Bài giảng Vật lý học

Nội dung text: Bài giảng Vật lý học

1. Vật lý học Vật lý học một cách tổng quát nhất đĩ là khoa học nghiên cứu về "vật chất" và "sự tương tác". Cụ thể thì Vật lý khoa học nghiên cứu về các quy luật vận động của tự nhiên, từ thang vi mơ (các hạt cấu tạo nên vật chất) cho đến thang vĩ mơ (các hành tinh, thiên hà và vũ trụ). Trong tiếng Anh, từ vật lý (physics) bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp φύσις (phusis) cĩ nghĩa là tự nhiên và φυσικός (phusikos) là thuộc về tự nhiên. Đối tượng nghiên cứu chính của vật lý hiện nay bao gồm vật chất, năng lượng, khơng gian và thời gian. Vật lý cịn được xem là ngành khoa học cơ bản bởi vì các định luật vật lý chi phối tất cả các ngành khoa học tự nhiên khác. Điều này cĩ nghĩa là những ngành khoa học tự nhiên như sinh học, hĩa học, địa lý học chỉ nghiên cứu từng phần cụ thể của tự nhiên và đều phải tuân thủ các định luật vật lý. Ví dụ, tính chất hố học của các chất đều bị chi phối bởi các định luật vật lý về cơ học lượng tử, nhiệt động lực học và điện từ học. Vật lý cĩ quan hệ mật thiết với tốn học. Các lý thuyết vật lý là bất biến khi biểu diễn dưới dạng các quan hệ tốn học, và sự xuất hiện của tốn học trong các thuyết vật lý cũng thường phức tạp hơn trong các ngành khoa học khác. Sự khác biệt giữa vật lý và tốn học là ở chỗ, vật lý luơn gắn liền với thế giới tự nhiên, trong khi tốn học lại biểu diễn các mơ hình trừu tượng độc lập với thế giới tự nhiên. Tuy vậy, sự khác biệt khơng phải lúc nào cũng rõ ràng. Thực tế cĩ một ngành nghiên cứu thuộc lĩnh vực trung gian giữa tốn học và vật lý, đĩ là Tốn vật lý - ngành học phát triển các cấu trúc tốn học để phục vụ cho các lý thuyết vật lý. Lịch sử Từ xa xưa, con người đã cố gắng tìm hiểu về các đặc điểm của vật chất và đặt ra các câu hỏi như: tại sao một vật lại cĩ thể rơi được xuống đất? Tại sao vật chất khác nhau lại cĩ
2. các đặc tính khác nhau? Và vũ trụ kia vẫn là điều bí ẩn: trái đất được hình thành như thế nào? đặc điểm của các thiên thể như Mặt Trời hay Mặt Trăng ra sao? Một vài thuyết đã được đưa ra, nhưng đa phần đều khơng chính xác. Những thuyết này mang đậm nét triết lý và chưa từng qua các bước kiểm chứng như các thuyết hiện đại. Một số ít được cơng nhận, số cịn lại đã lỗi thời, ví dụ như nhà tư tưởng người Hy Lạp, Archimedes, đưa ra nhiều mơ tả định lượng chính xác về cơ học và thủy tĩnh học. Isaac Newton Thế kỷ thứ 17, Galileo Galilei là người đi tiên phong trong lĩnh vực sử dụng thực nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của lý thuyết, và nĩ là chìa khĩa để hình thành nên ngành khoa học thực nghiệm. Galileo xây dựng và kiểm tra thành cơng nhiều kết quả trong động lực học, cụ thể là Định luật quán tính. Năm 1687, Isaac Newton cơng bố cuốn sách Principia Mathematica, mơ tả chi tiết và hồn thiện hai thuyết vật lý: Định luật chuyển động Newton, là nền tảng của cơ học cổ điển, và Định luật hấp dẫn, mơ tả lực cơ bản của hấp dẫn. Cả hai thuyết trên đều được cơng nhận bằng thực nghiệm. Cuốn Principia Mathematica cũng giới thiệu một vài thuyết thuộc ngành thủy động lực học. Cơ học cổ điển được mở rơng bởi Joseph Louis Lagrange, William Rowan Hamilton, và một số nhà vật lý khác, là các người đã xây dựng lên các cơng thức, nguyên lý và kết quả mới. Định luật hấp dẫn mở đầu cho ngành vật lý thiên văn, ở đĩ mơ tả các hiện tượng thiên văn dựa trên các thuyết vật lý. Bước sang thế kỷ thứ 18, nhiệt động lực học được ra đời bởi Robert Boyle, Thomas Young và một số nhà vật lý khác. Năm 1733, Daniel Bernoulli sử dụng phương pháp
3. thống kê với cơ học cổ điển để đưa ra các kết quả cho nhiệt động lực học, từ đĩ ngành thống kê cổ điển được ra đời. Năm 1798, Benjamin Thompson chứng minh được việc chuyển hĩa cơ năng sang nhiệt, và năm 1847, James Prescott Joule dặt ra định luật bảo tồn năng lượng, dưới dạng nhiệt cũng như năng lượng cơ học, cơ năng. James Clerk Maxwell Đặc điểm của điện và từ tính được nghiên cứu bởi Michael Faraday, Georg Ohm, cùng với một số nhà vật lý khác. Năm 1855, James Clerk Maxwell thống nhất hai ngành điện học và từ học vào làm một, gọi chung là Điện từ học, được mơ tả bằng các phương trình Maxwell. Dự đốn của thuyết này đĩ là ánh sáng là một dạng sĩng điện từ. Năm 1895, Wilhelm Conrad Rưntgen khám phá ra tia X quang, là một dạng tia phĩng xạ điện từ tần số cao. Độ phĩng xạ được tìm ra từ năm 1896 bởi Henri Becquerel, và sau đĩ là Marie Curie (Maria Skłodowska-Curie), Pierre Curie, cùng với một số nhà vật lý khác. Từ đĩ khai sinh ra ngành vật lý hạt nhân. Năm 1905, Albert Einstein xây dựng Thuyết tương đối đặc biệt, kết hợp khơng gian và thời gian vào một khái niệm chung, khơng-thời gian. Thuyết tương đối hẹp dự đốn một sự biến đối khác nhau giữa các điểm gốc hơn là cơ học cổ điển, điều này dẫn đến việc phát triển cơ học tương đối tính để thay thế cơ học cổ điển. Với trường hợp vật tốc nhỏ, hai thuyết này dẫn đến cùng một kết quả. Năm 1915, Einstein phát triển thuyết tương đối đặc biệt để giải thích lực hấp dẫn, thuyết này do đĩ được gọi là Thuyết tương đối tổng quát hay Thuyết tương đối rộng, thay thế cho định luật hấp dẫn của Newton. Trong
4. trường hợp khối lượng và năng lượng thấp, hai thuyết này cũng cho một kết quả như nhau. Năm 1911, Ernest Rutherford suy luận từ thí nghiệm tán xạ về sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử, với thành phần mang điện tích dương được đặt tên là proton. Neutron, thành phần của hạt nhân nguyên tử khơng mang điện tích, được phát hiện ra năm 1932 bởi James Chadwick. Bước sang thế kỷ thứ 20, Max Planck, Einstein, Niels Bohr cùng với một số nhà vật lý khác xây dựng thuyết lượng tử để giải thích cho các kết quả thí nghiệm bất thường bằng việc mơ tả các lớp năng lượng rời rạc. Năm 1925, Werner Heisenberg và năm 1926 Erwin Schrodinger và Paul Dirac cơng thức hĩa cơ học lượng tử, để giải thích thuyết lượng tử bằng các cơng thức tốn học. Trong cơ lương tử, kết quả của các đo đặc vật lý tồn tại dưới dạng xác suất, và lý thuyết này đã rất thành cơng khi mơ tả các đặc điểm và tính chất của thế giới vi mơ. Cơ lượng tử là cơng cụ cho ngành vật lý vật chất rắn, một ngành nghiên cứu các tính chất vật lý của chất rắn và chất khí, bao gồm các đặc tính như cấu trúc mạng tinh thể, bán dẫn và siêu dẫn. Người đi tiên phong trong ngành vật lý vật chất đặc đĩ là Felix Bloch, người đã sáng tạo ra một bộ mặt lượng tử các tính chất của electron trong cấu trúc tinh thể năm 1928. Trong thời Đệ nhị thế chiến, các nghiên cứu khoa học đã phần hướng về ngành vật lý hạt nhân với mục đích tạo ra bom nguyên tử. Sự cố gắng của người Đức, dẫn đầu bởi Heisenberg, đã khơng thành cơng, nhưng dự án Manhattan của Mỹ đã đạt được được mục đích. Nhĩm khoa học người Mỹ, đứng đầu là Enrico Fermi đã là người đầu tiên xây dựng lị phản ứng hạt nhân năm 1942, và chỉ 3 năm sau, năm 1945, vụ thử hạt nhân đầu tiên đã diễn ra tại Trinity, gần Alamogorgo, New Mexico. Lý thuyết trường lượng tử được xây dựng để phát triển cơ lượng tử, với việc kết hợp thuyết tương đối hẹp. Một phiên bản mới được hình thành vào cuối năm 1940 bởi Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga và Freeman Dyson. Họ đã cơng thức hĩa thuyết điện động lực học lượng tử để mơ tả tương tác điện từ.
5. Thuyết trường lượng tử tạo nền cho ngành vật lý hạt, ở đĩ nghiên cứu các lực tự nhiên và các hạt cơ bản. Năm 1945. Dương Chấn Ninh và Robert Mills phát triển một dạng thuyết gauge, tạo cơ sở cho Mơ hình chuẩn. Mơ hình chuẩn đã được hồn chỉnh vào năm 1970, với thành cơng là việc mơ tả tất cả các hạt biết được khi ấy. Hai lý thuyết vật lý chính của thế kỷ 20, thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử, hiện khơng tương thích với nhau. Cơ học lượng tử mơ tả vật chất trong kích thước nhỏ hơn nguyên tử, trong đĩ khơng-thời gian là tuyệt đối, trong khi thuyết tương đối rộng mơ tả vũ trụ trên khoảng cách rộng lớn giữa các hành tinh trong hệ mặt trời cho rằng khơng thời gian bị bẻ cong bởi vật chất. Để thống nhất hai thuyết này, lý thuyết dây đã ra đời, mơ tả khơng-thời gian như một đa khơng gian, khơng phải của các điểm, mà của các vật cĩ hình dạng một chiều, gọi là dây. Lý thuyết này cho ra những kết quả nhiều hứa hẹn, nhưng chưa thể được kiểm chứng. Cuộc tìm kiếm các thí nghiệm để kiểm tra lý thuyết dây vẫn đang được tiến hành. Khái quát các nghiên cứu của Vật lý học Vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm Các nghiên cứu trong vật lý được chia ra làm hai loại riêng biệt, vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm. Từ thế kỷ thứ 20, đa phần các nhà vật lý thuộc một trong hai lĩnh vực này; chỉ cĩ một số ít các nhà vật lý thành cơng trên cả hai lĩnh vực cùng một lúc. Ngược lại, hầu hết các kết quả thành cơng trong sinh học hay hĩa học thuộc lĩnh vực thực nghiệm. Nĩi chung, các nhà lý thuyết xây dựng và phát triển các lý thuyết để giải thích cho những kết quả của thực nghiêm, và dự đốn cho những kết quả trong tương lại, trong khi các nhà thực nghiệm xây dựng và thiết lập các thí nghiệm kiểm chứng để khám phá ra những hiện tượng mới hay kiểm tra tính đúng đắn của các dự đốn trong lý thuyết. Mặc dầu ngành lý thuyết và ngành thực nghiệm được phát triển một cách độc lập, song giữa hai ngành này lại cĩ một mối quan hệ tương hỗ với nhau. Trong quá trình thí nghiệm, cĩ nhiều kết quả khác biệt so với dự đốn ban đầu, do đĩ cần đến những lý thuyết mới để giải thích cho kết quả tìm ra, và mơ tả những dự đốn mới. Nếu khơng cĩ thực nghiệm,
6. các nghiên cứu lý thuyết cĩ thể đi lạc đường, một thí dụ điển hình chính là thuyết M, một thuyết rất phổ biến trong ngành vật lý năng lượng cao, nhưng lại chưa từng cĩ một thí nghiệm kiểm chứng nào được hình thành. Các thuyết vật lý chính Mặc dầu đối tượng của vật lý được trải dài trên một khoảng rộng, từ thang vi mơ đến thang vĩ mơ, song chỉ cĩ một vài lý thuyết vật lý chính, bao quát được hết các hệ thống trong đĩ. Mỗi thuyết, về cơ bản, đều mơ tả đúng trên một phạm vi nhất định. Đầu tiên đĩ là thuyết cơ học cổ điển, mơ tả chính xác chuyển động của vật, với điều kiện vật này lớn hơn nhiều so với kích thước của nguyên tử và cĩ vận tốc nhỏ hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng. Với sự ra đời của Ba định luật chuyển động của Newton, làm nền tảng cho các nghiên cứu trong thế giới trung mơ, thế giới mà chúng ta đang sống. Thuyết này vẫn tiếp tục được nghiên cứu, một trong những thành cơng của nĩ chính là sự ra đời của lý thuyết hỗn độn ở thế kỷ 20. Tuy nhiên, một số nhà vật lý cho rằng thuyết cơ học cổ điển vẫn cĩ nhiều điểm hạn chế như khi được đặt ở một phạm vi khác, như thế giới vi mơ hay thế giới vĩ mơ, thì cơ học cổ điển khơng cịn mơ tả chính xác nữa. Cơ học cổ điển vấn rất gần gũi với chúng ta, bởi vì nĩ mơ tả đúng những gì trong thế giới mà chúng ta đang sống. Thuyết Chủ đề chính Các khái niệm Chiều, Khơng gian, Thời gian, Chuyển Định luật chuyển động của động, Kích thước, Vận tốc, Khối lượng, Newton, Cơ học Lagrangian, Cơ Động lượng, Lực, Năng lượng, Mơmen Cơ cổ điển học Hamiltonian, Lý thuyết hỗn động lượng, Mơmen lực, Định luật bảo loạn, Thủy động lực học, Cơ học tồn, Dao động điều hịa, Sĩng, Cơng cơ mơi trường liên tục học, Cơ năng, Điện từ học Điện tích, Dịng điện, Điện trường, Từ Tĩnh điện, Tính điện, Từ tính, trường, Điện từ trường, Bức xạ điện từ, Từ
7. Phương trình Maxwell đơn cực Nhiệt động lực học và Động cơ nhiệt, Thuyết động lực Hằng số Boltzmann, Entropy, Năng lượng Cơ học học tự do, Nhiệt, Hàm thành phần, Nhiệt độ thống kê Tích phân quỹ đạo, Phương Hàm số Hamiltonian, Hằng số Planck, Thuyết trình Schrưdinger, Lý thuyết Vướng víu lượng tử, Dao động điều hịa lượng tử trường lượng tử lượng tử, Hàm sĩng, Điểm năng lượng 0 Thuyết Thuyết tương đối hẹp, Thuyết Nguyên lý tương đương, Gốc tọa độ, tương đối tương đối rộng Khơng-thời gian, Vận tốc ánh sáng Các ngành của vật lý học Các nghiên cứu hiện tại trong vật lý được chia ra làm một số ngành riêng biệt, nhằm mục đích tìm hiểu các khía cạnh khác nhau của thế giới vật chất. Vật lý chất rắn được cho là ngành lớn nhất, quan tâm tới tính chất của phần lớn các vật chất, như chất rắn và chất lỏng trong thế giới thường ngày của chúng ta, dựa trên các đặc tính và tương tác giữa các nguyên tử. Ngành vật lý nguyên tử, phân tử và quang tử quan tâm tới đặc điểm riêng biệt của các nguyên tử và phân tử, ví dụ như việc chúng hấp thụ và bức xạ ánh sáng. Ngành vật lý hạt, được coi là ngành vật lý năng lượng cao ở đĩ nghiên cứu các tính chất của các hạt hạ nguyên tử, như các hạt cơ bản cấu thành nên vật chất. Và sau cùng là ngành vật lý thiên văn, ở đĩ ứng dụng các định luật của vật lý để giải thích các hiện tượng thiên văn học, với đối tượng là Mặt Trời, các thiên thể trong Hệ Mặt Trời cũng như tồn vũ trụ. Ngành Lĩnh vực Các thuyết chính Các khái niệm chính
8. Pha vật chất, Chất khí, Chất lỏng, Chất Vật lý chất rắn, Thuyết BCS, Sĩng rắn, Trạng thái đơng đặc Bose-Einstein, Vật lý chất Vật lý vật liệu, Bloch, Khí Fermi, Siêu dẫn, Siêu chảy, Tính điện, Từ tính, rắn Vật lý Polymer Dung dịch Fermi, Tự liên kết, Spin, Phá vỡ đối xứng tức thời Vật lý Vật lý nguyên nguyên tử, Nhiễu xạ, Bức xạ điện từ, Laser, Phân tử, Vật lý phân Quang lượng tử Quang tử cực, Đường phổ tử, Quang học học Lực cơ bản (Lực hấp dẫn, Lực điện từ, Mơ hình chuẩn, Tương tác yếu, Tương tác mạnh), Hạt Máy gia tốc, Vật lý hạt Thuyết thống nhất, cơ bản, Phản vật chất, Spin, Phá vỡ đối Vật lý hạt nhân Thuyết M xứng tức thời, Thuyết vạn vật Năng lượng chân khơng Big Bang, Lạm Vũ trụ học, pháp vũ trụ, Lỗ đen, Bức xạ phơng, Ngân hà, Lực Vật lý thiên Khoa học hành Thuyết tương đối hấp dẫn, Sĩng hấp dẫn, Hành tinh, Hệ văn tinh, Vật lý rộng, Định luật mặt trời, Sao Plasma hấp dẫn Vật lý ngày mai Năm 2004 qua đi, bên cạnh những thành cơng đạt được, vật lý học vẫn phải đối diễn với những câu hỏi lớn chưa cĩ lời giải.
9. Trong ngành vật lý chất rắn, vấn đề lý thuyết lớn nhất vẫn chưa được giải quyết là việc giải thích tính chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Ngồi ra cịn cĩ sự nỗ lực, cùng với một khối lượng lớn các thí nghiệm được thực hiện, với mục đích xây dựng các linh kiện spintronics và máy tính lượng tử. Trong ngành vật lý hạt, bằng chứng đầu tiên trong thí nghiệm của Mơ hình chuẩn mở rộng đã được tìm ra. Cùng với nĩ là việc cơng nhận neutrino cĩ khối lượng khác khơng. Những thí nghiệm này hình thành sẽ giải quyết các vấn đề cịn tồn tại bấy lâu nay trong bài tốn neutrino của Mặt Trời, thuộc ngành vật lý Thái dương hệ. Vật lý neutrino đang ở thời kỳ phát triển, với một số lượng lớn các nghiên cứu trên cả hai lĩnh vực lý thuyết và thực nghiệm. Trong vài năm tới, các máy gia tốc thang đo TeV sẽ hồn thành, ở đĩ các nhà thực nghiệm đặt nhiều hy vọng để phát hiện ra hạt Higgs boson và các hạt siêu đối xứng. Trong ngành thiên văn học, vẫn cịn cĩ nhiều hiện tượng chưa thể giải thích được, bao gồm sự tồn tại của tia vũ trụ năng lượng cao và tốc độ quay dị thường của các thiên hà. Các nhà vật lý đã đưa ra lời đề nghị về việc giải quyết những vẫn đề bao gồm thuyết tương đối hẹp kép, động lực học Newton sửa đổi và sự tồn tại của vật chất tối. Thêm vào đĩ, các dự đốn thiên văn của vài thập niên trở lại đây đều mâu thuẫn với những bằng chứng hiện tại về việc vũ trụ mở rộng cĩ gia tốc. Trên lĩnh vực lý thuyết, các nhà vật lý nỗ lực thống nhất cơ học lượng tử vào trong thuyết tương đối rộng, để thành một thuyết thống nhất, thuyết hấp dẫn lượng tử. Cơng việc này đã được nghiên cứu trong suốt 50 năm qua, tuy nhiên một thuyết hấp dẫn lượng tử hồn chỉnh vẫn chưa được ra đời. Bên cạnh đĩ, cịn phải kể đến những cố gắng trong việc xây dựng các thuyết hiện đại, nổi bật như thuyết M, thuyết dây và thuyết hấp dẫn lượng tử vịng. Năm 2005 là năm được tổ chức UNESCO của Liên Hợp Quốc chọn làm Năm vật lý thế giới. Đây là một hoạt động nhằm kỉ niệm và tơn vinh những thành tựu vật lý đã đạt được đối với khoa học cũng như đối với cuộc sống thường ngày trong những năm qua.