by Xin giới thiệu với các bạn một số bài giảng trong cuốn “Đặc tính các định luật vật lý” của Richard Feynman, một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất của thế kỷ XX, giải thưởng Nobel về vật lý 1965, qua bản dịch của Hoàng Quý và Phạm Quý Tư, NXB Giáo dục, 2001; được biên tập và rút gọn lại bởi Tạp chí Vật Lý Tuổi Trẻ. Nhà vật lý để lại rất nhiều câu nói vẫn luôn còn nổi tiếng cho đến ngày nay.
Các định luật bảo toàn
Khi nghiên cứu vật lý, chúng ta nhận thấy rằng có nhiều định luật phức tạp và rất chính xác như định luật về hấp dẫn, về điện, về từ, về tương tác hạt nhân,.... Song trong các định luật khác nhau, muôn màu muôn vẻ ấy, có chứa dựng những nguyên lý nào đó rất chung.
Thí dụ, đó là các định luật bảo toàn, là một số tính đối xứng, là dạng tổng quát của các nguyên lý cơ lượng tử, và là một điều này nữa: tất cả các định luật đều biểu diễn dưới dạng toán học, điều mà có người rất lấy làm thú vị và có người chẳng ưa thích chút nào. Trong bài giảng này, tôi muốn nói về các định luật bảo toàn.
Nhà vật lý hay dùng những danh từ thông thường với một ý nghĩa khác thường. Đối với họ, nói tới một định luật bảo toàn có nghĩa là có một số nào đó luôn luôn không đổi, dù anh đếm nó lúc này hay lúc khác – sau một thời gian mà trong tự nhiên đã có nhiều thay đổi. Chẳng hạn như định luật bảo toàn năng lượng. Có một đại lượng mà anh có thể tính được theo nhiều qui tắc xác định, nhưng kết quả bao giờ cũng như nhau.
Cũng dễ thấy rằng những nguyên lý như vậy rất có ích. Giả sử rằng vật lý – hay đúng hơn, thế giới tự nhiên – là một bàn cờ không lồ với hàng triệu quân và chúng ta cố gắng tìm hiểu qui luật đi của các quân cờ đó. Các tiên ông, ngồi phía sau bàn cờ, đẩy các quân của mình đi rất nhanh khiến chúng ta khó theo dõi được nước đi của quân cờ. Song dù sao chúng ta cũng nắm được một vài quy luật nào đó - đó là các qui tắc mà để hiểu chúng, không nhất thiết cử phải theo dõi từng nước cờ một. Chăng hạn, giả sử như trên bàn cờ, chỉ có một con tượng đang đứng ở một ô trắng. Nó chỉ đi theo đường chéo nên bao giờ cũng đứng ở ô trắng.
Nếu như chúng ta ngoảnh đi một lúc và sau đó lại nhìn vào bàn cờ mà các tiên ông đang chơi, thi con tượng có thể sẽ đứng tại một vị trí khác trên bàn, song nó vẫn đứng ở một ô trắng. Bản chất của định luật bảo toàn cũng như vậy. Chúng ta có thể biết một điều gi đó về cách chơi cờ, mà không cần phải nghiên cứu nó một cách quá chi tiết.
Sự thực trong trò chơi cờ, định luật đó có thể không có ích như thế cho người chơi. Nếu chúng ta ngoảnh mặt đi khá lâu thì trong thời gian đó, con tượng có thể bị ăn mất, con tốt "trở thành hoàng hậu" và tiên ông quyết định biến nó thành con tượng, hơn là con Hoàng hậu, nên con tượng bấy giờ hoá ra lại đứng ở ô đen. Đáng tiếc là một số định luật hiện nay của vật lý cũng không thật hoàn chỉnh, song ngày nay chúng ta biết về chúng như thế nào thì tôi sẽ trình bày như thế ấy.
Tôi đã nói rằng chúng ta dùng những danh từ thông thường làm các thuật ngữ khoa học, mà đầu đề của bài giảng có ghi chữ “vĩ đại" – "Các định luật bảo toàn vĩ đại". Đó không phải là một thuật ngữ : tôi đưa vào chỉ là để cho đầu đề kêu thêm mà thôi, và thực ra có thể gọi tên bài giảng một cách đơn giản là “Các định luật bảo toàn". Có một vài định luật bảo toàn chỉ là gần đúng, song nhiều lúc lại là có ích và ta có thể gọi chúng là những định luật bảo toàn “nhỏ bé" vậy. Sau này tôi sẽ nói tới một hay hai định luật như thế. Nhưng những định luật cơ bản sẽ trình bày trong bài giảng này, với sự hiểu biết hiện nay của khoa học là hoàn toàn chính xác.
Phần 1. Định luật bảo toàn điện tích
Tôi bắt đầu bằng định luật bảo toàn điện tích là định luật bảo toàn dễ hiểu hơn cả. Dù có gì xảy ra chăng nữa, thì tổng điện tích trong vũ trụ sẽ không đổi. Nếu ta đánh mất một điện tích tại một nơi thì ta sẽ tìm thấy nó ở một nơi khác. Chỉ có điện tích toàn phần là bảo toàn.
Faraday đã chứng minh điều đó bằng thực nghiệm, ông đã làm thí nghiệm với một quả cầu kim loại rất to, mặt ngoài nối với một điện kế rất nhạy để có thể theo dõi biến thiên của điện tích trên mặt quả cầu : điện kế nhay tới mức chỉ cần một điện tích rất bé cũng đủ gây ra những độ lệch lớn. Bên trong quả cầu, Faraday đã đặt những thiết bị điện. Ông đã sản ra điện tích bằng cách cho da thú xát vào đũa thuỷ tinh và đã tạo ra những máy tĩnh điện khổng lồ, làm cho bên trong quả cầu giống như một phòng thí nghiệm trong một bộ phim rùng rợn.
Song trong tất cả các thí nghiệm như vậy, ở mặt ngoài quả cầu vẫn không thấy xuất hiện một điện tích nào không thể nào tạo thêm điện tích được. Đũa thuỷ tinh mặc dù nhiễm điện tích dương khi xát vào da thú, nhưng da thú lại nhiễm điện âm đúng bằng như vậy, nên điện tích tổng cộng luôn luôn bằng không. Nếu bên trong quả cầu, một điện tích nào đó xuất hiện, thì điện kế nối với mặt ngoài sẽ phải chỉ rõ điều đó. Như vậy điện tích toàn phần được bảo toàn.
Điều đó có thể giải thích dễ dàng bằng một mô hình đơn giản, chẳng phải là toán học gì. Giả sử vũ trụ được cấu tạo bằng hai loại hạt, êlectrôn và prôtôn - đã có thời kì, người ta hình dung Vũ trụ đơn giản như vậy – và giả sử rằng êlectrôn mang điện tích âm, còn prôtôn mang điện tích dương, thì ta có thể tách hai loại hạt ấy ra. Chúng ta có thể lấy một mấu của một chất nào đó và rút bớt một phần êlectrôn hay thêm vào. Nhưng nếu các êlectrôn đều nguyên vẹn, không biến mất và cũng không phân rã (điều này là một giả thuyết rất đơn giản, chẳng liên quan gì đến toán học cả) thì hiệu giữa tổng số prôtôn và tổng số êlectrôn rõ ràng không thể thay đổi được. Hơn nữa, trong mô hình đơn giản của chúng ta, số lượng mỗi loại đều không thay đổi. Ta hãy quay về với các điện tích. Phần đóng góp của các prôtôn vào điện tích toàn phần là dương, còn của các êlectrôn là âm, cho nên nếu các hạt đó không tự sinh ra, và cũng không tự biến mất một mình thì điện tích toàn phần sẽ được bảo toàn.
Mô hình lý thuyết trên rất giản đơn, và dần dần thời gian đã cho thấy không thể xem êlectrôn và prôtôn là không đổi và bất biến. Chẳng hạn, hạt gọi là nơtrôn có thể phân rã thành prôtôn và êlectrôn cộng thêm một hạt gì khác mà ta sẽ nói tới sau. Sự thật, nơtrôn là trung hoà về điện. Vì vậy dù rằng prôtôn và êlectrôn không phải là không thay đổi với ý nghĩa là chúng có thể sinh ra từ nơtrôn nhưng điện tích vẫn được bảo toàn. Trước lúc nơtrôn phân rã, điện tích bằng không và sau khi phân rã, một điện tích là dương và một là âm, nên tổng vẫn bằng không.
Một thí dụ tương tự khác là trường hợp một hạt điện tích dương nhưng khác prôtôn. Nó gọi là positron và như là ảnh qua gương của êlectrôn. Về mọi phương diện nó hoàn toàn giống êlectrôn chỉ khác một điều là nó tích điện dương và điều quan trọng hơn nữa, nó là phản hạt của êlectrôn, bởi vì positron và êlectrôn gặp nhau sẽ huỷ lẫn nhau và biến thành ánh sáng.
Vì vậy, bản thân êlectrôn cũng không tồn tại vĩnh viễn. Electrộn với pôzitrôn cho ánh sáng.
Đó là một thứ ánh sáng không nhìn thấy bằng mắt được: tia gamma, nhưng ánh sáng nhìn thấy được và tia gamma chỉ là một, đối với nhà vật lý chúng chỉ khác nhau ở bước sóng mà thôi. Như vậy, hạt và phản hạt của nó có thể huỷ lẫn nhau, ánh sáng không mang điện tích, cho nên khi huỷ đã mất đồng thời một điện tích dương và một điện tích âm, tống điện tích vẫn như trước. Như vậy , lý thuyết bảo toàn điện tích trở nên phức tạp hơn một chút, song nó không liên quan gì mấy với toán học. Chúng ta chỉ làm đơn giản một việc : cộng số prôtôn với số proton rồi trừ đi số êlectrôn, và ngoài ra phải chú ý tới các hạt khác, chẳng hạn như phản - prôtôn mang điện âm và mêzôn π + mang điện dương, bởi mỗi hạt cơ bản đều mang điện (có thể là bằng không). Chúng ta chỉ cần tìm tổng số tất cả các điện tích về sau dù có phản ứng nào xảy ra chăng nữa tổng số vẫn không đổi.
Đó là một mặt của định luật bảo toàn điện tích. Bây giờ nảy ra một câu hỏi lý thú. Chỉ cần phát biểu rằng điện tích bảo toàn một cách đơn giản như vậy, hay cần phải nói gì thêm nữa?
Ví như điện tích là một hạt vật chất chuyển động và vi thế nó bảo toàn thì tính chất bảo toàn được thể hiện cụ thể hơn nhiều. Có thể tưởng tượng được hai cách bảo toàn điện tích bên trong một cái hộp. Cách thứ nhất - điện tích di chuyen bên trong hộp từ vị trí này tới vị trí khác. Cách thư hai - điện tích biến mất tại một nơi và xuất hiện tức thời tại nơi khác; điều đó xảy ra đồng thời và tổng điện tích vẫn giữ nguyên như cũ. Cách bảo toàn thứ hai khác cách thứ nhất ở chỗ là muốn điện tích biến mất ở một nơi và xuất hiện ở nơi khác, phải có cái gi đó dịch chuyển trong khoảng không gian nằm giữa. So với điều chỉ khẳng định đơn giản rằng điện tích toàn phần không đổi thì dạng bảo toàn thứ nhất gọi là bảo toàn định xứ của diện tích mang một ý nghĩa sâu sắc hơn nhiều. Ta thấy rõ là chúng ta đã làm cho định luật chính xác thêm ra – nếu thật sự điện tích được bảo toàn định xứ. Mà sự thật là như thế. Như vậy tôi đã cố gắng từng bước chứng minh khả năng của suy nghĩ lôgic đã cho phép ta liên hệ một ý này với một ý khác. Và bây giờ tôi muốn chúng ta cùng nhau theo dõi những lập luận của Einstein đã dẫn tới kết luận là : nếu một dại lượng nào đó được bảo toàn (trong trường hợp chúng ta, đại lượng đó là điện tích) thì nó bảo toàn định xứ. Lập luận ấy dựa trên Cơ sở sau đây : nếu hai người ngồi trong hai con tàu Vũ trụ đi lướt qua bên nhau, thì vấn đề ai chuyển động, ai đứng yên không thể giải quyết được bằng thực nghiệm. Đó là nguyên lý tương đối : chuyển động đều theo đường thẳng chỉ là tương đối. Đối với cả hai người quan sát, bất kì một hiện tượng vật lý nào cũng sẽ nhận thấy như nhau và sẽ không cho phép chỉ ra được ai đứng yên, ai chuyển động.
Giả sử ta có hai con tàu Vũ trụ A và B (xem hình vẽ). Tôi hãy cứ cho rằng con tàu B đứng yên còn con tàu A chuyển động lướt qua B đi. Và chú ý rằng đó chỉ la quan niệm của tôi mà thôi. Còn anh, anh có thể đứng trên quan điểm khác, mặc dù anh cũng nhìn thấy các hiện tượng đó của Tự nhiên. Bây giờ hãy giả sử bên trong con tàu có một người, người ấy muốn biết sự biến đổi điện tích ở đầu con tàu có xảy ra đồng thời với xuất hiện điện tích ở đuôi con tàu không. Muốn chắc chắn về tính đồng thời của hai sự kiện ấy, người quan sát không thế ngồi ở đầu con tàu, vì như vậy anh ta sẽ thấy sự kiện này xảy ra trước sự kiện kia, bởi lẽ ánh sáng từ phía đuôi tàu sẽ không tới ngay mặt anh ta được. Vì vậy, anh ta phải ngồi đúng chính giữa con tàu. Một người khác cũng muốn quan sát những điều như vậy trong con tàu của mình. Tia chớp loé sáng, ở điểm x xuất hiện diện tích và cùng thời điểm đó ở điểm y tại đầu kia con tàu, điện tích biến mất.
Chú ý là điều đó xảy ra đồng thời và hoàn toàn phù hợp với những quan niệm của chúng ta về sự bảo toàn điện tích. Nếu chúng ta mất êlectrôn tại một nơi thì tìm thấy nó ở một nơi khác, nhưng giữa hai nơi không có gi dịch chuyển cả. Giả sử sự xuất hiên và biến mất điện tích có kèm theo một chớp sáng mà ta có thể lấy làm tín hiệu. Người quan sát B nói rằng hai sự kiện xảy ra đồng thời, bởi vì anh ta ngồi chính giữa con tàu, và tia sáng từ tia chớp ở nơi điện tích xuất hiện x và ánh sáng từ tia chớp ở nơi điện tích biến mất y, đến mắt người đó cùng một lúc. Người quan sát B bảo : "Phải ! hai sự kiện có xảy ra đồng thời". Nhưng người ngồi trong con tàu kia sẽ nhìn thấy sự việc xảy ra như thế nào? Anh ta sẽ bảo "Không, anh bạn ơi! anh nhầm rồi. Rõ ràng mắt tôi thấy ở x điện tích xuất hiện sớm hơn là điện tích biến mất ở y". Sở dĩ như vậy, vì A chuyển động theo chiều tới X và ánh sáng từ x phải đi qua một quãng đường ngắn hơn là từ y, nên nó đến sớm hơn. A có thể khẳng định : "Không ! thoạt tiên điện tích xuất hiện ở x, và sau đó nó biến mất ở y.
Điều đó có nghĩa là trong khoảng thời gian giữa lúc điện tích ở X xuất hiện và điện tích ở y biến mất, có thêm điện tích. Trong khoảng thời gian ấy không có sự bảo toàn nào cả. Điều này mâu thuẫn với định luật". Người thứ nhất phản ứng lại: “Nhưng vì anh chuyển động cơ mà ". Người thứ hai đáp lại: “Làm sao anh biết được như vậy ? Tôi nhìn rõ ràng là chính anh mới chuyển động !".v.v. Nếu như bằng thực nghiệm không thể xác định được chúng ta chuyển động hay đứng yên, vì các định luật vật lý không phụ thuộc điều đó, thì tính không định xứ của định luật bảo toàn sẽ phải suy ra nó chỉ đúng với những ai đứng yên một chỗ, với nghĩa tuyệt đối của chữ đứng yên. Song theo nguyên lý tương đối Einstein, một trạng thái như vậy không thể có được và do đó định luật bảo toàn điện tích không thể là không định xứ. Tính định xứ của sự bảo toàn điện tích phù hợp với thuyết tương đối, và có thể nói như vậy đối với tất cả các định luật bảo toàn.
Điện tích còn có một đặc tính rất lý thú và kì lạ mà đến nay vẫn chưa giải thích được. Tính chất này chẳng có liên hệ gì tới định luật bảo toàn cả. Điện tích bao giờ cũng biến thiên từng lượng xác định một. Nếu ta có một hạt tích điện thì điện tích của nó chỉ có thể bằng một số nguyên lần một lượng xác định lấy làm đơn vị. Nó biến thiên từng lượng tử một nên rất tiện lợi, nhờ nó mà chúng ta dễ dàng lĩnh hội được lý thuyết về tính bảo toàn. Đây là muốn nói tới các thứ mà ta có thể đếm được và chúng dịch chuyển từ nơi này tới nơi khác. Và cuối cùng, một tính chất rất quan trọng nữa của điện tích: nó là nguồn của trường điện và từ. Vì vậy trong thực tiễn xác định số trị của điện tích toàn phần bằng phương pháp điện là điều không lấy gì làm phức tạp. Điện tích - đó là số đo tương tác của vật với điện trường, tức là điện trường liên hệ mật thiết với điện tích. Như vậy đại lượng bảo toàn ấy có hai tính chất không liên hệ trực tiếp với tính bảo toàn, nhưng không vì thế mà kém lý thú. Thứ nhất là điện tích biến thiên từng lượng tử một và thứ hai nó là nguồn của trường.
(còn nữa)
Đó là một mặt của định luật bảo toàn điện tích. Bây giờ nảy ra một câu hỏi lý thú. Chỉ cần phát biểu rằng điện tích bảo toàn một cách đơn giản như vậy, hay cần phải nói gì thêm nữa?
Ví như điện tích là một hạt vật chất chuyển động và vi thế nó bảo toàn thì tính chất bảo toàn được thể hiện cụ thể hơn nhiều. Có thể tưởng tượng được hai cách bảo toàn điện tích bên trong một cái hộp. Cách thứ nhất - điện tích di chuyen bên trong hộp từ vị trí này tới vị trí khác. Cách thư hai - điện tích biến mất tại một nơi và xuất hiện tức thời tại nơi khác; điều đó xảy ra đồng thời và tổng điện tích vẫn giữ nguyên như cũ. Cách bảo toàn thứ hai khác cách thứ nhất ở chỗ là muốn điện tích biến mất ở một nơi và xuất hiện ở nơi khác, phải có cái gi đó dịch chuyển trong khoảng không gian nằm giữa. So với điều chỉ khẳng định đơn giản rằng điện tích toàn phần không đổi thì dạng bảo toàn thứ nhất gọi là bảo toàn định xứ của diện tích mang một ý nghĩa sâu sắc hơn nhiều. Ta thấy rõ là chúng ta đã làm cho định luật chính xác thêm ra – nếu thật sự điện tích được bảo toàn định xứ. Mà sự thật là như thế. Như vậy tôi đã cố gắng từng bước chứng minh khả năng của suy nghĩ lôgic đã cho phép ta liên hệ một ý này với một ý khác. Và bây giờ tôi muốn chúng ta cùng nhau theo dõi những lập luận của Einstein đã dẫn tới kết luận là : nếu một dại lượng nào đó được bảo toàn (trong trường hợp chúng ta, đại lượng đó là điện tích) thì nó bảo toàn định xứ. Lập luận ấy dựa trên Cơ sở sau đây : nếu hai người ngồi trong hai con tàu Vũ trụ đi lướt qua bên nhau, thì vấn đề ai chuyển động, ai đứng yên không thể giải quyết được bằng thực nghiệm. Đó là nguyên lý tương đối : chuyển động đều theo đường thẳng chỉ là tương đối. Đối với cả hai người quan sát, bất kì một hiện tượng vật lý nào cũng sẽ nhận thấy như nhau và sẽ không cho phép chỉ ra được ai đứng yên, ai chuyển động.
Chú ý là điều đó xảy ra đồng thời và hoàn toàn phù hợp với những quan niệm của chúng ta về sự bảo toàn điện tích. Nếu chúng ta mất êlectrôn tại một nơi thì tìm thấy nó ở một nơi khác, nhưng giữa hai nơi không có gi dịch chuyển cả. Giả sử sự xuất hiên và biến mất điện tích có kèm theo một chớp sáng mà ta có thể lấy làm tín hiệu. Người quan sát B nói rằng hai sự kiện xảy ra đồng thời, bởi vì anh ta ngồi chính giữa con tàu, và tia sáng từ tia chớp ở nơi điện tích xuất hiện x và ánh sáng từ tia chớp ở nơi điện tích biến mất y, đến mắt người đó cùng một lúc. Người quan sát B bảo : "Phải ! hai sự kiện có xảy ra đồng thời". Nhưng người ngồi trong con tàu kia sẽ nhìn thấy sự việc xảy ra như thế nào? Anh ta sẽ bảo "Không, anh bạn ơi! anh nhầm rồi. Rõ ràng mắt tôi thấy ở x điện tích xuất hiện sớm hơn là điện tích biến mất ở y". Sở dĩ như vậy, vì A chuyển động theo chiều tới X và ánh sáng từ x phải đi qua một quãng đường ngắn hơn là từ y, nên nó đến sớm hơn. A có thể khẳng định : "Không ! thoạt tiên điện tích xuất hiện ở x, và sau đó nó biến mất ở y.
Điều đó có nghĩa là trong khoảng thời gian giữa lúc điện tích ở X xuất hiện và điện tích ở y biến mất, có thêm điện tích. Trong khoảng thời gian ấy không có sự bảo toàn nào cả. Điều này mâu thuẫn với định luật". Người thứ nhất phản ứng lại: “Nhưng vì anh chuyển động cơ mà ". Người thứ hai đáp lại: “Làm sao anh biết được như vậy ? Tôi nhìn rõ ràng là chính anh mới chuyển động !".v.v. Nếu như bằng thực nghiệm không thể xác định được chúng ta chuyển động hay đứng yên, vì các định luật vật lý không phụ thuộc điều đó, thì tính không định xứ của định luật bảo toàn sẽ phải suy ra nó chỉ đúng với những ai đứng yên một chỗ, với nghĩa tuyệt đối của chữ đứng yên. Song theo nguyên lý tương đối Einstein, một trạng thái như vậy không thể có được và do đó định luật bảo toàn điện tích không thể là không định xứ. Tính định xứ của sự bảo toàn điện tích phù hợp với thuyết tương đối, và có thể nói như vậy đối với tất cả các định luật bảo toàn.
Điện tích còn có một đặc tính rất lý thú và kì lạ mà đến nay vẫn chưa giải thích được. Tính chất này chẳng có liên hệ gì tới định luật bảo toàn cả. Điện tích bao giờ cũng biến thiên từng lượng xác định một. Nếu ta có một hạt tích điện thì điện tích của nó chỉ có thể bằng một số nguyên lần một lượng xác định lấy làm đơn vị. Nó biến thiên từng lượng tử một nên rất tiện lợi, nhờ nó mà chúng ta dễ dàng lĩnh hội được lý thuyết về tính bảo toàn. Đây là muốn nói tới các thứ mà ta có thể đếm được và chúng dịch chuyển từ nơi này tới nơi khác. Và cuối cùng, một tính chất rất quan trọng nữa của điện tích: nó là nguồn của trường điện và từ. Vì vậy trong thực tiễn xác định số trị của điện tích toàn phần bằng phương pháp điện là điều không lấy gì làm phức tạp. Điện tích - đó là số đo tương tác của vật với điện trường, tức là điện trường liên hệ mật thiết với điện tích. Như vậy đại lượng bảo toàn ấy có hai tính chất không liên hệ trực tiếp với tính bảo toàn, nhưng không vì thế mà kém lý thú. Thứ nhất là điện tích biến thiên từng lượng tử một và thứ hai nó là nguồn của trường.
(còn nữa)
Xem tiếp
0 Comments: