Bài giảng Điện học (Phần 23)

Chương 5 CÁC TRƯỜNG LỰCNền khoa học mũi nhọn dễ dàng thâm nhập vào nền văn hóa công chúng, đôi khi qua hình thức bị bóp méo. Trí tưởng tượng Newton thống trị khắp nơi chủ yếu với chất liệu đẹp vững chắc gọi là vật chất, nó được cấu thành từ những quả cầu có phần rắn chắc gọi là nguyên tử.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện học (Phần 23) Bài giảng Điện học (Phần 23) Chương 5 CÁC TRƯỜNG LỰC Nền khoa học mũi nhọn dễ dàng thâm nhập vào nền văn hóa công chúng, đôikhi qua hình thức bị bóp méo. Trí tưởng tượng Newton thống trị khắp nơi chủ yếuvới chất liệu đẹp vững chắc gọi là vật chất, nó được cấu thành từ những quả cầu cóphần rắn chắc gọi là nguyên tử. Vào đầu thế kỉ 20, các vị khách hàng của tiểuthuyết giật gân và nền khoa học đại chúng hóa bắt đầu nghe nói tới mộthìnhảnh mới của vũ trụ, toàn đầy tia X, tia N và sóng Hertz. Cái mà họ bắt đầu thấmnhập qua da của họ là sự xét lại triệt để quan niệm của Newton về một vũ trụ cấuthành từ các khối vật chất có vẻ tương tác thông qua các lực. Trong bức tranh mớixuất hiện, vũ trụ cấu thành từ lực, hay nói mang tính kĩ thuật hơn, từ những gợnsóng trong các trường lực phổ biến. Không giống như đa số độc giả của tácphẩm Những câu chuyện vũ trụ hồi năm 1941, bây giờ bạn có đủ kiến thức kĩ thuậtđể hiểu được một trường lực thật sự là cái gì. 5.1 Tại sao lại là các trường lực ? Sự trễ thời gian tác dụng lực từ xa Cái gì đã thuyết phục các nhà vật lí rằng họ cần đến quan niệm mới này vềmột trường lực ? Mặc dù chúng ta đã quen thuộc nhiều với lực điện, nhưng hãy bắtđầu với một ví dụ lực từ. (Thật ra lí do chủ yếu khiến tôi hoãn chưa bàn tới từ họcquá lâu vì các phép tính toán học của các hiệu ứng từ sẽ dễ nắm bắt hơn nhiều vớiquan niệm về trường lực) Trước hết, hãy nói qua một chút về cơ sở dẫn đến ví dụcủa chúng ta. Một thanh nam châm, a, có một trục mà nhiều quỹ đạo electron địnhhướng dọc theo đó. Chính Trái Đất cũng là một nam châm, mặc dù không phải loạidạng thanh. Tương tác giữa nam châm-Trái Đất và thanh nam châm, b, làm chochúng sắp thẳng hàng trục của chúng theo hướng ngược nhau (nói cách khác, cácelectron của chúng quay trong những mặt phẳng song song, nhưng một quỹ đạoquay theo chiều kim đồng hồ và quỹ đạo kia quay ngược chiều kim đồng hồ khinhìn dọc theo trục) Ở kích thước nhỏ hơn, bất kì hai thanh nam châm nào đặt ởgần nhau cũng sẽ tự sắp chúng đầu nối đuôi, c. Bây giờ chúng ta xét một ví dụ có liên quan. Rõ ràng là hai người cách nhaumột bức tường mỏng cỡ tờ giấy có thể sử dụng một cặp thanh nam châm để truyềntín hiệu cho nhau. Mỗi người sẽ cảm thấy nam châm của mình cố gắng xoay điphản ứng lại với bất kì chuyển động quay nào thực hiện bởi nam châm của ngườibên kia. Phạm vi thực tế của sự truyền thông sẽ rất ngắn đối với cách sắp đặt này,nhưng một thiết bị nhạy có thể thu được các tín hiệu từ tính từ những khoảng cáchxa hơn nhiều. Thật ra, ở đây không khác gì mấy so với radio thực hiện: các electronchạy lên chạy xuống trong ănten phát tạo ra lực tác dụng lên các electron trongănten thu ở xa. (Cả lực điện lẫn lực từ đều có mặt trong các tín hiệu radio thực tế,nhưng cho đến lúc này chúng ta không phải lo ngại gì về điều đó). Bây giờ, một câu hỏi tự nhiên phát sinh là có hay không sự chậm trễ thờigian trong loại truyền thông qua các lực từ (và điện) này. Newton nghĩ rằng không,vì ông quan niệm về nền vật lí dưới dạng tác dụng lực tức thời xuyên khoảng cách.Tuy nhiên, ngày nay chúng ta biết rằng có một sự chậm trễ thời gian như thế. Nếubạn thực hiện một cuộc gọi điện thoại đường dài gửi tín hiệu qua vệ tinh viễnthông, bạn sẽ dễ dàng có thể phát hiện sự chậm trễ khoảng chừng nửa giây trênhành trình 50.000 dặm khép kín của tín hiệu. Các phép đo hiện đại cho thấy các lựcđiện, lực từ và lực hấp dẫn đều truyền đi ở tốc độ ánh sáng, 3 x 108 m/s. (Thật ra,chúng ta sẽ sớm bàn đến việc chính bản thân ánh sáng cũng được cấu thành từđiện và từ). Nếu như mất chút ít thời gian cho lực truyền qua không gian, thì rõ ràng phảicó một thứ gì đó truyềnqua không gian. Thật ra thì hiện tượng truyền ra xa ở cùngtốc độ như nhau theo mọi hướng gợi ý rõ ràng tới phép ẩn dụ sóng như các gợnsóng trên mặt hồ. Nhiều bằng chứng cho thấy các trường lực là có thật: chúng mang nănglượng Luận cứ đanh thép cho khái niệm lạ lùng này về các gợn sóng lực xuất pháttừ thực tế là chúng mang năng lượng. Đầu tiên, hãy giả sử một người đang cầm thanh nam châm ở phía bên phảiquyết định lộn ngược nó lại, kết quả thu được là cấu hình d. Cô ta phải thực hiệncông cơ học để làm xoay nó, và nếu cô ta buông thanh nam châm ra, năng lượng sẽđược giải phóng khi nó quay ngược trở lại c. Rõ ràng cô ta đã dự trữ năng lượngkhi chuyển từ c sang d. Trong chừng mực nào đó, mọi thứ dễ dàng được giải thíchmà không cần khái niệm trường lực. Nhưng bây giờ hãy tưởng tượng hai người bắt đầu ở vị trí c và đồng thời lậtthanh nam châm của họ cực kì nhanh sang vị trí e, giữ chúng thẳng hàng với nhautrong toàn bộ thời gian đó. Hãy tưởng tượng, vì mục đích lập luận, rằng họ có thểlàm việc này nhanh đến mức từng nam châm bị đảo ngược trong khi tín hiệu lực từnam châm k ...