóng góp vĩ ñại của Newton cho nềnn vvật lý cổ ñiển mà mô hình của ông về vũ ũ trụ tr ñã ñặt ra một cái khung vững chắcc là nnền tảng cho vật lý cổ ñiển. 14 , những ng ñóng góp thiên tài của c Newton trong toán họcc và vvật lý học còn là ñộng lực lớn n thúc ññẩy sự phát triển của triết học và khoa họcc ttự nhiên suốt chặng ch ñường dài lịch sử từ thế kỷ XVII. Thân thế và sự nghiệp củaa Newton ngư người ñọc rút ra các nhận nh xét khi ñọc các trang 84-88 từ [1]. Ở cuối cuốn [3],S.Hawking có những ng nhận xét về Newton khác hẳn h với những ngợi ca vĩ ñại vềề ông, người ñọ ọc cần tham khảo. 3. Cơ học Newton Chúng ta có thể ñọcc và biết bi nhiều vấn ñề về sự hình thành và phát triển tri của cơ học cổ ñiển mang tên Cơ C học Newton và lưu ý rằng phải qua nhiềuu năm trăn tr trở ông mới công bố cuốn Nguyên guyên lý toán học h của triết học tự nhiên. Trong [1], vấn ñề cơ hhọc Newton ñã ñược chia làm 4 phần vớii các nội n dung như sau, dựaa vào các giáo trình cơ c học ñã biết, người học thảo luậận cho những nhận ñịnh ở từng phần . 3.1 Những khái niệm m cơ bản b của cơ học Newton Hãy chú ý khái niệm m về v khối lượng khác với quan ñiểm củaa Descarter; các thí nghiệm dẫn tới khái niệệm quán tính; vấn ñề ñộng lượng, năng lượng ng và ññặc biệt là lực. 3.2 Không gian và thời gian trong cơ học Newton Các khái niệm về thời th gian tuyệt ñối, không gian tuyệt ñối, i, vvị trí chuyển ñộng,… 3.3 Những ñịnh luậtt cơ bản b Cần tìm hiểu u các cách phát bi biểu khác nhau ở các sách về 3 ñịnh nh luật lu Newton và tìm ra ý nghĩa quan trọng ng của c các ñịnh luật ñó. 3.4 Định luật vạn vậtt h hấp dẫn Từ khi Keppler tìm ra 3 ñịnh luật về sự chuyển ñộng củaa các hàn hành tinh dẫn ñến việc giải thích ñượcc nguyên nhân làm cho các hành tinh chuyển chuy ñộộng theo quỹ ñạo ellip là cả một quá trình dài về v cả thời gian và các quan ñiểm m khác nhau. 4. Thế giới quan củ ủa Newton và vai trò của nó trong sự phát tri triển Vật lý học 15 Đối chiếu với [1], người học suy nghĩ thêm về các vấn ñề ñược bổ sung dưới ñây. Trước hết phải thấy rằng, thế giới quan này ñang bị vật lý hiện ñại làm cho thay ñổi vốn ñã sẵn có cơ sở trên mô hình của Newton về vũ trụ, mà trong ñó tất cả các hiện tượng cơ học xẩy ra trong không gianba chiều của hình học cổ ñiển Euclid. Newton nói:“Tự tính của không gian tuyệt ñối là luôn luôn như nhau, bất ñộng, không hề phụ thuộc gì vào sự vật nằm trong ñó” và “Thời gian tuyệt ñối, ñích thực có tính toán học, tự chảy, theo tự tính của nó là ñều ñặn và không liên quan ñến bất cứ vật nào”. Những vật chất của thế giới Newton vận ñộng trong không gian và thời gian tuyệt ñối là những hạt vật chất xem là hạt khối lượng(mass point). Newton xem chúng là những hạt nhỏ cứng chắc và không bị phân hủy, là thành phần cấu tạo mọi vật chất. Mô hình này khá giống với thuyết nguyên tử của Hy lạp trước ñó ở chỗ chúng có khối lượng và hình dạng không ñổi; vì thế mà vật chất luôn ñược bảo toàn. Newton gắn thêm một lực tác ñộng giữa các hạt với nhau và lực này chỉ phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách giữa chúng. Theo Newton, trọng lực hay lực hút của các hạt khối lượng này luôn gắn chặt với vật thể và tác dụng tức thì ở khoảng cách rất xa. Giả thuyết kỳ dị ñó ñược xem như ý chúa tạo thành, ñã ñược nêu trong tác phẩm Quang học(Optics): Tôi cho rằng mới ñầu chúa tạo vật chất bằng các hạt cứng chắc, ñầy ñặc, không thể xuyên qua, di ñộng, với hình dạng, với kích thước, với tính chất và tương quan nhất ñịnh trong không gian, phù hợp nhất với mục ñích mà ngài muốn tạo ra; và những hạt ñơn giản này là thể rắn, cứng hơn vật thể xốp nào khác, cứng ñến nỗi không bao giờ hao mòn, không vỡ. Không có một lực nào có thể chia cắt nó. Vật mà trong ngày ñàu tiên chúa ñã sáng tạo. Tất cả mọi hiện tượng cơ theo Newton ñều có thể quy về sự vận ñộng của hạt khối lượng (chất ñiểm) trong không gian do lực trọng trường gây ra. Để phát biểu tác dụng của lực ñó trên hạt khối lượng, Newton ñã sử dụng một công cụ toán học mới, ñó là phép tính vi phân. Vào thời ñó, ñây là một thành tựu tri thức vĩ ñại mà theo Einstein thì “ñó là bước tiến lớn nhất trong tư duy mà một cá nhân xưa nay làm ñược”. 16 Các phương trình của Newton là nền tảng của cơ học cổ ñiển ñược xem là quy luật cố ñịnh. Mọi quy luật vận ñộng của các hạt khối lượng ñều có thể quan sát ñược nhờ giải các phương trình này. Theo cách nhìn của Newton, chúa sáng tạo ra vật chất, lực tác dụng giữa chúng và ñịnh luật của sự vận ñộng. Theo cách ñó thì vũ trụ ñược ñưa vào vận hành và từ ñó chạy như một cỗ máy và ñược ñịnh hướng bằng quy luật bất di bất dịch. Thế giới quan cơ giới ñó liên hệ chặt chẽ với tư tưởng quyết ñịnh luận. Bộ máy vũ trụ khổng lồ vận hành ñược xem như có thứ tự trước sau rõ ràng, cái sau ñược xác ñịnh bởi cái trước một cách chắc chắn. Tất cả các diều gì xẩy ra ñều có lý do, sẽ gây một hiệu ứng rõ rệt, tương lai của mỗi thành phần trong hệ thống ñều ñược quyết ñoán một cách chắc chắn; về nguyên tắc việc ñó xẩy ra nếu biết rõ trong mọi ñiều kiện trong một thời gian nhất ñịnh. Nền tảng của thuyết quyết ñịnh luận này là sự cách ly cơ bản giữa cái tôi và thế giới còn lại ñã ñược nhìn nhận trước ñó bởi Descastes. Sự cách ly này làm người ta tin rằng thế giới có thể mô tả một cách khách quan, tức là không cần quan tâm gì ñến vị trí của người quan sát. Tính khách quan trong sự mô tả thế giới theo cách này ñược xem là cứu cánh của mọi khoa học ñương thời và ảnh hưởng không nhỏ ñến bước tiến triển của khoa học sau ñó. Do những luận ñiểm của Newton mang màu sắc tôn giáo nên không dễ ñược chấp nhận ở Pháp vào thời kì cách mạng tư sản. Đến thế kỷ XVIII các nhà duy vật Pháp ñã ñưa học thuyết Newton vào và lược bỏ ñi những yếu tố thần học ñể rồi vật lý học bước sang giai ñoạn phát triển mới. Các câu hỏi thảo luận: -Các quan ñiểm vũ trụ học của Descartes có các ñặc ñiểm gì? Tại sao nó xa rời với thực nghiệm? Hãy tìm ra các nét cơ bản quan trọng nhất khi kể về thân thế và sự nghiệp khoa học của Newton. -Anh(chị)có nhận ñịnh gì về những thành tựu vĩ ñại của Newton quacác phát biểu của chính ông và các nhận xét khác nhau của các nhà vật lý lớn? 17 CHƯƠNG IV SỰ HÌNH THÀNH VẬT LÝ HỌC CỔ ĐIỂN Lược sử thế kỷ XVIII cho thấy sự suy tàn của chủ nghĩa phong kiến ở châu Âu, cùng với các luận ñiểm lạc hậu lỗi thời của chủ nghĩa kinh viện và giáo hội. Cùng với những biến ñộng chính trị là cuộc cách mạng công nghiệp thay cho phương thức sản xuất thủ công, người ta ñã chế tạo ra nhiều loại máy. Vì vậy thế kỷ này ñược gọi là “thế kỷ của trí tuệ”. 1. Cơ học thế kỷ XVIII 1.1 Sự củng cố cơ học Newton bằng thực nghiệm Nửa ñầu thế kỷ XVIII là các cuộc tranh cãi gay gắt giữa hai trường phái Descartes và Newton về bản chất lực hấp dẫn. Theo phái Descartes thì không có chân không, tương tác giữa các vật ñược thực hiện do tiếp xúc, do va chạm hoặc là nhờ các xoáy của ê te (ether) chuyển ñộng và các xoáy ê te này có mặt khắp nơi. Đến giữa thế kỷ XVIII thì những quan ñiểm này ngày càng mất vị thế. Những vấn ñề nghiên cứu về sao chổi của Halley với những tính toán của Clairaut về quỹ ñạo sao chổi ñể rồi quan sát ñược sao chổi (sau này mang tên Halley) vào ngày 13 tháng 03 năm 1759 ñã dẫn các nhà nghiên cứu ngả về học thuyết Newton. Từ ñó, các nhà nghiên cứu theo trường phái Newton cho rằng mọi hiện tượng vật lý là kết quả chuyển ñộng của “các vật thể vật chất nào ñó” dưới tác dụng của “những lực nào ñó”. Tiếp ñó kéo theo sự ra ñời của các vật mới và các lực mới. 1.2 Giai ñoạn giải tích của cơ học Những vấn ñề chuyển ñổi từ cơ học thành cơ học giải tích công ñầu thuộc về Euler(1717 - 1783) và Lagrange(1736 - 1813). Euler ñã công nhận những khái niệm cơ bản của cơ học Newton nhưng cho rằng không gian trống rỗng chỉ là khái niệm thuận lợi cho phép tính toán. Những khái niệm cơ bản về phương trình ñộng lực học ñã ñược Euler biểu diễn như dạng ngày nay sử dụng, trong ñó tính chất vectơ của lực ñã ñược ñể ý kể cả việc phân tích chuyển ñộng ra 3 thành phần theo hệ toạ ñộ vuông góc. Những bài toán về các dạng chuyển ñộng khác nhau ñã ñược các nhà khoa học phát triển trên cơ sở thay thế ñịnh luật II Newton bởi các nguyên lý khác nhau ở từng lĩnh vực cụ thể. 18