Thư gửi học sinh muốn trở thành nhà vật lý

36

A. B. Midal
Thư gửi học sinh muốn trở thành nhà vật lý

Học sinh trường số 1 ở Lida đã gửi thư cho nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng của Liên Xô, Viện sĩ Arkady Beinusovich Migdal. Trong thư, họ yêu cầu cho biết niềm đam mê vật lý của anh bắt đầu như thế nào và cách chuẩn bị cho nghề này. Chúng tôi giới thiệu đáp số A. B. Midal vì chúng tôi hy vọng rằng anh ấy sẽ thu hút sự quan tâm của tất cả độc giả.

Khi tôi 12 tuổi, tôi đã phá vỡ cuốn sách “Vật lý trong trò chơi” của Donat và bắt đầu làm trò chơi vật lý. Tôi đã tự mình nghĩ ra một số trong số đó. Sau đó, anh bắt đầu chế tạo nhiều thiết bị vật lý khác nhau. Tôi đã tạo ra một bộ giới hạn dòng nhiệt theo thiết kế của riêng tôi. Tôi đã chế tạo máy thu dò (lúc đó sản phẩm chưa có bộ phận nào).

Sau khi tốt nghiệp ra trường, tôi làm việc một năm trong phòng thí nghiệm vật lý của trường. Đồng thời, ông đăng bài viết trên tạp chí “Vật lý, Toán, Hóa học ở trường THCS” “Một thiết bị thay thế máy Atwood” (thiết bị kiểm tra định luật 2 Newton). Nhưng anh ấy thực sự bắt đầu nghiên cứu vật lý sau khi vào Đại học bang Leningrad.

Như bạn có thể đã biết, các nhà vật lý được chia thành hai loại: nhà vật lý lý thuyết và nhà vật lý thực nghiệm. Ngay từ năm đầu tiên tôi đã thấy rõ rằng mình sẽ trở thành một nhà lý thuyết. Một nhà vật lý lý thuyết có bản chất gần gũi với toán học. Dụng cụ của anh ấy là giấy và bút chì. Sử dụng các định luật vật lý đã biết, anh ta phải tìm ra những tương ứng mới giữa các đại lượng khác nhau. Tôi sẽ đưa ra hai ví dụ.

Trong cuộc vây hãm Leningrad, các nhà lý thuyết đã tính toán lượng băng có thể vận chuyển an toàn bằng xe tải chở người qua Hồ Ladoga. Đây là một bài toán rất đơn giản. Chỉ cần sử dụng giới hạn thấm băng được tìm thấy trong nhiều thí nghiệm và áp dụng các phương trình nổi tiếng của lý thuyết đàn hồi.

Nhưng bài toán phức tạp hơn nhiều, đòi hỏi phải chuyển qua cơ học cổ điển dễ hiểu. Nhà vật lý lý thuyết vĩ đại Albert Einstein đã phân tích tiến trình của các quá trình vật lý trong các vật chuyển động và đi đến kết luận rằng trong một hệ chuyển động nhanh, thời gian trôi chậm hơn. Sau đó, kết luận này đã được xác nhận một cách xuất sắc trong các thí nghiệm nghiên cứu sự phân rã của các hạt cơ bản nhanh (ví dụ, m-meson). Các hạt chuyển động phân rã chậm hơn các hạt đứng yên, và sự phụ thuộc của thời gian phân rã vào tốc độ hoàn toàn trùng khớp với tiên đoán của Einstein.

Trong ví dụ này, bài toán của những người thử nghiệm là để kiểm tra lý thuyết dự đoán. Tuy nhiên, điều ngược lại thường xảy ra hơn - các nhà vật lý thực nghiệm tìm ra một mô hình mới không phù hợp với các lý thuyết hiện có và điều này tạo động lực cho sự phát triển của vật lý lý thuyết.

37

Trong trường hợp thuyết tương đối của Einstein vừa được đề cập, đây chỉ là thí nghiệm biến đổi của Michelson, trong đó sự chênh lệch tốc độ ánh sáng thay đổi theo hướng chuyển động của Trái đất và vuông góc với nó. Nó đã được chứng minh rằng cả hai tốc độ đều trùng khớp với độ chính xác cực cao. Kết quả này mâu thuẫn với lý thuyết truyền ánh sáng hiện có vào thời điểm đó. Những nỗ lực giải thích kết quả thí nghiệm của Michelson đã đưa Einstein đến việc tạo ra lý thuyết về Einstein tương đối và vật lý thực nghiệm kích thích lẫn nhau.

Sớm hay muộn, nhà vật lý tương lai phải quyết định xem công việc nào gần gũi hơn với tâm trí của mình – lý thuyết hay thực nghiệm? lời giải này đến càng sớm thì càng tốt.

Tôi sẽ kể cho bạn nghe về công việc đầu tiên của tôi trong lĩnh vực vật lý. Vào năm thứ hai, tôi được thực tập tại phòng thí nghiệm của nhà máy Elektropribor (nay là nhà máy Vibator). Đúng lúc này, một lô vôn kế lớn bị loại do khi thiết bị bật dòng điện xoay chiều, vị trí đầu mũi tên bị mờ đi vài mm. Tôi quyết định cố gắng tìm hiểu lý do của cuộc hôn nhân. Rõ ràng đó là vấn đề cộng hưởng. Cần phải tìm ra chính xác phần nào của mũi tên đang cộng hưởng và cần thay đổi phần nào để loại bỏ nó.

Tôi lấy con trỏ ra khỏi máy và cố định vào khung máy đo tần số (thiết bị đo tần số dòng điện xoay chiều). Sau đó, tôi đặt tờ giấy vẽ đồ thị dưới mũi tên và thay đổi tốc độ của máy phát cung cấp dòng điện cho máy đo tần số, vẽ đường cong biểu thị sự phụ thuộc biên độ dao động của đầu mũi tên vào tần số của dòng điện được cung cấp. Kết quả là một đường cong cộng hưởng điển hình có tốc độ tối đa là 70 chu kỳ mỗi giây (Hình 1). Nhưng tại sao lại là 70? Rốt cuộc, vị trí tối đa trong thiết bị là dòng điện bình thường có tần số 50 chu kỳ mỗi giây. Tôi tạm gác câu hỏi này sang một bên và tiếp tục tìm hiểu bản chất dao động của kim. Để làm điều này, tôi tạo những vết xước chính xác ở nhiều vị trí khác nhau trên mũi tên và chiếu sáng lần lượt từng vị trí bằng ánh sáng bên để thu được một điểm phát sáng chuyển động. Bằng cách quan sát các điểm này dưới độ phóng đại (sử dụng máy vi thao tác), người ta có thể xác định biên độ dao động của các phần khác nhau của mũi tên. Bằng cách này, có thể chứng minh rằng sự cộng hưởng tương ứng với sự xoắn của phần uốn thẳng đứng của mũi tên (Hình 2), nghĩa là phần dài của mũi tên quay toàn bộ quanh trục, đi qua phần uốn thẳng đứng.

Dựa vào độ cứng của vật liệu và sự phân bổ khối lượng dọc theo mũi tên, người ta có thể tính được tần số dao động. Tần số tính toán hóa ra gần với tần số quan sát được, tức là khoảng 70 tiết mỗi giây. Vậy sẽ-

38

Người ta đã chứng minh rằng bản chất của dao động đã được thiết lập một cách chính xác. Sau đó, cần tìm hiểu nguyên nhân làm giảm phần cộng hưởng khi đặt mũi tên vào thiết bị.

Trên khung của máy đo tần số, kim được cố định chắc chắn, trong khi ở thiết bị, nó được gắn vào khung để dòng điện chạy qua và bản thân nó có thể dao động. Để tìm tần số của mũi tên có độ cố định không cố định như vậy, cần phải giải bài toán về hai hệ dao động ghép đôi. Tính toán cho thấy tần số của mũi tên gắn vào khung di động thực tế sẽ giảm từ 70 xuống 50 tiết mỗi giây. Như vậy nguyên nhân đã được xác lập. Tất cả những gì còn lại là tính toán cách thay đổi độ dày của phần thẳng đứng của mũi tên để tránh cộng hưởng.

Sau đó, một loạt 1000 thiết bị có mũi tên sửa đổi đã được sản xuất. Hóa ra chiếc kim ở vị trí phẳng và sẽ không tạo ra bất kỳ rung động nào. Chỉ có 2 trong số 1000 thiết bị là vị trí đầu kim vẫn bị mờ, nhưng khi mở các thiết bị này ra thì hóa ra bàn tay cũ đã được đặt nhầm vào đó. Sau đó, tôi được mời làm việc tại phòng thí nghiệm của nhà máy song song với công việc ở trường đại học. Tôi đã đồng ý và trong thời gian này tôi đã học cách tự mình đặt ra và giải các bài toán lý thuyết ứng dụng bài toán. Điều này đã giúp tôi rất nhiều trong tương lai.

Giống như hầu hết các nhà vật lý lý thuyết, tôi phải làm việc trong nhiều lĩnh vực vật lý khác nhau. Vật lý nguyên tử, tia vũ trụ, lý thuyết về kim loại, hạt nhân nguyên tử, lý thuyết trường lượng tử, vật lý thiên văn - tất cả những lĩnh vực vật lý này đều có vẻ thú vị đối với tôi. Giờ đây, những câu hỏi cơ bản nhất đang được giải quyết trong lý thuyết các phần cơ bản và lý thuyết trường lượng tử, nhưng trong các lĩnh vực vật lý khác, còn rất nhiều câu hỏi thú vị chưa được giải quyết bài toán.

Để làm quen với các lĩnh vực vật lý khác nhau và quan trọng nhất - cảm nhận được mối liên hệ giữa chúng, sẽ rất hữu ích nếu đọc kỹ “Bài giảng Vật lý của Feynman” tuyệt vời được viết bởi nhà vật lý nổi tiếng người Mỹ Richard Feynman.

Cố gắng đọc tích cực, cố gắng giải các câu hỏi bài toán trong sách trước khi đọc lời giải.

Để tham gia vào khoa học, bạn không chỉ phải biết và có thể làm được nhiều điều mà còn phải trau dồi những phẩm chất tính cách nhất định ở bản thân. Dưới đây là một số lời khuyên.

Đừng trộn lẫn tất cả các khái niệm từ đầu đến cuối. Sự hiểu biết đến dần dần, là kết quả của sự làm việc chăm chỉ, khi bạn quen với những khái niệm mới. Một khái niệm thực tế, sâu sắc nhất thiết sẽ dẫn đến những kết quả mới, nhưng nó chỉ đến sau khi bạn đã làm việc tốt trong lĩnh vực này.

Nếu bất kỳ ý tưởng nào xuất hiện trong đầu, điều cần thiết không chỉ là xác nhận nó mà còn phải bác bỏ nó. Đây là cách duy nhất để học cách suy nghĩ tận tâm và khách quan.

Động lực chính phải là sự quan tâm đến vấn đề chứ không phải mong muốn có giải pháp hiệu quả. Tôi biết nhiều ví dụ về việc những người tài năng mất khả năng làm việc tận tâm vì mong muốn “khám phá thế giới”.

Bài toán của một nhà khoa học là sự kiên trì và tận tâm nghiên cứu về một hiện tượng mà anh ta quan tâm, khi mỗi bước nhỏ đều mang lại niềm vui. Khám phá chỉ đến như một sản phẩm phụ của nghiên cứu như vậy.

Từ một ý tưởng, thậm chí là ý tưởng tốt nhất, đến một chân lý khoa học đáng tin cậy - một con đường khó khăn và khó khăn, trải qua những nghi ngờ và đồng thuận, trải qua những thăng trầm, giống như leo lên một đỉnh cao bất khả chinh phục, từ đó mở ra những chân trời mới.