ngominhquynh

7 phương trình chi phối cuộc sống của chúng ta - Phần 1 :p


Ian Stewar , Đại học Warwick, Anh quốc

Chuông đồng hồ báo thức reo. Bạn liếc nhìn cái đồng hồ. 6.30 sáng rồi. Bạn chưa trèo ra khỏi gi.ường ngủ, có ít nhất sáu phương trình toán học đã ảnh hưởng đến cuộc sống của bạn rồi. Con chip nhớ lưu giờ trong cái đồng hồ của bạn không thể nào được nghĩ ra nếu như không có một phương trình quan trọng trong cơ học lượng tử. Giờ của nó được lập bởi một tín hiệu vô tuyến chúng ta sẽ không bao giờ dám mơ tới phát minh ra nếu không có bốn phương trình của James Clark Maxwell. Và bản thân tín hiệu báo thức truyền đi theo cái gọi là phương trình sóng.

Chúng ta sống trôi nổi trên một đại dương ẩn của những phương trình. Chúng tác dụng trong sự đi lại, trong hệ thống tài chính, sức khỏe, trong phòng chống và phát hiện tội phạm, trong truyền thông, thực phẩm, nước, đun nấu và thắp sáng. Bước vào vòi tắm là bạn hưởng thụ từ phương trình dùng để điều chỉnh nguồn cấp nước. Bữa sáng ngũ cốc của bạn có từ những cánh đồng được gieo trồng với sự hỗ trợ của các phương trình thống kê. Lái xe đi làm thì thiết kế khí động lực học của chiếc xe của bạn một phần là nhờ các phương trình Navier-Stokes mô tả những dòng không khí chuyển động phía trên và xung quanh nó như thế nào. Bật hệ thống định vị trên xe một lần nữa liên quan đến vật lí lượng tử, cộng với các định luật Newton về chuyển động và lực hấp dẫn, cái giúp phóng các vệ tinh địa tĩnh và lập quỹ đạo của chúng. Nó còn sử dụng những phương trình tạo số ngẫu nhiên để định thời gian tín hiệu, các phương trình lượng giác để tính toán vị trí, và thuyết tương đối đặc biệt và thuyết tương đối tổng quát để theo dõi chính xác chuyển động của vệ tinh dưới lực hấp dẫn của Trái đất.

Không có các phương trình, phần lớn công nghệ của chúng ta sẽ không bao giờ được phát minh ra. Tất nhiên, những phát minh quan trọng như lửa và bánh xe đã xuất hiện mà không cần chút kiến thức toán học nào. Nhưng nếu không có phương trình, chúng ta sẽ bị mắc cạn trong một thế giới trung cổ.

Các phương trình còn vươn ra ngoài tầm công nghệ nữa. Không có chúng, chúng ta sẽ không có kiến thức vật lí chi phối thủy triều, sóng vỗ trên biển, thời tiết biến đổi liên tục, chuyển động của các hành tinh, lò luyện hạt nhân của các sao, xoắn ốc của các thiên hà – sự mênh mông của vũ trụ và vị trí của chúng ta trong đó.

Có hàng nghìn phương trình quan trọng. Ở đây, tôi tập trung vào bảy phương trình – phương trình sóng, các phương trình Maxwell, biến đổi Fourier và phương trình Schrödinger – minh họa những quan sát theo lối kinh nghiệm đã dẫn tới những phương trình mà chúng ta sử dụng cả trong khoa học và trong cuộc sống hàng ngày như thế nào.




Trước tiên là phương trình sóng. Chúng ta sống trong một thế giới đầy sóng. Tai của chúng ta phát hiện ra sóng áp suất trong không khí dưới dạng âm thanh, và mắt của chúng ta phát hiện sóng ánh sáng. Khi một trận động đất lan tới một thành phố, sự tàn phá là do sóng địa chấn chuyển động trong Trái đất.

Các nhà toán học và nhà khoa học có thể dễ dàng nghĩ tới sóng, nhưng điểm xuất phát của họ có từ nghệ thuật: làm thế nào sợi dây đàn violin tạo ra âm thanh? Câu hỏi đó có từ thời Pythagoras ở Hi Lạp cổ đại, người đã tìm thấy nếu hai sợi dây cùng loại và sức căng có chiều dài tuân theo một tỉ số đơn giản, ví dụ 2:1 hoặc 3:2, thì chúng tạo ra những nốt nghe êm ái lạ thường. Những tỉ số phức tạp hơn thì không êm dịu và khó nghe. Chính nhà toán học người Thụy Sĩ Johann Bernoulli đã bắt đầu khai thác ý nghĩa của những quan sát này. Vào năm 1727, ông đã mô phỏng một sợi dây đàn violin là rất nhiều chất điểm đặt gần nhau, liên kết với nhau bằng những lò xo. Ông đã sử dụng các định luật Newton viết ra những phương trình chuyển động của hệ, và rồi giải chúng. Từ nghiệm thu được, ông kết luận rằng hình dạng đơn giản nhất cho một sợi dây dao động là một đường cong hình sin. Đồng thời cũng có những mốt dao động khác nữa – những đường hình sin trong đó nhiều hơn một sóng khớp với chiều dài của dây, cái các nhạc sĩ gọi là họa âm.

Từ sóng đến không dây

Gần 20 năm sau đó, Jean Le Rond d'Alembert đã làm một việc tương tự, nhưng ông tập trung vào việc đơn giản hóa các phương trình chuyển động thay vì nghiệm của chúng. Cái xuất hiện là một phương trình đẹp mô tả hình dạng của sợi dây thay đổi như thế nào theo thời gian. Đây là phương trình sóng, và nó phát biểu rằng gia tốc của một đoạn nhỏ bất kì của sợi dây tỉ lệ với lực căng tác dụng lên nó. Nó gợi ý rằng những sóng có tần số không theo những tỉ lệ đơn giản tạo ra một tiếng nhiễu ù ù khó nghe gọi là “phách”. Đây là nguyên nhân vì sao những tỉ số đơn giản mang lại những nốt nghe êm dịu.

Có thể sửa đổi phương trình sóng để xử lí những hiện tượng phức tạp, hỗn độn hơn, ví dụ như động đất. Những phiên bản phức tạp của phương trình sóng cho phép các nhà địa chấn học phát hiện ra cái đang xảy ra ở sâu hàng trăm dặm dưới chân chúng ta. Họ có thể lập bản đồ các mảng kiến tạo của Trái đất khi một mảng trượt bên dưới mảng kia, gây ra động đất và núi lửa. Phần thưởng to lớn nhất trong lĩnh vực này là một phương pháp đáng tin cậy dự báo động đất và núi lửa phun, và nhiều phương pháp đã và đang được khảo sát với sự hỗ trợ của phương trình sóng.

Nhưng cái sáng suốt nhất thu từ phương trình sóng là từ nghiên cứu hệ phương trình điện từ học của Maxwell. Vào năm 1820, đa số mọi người thắp sáng nhà cửa bằng những ngọn nến và đèn lồng. Nếu bạn muốn gửi đi một tin nhắn, bạn viết một lá thư và đặt nó lên một xe hàng ngựa kéo; với những tin nhắn khẩn cấp, bạn vứt cái xe hàng đi. Trong vòng 100 năm thôi, nhà cửa và phố xá đã có đèn điện, điện báo mang tin nhắn có thể truyền xuyên lục địa, và người ta còn bắt đầu nói chuyện với nhau qua điện thoại. Sự truyền thông vô tuyến đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm, và một nhà doanh nghiệp đã thành lập một xưởng bán “công nghệ không dây” cho công chúng.

Cuộc cách mạng xã hội và công nghệ này ra đời bởi những khám phá của hai nhà khoa học. Vào khoảng năm 1830, Michael Faraday đã thiết lập cơ sở vật lí của điện từ học. Ba mươi năm sau đó, James Clerk Maxwell đã bắt tay vào thiết lập một cơ sở toán học cho các thí nghiệm và lí thuyết của Faraday.

Lúc ấy, đa số các nhà vật lí nghiên cứu lực điện và lực từ đang tìm kiếm sự tương tự với lực hấp dẫn, cái họ xem là một lực tác dụng giữa các vật từ xa. Faraday có một ý tưởng khác: để giải thích một loạt thí nghiệm ông đã tiến hành về lực điện và lực từ, ông cho rằng cả hai hiện tượng là những trường thấm đầy không gian, thay đổi theo thời gian và có thể phát hiện ra qua những lực mà chúng sinh ra. Faraday xây dựng lí thuyết của ông theo những cấu trúc hình học, ví dụ như các đường sức từ.

Maxwell đã phát biểu lại những quan điểm này bằng sự tương tự với cơ sở toán học của dòng chất lưu. Ông lí giải rằng các đường sức là cái tương tự với đường đi của các phân tử của một chất lưu và độ lớn của điện trường hoặc từ trường là cái tương tự với vận tốc của chất lưu. Vào năm 1864, Maxwell đã viết ra bốn phương trình cho những tương tác cơ bản giữa điện trường và từ trường. Hai phương trình cho chúng ta biết rằng lực điện và lực từ không thể rò rỉ. Hai phương trình kia cho chúng ta biết khi một vùng điện trường quay theo một vòng tròn nhỏ, nó tạo ra một từ trường, và một vùng từ trường xoáy tròn tạo ra một điện trường.

Nhưng cái Maxwell làm tiếp sau đó mới là bất ngờ. Bằng cách thực hiện một vài thao tác đơn giản trên các phương trình của ông, ông đã thành công trong việc suy luận ra phương trình sóng và kết luận rằng ánh sáng phải là một sóng điện từ. Chỉ riêng một điều này thôi đã là một tin vô cùng quan trọng, vì không ai từng nghĩ tới một mối liên hệ như thế giữa ánh sáng, lực điện và lực từ. Và chưa hết. Ánh sáng có những màu sắc khác nhau, tương ứng với những bước sóng khác nhau. Những bước sóng mà chúng ta thấy bị hạn chế bởi cơ chế hóa học của những sắc tố cảm thụ ánh sáng của mắt. Các phương trình Maxwell đưa đến một tiên đoán ngoạn mục – có tồn tại những sóng điện từ thuộc mọi bước sóng. Một số sóng điện từ, với bước sóng dài hơn nhiều so với cái chúng ta có thể nhìn thấy, sẽ làm biến chuyển thế giới: sóng vô tuyến.

Vào năm 1887, Heinrich Hertz đã chứng minh sóng vô tuyến trên thực nghiệm, nhưng ông không thành công trong việc đánh giá đúng ứng dụng mang tính cách mạng nhất của chúng. Nếu bạn có thể đưa một tín hiệu vào một sóng như vậy, bạn có thể nói chuyện với thế giới. Nikola Tesla, Guglielmo Marconi và nhiều người khác đã biến ước mơ đó thành hiện thực, và toàn bộ hạ tầng của truyền thông hiện đại, từ radio và truyền hình đến radar và các đường truyền vi ba cho điện thoại di động, đã ra đời một cách tự nhiên. Và tất cả đều khởi mầm từ bốn phương trình và hai phép toán ngắn. Các phương trình Maxwell không những làm biến đổi thế giới. Chúng còn mở ra một thế giới mới.

Cũng quan trọng như cái các phương trình Maxwell làm được là cái chúng không làm được. Mặc dù các phương trình Maxwell cho biết ánh sáng là sóng, nhưng các nhà vật lí sớm nhận ra rằng hành trạng của nó thỉnh thoảng thật lạ khi nhìn với quan điểm này. Chiếu ánh sáng lên một kim loại thì nó tạo ra dòng điện, một hiện tượng gọi là hiệu ứng quang điện. Hiện tượng đó chỉ có thể giải thích nếu ánh sáng hành xử giống như hạt. Vậy thì ánh sáng là sóng hay là hạt? Thật ra, nó là cả hai. Vật chất được tạo ra từ các sóng lượng tử, và một bó sóng liên kết chặt tác dụng giống như một hạt.

Thế hệ họa âm quang học:p


Vào năm 1961, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng ánh sáng laser có thể biến đổi từ màu này sang màu khác, hiệu ứng quang học phi tuyến đầu tiên, đưa đến các ứng dụng đa dạng từ quang học lượng tử đến phẫu thuật mắt.

Chỉ một năm sau phát minh laser vào năm 1960, một đội gồm các nhà vật lí đã báo cáo một thí nghiệm đơn giản làm tăng gấp đôi tần số của ánh sáng laser, tạo ra bức xạ tử ngoại từ ánh sáng đỏ. Đây là minh chứng đầu tiên của một hiện tượng quang học phi tuyến – hiện tượng trong đó cường độ ánh sáng dẫn tới các hiệu ứng nằm ngoài phạm vi lí giải của lí thuyết điện từ chuẩn. Ngày nay, quang học phi tuyến được sử dụng để tạo ra bức xạ laser tia X, tăng công suất trong truyền dữ liệu quang học, và tạo ra các xung cường độ cao cho phẫu thuật.

Trong điện từ học cổ điển, chiết suất của một chất trong suốt liên hệ với độ phân cực của nó – mức độ mà một điện trường ngoài tạo ra một trường phân cực nội (tương đương với từ trường được sinh ra bởi một từ trường). Nếu trường ngoài là yếu, thì độ phân cực tỉ lệ thuận với trường ngoài. Nhưng đối với một điện trường mạnh, thì mức phi tuyến có thể trở nên quan trọng, nghĩa là độ phân cực có thể là tổng của các số hạng phụ thuộc vào bình phương và các lũy thừa cao hơn của điện trường. Vào năm 1961, các nhà nghiên cứu đã biết hiệu ứng phi tuyến này đối với các trường tĩnh, mạnh, nhưng chưa ai từng thấy nó được tạo ra bởi trường của một sóng điện từ cường độ mạnh.

Mặc dù cường độ của những laser ruby đầu tiên là thấp so với các tiêu chuẩn ngày nay, nhưng Peter Franken và các đồng sự của ông tại trường Đại học Michigan ở Ann Arbor nhận ra rằng bằng cách tập trung một xung laser, họ có thể tạo ra một cường độ điện trường định xứ cỡ 107 V/m hoặc cao hơn. Điện trường đó, theo họ nghĩ, sẽ đủ để tạo ra các hiệu ứng phi tuyến có thể phát hiện thấy.

Để nghiên cứu khả năng này, Franken đã viết một phương trình trong đó độ phân cực phụ thuộc vào bình phương của điện trường và thành phần tuyến tính như thông thường. Vì bình phương của một sóng sin có thể được viết theo các sóng sin tần số gấp đôi, nên Franken kết luận rằng việc cho một chùm laser đủ mạnh đi qua một vật liệu thích hợp sẽ tạo ra một họa âm (phiên bản điều hòa tần số gấp đôi) của tín hiệu gốc. Tăng gấp đôi tần số ánh sáng phát ra từ một laser ruby nghĩa là giảm một nửa bước sóng của nó từ 694,3 nm, trong vùng đỏ của quang phổ, xuống còn khoảng 347 nm, trong vùng phổ tử ngoại. Cường độ của họa âm bậc hai này sẽ phụ thuộc vào độ lớn của phản ứng phi tuyến.


Phẫu thuật sử dụng các xung laser femto giây thuộc về một trong nhiều công nghệ hiện đại hoạt động trên cơ sở quang học laser phi tuyến, được chứng minh lần đầu tiên vào năm 1961.

Franken dự tính thử một thí nghiệm sử dụng thủy tinh hoặc thạch anh nóng chảy làm môi trường phi tuyến, nhưng ông nhận được một đề xuất lí thuyết quan trọng từ đồng tác giả và đồng sự của ông ở Michigan, Gabriel Weireich. Weinreich nói với Franken rằng sẽ không có sự tăng gấp đôi tần số ở những vật liệu này do tính đối xứng cao của chúng. Trong một vật liệu như thế, việc chiếu mỗi nguyên tử qua một tâm đối xứng là tương đương với việc đảo dấu của trường ngoài và độ phân cực cảm ứng. Nhưng bất kì thành phần phân cực nào tỉ lệ với bình phương của điện trường sẽ không đổi dấu. Cách duy nhất thỏa mãn cả hai điều kiện là cho số hạng bình phương – số hạng gây ra sự tăng gấp đôi tần số – bằng không.

Do đó, Franken, Weinreich, cùng các đồng sự của họ quyết định thử một đơn tinh thể thạch anh, một vật liệu dị hướng. Họ làm hội tụ ánh sáng phát ra từ một laser ruby lên trên một điểm bên trong tinh thể và sử dụng một quang phổ kế để phân tích ánh sáng ló ra từ phía bên kia. Một tấm kính ảnh cho thấy một đốm lớn tương ứng với ánh sáng tần số gốc và một đốm sáng mờ tần số gấp đôi. Để xác nhận đây thật sự là họa âm bậc hai của ánh sáng laser, họ đã chứng minh rằng nó không xuất hiện khi họ thay tinh thể thạch anh bằng một miếng thủy tinh. Trớ trêu thay, đốm sáng mờ đó không xuất hiện trong hình đăng trên tạp chí Physical Review Letters bởi vì ai đó tại xưởng in cho rằng nó là một vết bẩn và đã xóa nó đi, Weinreich cho biết.

Herbert Winful, một nhà nghiên cứu quang học tại Đại học Michigan, người không dính líu gì với nghiên cứu ban đầu, cho biết rằng việc nghiên cứu và ứng dụng kĩ thuật của các hiệu ứng quang học phi tuyến bắt đầu cất cánh khi các laser trở nên đủ mạnh. Sự nhân tần bậc cao, lên tới họa âm bậc 100, có thể tạo ra bức xạ kết hợp trong chế độ tử ngoại cực ngắn và tia X. Các hiệu ứng phi tuyến tạo ra các cặp photon vướng víu biểu hiện các hiện tượng quang lượng tử. Nói rộng ra, Winful bổ sung thêm, những vật liệu có chiết suất biến thiên theo cường độ ánh sáng giúp mang lại các xung laser cực ngắn cỡ femto giây, chúng được dùng trong phẫu thuật và vi chế tạo.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physicals Review Letters..

Cân Watt mới của NIST :p

NIST đã cho hoạt động các cân watt có cấu hình đa dạng kể từ đầu thập niên 1980, không bao lâu sau khi dụng cụ lần đầu tiên được nêu ý tưởng bởi Bryan Kibble tại Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia (NPL) ở Anh, và hiện đang hoàn tất công việc trên thiết bị thế hệ thứ tư của nó, NIST-4.

Phiên bản trước đây, NIST-3, chế tạo từ năm 1999. Nó cao khoảng 6 mét, được chứa trong một nhà gỗ “phi từ tính”, và sử dụng một nam châm siêu dẫn được làm lạnh bằng helium lỏng. NIST-3 đã mang lại cho NIST phép đo mới nhất của hằng số Planck, công bố hồi đầu năm 2014.

NIST-4, sẽ bắt đầu hoạt động trọn vẹn vào đầu năm 2015, được chế tạo trên một thiết kế hơi khác dự tính khai thác lợi thế của công nghệ tiên tiến để đáp ứng các yêu cầu đo lường chính xác trước khi định nghĩa lại kilogram.

Đồng thời, NIST-4 sẽ trở thành chuẩn khối lượng chính thức của nước Mĩ – vai trò hiện nay được giữ bởi K-20, nguyên mẫu kilogram quốc gia của NIST. Các nhà khoa học NIST lường trước rằng cân watt mới sẽ có thể hiện thực hóa đơn vị của khối lượng với sai số 3 phần 108.

Nhỏ hơn, sâu hơn, và nhanh hơn

NIST-4 được giữ trong phức hợp Phòng thí nghiệm Đo lường Cao cấp được che chắn hoàn toàn, được điều khiển môi trường của NIST, nằm sâu dưới lòng đất.

Toàn bộ đơn vị cao khoảng 2,5 mét và được chứa trong một bình chân không kim loại. (Các phép đo được tiến hành trong chân không để loại trừ các tác dụng của lực nổi trong không khí, lực có giá trị đáng kể khi đòi hỏi độ chính xác như mong muốn.) Giống như tiền thân của nó, NIST-4 sử dụng một bánh xe cân bằng quay trên một ngạnh dao cực kì cứng. Hai phía bánh xe được treo bởi hai sợi cáp làm bằng nhiều sợi dây mảnh.

Ở một phía của bánh xe, dây cáp nâng cấu trúc chứa đĩa cân cho khối lượng thử cũng như cuộn dây bên dưới nó. Ở phía bên kia là khối lượng đối trọng và động cơ tạo ra chuyển động khi vận hành trong mode vận tốc.

Một số thiết kế khác – ví dụ cân watt được sử dụng trước đây tại NPL và hiện đang được điều hành bởi Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada – sử dụng một đòn cân nằm ngang.

Một ưu điểm của cấu hình bánh xe là nó cho phép các sợi cáp nâng làm di chuyển cuộn dây chính xác theo phương thẳng đứng, nhờ đó tránh được chuyển động lệch ngang mà một cuộn dây treo lơ lửng dưới một cân đòn có thể phải chịu.

Để thu được sai số mục tiêu của họ nhằm hiện thực hóa đơn vị đo khối lượng, bất kì lực hay moment quay nào không chính xác theo phương thẳng đứng đều phải được giảm thiểu dưới mức 3 phần tỉ.


Các bộ phận của NIST-4. 1 – Bánh xe cân bằng là nét đặc trưng của NIST-4. Các cân watt khác sử dụng một đòn cân. Bánh xe nhôm cân bằng trên một ngạnh dao làm bằng kim loại rất cứng và có thể quay đến 10 độ. 2 – Nhóm vật nặng và cuộn dây treo bằng dây cáp gắn với bánh xe với một dải dây sợi mảnh. Cấu hình đó làm giảm thiểu mọi sai lệch khỏi chuyển động chính xác theo phương thẳng đứng. 3 – “Con nhện” ba chân giữ khối lượng thử cùng khay đựng của nó và – thông qua ba thanh thẳng đứng màu đen – giữ cuộn dây treo. Khi hoạt động, ba bộ phận phải được canh chính xác thẳng đứng là: khối lượng thử, tâm cuộn dây, và tâm từ trường. 4 – Cuộn dây nằm hoàn toàn trong từ trường 0,55 T tạo ra bởi một hệ thống nam châm vĩnh cửu nặng 1 tấn, và chuyển động lên xuống trong mode cân nặng lẫn mode vận tốc. 5 – Hệ thống nam châm vĩnh cửu đặt tại đế của thiết bị và do đó không được nhìn thấy khi bạn nhìn cân watt từ một bên sang. Nó được chế tạo riêng cho NIST-4 với các nam châm làm bằng saramium và cobalt trong vỏ bọc bằng sắt. 6 – Treo ở phía bên kia bánh xe và khối lượng thử cùng cuộn dây là khối lượng đối trọng và động cơ điện tạo ra chuyển động khi cân watt hoạt động trong mode vận tốc.

Cuộn dây và từ trường

Cuộn dây chuyển động, được sử dụng trong mode cân nặng lẫn mode vận tốc, nhẹ hơn và nhỏ hơn bộ phận tương ứng ở NIST-3. Cuộn dây NIST-3 có đường kính 70 cm, gồm 2478 vòng dây, và cân nặng xấp xỉ 23 kg. Cuộn dây NIST-4 cân nặng 4 kg, có đường kính 43 cm, và chỉ gồm khoảng 1000 vòng dây – nhưng vẫn cần đến chừng 1,4 km dây quấn.

Không giống như NIST-3, thiết bị mới sử dụng một hệ thống nam châm vĩnh cửu nặng 1000 kg, được chế tạo riêng theo yêu cầu. Nó tạo ra một từ trường 0,55 T (mạnh xấp xỉ 10.000 lần từ trường Trái đất) để cuộn dây nằm gọn trong đó. Các bộ phận được làm bằng sắt và một hợp kim của samarium và cobalt. Vì cuộn dây được đặt bên trong bọc kín này, nên nó hoàn toàn được che chắn khỏi từ trường địa phương, thành ra không cần dùng đến phòng thí nghiệm phi từ tính.

Sự canh thẳng hàng là quan trọng. Khối tâm của khối lượng thử phải được canh thẳng hàng thẳng đứng chính xác hoàn hảo với tâm cuộn dây, tức là vị trí của tâm từ trường xuyên tâm.

Cấu hình nam châm vĩnh cửu cho phép thiết bị mới nhỏ gọn hơn nhiều. Cái cân ngắn hơn, nên nó dễ hoạt động và canh thẳng hơn. Và vị trí bố trí mới của nó cho phép nó dễ dàng truy xuất các phòng thí nghiệm điện áp và điện trở tại NIST, nơi các giá trị quốc gia cho ohm và volt được hiện thực hóa. Sự thân thiện đó là yếu tố quan trọng cho thí nghiệm cân watt vì nó hoạt động dựa trên hai phép đo ấy.


Khi hoạt động, cân watt được bố trí trong vỏ bọc chân không.

Yêu cầu đổi mới :p

Nếu toàn bộ tiêu chuẩn mà cộng đồng đo lường quốc tế thiết lập cho những đại lượng đo nhất định được đáp ứng và có sự nhất trí giữa các phòng thí nghiệm khác nhau, thì kilogram – cùng với ba đơn vị SI khác – sẽ được định nghĩa lại vào năm 2018. Kilogram từ đó sẽ được định nghĩa theo một đại lượng cơ học lượng tử gọi là hằng số Planck (h), nó sẽ được gán cho một giá trị cố định chính xác dựa trên những phép đo tốt nhất thu được trên khắp thế giới.

Tuy nhiên, việc đạt tới mục tiêu ấy sẽ đòi hỏi rất nhiều công sức trong thời gian ngắn chỉ vài ba năm sắp tới. Các phép đo h sẽ phải được thực hiện với sai số trong vùng lân cận 20 phần triệu. Các giá trị cân watt sẽ phải ăn khớp tốt với giá trị thu được bởi một phương pháp khác: định nghĩa kilogram bằng cách đếm số nguyên tử có trong một quả cầu silicon. Các nhà nghiên cứu sẽ phải chứng minh rằng các phép đo h, cũng như sự hiện thực hóa kilogram, có thể được thực hiện một cách đáng tin cậy và lặp lại được.

Nhưng như thế vẫn chưa đủ. Các nhà khoa học sẽ còn cần phát triển một phương pháp đáng tin cậy chuyển các số đo cân watt thực hiện trong chân không (để loại trừ các hiệu ứng nổi từ phần không khí thế chỗ khối lượng thử) thành các chuẩn sẽ được sử dụng trong không khí. Mặc dù một số tổ chức có thể xây dựng cân watt của riêng họ, nhưng việc thẩm định dùng cho lĩnh vực nhà nước, thương mại, và học thuật – cũng như sự phổ biến rộng rãi của kilogram mới – sẽ được thực hiện bằng các chuẩn vật chất.


Kilogram có thể được định nghĩa theo số nguyên tử chứa trong một quả cầu silicon

NIST, trung tâm quốc gia có nhiệm vụ gìn giữ và phổ biến các đơn vị SI cho nước Mĩ, sẽ giữ một vai trò quan trọng trong sự ra đời của kilogram mới. Dưới đây là một số hoạt động liên quan đến mục tiêu định nghĩa lại kilogram.


Cân watt NIST. Một thiết bị mới, NIST-4, hứa hẹn độ chính xác chưa có tiền lệ. Khi hoạt động trọn vẹn, nó sẽ là chuẩn khối lượng chính thức cho nước Mĩ.
Khối lượng và hằng số Planck. Định nghĩa kilogram theo bất biến này của tự nhiên liên hệ hoạt động cân đo bình thường trong cửa hàng tạp hóa với lĩnh vực cơ học lượng tử.
Giải pháp silicon. Dự án Avogadro quốc tế mang lại một cách thay thế để định nghĩa kilogram: bằng cách đếm số nguyên tử trong một quả cầu silicon-28 cực kì tinh khiết.
Phổ biến Kg mới. Cân watt hiện thực hóa khối lượng trong chân không. Nhưng thế giới thương mại vẫn cần dựa trên các chuẩn khối lượng chế tạo trong không khí.

Các tạo vật và sai số :p

Nhiều đơn vị đo lường từng được định nghĩa theo các tạo vật. Ví dụ, cho đến năm 1960 định nghĩa quốc tế của mét được xây dựng trên một thanh nguyên mẫu platinum-iridium chế tạo vào năm 1889. Đơn vị volt từng được định nghĩa theo suất điện động của một loại pin ướt nhất định. Bản thân gram ban đầu là khối lượng của một centi-mét khối nước ở 4oC. Nhưng đo lường học hiện đại đã tiến xa khỏi hướng sử dụng các vật thể vật chất làm tiêu chuẩn. Kilogram là đơn vị duy nhất còn lại được định nghĩa theo hướng đó.

Có sự đồng thuận rộng rãi rằng tình trạng hiện nay cần phải thay đổi. Ngoài những khó khăn thực tế liên quan trong việc chế tạo từng nguyên mẫu kilogram và các chuẩn từ vô số viện đo lường quốc gia theo Nguyên mẫu Quốc tế của Kilogram (thật ra, theo một trong những bản sao của nó), còn có những vướng mắc cố hữu với mức ổn định khối lượng của các tạo vật kg.

Mặc dù IPK được làm bằng một hợp kim chống oxy hóa gồm 90% platinum và 10% iridium – giống với sáu bản sao chính thức cua nó, tám dùng làm chuẩn vận hành, và hai bản sao bổ sung cho những công dụng riêng – sự nhiễm bẩn do chuyên chở qua đường hàng không có thể bám dính vào bề mặt kim loại. Đó là lí do người ta có hẳn một bộ quy tắc khắt khe làm sạch và tẩy hơi toàn bộ các tạo vật kg trước khi được thẩm tra lại.




Cho đến năm 1960, chuẩn SI của độ dài được gán cho thanh mét platinum-iridium giống như các thanh mét này tại Bảo tàng NIST.

Tuy nhiên, khối lượng của những vật này là cái thay đổi theo thời gian. Trên lí thuyết, tất nhiên, khối lượng IPK thật sự không thể thay đổi: Bởi vì nó định nghĩa kilogram, nên khối lượng của nó luôn luôn đúng bằng 1 kg. Vì thế, sự thay đổi được thể hiện dưới dạng sai lệch khi so sánh IPK với các mẩu tham chiếu vào những dịp hiếm hoi trong đó IPK được mang ra khỏi bình lưu giữ và so sánh với các bản sao “chị em” chính thức của nó cũng như các nguyên mẫu quốc gia của nhiều nước khác nhau. Những xác nhận thường kì này diễn ra vào các năm 1899-1911, 1939-1953, và 1988-1992. Ngoài ra, một đợt thẩm tra riêng, chỉ dùng các chuẩn khối lượng riêng của BIPM, đã được tiến hành trong năm 2014.

Xu hướng xảy ra trong thế kỉ qua với đa số bản sao chính thức của BIPM lấy khối lượng so với IPK, mặc dù lượng mức có phần khác nhau, là sai lệch trung bình khoảng 50 microgram (phần triệu của một gram, lí hiệu là µg) trong 100 năm. Tất nhiên, cũng có khả năng IPK mất khối lượng so với các bản sao của nó.

Có tiếp tục thay đổi?

Hồi giữa năm 2013, trong hoạt động định nghĩa lại kg, Ủy ban Quốc tế về Cân nặng và Đo lường (CIPM, cơ quan chủ xướng thỏa thuận quốc tế về đo lường) đã phê chuẩn một chiến dịch “Thẩm tra Đặc biệt” gồm hai giai đoạn.

Mục tiêu chính của chiến dịch là cung cấp cho các viện đo lường quốc gia tham gia đo hằng số Planck khả năng truy xuất cập nhật với IPK.

Giai đoạn đầu của dự án, đã hoàn thành vào đầu năm 2014 bởi BIPM, so sánh tám chuẩn vận hành BIPM và hai nguyên mẫu sử dụng đặc biệt với IPK và sáu bản sao chính thức của nó, không có cái nào trong số này được sử dụng kể từ năm 1992. Các phép đo được thực hiện cả trước và sau làm sạch và tẩy hơi. Các kết quả, khi công bố, sẽ cho biết sự thay đổi – nếu có – trong một phần tư thế kỉ qua.



Đồ thị biểu diễn sự biến thiên theo thời gian ở các tạo vật nguyên mẫu khối lượng BIPM (được đánh số) so với khối lượng của IPK.

Mức ổn định của kilogram là chuyện hệ trọng bởi vì giá trị của nó được dùng để xác định nhiều đơn vị khác nữa. Đặc biệt, nó ảnh hưởng trực tiếp đến newton (đơn vị SI của lực), được định nghĩa là lực cần thiết để làm gia tốc một khối lượng 1 kg 1 mét trên giây mỗi giây. Đến lượt newton được dùng để định nghĩa pascal (đơn vị của áp suất) và joule (đơn vị của năng lượng hoặc công). Joule lại là một bộ phận để định nghĩa watt và volt, và vân vân.

Cộng đồng đo lường quốc tế lâu nay đã nhận ra các hạn chế của kilogram tạo vật và vào ngày 21 tháng 10, 2011, Hội nghị Toàn thể về Cân nặng và Đo lường, tổ chức ngoại giao theo Hiệp định Mét có thẩm quyền ban hành một thay đổi triệt để như vậy, đã thông qua một giải pháp tuyên bố rằng kilogram và ba đơn vị khác “sẽ được định nghĩa lại theo các bất biến của tự nhiên”. Đối với kilogram, bất biến đó là hằng số Planck (h) – một đại lượng quen thuộc với lĩnh vực cơ học lượng tử hơn là thế giới hàng ngày của cân nặng và đo lường.

Định nghĩa kilogram - Phần 1:p





Trong hơn một thế kỉ qua, kilogram (kg) – đơn vị quốc tế của khối lượng trong Hệ Đơn vị Quốc tế (SI) – được định nghĩa đúng bằng khối lượng của một vật hình trụ nhỏ sáng bóng, đúc vào năm 1879 bằng hợp kim platinum và iridium, được lưu trữ trong một bình vòm ba tầng khóa ở ngoại ô Paris.

Vật đó được gọi là Nguyên mẫu Quốc tế của Kilogram (IPK), và độ chuẩn xác của mỗi phép đo khối lượng hay trọng lượng trên khắp thế giới, cho dù đo theo pound và ounce hay theo milligram và tấn, tùy thuộc vào các khối lượng tham chiếu sử dụng trong các phép đo ấy có thể liên hệ chặt chẽ đến mức nào với khối lượng của IPK.

Tình huống đó đang sắp thay đổi. Cộng đồng đo lường thế giới đã lên kế hoạch định nghĩa lại kilogram, giải phóng nó khỏi sự ràng buộc với một tạo vật cỡ bằng quả bóng golf đặt ở một nơi nào đó, và thay vậy người ta xây dựng nó dựa trên một hằng số của tự nhiên. Chuyển biến đó sẽ là một bước đột phá trong lịch sử ngành đo lường.


Nguyên mẫu Quốc tế của Kilogram

Từ grave đến gramme

Vào cuối thế kỉ 18, nhà vua Louis XVI nước Pháp cho ban hành một hệ thống đo lường mới nhằm dẹp loạn tình trạng gian thương xảy ra dưới hệ thống đo lường cũ. Sắc lệnh của nhà vua khuyến cáo sử dụng cái sau này gọi là hệ mét thập phân, và đề xuất một đơn vị mới cho khối lượng gọi là grave. Grave được định nghĩa là khối lượng của một lít nước ở điểm băng.

Sau đó Cách mạng Pháp nổ ra. Nền cộng hòa mới phê chuẩn ý tưởng hệ mét với một vài thay đổi. Thay cho grave, Nền cộng hòa chọn một chuẩn mới gọi là gramme, nó được định nghĩa là trọng lượng tuyệt đối của 1 cm3 nước ở 4oC.

Tuy nhiên, tạo vật 1-gram làm bằng nước – chẳng lớn hơn một hạt đậu bao nhiêu – là không thực tiễn cho việc sử dụng trên thực tế. Vì thế, người ta chọn một cái thay thế khác giống như grave, một tạo vật kim loại rắn nặng gấp một nghìn lần một gram: một kilogram.

Vào ngày 22 tháng 6, 1799, Nền cộng hòa phê chuẩn tạo vật khối lượng mới, rèn từ platinum và được đặt tên là “kilogram kho lưu trữ” theo tên tòa nhà nơi giữ nó. Kilogram mới này đã thống trị chuẩn khối lượng ở nước Pháp trong gần một thế kỉ.


Tranh khắc gỗ, khoảng năm 1800, minh họa các chuẩn đo lường mới. Từ trái sang: lít, kilogram, và mét.

Hiệp định Mét năm 1875

Khi kinh tế toàn cầu lớn mạnh vào thế kỉ 19, chuyện đo lường khối lượng trở nên hệ trọng. Mỗi quốc gia duy trì các chuẩn đo riêng của mình thường không tương thích với chuẩn riêng của những nước khác.

Vào ngày 20 tháng 5, 1875, mười bảy nước khác nhau đã kí một hiệp định gọi là Hiệp định Mét thiết lập các nguyên mẫu quốc tế mới cho khối lượng và chiều dài. Thỏa thuận đó định nghĩa đơn vị chính thức của khối lượng là kilogram (kg) và phong ấn nó với một tạo vật kim loại mới có khối lượng về cơ bản bằng với “kilogram kho lưu trữ”. Chuẩn mới này được làm bằng hợp kim của platinum (90%) và iridium (10%) và được gọi là Nguyên mẫu Quốc tế của Kilogram (IPK).

Các bản sao của IPK, còn gọi là "le grand K" ("K lớn”), được gửi đến các nước đã kí kết hiệp định. Vào năm 1890, nước Mĩ nhận về bản sao thứ tư và thứ hai mươi – gọi là K20 và K4 – và những bản sao này vẫn đang làm nhiệm vụ của nó là chuẩn kilogram quốc gia chính thức (K20) và chuẩn kiểm tra (K4). Chúng được cất giữ tại trụ sở Gaithersburg trực thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) ở bang Maryland, cùng với ba chuẩn kilogram bổ sung mà nước Mĩ nhận thêm sau này.


Bốn trong năm nguyên mẫu kilogram quốc gia ở Mĩ, trong đó có K20 (trước) và K4 (sau).

Sau định nghĩa lại vào năm 2018, IPK sẽ mất vai trò chuẩn chính thức của nó. Nhưng các tạo vật vẫn sẽ được dùng làm cách thực tiễn nhất để chuyển tải các chuẩn mới đến khắp mọi nơi cần sử dụng – từ các phòng thí nghiệm tầm cỡ thế giới cho đến từng quầy tạp hóa địa phương.

Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 6):p



Năm 1864, James Clerk Maxwell đã ghép những mảnh hình điện học và từ học lại với nhau. Các định luật điện từ học của ông được gọi là hệ phương trình Maxwell. Phát biểu toán học của những định luật đó quá phức tạp để trình bày ở đây, nhưng những định luật của ông cho chúng ta biết những điều sau đây:


Lực điện và lực từ là hai mặt khác nhau của cùng một lực.
Mỗi điện tích có một điện trường xung quanh nó. Điện trường này hút điện tích trái dấu và đẩy điện tích cùng dấu.
Một điện tích đang chuyển động hay một điện trường đang biến thiên sinh ra một từ trường.
Một từ trường biến thiên sinh ra một điện trường.

Kể từ năm 1864, hết lần này tới lần khác, các thí nghiệm đã chứng tỏ các định luật Maxwell là đúng. Do điện và từ chỉ là hai mặt khác nhau của cùng một lực, nên các nhà khoa học thường gọi lực đó là lực điện từ. Cùng với lực hấp dẫn và lực hạt nhân trong nguyên tử, nó là một trong những lực cơ bản của vũ trụ.

Phổ điện từ bao gồm những vùng cực rộng của sóng ánh sáng.

Khi Maxwell xem xét khám phá của ông, ông nhận ra một cái gì đó khác rất thú vị. Một sự biến thiên ở điện trường tạo ra một sự biến thiên ở từ trường. Nhưng sự biến thiên ở từ trường sau đó lại tạo ra sự biến thiên ở điện trường. Quá trình này có thể tiếp diễn mãi mãi. Nên một sự biến thiên của từ trường hoặc điện trường phân tán ra rất nhanh, tạo ra một hiệu ứng sóng điện từ.

Maxwell đã tính ra sóng điện từ này sẽ chuyển động trong không gian nhanh bao nhiêu. Kết quả của ông cho biết nó truyền đi ở tốc độ chừng 300.000 km/s. Nhưng đó là một tốc độ đã biết. Đó là tốc độ của ánh sáng. Vậy ánh sáng có thể là một dạng năng lượng điện từ hay không?

Vâng. Maxwell phát hiện thấy ánh sáng là một sóng điện từ. Những khám phá trong thời gian gần đó cho biết bức xạ ánh sáng thật sự được phát ra bởi sự dao động nhanh của các electron trong nguyên tử.

Maxwell còn dự đoán rằng các nhà nghiên cứu sẽ tìm thấy những loại bức xạ điện từ khác nằm ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy. Các phương trình Maxwell cho biết phải có những sóng điện từ có năng lượng thấp hơn ánh sáng nhìn thấy, và những sóng có năng lượng cao hơn.

Hai trong số những loại sóng ánh sáng này đã được biết đến. Ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng tử ngoại đều được phát hiện vào khoảng năm 1800. Những tính toán của Maxwell cho thấy những sóng ánh sáng này là những dạng bức xạ điện từ giống như sóng ánh sáng vậy. Và không bao lâu sau khi các phương trình Maxwell được thiết lập, những dạng bức xạ điện từ mới đã được khám phá ra.

Năm 1889, Heinrich Hertz phát hiện ra sự tồn tại của sóng vô tuyến. Đây là những sóng điện từ có bước sóng dài hơn nhiều so với ánh sáng nhìn thấy. Năm 1895, Wilhelm Roentgen phát hiện ra tia X. Đây là những sóng điện từ có bước sóng rất ngắn. Ngưỡng rộng bức xạ trên – từ sóng vô tuyến, qua sóng hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng tử ngoại, và tia X và tia gamma – được gọi là phổ điện từ. Tất cả những tia khác nhau này truyền đi ở tốc độ 300.000 km/s. Chúng đều hành xử giống như sóng ánh sáng. Các tiên đoán của Maxwell về năng lượng điện từ đã được chứng minh là đúng!

Năm 1897, J. J. Thomson phát hiện ra sự tồn tại của một hạt tích điện âm nhỏ hơn nguyên tử. Hạt này được gọi là electron. Các nhà khoa học nhận thấy chuyển động của các electron là cái mang năng lượng điện.

Khi cọ xát một quả bóng trên vải len, một số electron truyền từ những sợi len sang quả bóng cao su. Sự truyền electron đó đã tạo ra điện tích. Khi chúng ta nối một sợi dây với hai cực của pin, chính dòng chảy của các electron mang dòng điện. Và khi chúng ta bật công tắc bóng đèn, chính chuyển động của các electron trong dây tóc của bóng đèn tạo ra sóng điện từ mà chúng ta gọi là ánh sáng.

Thật khó tưởng tượng cuộc sống hiện đại sẽ trông ra sao nếu không có điện năng. Việc tìm hiểu lực điện từ đã mang đến nhiều dụng cụ hấp dẫn. Chúng ta sử dụng năng lượng này để chạy các thiết bị trong nhà, đun sưởi và thắp sáng nhà cửa, và tính toán các khoản ngân quỹ gia đình. Máy vi tính, ti vi, máy hát đĩa, radar, và cả nghìn dụng cụ tuyệt diệu khác đều phụ thuộc vào kiến thức của chúng ta về điện từ học.

Chương 2

Các định luật điện từ học

Vào cuối thế kỉ 18, điện học đã là một thú tiêu khiển phổ biến. Khách khứa sẽ thu gom điện tích bằng thanh thủy tinh và mảnh lụa. Sau đó, họ sẽ làm sốc người khác với những tia lửa điện, làm cho tóc của họ dựng đứng lên, và làm những trò ảo thuật điện khác nữa. Điện là một món đồ chơi hấp dẫn. Nhưng nó cũng là một câu đố đối với những nhà khoa học cố gắng nghiên cứu nó.

Lí thuyết phổ biến nhất của điện học lúc ấy nói rằng điện gồm hai loại chất lỏng. Một chất lỏng có điện tích dương, và một chất lỏng có điện tích âm. Có nhiều cách để thu gom những chất lỏng này. Thí dụ, cọ xát một thanh thủy tinh với lông thú làm truyền ra một phần chất lỏng đó, tạo ra một vật tích điện. Chất lỏng kia sẽ hút lấy chất lỏng này. Nhưng không ai từng nhìn thấy chất lỏng điện hay tìm thấy bất kì bằng chứng nào khác rằng chúng thật sự tồn tại.

Không có cá nhân nhà khoa học nào chịu trách nhiệm khá phá ra mọi nguyên lí mô tả lực điện. James Clerk Maxwell là nhà khoa học cuối cùng đã viết ra hệ phát triển đầy đủ cho sự hoạt động của điện và từ. Nhưng các quy luật toán học mà Maxwell công bố vào năm 1864 là kết quả của nhiều năm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học khác.

Hãy bắt đầu câu chuyện với Benjamin Franklin. Có lẽ bạn đã biết Franklin là một chính khách, nhà văn và nhà phát minh vĩ đại người Mĩ. Nhưng ông còn là một người nghiên cứu điện học từ rất sớm. Franklin nhận ra rằng hiện tượng điện có thể giải thích dễ dàng một loại chất lỏng, thay vì hai loại. Điện tích dương có thể xem là sự dư thừa lượng chất lỏng đó. Điện tích âm khi đó sẽ là sự thiếu hụt cũng chất lỏng đó. Lí thuyết chất lỏng không tồn tại, nhưng quan điểm của Franklin về điện tích dương và điện tích âm là hai mặt của một lực thì tồn tại.

Franklin còn nhận ra một định luật rất quan trọng của điện học: định luật bảo toàn điện tích. Định luật bảo toàn điện tích phát biểu rằng với mỗi điện tích âm được tạo ra, phải có một lượng điện tích dương bằng như vậy. Điều đó có nghĩa là tổng điện tích dương và điện tích âm trong vũ trụ phải cân bằng hoàn toàn với nhau.

Định luật bảo toàn điện tích không có nghĩa là chúng ta không thể có bất kì dòng điện nào. Nhưng hễ khi nào chúng ta làm mất cân bằng lực điện, chúng ta phải tạo ra các điện tích dương và điện tích âm với lượng ngang bằng nhau. Thí dụ, bạn có thể tạo ra điện tích bằng cách cọ xát một quả bóng đã bơm căng lên trên áo len. Quả bóng sẽ nhận một ít điện tích âm từ áo len. Nhưng cái áo len cũng sẽ nhận một lượng điện tích dương ngang bằng như vậy. Sau đó, quả bóng sẽ dính vào tường do sự chênh lệch điện tích giữa tường và quả bóng.

Điều tương tự xảy ra khi chúng ta lê chân trên thảm trải nhà vào một ngày khô hanh. Khi chúng ta đi trên thảm, cơ thể chúng ta nhận một lượng điện tích nhỏ. Một lượng điện tích bằng như vậy nhưng trái dấu tạo nên bên trong tấm thảm. Khi bạn chạm tay vào núm cửa hay vật kim loại nào khác, các điện tích triệt tiêu với một tia lửa điện nhỏ. Nếu bạn làm như thế trong phòng tối, bạn sẽ có thể thấy tia lửa điện một cách rõ ràng.

Điều quan trọng nên nhớ là hễ khi nào chúng ta cấp cho một vật một điện tích âm, thì đồng thời chúng ta cũng cho một vật khác một điện tích dương. Cái áo len nhận điện tích dương ngang bằng với quả bóng nhận điện tích âm. Mỗi vật nhận một điện tích, và các điện tích cân bằng với nhau. Đó là định luật bảo toàn điện tích.

Khám phá điện học tiếp theo do nhà khoa học người Pháp Charles-Augustin de Coulomb thực hiện vào năm 1789. Coulomb biết rằng các điện tích trái dấu thì hút nhau và các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau. Ông muốn đo độ lớn của lực hút đó.

Để đo lực điện, Coulom treo một thanh ngang bên dưới một sợi dây mỏng (Xem hình bên dưới). Tại mỗi đầu thanh là một quả cầu tích điện làm bằng kim loại. Sau đó, ông tích điện trái dấu cho hai quả cầu khác đặt gần đó. Ông biết chính xác mỗi quả cầu có bao nhiêu điện tích. Bằng cách đo lượng xoắn trên sợi dây, ông có thể tính ra lực hút giữa những quả cầu.

Các kết quả của Coulom thật bất ngờ và thú vị. Ông khám phá ra lực điện tỉ lệ thuận với lượng điện tích ở hai vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của chúng.

Trước khi chúng ta tiếp tục, điều quan trọng là nên hiểu tỉ lệ thuận và tỉ lệ nghịch nghĩa là gì. Chúng không khó hiểu như tên gọi của chúng gợi lên.

Nếu hai số đo là tỉ lệ thuận, thì khi một số tăng lên, số kia cũng tăng theo. Thí dụ, nếu bạn lái xe với tốc độ 80 km/h, quãng đường bạn đi tỉ lệ thuận với thời gian bạn lái xe. Khi thời gian tăng lên, quãng đường đó cũng tăng lên. Bạn lái xe càng lâu thì quãng đường bạn đi càng xa.

Nếu hai số đo là tỉ lệ nghịch, thì khi một số tăng lên, số kia giảm đi. Thí dụ, nếu bạn đi một hành trình dài 160km, thì thời gian của chuyến đi sẽ tỉ lệ nghịch với tốc độ bạn lái xe. Bạn lái xe càng nhanh, thì thời gian của chuyến đi càng ngắn. Khi tốc độ tăng lên, thời gian giảm đi.




Để đo lực điện, Coulomb sử dụng những quả cầu tích điện treo bên dưới một sợi dây mảnh.

Định luật Coulomb cho chúng ta biết rằng lực điện giữa hai điện tích phụ thuộc vào độ lớn của hai điện tích đó. Độ chênh lệch điện tích giữa hai vật càng lớn, thì lực hút giữa chúng càng mạnh. Nó cũng có nghĩa là khi hai vật cách xa nhau ra, thì lực hút đó giảm đi nhanh. Nếu hai vật chuyển ra xa gấp đôi, thì lực hút chỉ bằng một phần tư lúc đầu. Nếu chúng chuyển ra xa gấp ba lần, thì lực hút giảm đi chín lần.

Về mặt toán học, định luật Coulomb được viết như sau:

F = K x q(1) q(2) / r2

Trong phương trình này, F kí hiệu cho lực hút, q(1) và q(2) là điện tích của hai vật, và d là khoảng cách giữa hai vật. K là một hằng số, một con số nhỏ cho phép tính ra chính xác lực hút điện.

Coulomb còn làm thí nghiệm với lực từ theo kiểu tương tự. Hóa ra định luật hút từ cũng là một định luật nghịch đảo bình phương. Thật là hào hứng khi khám phá những lực khác nhau này tuân theo những định luật giống nhau. Nó cho thấy các định luật của vũ trụ phải khớp vào một khuôn mẫu đơn giản và có trật tự.

Khám phá quan trọng tiếp theo về điện học do Hans Christian Ørsted thực hiện vào năm 1820. Ørsted thực hiện khám phá của ông một cách tình cờ. Ông nối một sợi dây với nguồn cấp điện để tạo ra một dòng điện. Một cái la bàn đặt trên bàn thí nghiệm gần đó. Ørsted để ý thấy khi dòng điện chạy qua dây thì kim la bàn bị hút về phía nó.

Sau nhiều thí nghiệm, Ørsted chắc chắn về khám phá của ông: Một điện tích đang chuyển động tạo ra một từ trường. Hễ khi nào có dòng điện chạy trong dây thì nó tạo ra từ trường xung quanh dây.

Bạn có thể tự mình làm thí nghiệm Ørsted. Tất cả những gì bạn cần là một sợi dây dài bọc cách điện, một cái la bàn nhỏ và một nguồn cấp điện. Sử dụng pin khô 1,5V hoặc pin đèn flash 6V.




Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường, như thí nghiệm đơn giản này cho thấy.

Bóc một phần nhỏ chất cách điện ra khỏi mỗi đầu dây. Gắn một đầu dây với một cực của cục pin. Bố trí dây dẫn thành vòng và đặt cái la bàn ở gần vòng dây. Sắp xếp dây sao cho kim la bàn không hướng thẳng về phía dây. Giờ thì chạm đầu dây còn lại với cực kia của pin. Quan sát xem kim la bàn phản ứng như thế nào. Thử làm thí nghiệm với kim la bàn và vòng dây ở vài vị trí khác nhau. Mỗi lần không nên để dây nối với cả hai cực của pin lâu hơn vài ba giây. Nếu bạn làm thế, dòng điện sẽ nhanh chóng lấy hết năng lượng ra khỏi pin và sợi dây có thể trở nên nóng đến mức nguy hiểm.

Sau năm 1820, nghiên cứu điện học và từ học diễn ra với tốc độ rất nhanh. Ørsted nhận thấy dòng điện có thể tác dụng lực đủ làm cho kim la bàn quay. Những dòng điện mạnh hơn và những nam châm mạnh hơn có thể kết hợp để làm quay một động cơ. Khai thác khám phá của Ørsted, nam châm điện đầu tiên và động cơ điện đầu tiên đã được chế tạo ra vào năm 1823.

Nhà khoa học người Anh Michael Faraday đã thực hiện đóng góp quan trọng tiếp theo cho sự tìm hiểu dòng điện và nam châm. Faraday là một nhà thực nghiệm cừ khôi. Ông đã biết từ thí nghiệm của Ørsted rằng một dòng điện đang chạy có thể tạo ra từ trường. Ông tự hỏi liệu cái ngược lại có đúng không? Một nam châm có thể gây ra một dòng điện chạy trong dây dẫn hay không?

Câu trả lời của Faraday hóa ra là một trong những khám phá có ích nhất trong lịch sử khoa học. Năm 1831, Faraday đã chế tạo ra một mạch điện với một cuộn dây. Trong mạch điện đó là một điện kế, thiết bị dùng để đo những dòng điện nhỏ. Sau đó, Faraday đặt một cái nam châm bên trong cuộn dây. Ông phát hiện thấy một dòng điện sinh ra hễ khi nào cái nam châm di chuyển vào hoặc ra khỏi cuộn dây. Khi cái nam châm nằm yên, không có dòng điện nào sinh ra hết. Từ thí nghiệm này dẫn đến cái gọi là định luật Faraday: Một từ trường đang chuyển động tạo ra một dòng điện chạy trong dây.

Tại sao khám phá của Faraday lại có ích như thế? Faraday nhanh chóng nhận ra rằng việc di chuyển một sợi dây trong một từ trường mạnh có thể tạo ra một dòng điện. Cùng năm đó, ông đã chế tạo ra máy phát điện từ đầu tiên. Máy phát của Faraday có thể sản sinh ra một dòng điện đều đặn khi cần đến nó. Phát minh của Faraday không phụ thuộc vào những nguồn cung hóa chất đắt tiền, lộn xộn như trường hợp dùng pin. Và nó không bao giờ cạn kiệt năng lượng. Những hậu duệ khổng lồ ngày nay của máy phát điện đầu tiên của Faraday sản xuất điện năng dùng cho ti vi, tủ lạnh, bóng đèn điện, và nhiều thiết bị điện khác của chúng ta.

Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 4):p



Sóng còn có một hành trạng thú vị khác gọi là sự giao thoa. Để nhìn thấy sự giao thoa trong bể sóng của mình, bạn sẽ cần tạo sóng với hai cái bút chì. Giữ hai cái bút chì cách nhau vài cm. Sau đó, khều mặt nước với cả hai bút chì cùng lúc, theo kiểu đều đặn, tạo ra hai tập hợp sóng.

Để ý khi hai tập hợp sóng chồng lấn lên nhau và đi qua nhau, chúng tương tác với nhau. Ở một số chỗ, chúng triệt tiêu lẫn nhau, còn ở một số chỗ khác thì chúng cộng gộp tác dụng của chúng với nhau. Hiện tượng này gọi là giao thoa sóng. Nếu bạn giữ kiểu sóng đều với chuyển động đều của hai cái bút chì, thì bạn sẽ có hệ vân giao thoa đều đặn.

Một đặc trưng của sóng là chúng tạo ra hệ vân giao thoa khi chúng chồng lên nhau. Khi những dòng hạt giao nhau, cái người ta muốn thấy là chúng va chạm nhau. Không ai từng quan sát thấy sự va chạm khi hai chùm ánh sáng chiếu xuyên qua nhau. Nhưng ánh sáng có tạo ra giao thoa hay không?


Hai nguồn sóng tạo ra một hệ vân giao thoa.

Năm 1801, nhà vật lí người Anh Thomas Young đã chứng minh rằng ánh sáng thật sự nhiễu xạ và thật sự tạo ra hệ vân giao thoa, giống hệt như những sóng khác. Có vẻ như câu hỏi ánh sáng là hạt hay là sóng cuối cùng đã có câu trả lời.

Bạn có thể dễ dàng thấy hệ vân giao thoa của ánh sáng với hai cái bút chì và đèn để bàn. Giữ hai cái bút chì ở phía trước mắt bạn khi bạn nhìn về phía ngọn đèn. Di chuyển hai cái bút chì đến gần nhau hơn, cho đến khi chúng gần như chạm vào nhau. Bạn sẽ nhìn thấy một hệ gồm những vạch sáng và tối rất mịn. Đó là hệ vân giao thoa tạo ra khi ánh sáng phát ra từ ngọn đèn đi qua khe hẹp chia tách giữa hai cái bút chì. Những vạch tối là những nơi tại đó sóng ánh sáng triệt tiêu nhau. Vì ánh sáng tạo ra hệ vân giao thoa giống như những sóng khác, nên nó cũng phải là sóng.

Young còn tính được kích cỡ thật sự của sóng ánh sáng. Bước sóng của sóng ánh sáng là rất nhỏ, nhưng Young đã đo được chúng. Những màu sắc ánh sáng khác nhau hóa ra là có bước sóng khác nhau. Young tìm thấy bước sóng của ánh sáng màu đỏ vào khoảng 76 phần triệu của một cm. Bước sóng của ánh sáng màu lam còn nhỏ hơn nữa, khoảng 38 phần triệu của một cm.

Những phép đo của Young lí giải tại sao sự nhiễu xạ ánh sáng lại khó nhìn thấy như thế. Sự nhiễu xạ xảy ra khi sóng bẻ cong vòng quanh một vật cản. Nhưng sóng ánh sáng quá nhỏ nên chúng chỉ có thể bẻ cong quanh những vật cản rất nhỏ - những vật cản không lớn hơn kích cỡ nguyên tử bao nhiêu.

Vào giữa thế kỉ 19, người ta dường như chắc chắn rằng ánh sáng có bản chất sóng. Nhưng ngay cả khi đó vấn đề vẫn chưa được giải quyết xong. Khoảng năm 1900, những khám phá mới của Max Planck và Albert Einstein đã làm hồi sinh lí thuyết hạt. Kết quả cuối cùng hóa ra là cả hai phe tranh cãi đều đúng! Ánh sáng thường hành xử giống như sóng, nhưng nó cũng tác dụng giống như hạt.


Sóng có thể được đo bằng bước sóng hoặc tần số của chúng.

Có một định luật mô tả độ sáng của ánh sáng hay không? Có chứ. Những ngôi sao mờ nhạt mà chúng ta thấy trên bầu trời đêm thật ra là những mặt trời đang bừng cháy. Ánh sáng của chúng mờ đi nhiều sau hành trình đường dài của chúng đến hành tinh của chúng ta. Bạn càng ở xa một nguồn phát sáng, thì độ rực rỡ của ánh sáng càng kém đi. Thật vậy, cường độ của ánh sáng phát ra từ mọi nguồn sáng giảm rất nhanh khi khoảng cách đến nguồn tăng lên. Độ giảm đó tỉ lệ với bình phương của khoảng cách. Bình phương của khoảng cách có nghĩa nhân khoảng cách với chính nó.

Mối liên hệ đặc biệt này giữa độ sáng và khoảng cách đến nguồn sáng được gọi là quan hệ tỉ lệ nghịch bình phương. Nhiều lực khác trong tự nhiên giảm đi theo khoảng cách với quy luật tương tự. Một lời giải thích cặn kẽ hơn nguyên do vì sao xảy ra như vậy, mời bạn tham khảo ở phần sau tập sách này. Trong khi chờ đợi, hãy thử nghĩ xem Mặt trời của chúng ta cần tạo ra bao nhiêu ánh sáng. Nó cực kì rực rỡ, mặc dù chúng ta ở cách xa nó đến 150 triệu kilomet!

Chúng ta cần xét đến một thực tế nữa về ánh sáng – tốc độ của nó. Galileo Galilei là nhà khoa học đầu tiên nỗ lực đo tốc độ của ánh sáng. Ông đứng trên một ngọn đồi, tay cầm một cái đèn lồng đậy kín, và để một người trợ lí đứng ở một ngọn đồi đằng xa, tay cầm một cái đèn lồng giống như vậy. Ông mở đèn của mình lên. Ngay khi người trợ lí của ông nhìn thấy ánh sáng, anh ta lập tức mở đèn của mình lên. Galileo muốn đo thời gian cần thiết để ông nhận lại tín hiệu sáng.

Thật không may, thí nghiệm không thành công. Ánh sáng có vẻ truyền đi giữa hai ngọn đồi gần như tức thời. Ánh sáng chuyển động nhanh đến mức việc đo tốc độ của nó là vô cùng khó khăn.

Nỗ lực đầu tiên thành công trong việc đo tốc độ ánh sáng là sử dụng quỹ đạo của Trái đất làm thước đo. Nhà thiên văn học người Đan Mạch Olaus Rømer đã biết sự che khuất của các vệ tinh của Mộc tinh xảy ra theo lịch định hồi cuối thế kỉ 17. Ông để ý thấy thời gian che khuất biến thiên, tùy thuộc vào Mộc tinh và Trái đất ở nơi nào trong quỹ đạo của chúng. Nếu hai hành tinh ở về hai phía của Mặt trời, thì sự che khuất sẽ muộn vài ba phút. Nếu hai hành tinh ở cùng một phía của Mặt trời, thì sự che khuất sẽ sớm vài ba phút.

Rømer nhận thấy độ chênh lệch thời gian có nguyên nhân là sự chênh lệch khoảng cách mà ánh sáng từ vệ tinh của Mộc tinh phải truyền đi trước khi nó được nhìn thấy trên Trái đất. Rømer đã biết đường kính gần đúng của quỹ đạo Trái đất. Ông biết ánh sáng phải đi thêm bao xa để băng qua quỹ đạo đó. Cho nên, ông có thể ước tính ánh sáng truyền đi bao nhanh để băng qua khoảng cách đó. Rømer tính được ánh sáng truyền đi ở tốc độ khoảng 226.000 km mỗi giây.

Năm 1849, nhà vật lí người Pháp Armand Fizeau là khoa học đầu tiên chế tạo ra một dụng cụ để đo tốc độ ánh sáng trong một thí nghiệm trong phòng lab. Kể từ đó, nhiều nhà nghiên cứu khác đã tiến hành những phép đo ngày một chính xác hơn của tốc độ ánh sáng. Nổi tiếng nhất trong số học là nhà vật lí người Mĩ Albert Michelson. Ông đã dành phần lớn cuộc đời của mình để xác định chính xác tốc độ của ánh sáng, Michelson giành giải thưởng Nobel năm 1907, giải thưởng tôn vinh nhiều thí nghiệm tài tình mà ông đã dùng để đo tốc độ ánh sáng càng chính xác càng tốt.


Rømer đã sử dụng những vị trí khác nhau của quỹ đạo Trái đất để đo tốc độ của ánh sáng mặt trời phản xạ khỏi Mộc tinh.

Ngày nay, các nhà khoa học đặt tốc độ ánh sáng là 299.792,5 km/s, hay 186.281,7 dặm/s. Tốc độ đó thường được làm tròn là 300.000 km/s hay 186.000 dặm/s. Đây là một số đo rất quan trọng. Tốc độ của ánh sáng có thể xem là “giới hạn tốc độ” của vũ trụ. Như chúng ta biết, không có cái gì có thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Tốc độ của ánh sáng là 300.000 km/s trong chân không (không gian hoàn toàn trống rỗng). Ánh sáng truyền đi trong không khí nhanh gần như thế. Trong những chất liệu khác, như nước hoặc thủy tinh, tốc độ ánh sáng chậm hơn nhiều. Thí dụ, ánh sáng truyền đi khoảng 225.000 km/s (140.000 dặm/s) ở trong nước và khoảng 200.000 km/s (124.000 dặm/s) ở trong thủy tinh. Chính sự khác biệt tốc độ này là nguyên nhân khiến ánh sáng bị khúc xạ, hay bị bẻ cong, khi nó đi từ chất này sang chất khác.

Ánh sáng là một bộ phận quen thuộc trong thế giới hàng ngày của chúng ta nên người ta thường dễ quên nó đặc biệt và quan trọng như thế nào. Chúng ta có thể nhìn thấy thế giới của mình chỉ vì nó chìm ngập trong một dòng ánh sáng liên tục, chúng phản xạ khỏi những vật xung quanh chúng ta và đi vào mắt của chúng ta. Vũ trụ ngập tràn ánh sáng truyền đi ở tốc độ hết sức lớn từ những ngôi sao và thiên hà xa xôi. Chính ánh sáng này cho chúng ta biết cái gì “ở ngoài kia”, bên ngoài thế giới của riêng chúng ta. Ánh sáng là kết nối quan trọng nhất của chúng ta với mọi thứ trong vũ trụ nằm bên ngoài hành tinh của chúng ta. Không có kiến thức về ánh sáng, thì có lẽ khoa học không thể hiểu được phần còn lại của vũ trụ.

Một sự tăng nhiệt độ bất ngờ đã dẫn Herschel đến chỗ phát hiện ra ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy.

Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 3) :p


Một nhà khoa học từng nghiên cứu quang học là Isaac Newton. Newton biết rằng khi ánh sáng mặt trời bị khúc xạ trong một lăng kính thủy tinh, thì ánh sáng trắng bị phân tách thành một cầu vồng ánh sáng, gọi là quang phổ. Newton đã chứng minh rằng ánh sáng mặt trời thật ra gồm toàn bộ các màu sắc của cầu vồng.

Nhiều năm sau này, nhà thiên văn học William Herschel đã phát hiện ra sự tồn tại của một loại ánh sáng khác – ánh sáng không nhìn thấy. Vào năm 1800, Herschel đang tiến hành đo nhiệt độ của những màu sắc khác nhau trong quang phổ. Ông muốn tìm hiểu xem ánh sáng màu đỏ, cam, vàng, lục hay lam tạo ra nhiều nhiệt lượng nhất. Ông sử dụng một lăng kính thủy tinh để phân tách ánh sáng mặt trời thành một quang phổ. Sau đó, ông dùng một nhiệt kế đo từng màu sắc một.

Chương 1 :p


Quang học – Các định luật về ánh sáng

Khi chúng ta ngắm nhìn bầu trời đêm, chúng ta thấy ánh sáng phát ra từ hàng nghìn ngôi sao khác nhau. Chúng ta thấy Mặt trăng và các hành tinh lung linh với ánh sáng mặt trời phản xạ. Toàn bộ vũ trụ ngập trong ánh sáng. Nhưng ánh sáng là gì, và những định luật tự nhiên nào mô tả hành trạng của nó?

Ngành vật lí học nghiên cứu ánh sáng được gọi là quang học. Một số nhà khoa học vĩ đại nhất thế giới, trong đó có Newton, Huygens, Maxwell và Einstein, đã nghiên cứu quang học, nỗ lực tìm hiểu các định luật về ánh sáng.

Một định luật mô tả hành trạng của ánh sáng đã được người ta biết tới hơn hai nghìn năm rồi. Các nhà triết học Hi Lạp không biết ánh sáng là cái gì, nhưng họ thật sự biết nó truyền đi theo đường thẳng. Định luật phản xạ ánh sáng phụ thuộc vào thực tế này. Khi ánh sáng bật ra khỏi một cái gương hay một bề mặt khác, đây được gọi là sự phản xạ. Khi bạn nhìn thấy mình ở trong gương là bạn đang nhìn ánh sáng phản xạ từ mặt của bạn đến gương rồi sau đó phản hồi vào mắt của bạn. Định luật phản xạ phát biểu rằng: Góc tới bằng với góc phản xạ.

Góc tới là góc của ánh sáng chiếu lên trên một bề mặt phản chiếu. Góc phản xạ là góc của tia sáng bật ra khỏi bề mặt đó. Định luật phản xạ phát biểu rằng hai góc đó luôn luôn bằng nhau. Nếu ánh sáng chiếu lên một cái gương ở góc 45 độ, thì nó sẽ phản xạ khỏi gương ở góc 45 độ. Điều tương tự luôn đúng cho dù ánh sáng chiếu lên với một góc bằng bao nhiêu cũng vậy.

Bạn có thể dễ dàng trông thấy tác dụng của định luật này bằng cách sử dụng một cái gương nhỏ, một đèn pin dạng flash, vài miếng bìa cứng và băng dính, thêm một ít bụi phấn hoặc bột mì. Vẽ một đường thẳng lên chính giữa miếng bìa vuông. Sau đó gấp miếng bìa làm đôi theo đường vẽ này. Trên miếng bìa thứ hai, đặt đầu thấu kính của đèn flash lên, vẽ theo đường rìa của nó. Cắt dọc theo đường rìa mới vẽ, sau đó khoét một cái lỗ nhỏ ngay chính giữa hình mới cắt. Dùng nó bọc thấu kính của đèn flash lại, dùng keo dính dán cố định luôn. Lỗ nhỏ đó sẽ cho bạn một chùm ánh sáng hẹp khi bạn bật đèn flash lên.




Bạn có thể nhìn thấy đường đi của ánh sáng phản xạ bằng cách rải bột mịn vào trong không khí.

Đặt cái gương lên trên bàn. Dựng đứng miếng bìa đã gấp nếp lên trên bàn phía sau gương, đường gấp nếp canh ngay khoảng giữa của gương. Miếng bìa này sẽ cho bạn một đường thẳng đứng dùng để so sánh góc của các chùm tia sáng. Rải một lượng rất nhỏ bụi phấn hoặc bột mì vào trong không khí để làm cho chùm sáng đèn flash có thể nhìn thấy rõ. Đóng cửa phòng và cửa sổ lại, rồi chiếu ánh sáng lên chính giữa của gương.

Lưu ý chùm ánh sáng phản xạ khỏi gương ở góc bằng với góc nó đi tới gương. Cho dù góc bạn chiếu chùm sáng flash là bao nhiêu cũng vậy. Góc của ánh sáng phản xạ khỏi gương sẽ luôn luôn khớp với góc ánh sáng chiếu tới.

Ánh sáng truyền đi theo đường thẳng. Nhưng ánh sáng cũng bẻ cong khi nó truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác. Nếu bạn dựng một cái bút chì vào trong cốc nước, thì cái bút chì trông như bị bẻ cong khi nó đi vào trong nước.

Tất nhiên, cái bút chì thật ra không hề bị cong. Nó trông cong đi vì ánh sáng truyền vào nước bị bẻ cong. Sự bẻ cong ánh sáng như thế này được gọi là sự khúc xạ. Lưu ý rằng cái bút chì chỉ trông như bị cong tại bề mặt của nước, còn ở trong nước và trong không khí vẫn bình thường. Sự khúc xạ chỉ xảy ra tại ranh giới giữa hai môi trường trong suốt.

Mỗi chất trong suốt làm bẻ cong ánh sáng ở những góc nhất định có thể dự đoán trước. Sự khúc xạ xảy ra vì ánh sáng truyền đi ở những tốc độ khác nhau trong những chất khác nhau. Lượng khúc xạ phụ thuộc vào độ chênh lệch tốc độ ánh sáng trong hai môi trường trong suốt đó. Độ chênh lệch tốc độ ánh sáng trong hai chất càng lớn thì ánh sáng sẽ bị bẻ cong càng nhiều khi đi qua giữa chúng.

Ánh sáng truyền trong không khí nhanh hơn truyền trong nước. Khi ánh sáng đi từ không khí vào nước, nó chuyển động chậm lại. Và vì nó chuyển động chậm lại, nên nó còn bị khúc xạ, hay bị bẻ cong. Ánh sáng truyền trong thủy tinh còn chậm hơn nữa. Khi ánh sáng đi từ không khí vào thủy tinh, nó bị cong nhiều hơn nữa. Một cái bút chì đặt một phần ở phía sau một miếng thủy tinh dày sẽ trông bị cong nhiều hơn so với một cái bút chì đặt một phần trong nước.

Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 1) :p




Nội dung

Giới thiệu: Thế nào là một định luật tự nhiên?

1. Quang học
Các định luật về ánh sáng

2. Các định luật điện từ học

3. Dòng điện
Định luật Ohm và Định luật Joule

Định luật nghịch đảo bình phương

Niên đại

Tiểu sử các nhà khoa học

Tài liệu tham khảo

Thuật ngữ

Về tác giả

Giới thiệu

Thế nào là một định luật tự nhiên?

Mọi người đều biết một điều luật là gì. Nó là một quy tắc yêu cầu mọi người phải hoặc không phải làm một cái gì đó. Các điều luật cho chúng ta biết rằng chúng ta không nên lái xe nhanh hơn tốc độ giới hạn được phép, rằng chúng ta không được phép lấy tài sản của người khác, rằng chúng ta phải đóng thuế thu nhập hàng năm.

Những điều luật này từ đâu mà có? Ở nước Mĩ và những nước dân chủ khác, các điều luật được soạn ra bởi những đại biểu được bầu. Những người này đưa ra thảo luận những ý tưởng mà họ nghĩ là hợp lí và có ích. Sau đó, họ bỏ phiếu để quyết định những ý tưởng nào sẽ thật sự trở thành luật.

Nhưng còn có một loại luật khác nữa, đó là định luật khoa học. Thí dụ, bạn sẽ đọc về định luật Coulomb ở cuối quyển sách này. Định luật Coulomb cho chúng ta biết rằng lực điện giữa hai vật bất kì phụ thuộc vào hai yếu tố: lượng điện tích của mỗi vật, và khoảng cách giữa hai vật. Vậy định luật Coulomb từ đâu mà có, và chúng ta có thể làm gì nếu chúng ta muốn thay đổi nó?

Định luật Coulomb rất khác với giới hạn tốc độ hay điều luật quy định bạn phải đóng thuế. Giới hạn tốc độ ở những nơi khác nhau thì khác nhau. Trên nhiều tuyến cao tốc xuyên tỉnh, lái xe có thể chạy đến 105 km/h. Trên những tuyến phố đông đúc, họ phải lái xe chậm lại. Nhưng lực điện thì luôn tác dụng giống như nhau cho dù bạn đang ở đâu – ở đồng quê hay thành thị, ở Pháp, ở Brazil hay ở Mĩ.

Thỉnh thoảng, người ta vi phạm luật. Khi giới hạn tốc độ là 89 km/h, người ta thường lái 97 km/h hoặc thậm chí còn nhanh hơn. Nhưng chuyện gì sẽ xảy ra nếu bạn thử vi phạm định luật Coulomb? Bạn không thể. Nếu bạn kiểm tra một nghìn vật tích điện, bạn sẽ nhận thấy mỗi và mọi vật đều tuân theo quy tắc mô tả trong định luật Coulomb. Mọi vật đều tuân theo định luật này. Và chúng ta biết rằng định luật Coulomb vẫn phát huy tác dụng cho dù người ta có đang theo dõi vật hay không.

Định luật Coulomb là một định luật tự nhiên, hay một quy tắc của tự nhiên. Các nhà khoa học và nhà triết học đã nghiên cứu những sự kiện xảy ra trong thế giới của chúng ta trong một thời gian dài. Họ đã tiến hành những quan sát tỉ mỉ và đã làm nhiều thí nghiệm. Và họ nhận thấy những sự kiện nhất định xảy ra mãi mãi theo một kiểu có quy luật, có thể dự đoán trước. Có lẽ bạn cũng đã từng chú ý tới một số dạng thức này trong thế giới quanh ta.

Một định luật khoa học là một phát biểu giải thích vạn vật hoạt động như thế nào trong vũ trụ. Nó mô tả cách thức vạn vật hoạt động, chứ không phải cách thức chúng ta muốn chúng như thế. Điều đó có nghĩa là một định luật khoa học không phải là cái gì đó có thể thay đổi hễ khi nào chúng ta lựa chọn. Chúng ta có thể thay đổi tốc độ giới hạn hay tỉ suất thuế nếu chúng ta nghĩ chúng quá cao hoặc quá thấp. Nhưng cho dù chúng ta có muốn lực điện tác dụng khác đi như thế nào chăng nữa, thì định luật Coulomb vẫn phát huy tác dụng. Chúng ta không thể thay đổi nó; chúng ta chỉ có thể mô tả cái xảy ra mà thôi. Công việc của một nhà khoa học là mô tả các định luật của tự nhiên càng đúng và càng chính xác càng tốt.

Những định luật mà bạn đọc trong tập sách này là những định luật vạn vật. Điều đó có nghĩa là chúng không những đúng tại đây, trên Trái đất này, mà còn đúng trong toàn cõi vũ trụ. Vũ trụ bao gồm tất cả những thứ mà chúng ta biết là tồn tại: hành tinh của chúng ta, hệ mặt trời của chúng ta, thiên hà của chúng ta, toàn bộ hàng tỉ ngôi sao và thiên hà khác, và toàn bộ khoảng không gian trống rỗng vô tận ở giữa chúng. Toàn bộ những bằng chứng mà các nhà khoa học thu thập được về những hành tinh và những ngôi sao khác trong vũ trụ của chúng ta cho chúng ta biết rằng những định luật khoa học áp dụng được cho Trái đất này cũng áp dụng được cho mọi nơi khác.

Trong lịch sử khoa học, một số định luật đã được tìm thấy qua những khám phá xuất sắc của một cá nhân nào đó. Nhưng thông thường, các định luật khoa học được khám phá qua sự nỗ lực của nhiều nhà khoa học, mỗi người xây dựng trên nền tảng của những người khác đã đi trước. Khi một nhà khoa học – như Charles Augustin de Coulomb – nhận được vinh dự khám phá ra một định luật, thì điều quan trọng nên nhớ là những người khác cũng có đóng góp cho sự khám phá đó. Hầu như mọi khám phá khoa học đều dựa trên những vấn đề và những câu hỏi mà nhiều nhà khoa học trước đó đã nghiên cứu.

Các định luật khoa học hiếm khi thay đổi. Chúng bất biến vì chúng ta nói vũ trụ hành xử khác đi. Các định luật khoa học chỉ thay đổi khi chúng ta có thêm những thông tin mới hay những quan sát chính xác hơn. Định luật thay đổi khi các nhà khoa học có những khám phá mới cho thấy định luật cũ không còn mô tả vũ trụ tốt như thế nữa. Hễ khi nào các nhà khoa học thống nhất một sự thay đổi trong các định luật tự nhiên, thì định luật mới mô tả các sự kiện một cách hoàn chỉnh hơn, hoặc đơn giản và rõ ràng hơn.

Một thí dụ hay kiểu này là các định luật mô tả điện học và từ học. Các nhà khoa học đã từng nghĩ rằng điện và từ là hai hiện tượng khác nhau và tách rời nhau. Nhưng những khám phá mới và những phép đo cải tiến đã giúp cho một nhà khoa học lớn, James Clerk Maxwell, viết lại các định luật mô tả điện và từ hoạt động như thế nào. Maxwell nhận ra rằng lực điện và lực từ là hai dạng khác nhau của cùng một lực. Bạn có thể đọc về những khám phá của Maxwell ở phần sau tập sách này.

Các định luật tự nhiên thường được viết theo ngôn ngữ toán học. Ngôn ngữ này cho phép các nhà khoa học chính xác hơn trong những mô tả của họ rằng vạn vật hoạt động như thế nào. Thí dụ, định luật Coulomb thật ra được viết như thế này:




Đừng để toán học làm bạn hoa mắt. Nó chính là định luật mô tả các điện tích tương tác như thế nào. Viết định luật đó ra như thế này cho phép các nhà khoa học tính toán chính xác lực điện tương tác trong nhiều tình huống khác nhau ở trên Trái đất này và ở mọi nơi trong vũ trụ.

Ngành khoa học nghiên cứu vật chất và năng lượng và cách thức chúng hành xử được gọi là vật lí học. Trong hàng trăm năm qua, các nhà vật lí đã và đang nghiên cứu vũ trụ của chúng ta, họ đã khám phá ra nhiều định luật tự nhiên. Trong tập sách này, bạn sẽ bắt gặp một vài trong số những khám phá vĩ đại này. Sẽ có một số thí nghiệm đơn giản bạn có thể thực hiện để nghiệm xem các định luật tác dụng như thế nào. Hãy cùng đọc và cùng chia sẻ những câu chuyện thú vị về những định luật tiết lộ những bí ẩn của vũ trụ của chúng ta.

Ngày 19/3 sẽ có hiện tượng siêu mặt trăng và đặc biệt hơn vào ngày hôm sau, ngày 20/3 sẽ có hiện tượng nhật thực toàn phần :p

Đặc biệt hơn, theo các chuyên gia, lần nhật thực toàn phần lần này sẽ "chặn" tới 90% ánh sáng Mặt trời ở châu Âu - được coi là hiện tượng nhật thực toàn phần lớn nhất châu Âu kể từ năm 1999.


Nhật thực toàn phần xảy ra khi Mặt trăng nằm giữa Trái đất và Mặt trời và che phủ được toàn bộ Mặt trời khi quan sát từ Trái đất. Cùng với đó, vầng hào quang của thái dương vẫn tỏa ra, tạo thành một cảnh tượng rất đẹp.

Nếu bạn đang ở khu vực Bắc Đại Tây Dương và Bắc Băng Dương, bạn sẽ được chiêm ngưỡng vẻ đẹp huyền diệu từ vầng quang của Mặt trời tỏa ra khi Mặt trăng bị che.



Bởi đường đi của nhật thực toàn phần bắt đầu ở giữa Đại Tây Dương và di chuyển lên phía Bắc về hướng đảo Greenland, đi về phía Bắc Siberia. Điểm cực đại của nhật thực sẽ nằm ở phía Bắc của Scandinavia và quần đảo Faroe.

Và những cư dân ở châu Âu sẽ có cơ hội chiêm ngưỡng toàn cảnh của hiện tượng đặc biệt này. Tại London, Mặt trời sẽ bị bao phủ khoảng 84%, và 94% Mặt trời sẽ chìm trong bóng tối ở Glasgow, Aberdeen và Edinburgh vào lúc 09:36 giờ GMT (khoảng 16:36 phút giờ Việt Nam). Theo dự kiến, hiện tượng nhật thực toàn phần này sẽ kéo dài khoảng hơn 2 phút.

Tiến sĩ Steve Bell cho biết: "Có thể nói, đây là nhật thực toàn phần lớn nhất châu Âu bởi độ bao phủ rộng khắp của nó. Nhật thực toàn phần cuối cùng có độ bao phủ lớn như vậy diễn ra vào ngày 11/8/1999 - cách đây 16 năm".

Hình ảnh nhật thực toàn phần năm 1999, với hiệu ứng nhìn giống như nhẫn kim cương.
Vào tháng 8/1999, bóng tối đã khởi đầu từ giữa Đại Tây Dương trước khi che phủ phần phía Nam của Vương quốc Anh, miền Bắc nước Pháp, Bỉ, Luxembourg, miền Nam nước Đức, Áo, Slovenia, Croatia và Hungary. Lần nhật thực toàn phần này kéo dài 2 phút 23 giây.

Tom Kerss, nhà thiên văn học tại Đài quan sát Hoàng gia Greenwich chia sẻ: "Sau sự kiện diễn ra vào tháng 3/2015 này, chúng ta sẽ phải chờ đến năm 2026 mới có cơ hội chiêm ngưỡng hiện tượng nhật thực toàn phần tiếp theo. Bởi vậy, đừng nên bỏ lỡ sự kiện kỳ thú này."

Bên cạnh đó, theo các chuyên gia thiên văn học, vào đêm trước ngày nhật thực toàn phần diễn ra, bạn còn có thể chứng kiến hiện tượng Siêu Mặt trăng.

Siêu Mặt trăng sẽ sáng hơn 30% và to hơn 14% so với Mặt trăng lúc bình thường.
Siêu Mặt trăng xảy ra khi trăng tròn/trăng non ở vào vị trí gần Trái đất nhất của nó (cận điểm) trên quỹ đạo hình elip quanh hành tinh. Siêu Mặt trăng sẽ sáng hơn 30% và to hơn 14% so với Mặt trăng lúc bình thường.

Do đó, sẽ không có lý do gì mà bạn lại bỏ lỡ cặp sự kiện đáng chú ý nhất năm 2015 này.

Những khu rừng đẹp ma mị tưởng chỉ có trong phim cổ tích :x

Rừng Hallerbos đầy hoa chuông xanh ở Bỉ hay rừng đom đóm ở Nhật khiến ta như lạc vào thế giới khác.


Khu rừng đan xen đầm lầy rêu ở Rumani.


Rừng phủ lá vàng ở dãy White Carpathians giữa CH Séc và Slovakia.


Rừng Hallerbos ở Bỉ trải màu xanh tím mộng mơ của loài hoa chuông xanh.


Rừng bị đóng băng ở núi Beskydy, CH Séc.


Rừng Otzarreta huyền bí ở Basque, Tây Ban Nha.


Con đường phủ đầy rêu xanh ở rừng quốc gia Taipingshan, Đài Loan.


Rừng cây khổng lồ bị tuyết trắng bao phủ ở CH Séc.


Khu rừng được trải thảm hoa thủy tiên vàng ở North Greenwich, London, Anh.


Khu rừng của những loài cây có dáng thân cong vẹo kỳ lạ.


Rừng đom đóm lung linh ở Nagoya, Nhật Bản.


Khu rừng có những thảm hoa tím xinh đẹp ở Stanton Moor, Peak District, Anh.


Khu rừng rực rỡ với màu đỏ hồng của lá cây rụng ở Ý.


Crooked Forest ở Ba Lan nổi tiếng với những cây họ thông có thân mọc cong cong như lưỡi câu.


Rừng tre nổi tiếng ở Arashiyama, Nhật Bản.


Màu vàng cam sáng rực của khu rừng ở Latvia mùa lá rụng.


Rừng cây bị đông cứng bởi băng tuyết tạo thành những hình dáng kỳ quái trên núi Seymour, British Columbia.


Rừng bạch dương tuyệt đẹp khi vào thu.


Một cảnh đẹp ở Bavaria, Đức.


Bình minh trong rừng ở Burg Drachenfels, Đức.


Rừng bạch dương đón nắng mai ở khu bảo tồn thiên nhiên Lower-Pedja, Estonia.


Rừng sồi mùa thu ở Arizona, Mỹ.