Vật lí học và phương pháp
khoa học vật lí
Nếu bạn thả rơi chiếc giày củabạn và một đồng tiền sát bên nhau, chúng sẽ
chạmđất cùng một lúc. Tại sao chiếc giày không rơi xuống trước,vì lực hấp dẫn
hút nó mạnh hơnmà ? Làm thế nào thủy tinh thể của mắt bạnhoạt độngđược, và
tác dụngcơ mắt của bạn phảinén thủytinh thể của nóthành những hình dạng
khác nhau để hội tụ các vật ở gần hay ở xa? Đây là những loạicâu hỏi mà các nhà
vật lí đã cố gắng trả lờivề hành vicủa ánh sángvà vật chất,hai thứ cấu thành nên
vũ trụ.
Phithuyền Mars Climate Orbiterchuẩn bị cho sứ mệnh
củanó. Các định luật vậtlí lànhư nhau ở mọi nơi, kể cả trên
Hỏatinh, nên con tàu có thể được thiết kế trên các định luật
vậtlí đã phát hiện trên trái đất. Có một lí do đángtiếc nữa lí
giảivì saophi thuyềnnày lại có liên quantới chủ đề của
chương này: nó bị phá hủy khicố đi vào bầu khí quyển củaHỏa
tinhvì các kĩ thuật viên tại LockheedMartin đã quên đổi số liệu
về độngcơ đẩy từ poundsang đơn vị hệ mét củalực (newton)
trướckhicung cấpthôngtin cho NASA. Việc đổi đơn vị thật
quan trọng !
1. Phương pháp khoa học
Mãi chođến rất gầnđây trong lịch sử, không có tiến bộ nào được thực hiện
trong việc trả lời những câu hỏi như thế này. Tệ hạihơn nữa, nhữngcâu trả lờisai
viết ra bởi các nhà tư tưởngnhư nhà vật lí người Hi Lạp cổ đại Aristotleđã được
chấpnhận mà không hề nghi ngờ trong hàng nghìnnăm. Tại sao kiến thứckhoa
học tiến triểnkể từ thời Phục hưng lại tiến bộ hơn toàn bộ thiên niên kỉ trước đó
kể từ khicó lịchsử ghi lại ? Rõràng cuộc cách mạngcông nghiệp là một phần của
câu trả lời.Việc phát triển các khẩu pháo, động cơ hơi nước,đòi hỏi nhữngkĩ thuật
cải tiến cho xâydựngvà đo lườngchính xác.(Ngay từ sớm,nó đã được xemlà một
tiến bộ lớn khicác cửa hàngmáy móc ở Anhhọc đượccách chế tạopiston và
xilanh và lắp vào nhauvới một khe hẹp hơnbề dày của đồngpenny) Nhưng trước
cả cách mạng côngnghiệp,đã cócác bước khám phá, chủ yếu vì đưa ra phương

của một nhà giả kim thuật. H. Cock, vẽ lại
theo PeterBrueghel(thế kỉ 16)
Một thídụ của chu trình lí thuyết và thực nghiệm, một bướctiến cần thiết
đến nền hóa họchiện đại là quan sát thực nghiệm cho thấy các nguyên tố hóahọc
khôngthể chuyển hóa lẫn nhau, chẳnghạn như chì không thể biến thànhvàng.
Điều nàydẫn tới lí thuyết chorằng cácphản ứng hóa học bao gồm sự sắp xếp lại
của cácnguyên tố theo những kết hợp khác nhau,không cóbấtkì sự thayđổi nào ở
nhândạngcủa bảnthân các nguyên tố.Lí thuyết đó hoạt độngtrong hàngtrăm
năm, và được xác nhận bằng thựcnghiệm trên một phạm vi rộng của áp suất và
nhiệt độ và với nhiều kết hợpcủa các nguyên tố. Chỉ trong thế kỉ 20, chúng ta mới
biết rằng một nguyên tố cóthể chuyểnhóa thành một nguyên tố khác dưới những
điều kiện áp suất và nhiệt độ cực cao tồn tại trong quả bom hạt nhân hoặcbên
trong một ngôisao. Quan sát đó không hoàn toàn vô hiệu hóalí thuyết banđầu về
sự bất biến của các nguyên tố, nhưngnó cho thấynó chỉ là một sự gần đúng,hợp lí
ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường.
Một pháp sư lên đồng tham gia nói chuyện với linh hồn người đã mất. Ông nói
ông có sức mạnh ma thuật đặc biệt mà người khác không có, nó cho phép ông “liên
lạc” thông tin với các linh hồn. Ở đây, phần nào của nguyên tắc khoa học đã bị vi
phạm ?
Phương pháp khoahọc mô tả ở đây là một sự lí tưởng hóa, và không nên
hiểu là một tậphợp thủ tụcdùng trong làm khoa học. Các nhà khoa họccó nhiều
nhượcđiểm và tính xấu như mọi nhómngười khác, và rất thườngxảy ravớicác
nhà khoahọc là cố gắng làm mất uy tín của thí nghiệm của người khác khi kết quả
của người ta trái ngượcvớiquan điểm ưa thích của họ. Nềnkhoa họcthành công
cũng phải làm việc với sự may mắn, trực giácvàsáng tạo nhiều hơn đa số mọi
người nhận thấy, và hạnchế của phươngpháp khoahọc là không hề kiềmchế cá
tính và sự tự biểu hiện hơn sovới dạng fugue sonatakiềm chế Bach và Haydn.Có
một xu hướng gần đây trong số các nhàkhoa học xãhội là đixa hơn nữa vàđi tới
phủ nhận sự tồn tại của phương phápkhoa học,khẳng định khoahọc không gì hơn
là một hệ thống xã hội độc đoán xác địnhý tưởng nào đượcchấp nhận dựa trên

tưởng của ông. Phật giáo còn có thể xem là có tính sinh sôi, vì Đức Phật bảo các môn
đồ của ông rằng họ có thể tìm sự khai sáng cho chính họ nếu họ tuân theo một khóa
nghiên cứu và rèn luyện nhất định. Hỏi Phật giáo có phải là một hoạt động theo đuổi
khoa học hay không ?
2. Vật lí là gì ?
Cho rằng trong chốc lát, một người thông minh có thể lĩnh hội tất cả các lực
mà nhờ đó tự nhiên được cấp thêm sinh khí và vị trí tương ứng của những thứ tạo
ra nó… thì không có gì là không chắc chắn, và tương lai cũng như quá khứ sẽ nằm
trước mắt nó.
Pierre Simon de Laplace
Vật lí là sử dụng phương pháp khoa họcđể tìm ra cácnguyên lí cơ bản chi
phốiánhsáng và vậtchất, và khám phá ra hệ quả củanhững định luật này. Một
phần củacái phân biệt quanđiểm hiện đại với thế giới quan cổ đại là giả địnhcó
những quyluật mànhờ đó các chứcnăng vũ trụ,và nhữngđịnh luậtđó có thể được
hiểu ítnhất là phần nào đó bởi con người. Từ kỉ nguyên Lí trí chođến thế kỉ 19,
nhiều nhà khoahọc bắt đầu bị thuyết phục rằng các định luật tự nhiênkhông
những có thể hiểu được mà, như Laplacekhẳng định,những địnhluật đó về
nguyêntắc còn có thể sử dụng để tiênđoán mọithứ về tươnglai của vũ trụ nếu
như có đủ thông tin về trạng thái hiện naycủatoàn bộ ánh sáng vàvật chất. Trong
những phần sau, tôi sẽ môtả hai loại giới hạn chungtrên tiênđoán sử dụng các
định luật vật lí, chúng chỉ được ghi nhận trongthế kỉ 20.
Vật chất có thể định nghĩa là thứ gì đó bị tác dụng bởi hấp dẫn, tức là nó có
trọng lực hay sẽ có sức nặng nếu nó nằm gần Trái đất hoặc một ngôi sao khác hoặc
một hành tinh đủ nặng để tạo rasức hấpdẫn có thể đo được. Ánh sángcó thể định
nghĩa là thứ gì đó cóthể truyềntừ nơi này sangnơi khác quakhông giantrống
rỗng và có thể tác dụng lên vật chất, nhưng khôngcó trọng lượng.Ví dụ, ánh sáng
Mặttrờicó thể tácdụnglên cơ thể bạn bằng cách làm nónóng lên hayphá hỏng
DNA củabạn và làm cho bạnbị ungthư da. Định nghĩa ánh sáng của nhà vậtlí bao
gồm nhiều hiện tượng phongphú khôngnhìn thấy vớimắt thường, gồm cósóng vô
tuyến, visóng, tia X và tia gamma.Những đối tượngnày là “màu” củaánhsáng

trên được gọi tên qua số danhmục của nó,
MG1131+0456, hay tên gọikémchính thức
hơn là VòngEinstein.
Một số thứ dường như khôngtrọng lượng lại thậtsự có trọng lượng, và vì
thế được xem làvậtchất. Không khí có trọng lượng, và vì thế nó là mộtdạng vật
chất, mặc dù 1 inchkhối không khí nhẹ hơncả một hạt cát. Quả bónghelium có
trọng lượng, nhưngđược giữ cho khỏirơi xuống bởi lực tácdụngcủa không khí
xungquanh đậm đặc hơn, chúng đẩy nó lên. Các nhà thiên văn trên quỹ đạo xung
quanh Trái đất có trọng lượng,và đangrơi theo mộtđườngcong,nhưng họ chuyển
độngquá nhanh nên cung congcủa quỹ đạo rơi của họ đủ rộngđể manghọ theo
hành trìnhxung quanh Trái đất có dạnghìnhtròn. Họ tự cảm thấy mình không có
trọng lượng vì tổ hợp không gian đangrơi cùng với họ, và vìthế sàn đỡ không đẩy
chân họ lên.
Sự thay đổi hiện đại ở định nghĩa ánh sáng và vật chất
Einstein tiên đoán một hệ quả của lí thuyết tương đối của ông là ánh sáng sau
hết thảy sẽ bị tác động bởi hấp dẫn, mặc dù hiệu ứng đó cực kì yếu dưới những điều
kiện bình thường. Tiên đoán của ông đã khai sinh ra các quan sát sự bẻ cong tia
sáng phát ra từ các sao khi chúng đi gần Mặt trời trong hành trình của chúng đến
với Trái đất. Lí thuyết của Einstein còn gợi ý sự tồn tại của các lỗ đen, các sao nặng
và rắn chắc đến mức sức hấp dẫn mạnh của chúng không cho phép ánh sáng thoát
ra ngoài (Hiện nay, có bằng chứng mạnh mẽ cho thấy các lỗ đen thật sự tồn tại).
Giải thích của Einstein là ánh sáng không phải thật sự có khối lượng, mà là
năng lượng bị tác động bởi hấp dẫn giống hệt như khối lượng vậy. Năng lượng
trong một chùm sáng tương đương với một lượng khối lượng nhất định, cho bởi
công thức nổi tiếng E = mc
2
, trong đó c là tốc độ ánh sáng. Vì tốc độ ánh sáng là một
con số lớn, nên một lượng lớn năng lượng là tương đương với chỉ một lượng rất nhỏ
của khối lượng, nên lực hấp dẫn tác dụng lên tia sáng có thể bỏ qua trong đa số mục
đích thực tiễn.

giới. Bất kì bộ phận nàocủavũ trụ được xem là tách rời khỏi phần còn lại có thể
gọi là một “hệ”.
Vật lí họcđã có những thành côngto lớn của nó khi tiến hành quá trìnhcô
lập này để cáchli, chia nhỏ vũ trụ thành những phầnngày càng nhỏ hơn. Vật chất
có thể chia thành các nguyêntử, và hànhvi của từngnguyên tử có thể nghiên cứu
được. Các nguyên tử có thể phân chiathành các neutron,proton và electroncấu
thành của chúng.Proton vàneutronhình như được cấu thành từ cáchạt còn nhỏ
hơnnữagọi là quark,và đã có mộtsố khẳng định bằng chứng thực nghiệm các
quark có những bộ phận nhỏ hơn bên trong chúng.Phương pháp phân tích cácthứ
thành những bộ phận cànglúc càng nhỏ hơn và nghiêncứuxem những bộ phận đó
tương tác lẫn nhaunhư thế nàođược gọi là sự giản hóa luận. Hi vọng làcácquy
luật có vẻ phức tạp chi phốinhững đơn vị lớn có thể đượchiểu tốt hơn dưới dạng
những quyluật đơn giản hơn chi phốinhững đơn vị nhỏ hơn. Để đánh giá đúng cái
do giản hóa luận mang lại cho khoahọc, chỉ cần nghiên cứu một cuốn sách giáo
khoa hóa học thờithế kỉ 19. Vào lúc ấy, sự tồn tại của các nguyên tử vẫn còn bị một
số người nghi ngờ, các electronthì bị khả nghi là khôngtồn tại, vàhầu như người
ta chẳnghiểu những quy luật cơ bản nào chi phối cách thứccác nguyên tử tương
tác lẫn nhau trong phản ứng hóa học. Học sinh phải ghi nhớ nhữngdanh sách dài
các hóa chất và phản ứng của chúng,và không cócách nào hiểu được nó một cách
có hệ thống. Ngày nay, học sinhchỉ cần ghi nhớ một tập hợp nhỏ các quy luật về
cách thức các nguyên tử tươngtác, chẳng hạn cácnguyên tử thuộc một nguyên tố
khôngthể nào chuyển hóa thành nguyên tố khác qua phản ứng hóa học, haycác
nguyêntử ở phía bênphải của bảnghệ thống tuần hoàn có xuhướnghìnhthành
liên kết mạnh với các nguyên tử ở phía bên trái.
A. Tôi vừa đề nghị thay định nghĩa bình thường của ánh sáng bằng một định
nghĩa mang tính kĩ thuật hơn, chính xác hơn bao hàm sự không trọng lượng. Dù vậy,
vẫn có khả năng là chất liệu mà một cái bóng đèn tạo ra, thông thường gọi là “ánh
sáng”, thật sự có một lượng nhỏ trọng lượng nào đó. Hãy đề xuất một thí nghiệm
nhằm đo xem nó có trọng lượng hay không.
B. Nhiệt không có trọng lượng (tức là một vật không hề trở nên nặng hơn khi

trọng như nhau mà họ phải học thuộc.
Khi tìm hiểu bất kì vật nào,điều quantrọng là càng liênhệ tích cực càng tốt,
từ không tìm cách đọctoàn bộ thông tin mộtcách nhanhchóng màkhôngnghĩ về
nó. Một ý tưởnghaylà hãy đọcvà nghĩ tới những câu hỏi đặt ra ở cuối mỗi phần
của nhữngtài liệu này khibạn gặp chúng, saocho bạn biết rằng bạn đã hiểu cái
mình đang đọc.
Khó khăn củanhiều học sinhvề vật lí rútlại chủ yếu là những khó khăn với
toánhọc. Giả sử bạncảm thấy tự tin rằng bạncó đủ nền tảng toán học để thành
công trong khóa học này, nhưng bạn đang gặp rắc rối với mộtsố thứ nhất định.
Trongmộtsố lĩnh vực,nhận xét chính nêu trongchương này có lẽ là đủ, nhưng
trong một số lĩnhvực khác, nó có khả năng không đủ.Một khi bạn nhậnra những
lĩnh vựctoán học mà bạn gặp trục trặc, hãy tìm sự hỗ trợ trong nhữnglĩnh vực đó.
Đừng lêchân quatoàn khóa học với cảm giác mơ hồ nghĩ tới màsợ về thứ kiểu
như khái niệm khoahọc. Khó khăn sẽ không biến mấtnếu bạn bỏ qua nó. Điều
tương tự áp dụng cho các kĩ năng toánhọc cần thiết mà bạn học trong khóa học
này lần đầu tiên,ví dụ như phép cộng vector.
Đôi khi,học sinh bảo tôi họ đã cố gắng tìm hiểu một chủ đề nhấtđịnhtrong
sách, và nó không có ý nghĩa gì hết. Thứ tồi tệ nhất bạn có thể làm trong tìnhhuống
đó là cố đọctới đọc lui một trangđó mãi. Mỗi sách vở giải thích những thứ nhất
định thật tệ - kể cả sách của tôi! – nênthứ tốt nhất để làm trong tìnhhuốngnày là
nhìn vào một cuốn sách khác. Thay cho giáo trình nhắm tới cùng mức độ toán học
như khóa học bạnđangtham gia, trong một số trường hợp, bạn cóthể nhận thấy
sách vở trung học haysách ở mức độ toánthấp hơn cho lời giải thích rõ rànghơn.
Ba cuốn sách liệt kê ở bên trái, theo quan điểm của tôi, là nhữngcuốnsách giới
thiệuvậtlí học tốt nhất hiện có, mặc dù chúng không thích hợp làmsách giáokhoa
sơ cấp chokhóa họccao đẳng về khoa học cơ bản.
Cuối cùng, khi ôn tập thi,đừng nên ràsoát lại nhữngcâu chữ và chú ýnhư
bạn đã học. Thayvì vậy, hãy thử sử dụng một phương pháp ôn tập tích cực, chẳng
hạn bằng việc thảo luận một số câuhỏi với học sinhkhác, hoặc làm bàitập ở nhà
mà bạnchưa từnglàm lần nào.