Câu chuyện về những thí nghiệm vĩ đại

62

CÂU CHUYỆN
GIỚI THIỆU TRẢI NGHIỆM TUYỆT VỜI

Newton có đúng khi nói: “Nuto-
Luận văn không có ngón tay! (“Giả thuyết không thay đổi!”)? Khoa học có thể được xây dựng mà không có giả thuyết? Vậy thì các lý thuyết và thí nghiệm khoa học phát sinh như thế nào? Nhân tiện, điều gì quan trọng hơn, có thể nói, điều gì sơ cấp hơn - lý thuyết hay thí nghiệm?

Những câu hỏi này không chỉ liên quan đến các chuyên gia,
những người liên quan đến lịch sử và phương pháp luận của khoa học, hoặc chính các nhà nghiên cứu,
lao động cá nhân của những người tham gia phát triển khoa học của họ cũng như của tất cả những người quan tâm đến tiến bộ khoa học. Chúng cũng tạo thành cốt lõi của câu chuyện trong cuốn sách nhỏ của G. Lipson *). Tác giả của nó không phải là nhà sử học khoa học, không phải là nhà phổ biến. Ông là một trong những nhà vật lý hàng đầu người Anh, nổi tiếng với nghiên cứu về cấu trúc của chất rắn. Và khi một nhà khoa học tài năng thậm chí nói về những xu hướng vượt xa những sở thích khó lường của mình, anh ấy thường làm điều đó một cách rất độc đáo.

“Cuốn sách của G. Lipson,” biên tập viên ấn bản tiếng Nga, V. I. Rydnik, viết trong lời nói đầu, “về cơ bản là một cuốn lịch sử nhỏ về vật lý, được kể từ quan điểm của một thí nghiệm vật lý. Phương pháp trình bày này chắc chắn làm cho nội dung của cuốn sách trở nên rời rạc, và nó trở thành một “tập hợp các câu chuyện” về những thí nghiệm vật lý lớn nhất trong bốn thế kỷ tồn tại gần đây của nó. thiết lập, ở phần thứ ba về kết quả khoa học và đánh giá các sai sót thực nghiệm. Bản thân “sự đa dạng phức tạp” này đã khiến cuốn sách của Lipson trở nên thú vị. Ở một mức độ lớn, điều này được hỗ trợ bởi ngôn ngữ của cuốn sách - sống động, giàu cảm xúc, đôi khi hoàn toàn thông tục…”

Trước mắt chúng ta có lẽ là cuốn sách đầu tiên trong văn học thế giới dành riêng cho lịch sử thí nghiệm vật lý. Tại sao Lipson quyết định viết một cuốn sách như vậy? Bản thân anh ấy cho đáp số cho câu hỏi này:

“Niềm tin bằng cách nào đó đã thâm nhập vào tâm trí của nhiều nhà vật lý rằng lý thuyết vượt trội hơn thực tiễn và việc đưa ra một lý thuyết mới quan trọng hơn việc tiến hành một thí nghiệm mang tính quyết định. Quan điểm này không có bất kỳ cơ sở nào. Thông thường những thí nghiệm như vậy về cơ bản là đơn giản, và các nhà nghiên cứu sau đó không nhận ra cần phải có bao nhiêu sự khéo léo để thực hiện chúng.”

*) G. Lipson, Những thí nghiệm vĩ đại trong vật lý, Mir, 1972, 216 trang, giá 66 kopecks.

Vì vậy, tuyên truyền vật lý thực nghiệm. Tất nhiên, tác giả không cố gắng và không thể chỉ giới hạn mình trong việc mô tả hoặc thảo luận về các thí nghiệm: ông giải thích kết quả của chúng, chỉ ra cách các thí nghiệm và các công trình lý thuyết được kết nối về mặt thần học với nhau - chỉ cùng nhau! - và tạo nên môn khoa học gọi là vật lý.

Lipson bắt đầu với điều đơn giản nhất - với bài toán chuyển động, với những bài bán sỉ đầu tiên của Galileo. Bây giờ chúng trông cơ bản và có thể áp dụng được, nhưng Galileo phải bắt đầu lại từ đầu hoặc thậm chí từ một giá trị âm, hoặc ông phải bác bỏ một số khái niệm của Aristoteles vẫn không thể lay chuyển trong gần hai nghìn năm.

Suy ngẫm về chuyển động của các vật thể, Galileo đi đến kết luận rằng không phải bản thân chuyển động mới quan trọng mà là sự thay đổi của nó, mà là tốc độ, mà là gia tốc. Nhưng trước hết cần phải xác định khái niệm “gia tốc”. Có vẻ rõ ràng: gia tốc là sự thay đổi tốc độ trên một đơn vị thời gian. Nhưng tại sao - thời gian? Bạn có thể tính đến khả năng tăng tốc và thay đổi tốc độ khi đi quãng đường liên tục. Chọn định nghĩa nào, định nghĩa nào trong hai định nghĩa tương ứng với các quá trình vật lý vốn có trong tự nhiên? Suy luận logic và sau đó là các thí nghiệm trực tiếp đã cho phép Galileo chọn được định nghĩa mà chúng ta vẫn sử dụng ngày nay.

Thật thú vị khi Galileo tạo ra lý thuyết về mặt dây chuyền. Ý tưởng cho thí nghiệm được đề xuất với ông bằng cách quan sát sự rung động của những ngọn đèn trong nhà thờ dưới tác động của những luồng gió thất thường. Những rung động này đã được hàng triệu người nhìn thấy trước anh ta, nhưng người ta phải có sự nhạy bén thiên tài mới có thể hiểu được tầm quan trọng của hiện tượng này, vốn chẳng liên quan gì đến bất cứ điều gì. Ông cũng phải có sự khéo léo phi thường để sử dụng… nhịp đập của trái tim mình, nhịp đập của chính mình để thay đổi chu kỳ dao động của chính những ngọn đèn này (Galileo không có khoảng thời gian nào khác). Và chẳng bao lâu sau, ý tưởng về mặt dây chuyền đã hình thành nền tảng cho việc thiết kế đồng hồ; lý thuyết con lắc sau đó là cơ sở cho ý tưởng về từ trường và thế năng; các thí nghiệm với con lắc đã cho phép Newoton chứng minh sự bằng nhau giữa khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn - sự bằng nhau mà Einstein bắt đầu từ đó khi tạo ra thuyết tương đối rộng. Đây là toàn bộ sự việc, trải dài trên hơn ba bàn.

Đã hơn một lần, trên những trang sách của G. Lipson, người đọc đã gặp những trường hợp có một hiện tượng không đáng kể
62

63

Cho đến khi - tự nguyện hay không tự nguyện - nhận được sự chú ý của một nhà khoa học, tôi được coi là nhà khám phá vĩ đại nhất, người đã làm rung chuyển toàn bộ nền vật lý. Tại đây, người ta đã thu được quả táo phi tiêu của Newton, “dẫn đến” việc tạo ra định luật vạn vật hấp dẫn và nung nóng kim loại trong quá trình khoan bàn pháo, cho phép Rumfoord bày tỏ ý tưởng rằng “tellot là chuyển động”, và những quả táo được phát hiện bằng quang điện của Beckerle, từ đó vật lý hạt nhân đã đánh mất thế kỷ của mình, và rất, rất nhiều “tai nạn” khác.

Không thể phác thảo nội dung cuốn sách của Lipson, cũng như không thể kể lại một tập truyện ngắn của O’Henry. Vì vậy, chúng tôi sẽ hạn chế chỉ đề cập đến một số thí nghiệm hoặc tình tiết đáng chú ý do Lipson báo cáo.

Chương nhỏ “Khí quyển” nói về “cân lượng không khí” của Galileo, ý nghĩa của “bán cầu Magdeburg” của Guernica, công trình của Toricelli, Vivanini, Pascal về sự thay đổi áp suất khí quyển, và phát hiện của Dalton về định luật áp suất riêng phần, đưa ra xác nhận định lượng cho lý thuyết nguyên tử-phân tử. Nhân tiện, Dalton sau đó đã nói với nhiều người khác nhau về cách ông nảy ra ý tưởng về cấu trúc của các phân tử. Bản thân anh cũng không biết chuyện đó xảy ra như thế nào. Điều này thường là tình cờ trong khoa học, không ít hơn trong sự tích cực. Hãy thử tìm hiểu từ tư thế xem đường nét này hay đường nét kia, hình ảnh này hay hình ảnh kia được sinh ra như thế nào!

Tiếp theo là chương “Tellota”, trong đó người đọc cùng với những cái tên nổi tiếng - Rumfoord, Davy, Faragent, Celcius, Joule - cũng gặp tên Black, người có tác phẩm quyết định nghiên cứu của Rumfoord và Davy, nhưng thật không may, chỉ được xuất bản đầy đủ sau cái chết của nhà khoa học. Nhưng ông là người đầu tiên nghiên cứu về thể tích riêng và nhân tiện, ông đã phát hiện ra rằng thể tích riêng của thói quen, câu hỏi về sự chờ đợi, nhỏ hơn gần 30 lần so với nước.

Tác giả dành nhiều không gian cho các phép đo quan trọng và cẩn thận về khả năng riêng của nhiều loại chất, được thực hiện bởi nhà khoa học người Pháp Dulong và Petit. Quá trình thu thập dữ liệu thực nghiệm chính xác và tẻ nhạt này mà sau này Rutherford gọi là “thu thập tem” là cực kỳ quan trọng trong khoa học. Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã khám phá ra một định luật mang tính khái quát hóa đầu tiên trong vật lý chất rắn và bằng chứng mang tính giai thoại rằng Tellote là một dạng động năng. Chương này kết thúc bằng phần mô tả khám phá của nhà thực vật học Brown về phong trào mang tên ông. Năm 1905, Einstein dự đoán hiện tượng này mà không biết rằng nó đã được phát hiện trước đó gần 80 năm.

Chương nói về chất khí đương nhiên sẽ tiếp nối hai chương trước. Nó liên quan đến các tác phẩm của Boyle, Mariotte,

Gay-Lussac, Charles, Kelvin, Avogadro, Lavouzier, Boltzmann, nổi tiếng từ khóa học ở trường, nhưng được trình bày dưới góc độ phi giáo dục. Ở đây, sự tương tác giữa cái ẩn (“Vì vậy, vật lý, giống như một con sâu bướm, tự kéo mình về phía trước,” tác giả thay thế theo nghĩa bóng) và mối liên hệ được báo trước giữa kết quả nghiên cứu thực nghiệm và việc tạo ra một lý thuyết khái quát hóa được thể hiện đặc biệt rõ ràng. Suy cho cùng, chính tính phổ quát của các tính chất cụ thể của chất khí đã được giải quyết bằng giả thuyết về cấu trúc nguyên tử của vật chất, đã biến giả thuyết này thành một lý thuyết không thể phá hủy.

“Tôi thực sự không muốn viết về âm thanh trong cuốn sách này,” - đây là cách tác giả bắt đầu chương tiếp theo, về màn diễn. Tại sao? Trước hết, vì lý do không một khám phá nào trong lĩnh vực này dẫn đến sự xuất hiện của bất kỳ ý tưởng vật lý tổng quát cơ bản nào hoặc dẫn đến sự thay thế các ý tưởng hiện có. Tuy nhiên, Lipson nhận thấy cần phải mô tả một số thí nghiệm thực tế, cố gắng làm nổi bật một số vấn đề cơ bản và xem xét các chi tiết thú vị. Ví dụ, Guernike, để tìm hiểu xem âm thanh có truyền trong nước hay không, đã nhờ đến sự trợ giúp của cá, từ đó đoán trước các thí nghiệm của I. P. Pavlov trong việc nghiên cứu các điều kiện phản xạ ở động vật.

Việc xem xét dao động của âm thanh giúp tác giả chuyển sang mô tả các quá trình quang học. Cuộc đấu tranh giữa hai giả thuyết được thể hiện rõ ràng ở đây - Newton, người cho rằng ánh sáng là một dòng của các hạt, tiểu thể, và Huygen, người bảo vệ lý thuyết sóng của ánh sáng. Để bày tỏ lòng kính trọng đối với Newton, Lipson đồng thời lưu ý rằng việc thách thức quá mức quyền lực của nhà khoa học lỗi lạc này đã làm chậm sự phát triển của thí nghiệm trong hơn một thế kỷ. Câu hỏi tốc độ ánh sáng là hữu hạn hay vô hạn sẽ được thảo luận rất chi tiết trong chương này; các thí nghiệm của Roemer, Fizeau và Fku về phép đo của nó được mô tả. Sự chú ý như vậy đến vấn đề sóng là điều dễ hiểu, nhưng tốc độ ánh sáng là một trong số ít thế giới cơ bản của nhà thiết kế, nó cũng là nền tảng của thuyết tương đối, như sẽ được thảo luận trong chương tiếp theo.

Chương này là chương duy nhất trong cuốn sách dành riêng cho việc mô tả thiết bị, cụ thể là các dụng cụ quang học, vì chúng, như tác giả đã thay thế một cách đúng đắn, “không chỉ cho phép thu được thông tin về ánh sáng mà còn đóng góp vào sự phát triển của hầu hết các lĩnh vực vật lý khác”. Và chúng ta có thể bổ sung - không chỉ vật lý, mà còn cả sinh học, y học, hóa học, thiên văn học, công nghệ, cuộc sống hàng ngày. Xét cho cùng, kính thông thường không gì khác hơn là một thiết bị quang học đơn giản; kính hiển vi cho phép Leeuwenhoek thâm nhập vào thế giới vi sinh vật - một thiết bị quang học; một thiết bị giả định bao phủ cơ thể nhận ánh sáng từ các thế giới xa xôi cũng là một thiết bị quang học.