P.15 - Chương Kết

Giống như cuộc Cách mạng Copernic, cuộc Cách mạng “Trường” trong khoa vật lý sẽ là một thách đố cho nhận thức thông thường và lại đưa các nhà khoa học lên đường tiến vào “những màn sương của nghịch lý”.

Nếu Michael Faraday đã được đào luyện về toán học, hẳn ông đã không sẵn sàng như thế để có viễn ảnh mới đầy ngạc nhiên của ông. Là con của một thợ đồ sắt nghèo ở ngoại ô Luân Đôn, Faraday đã phải kiếm sống từ nhỏ và khi giá cả thời chiến tăng cao năm 1801, ông đã phải sống mỗi tuần chỉ bằng một ổ bánh mì. Ông hầu như không được học hành đàng hoàng, chỉ biết qua loa một ít căn bản về đọc, viết và số học ở một trường học cộng đồng. Nhưng năm 13 tuổi, ông may mắn tìm được việc làm với một người Pháp di cư tốt bụng làm nghề in và đóng sách, tên là Riebau. Trước tiên ông đi phát những tờ nhất báo mà Riebau cho thuê rồi đi thu về để lại đi phát tiếp.

Trong số những sách đưa đến hiệu sách của Riebau để đóng bìa, có Phát Triển Trí Khôn của nhà văn Isaac Watts và Faraday đã theo phương pháp tự học của ông này. Một hôm ông nhận đóng lại cuốn sách của bộ Encyclopaedia Britannica, trong đó có một bài 127 trang hai cột về Điện do một nhà hóa học tên là Mr. James Tytler viết. Tytler phá bỏ những lý thuyết cũ về điện một chất lỏng và hai chất lỏng và đề nghị lý thuyết của mình rằng điện không phải là một chất lỏng mà là một dạng dao động, giống như ánh sáng và nhiệt. Ý tưởng kỳ lạ này đã là khởi điểm để Faraday bắt đầu nghiên cứu khoa học.

Năm 1801 ông bắt đầu đi dự các lớp học công cộng của Hội Triết học Thành phố, rồi các lớp học của Humphry Davy ở Viện Hoàng Gia. Tháng 12 năm 1811, Faraday đã gây ấn tượng cho Davy khi gửi cho ông này tập vở ghi chép các bài giảng của Davy mà Faraday đã viết lại và đóng bìa cẩn thận và đẹp, đồng thời xin Davy nhận mình làm một trợ giảng. Đến tháng 10, Davy bị lòa một thời gian do một vụ nổ tại phòng thí nghiệm và bây giờ ông cần một người phụ tá. Ông thuê Faraday một đồng tiền vàng mỗi tuần và cho ông sử dụng hai phòng ở Viện nghiên cứu với đèn dầu và nến, áo phòng thí nghiệm và tự do sử dụng các máy móc. Ở tuổi 20, Faraday đã được làm việc trong phòng thí nghiệm của một nhà hóa học lớn nhất thời ấy và có thể thí nghiệm bất kỳ lúc nào ông muốn. Giấc mơ của ông đã trở thành hiện thực.

Davy luôn thắc mắc về những cố gắng mới về lý thuyết để thích nghi các tư tưởng của Newton với những nhu cầu của nhà hóa học trong phòng thí nghiệm. Hấp dẫn nhất là lý thuyết “điểm trung tâm” của Boscovich, mô tả nguyên tử không phải như một viên bi vật chất không thể xâm nhập, mà như một trung tâm các lực. Nếu những “phân tử sơ đẳng” của vật chất có đặc tính này, nó có thể cắt nghĩa sự tương tác giữa các yếu tố hóa học, tính “tương cận” của chúng và các cách để tạo những hỗn hợp bền bỉ.

Boscovich đã giới hạn ý tưởng triệt để của mình vào các yếu tố hóa học. Khi Faraday tình cờ bị thu hút vào việc thí nghiệm trong lãnh vực điện còn mới mẻ, ông lại bị lôi cuốn bởi lý thuyết của Boscovich. Năm 1821, một người bạn xin Faraday viết cho tờ Tạp chí Triết học một bài bao quát cắt nghĩa cho độc giả bình dân về từ trường của điện. Mới mùa hè năm trước, nhà vật lý học Đan Mạch Hans Christian Oersted (1777-1851) đã đánh thức sự quan tâm của công chúng khi ông minh chứng rằng một dây dẫn dòng điện có thể làm đổi hướng một kim nam châm. Dựa theo gợi ý của Oersted, Faraday chế ra một dụng cụ đơn sơ gồm hai ống chứa thủy ngân, một dây dẫn dòng điện và hai thanh nam châm hình trụ. Ông khéo léo trình bày sự quay của nam châm điện, để chứng minh rằng một dây dẫn dòng điện sẽ quay chung quanh cực của một nam châm và cực của cây nam châm sẽ quay chung quanh dây dẫn dòng điện. Có thể Faraday đã bắt đầu ngờ rằng chung quanh dây dẫn dòng điện có những đường vòng tròn chứa những lực. Và có thể những lực của nam châm và của điện có thể hoán chuyển một cách nào đó. Ở điểm này, may mắn là Faraday không phải là một nhà toán học phức tạp, vì nếu không, ông cũng đã rơi vào con đường của nhà toán học thiên tài người Pháp André Marie Ampère (1775-1836), để thử cắt nghĩa hiện tượng điện từ đơn giản bằng công thức toán học về những trung tâm lực của Newton. Sự chất phác của Faraday đã cho ông một cái nhìn mới mẻ.

Vô tình, Faraday đã lần đầu tiên thực hiện việc hoán đổi lực cơ học sang lực điện. Hiển nhiên đây là bước quyết định tiến tới động cơ điện và máy phát điện làm biến đổi mọi sự trong đời sống hằng ngày. Một lần nữa một cuộc cách mạng khoa học phát sinh từ sự thách đố nhận thức thông thường. Nghe có vẻ kỳ lạ, nhưng lực của nam châm không giống lực hấp dẫn của Newton, nó không tập trung vào một vật thể có khối lượng phát tỏa những đường thẳng của lực ở một khoảng cách. Trong nhiều thí nghiệm sau 1821, Faraday đã bắt đầu thoáng thấy một hiện tượng kỳ lạ và thoáng thấy khả năng là nam châm và điện có thể tạo ra một “trường lực”.

Faraday không bị ảnh hưởng mạnh bởi những công thức toán học kỳ cựu của Newton. Ngược lại, những thí nghiệm của ông trong 25 năm tiếp theo rốt cuộc đã mở đường cho một cái nhìn mới về vũ trụ. Trong tất cả điều này, Faraday luôn luôn bị thu hút bởi niềm tin vào sự duy nhất và chặt chẽ của toàn thể tạo vật.

Năm 1831, khi Faraday được tin Joseph Henry ở Albany, New York, đã đảo ngược cực của nam châm điện bằng cách đảo dòng điện, ông đã làm những thí nghiệm của mình. Ông nhắm chứng minh làm sao chuyển động của nam châm có thể tạo ra một dòng điện. Bằng một thí nghiệm hết sức đơn giản là cho một dòng tĩnh điện đi qua một sợi dây ướt, ông tìm cách chứng minh rằng về bản chất tĩnh điện không khác gì các loại khác và vì thế mọi loại điện đã được biết đến đều giống nhau. Rồi với những thí nghiệm về hóa - điện, ông chứng minh rằng sức phân hủy của điện thì tỷ lệ thuận với lượng điện trong dung dịch và vì thế điện phần nào đó phải là một lực có đặc tính tương tự hóa học. Dùng một tờ giấy thấm nhúng vào iodua kali, ông tạo được một sự phóng tĩnh điện vào không khí và như thế loại bỏ thuyết dựa trên thuyết của Newton cho rằng điện cũng giống như trọng lực, là một lực tác động từ một “cực” sang một cực khác. Tất cả những hiện tượng này gợi ý có sự hiện diện của các hạt điện và của các điện trường.

Năm 1838 Faraday đã có sẵn cơ sở cho một lý thuyết mới về điện. Ông triển khai cả một bộ từ vựng mới gồm những thuật ngữ như “điện cực”, “catốt” và “điện giải”. Ông mạnh bạo kết luận rằng có lẽ những điện lực có tính gian - phân - tử và điện một cách nào đó chuyển hóa năng lượng nhưng không chuyển hóa vật chất. Ông ngại dùng thuật ngữ “dòng điện” vì gợi lên ý nghĩa cơ học, nên ông đã mô tả sự chuyển hóa này như một tiến trình trong đó các hạt cực nhỏ được đặt vào một sự chuyển động, rồi được đưa từ hạt này sang hạt khác.

Tháng 8, 1845, một thanh niên tên William Thomson (1824-1907), say này là Ngài Kevin nổi tiếng, đã gửi cho Faraday một lá thư kể lại thành công ban đầu của mình trong việc đưa vào khái niệm các dòng lực của Faraday một dạng toán học. Thomson đã từng thắc mắc nhiều về bản chất của điện và việc khó đưa nó vào một lược đồ của Newton. Các nhà vật lý lỗi lạc thời đó không mấy người chịu thuyết phục bởi khái niệm của Faraday.

Nhưng William Thomson lúc ấy mới 21 tuổi có đầu óc rộng mở trước những khả năng to lớn hơn. Nếu thực sự có những dòng lực và những trường lực, thì có thể thí nghiệm để chứng minh có sự tương quan giữa ánh sáng và điện được không? Faraday quyết tâm theo đuổi sự gợi ý táo bạo này. Lúc đầu những khó khăn có vẻ không thể nào khắc phục. “Chỉ có sự xác tín mạnh nhất rằng ánh sáng, Từ và Điện phải có quan hệ với nhau... đã thúc đẩy tôi tiếp tục theo đuổi đề tài và kiên trì”. Ngày 13 tháng 9, 1845, Faraday thử cho một tia sáng đi ngang qua một miếng “kính cứng” có chỉ số khúc xạ cao mà ông đã chế tạo mời lăm năm trước và trong một điện từ trường mạnh. Ông vui sướng kể lại, “Có một hiệu ứng phát sinh trên tia bị phân cực và như thế nó chứng minh rằng từ lực và ánh sáng có tương quan với nhau. Sự kiện này chắc hẳn sẽ mang lại nhiều hiệu quả rất ích lợi”. Ông yên tâm khi thấy rằng đồ quay của tia sáng thì tỷ lệ thuận với lực của điện từ.

Faraday đã phác họa đường nét cho một thế giới mới vô hình đầy kinh ngạc. Giữa những trường lực tạo ra bởi những vật thể cực nhỏ, các nhà vật lý hiện đại sẽ khám phá ra những Tân Thế Giới và những Lục Địa Tối của chúng, với những điều bí ẩn về một sự duy nhất còn rộng lớn hơn và sự mầu nhiệm của các hiện tượng.

Những bằng chứng khoa học sau Faraday đã gia tăng rất nhanh trong thế kỷ tiếp theo. Sự thông tin liên lạc giữa các nhà khoa học được mở rộng và liên tục hơn và những thành tựu hợp tác của họ ngày càng nhiều hơn. Những khám phá của Faraday là sản phẩm của một đầu óc không phải toán học. Nhưng muốn thuyết phục, những khám phá ấy vẫn còn phải có một hình thức toán học. Điều này đã được thực hiện bởi James Clék Maxwell (1831-1879), một người ngưỡng mộ Faraday và đã chuyển dịch những “dòng” hay “ống” của Faraday thành một mô tả toán học về một trường liên tục. Giống như Newton đã cho những trực giác của Galileo một hình thức toán học, thì những phương trình của Maxwell cũng đã làm một công việc tương tự cho Faraday. Einstein đã gọi “Sự hình thành những phương trình này là sự kiện quan trọng nhất trong vật lý học từ sau thời Newton, không chỉ vì nội dung phong phú của nó, mà còn vì nó tạo một mô hình mới cho một loại định luật mới”. Những tính chất của các phương trình này sẽ có mặt “trong mọi phương trình khác của khoa vật lý hiện đại”. Những phương trình này cũng sẽ là cơ sở để chính Einstein khai triển trong việc phá hủy nguyên tử “không thể hủy” đã đến với việc khám phá các tia catốt, tia X và các tia phóng xạ. Những gợi ý về điện tử đã được tiếp tục theo đuổi bởi J.J. Thomson (1856-1940), là người khám phá ra những hạt cực nhỏ vô hình của vật chất, chỉ bằng một phần ngàn tám trăm khối lượng của hydro, mà cho tới hồi đó vẫn ít được biết đến. Năm 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) khám phá ra một nhân nguyên tử cho các nhà vật lý của thế hệ sau khai thác, giống như thế hệ trước đã khai thác điện tử.

Những bí mật của nguyên tử ngày càng gia tăng với mỗi cuộc khám phá mới. Những giới hạn của toán học ngày càng được tiết lộ. Trong đầu óc Einstein, sự duy nhất của các hiện tượng - đã đưa các vấn đề và nghịch lý “khoa học” vượt xa tầm hiểu biết của bất kỳ nhà triết học nào. Giống như các nhà vật lý minh họa nguyên tử của họ bằng những hệ thống hành tinh và thiên thể, thì những các vi phân cũng giúp chúng ta hiểu biết về những cái vô hạn. Thời gian và không gian cùng đi vào một câu đố bí mật đã dẫn Einstein tới kết luận rằng “Mầu nhiệm muôn thuở của vũ trụ là nó có thể hiểu được”.



Hết