thumbnail - 10 thí nghiệm vật lý đã thay đổi vĩnh viễn hiểu biết loài người về vũ trụ - Phần 1
Thu Hà
Hà Nội

10 thí nghiệm vật lý đã thay đổi vĩnh viễn hiểu biết loài người về vũ trụ - Phần 1

Không ai có thể xác định được tác động của khoa học đối với nền văn minh nhân loại, tầm quan trọng của thử nghiệm trong khoa học là không thể phủ nhận. Có nhiều thí nghiệm đã minh chứng cho những gì chúng ta đã biết, những thí nghiệm khác đề xuất một cơ chế dẫn đến các hiện tượng quan sát được. Với loại thí nghiệm thứ hai này, chúng ta có thể nghĩ đến nhân vật Archimedes huyền thoại với màn nhảy ra khỏi bồn tắm kinh điển và câu hét "Eureka!" khi ông nhận ra rằng sự dịch chuyển của nước có liên quan trực tiếp đến thể tích của một vật thể được đặt trong đó.

Hầu hết các nghiên cứu khoa học đều dựa trên việc điều tra về những điều chúng ta chưa biết, các nhà khoa học đã quan sát một hiện tượng, vật thể nào đó, phát triển một giả thuyết cần kiểm tra, và sau đó thiết kế các thí nghiệm để kiểm tra điều này. Nhưng các thí nghiệm khác có ảnh hưởng sâu sắc hơn đến sự hiểu biết của chúng ta, gợi ý những điều chúng ta không hề biết - đó chính là "những ẩn số chưa biết". Lịch sử khoa học đã chứng kiến những thí nghiệm trong tất cả các lĩnh vực chính đã mang lại kết quả thay đổi mô hình hoặc thậm chí phá vỡ hiện trạng từng tồn tại trong thời gian dài. 

Nhưng khi nói đến sự hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ, có lẽ không lĩnh vực khoa học nào mang lại nhiều kết quả làm thay đổi cơ bản hiểu biết của chúng ta về vũ trụ hơn vật lý. Sau đây là những thí nghiệm vật lý này về cơ bản đã thay đổi cách chúng ta nhìn vũ trụ và vị trí của chúng ta bên trong nó.

1. Thí nghiệm của Galile: Trái đất di chuyển từ trung tâm của Vũ trụ

10 thí nghiệm vật lý đã thay đổi vĩnh viễn hiểu biết loài người về vũ trụ - Phần 1 

Ý tưởng cho rằng Trái đất quanh quay mặt trời cùng với phần còn lại của các hành tinh có vẻ không có những tranh cãi đặc biệt, nhưng có vẻ như vào những năm 1600 con người đang không chấp nhận một thực tế về việc trái đất Trái đất không có vị trí đặc quyền trong vũ trụ hay đơn giản là chiếm một góc nhìn độc đáo.

Mặc dù khái niệm về một Trái đất hình cầu xoay quanh một "ngọn lửa trung tâm" đã gieo mầm cho thuyết nhật tâm ngay từ thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên qua sự suy ngẫm của các nhà triết học Philolaus và Hicetas, một điều gì đó đã được Aristarchus of Samos mở rộng hai thế kỷ sau đó.  Tư tưởng khoa học vào thế kỷ sau Công nguyên đã bị thống trị bởi thuyết địa tâm, hay lấy Trái đất làm trung tâm, của Claudius Ptolemy ở Alexandria. Điều này kéo dài  trong gần 1.400 năm cho đến khi cuốn sách De Revolutionutionibus orbium coelestium libri VI (Sáu cuốn sách liên quan đến các cuộc cách mạng của các quả cầu trên trời) của Nicolaus Copernicus được xuất bản xem xét lại về thuyết Nhật tâm. 

Nhà triết học tự nhiên, nhà thiên văn học và nhà toán học người Ý Galileo Galilei sẽ thực hiện các bước thử nghiệm để chứng kiến cái gọi là mô hình Copernicus của một hệ mặt trời lấy mặt trời làm trung tâm cuối cùng được chấp nhận là phiên bản chính xác của không gian ở quy mô địa phương. Đến năm 1610, Galileo đã quan sát hành tinh Venus, phát hiện ra rằng nó có các pha dao động giống như mặt trăng. Galileo lý luận rằng những giai đoạn này chỉ có thể được giải thích là do sao Kim quay quanh mặt trời, khi có dịp đi qua phía sau và bên ngoài ngôi sao của chúng ta hơn là quay quanh Trái đất.

Quan niệm cho rằng Trái đất không phải là trung tâm của vũ trụ sẽ khiến nhà thờ phẫn nộ, những người tin rằng nó mâu thuẫn với kinh thánh. Chính điều này dẫn đến quá trình thẩm tra được tiến hành chống lại Galile, khiến ông không thể nói thêm nhiều về thuyết nhật tâm.

2. Thí nghiệm tách ánh sáng của Newton nhằm xác định bản chất của màu sắc

10 thí nghiệm vật lý đã thay đổi vĩnh viễn hiểu biết loài người về vũ trụ - Phần 1 

Mặc dù định luật chuyển động của Sir Issac Newton và những đóng góp của ông cho lý thuyết hấp dẫn được nhiều người coi là thành tựu đỉnh cao của ông, nhưng niềm đam mê lớn nhất của ông lại là lĩnh vực quang học.

Vào thế kỷ 17, khi quang học đang phát triển như một lĩnh vực vật lý với sự phát triển của các dụng cụ như kính hiển vi, Newton quyết định tìm hiểu bản chất của ánh sáng, lần lượt khám phá cách màu sắc hình thành. Tuy nhiên, kỳ lạ là thí nghiệm do Newton nghĩ ra để thực hiện điều này lại vô cùng đơn giản. Nhà vật lý đã đẩy một lỗ kim nhỏ qua rèm cửa số của mình để cho một chùm ánh sáng mặt trời chiếu qua.  Ông phát hiện ra rằng khi bị khúc xạ bởi một lăng kính, ánh sáng này biến đổi thành một hình thuôn dài tạo nên từ các màu sắc khác nhau. Newton phát hiện ra rằng bất kể hình dạng hay kích thước của lỗ mà ánh sáng lọt qua, đó cũng là hình dạng của chùm ánh sáng mặt trời, thì ánh sáng khúc xạ vẫn là một khối thuôn dài có cùng màu sắc theo cùng một thứ tự.

Đáng ngạc nhiên hơn nữa, ông cũng phát hiện rằng nếu có màu đen thứ hai, hoàn toàn có thể thay đổi cầu vồng trở lại thành ánh sáng trắng. Điều này cho thấy ánh sáng trắng từ mặt trời được tạo ra từ các tế bào có nhiều màu sắc khác nhau. Tìm hiểu sâu hơn, Newton nhận thấy rằng ánh sáng đỏ hoặc xanh lam, khi bị lăng kính khúc xạ, vẫn không thay đổi.

Khám phá quan trọng nhất mà thí nghiệm này mang lại là thực tế là góc khúc xạ ánh sáng phụ thuộc vào màu sắc của nó, gợi ý đầu tiên rằng màu sắc của ánh sáng có tần số và bước sóng riêng.

3. Thí nghiệm Geiger-Marsden về hạt nhân của nguyên tử

10 thí nghiệm vật lý đã thay đổi vĩnh viễn hiểu biết loài người về vũ trụ - Phần 1 

Khái niệm về nguyên tử đã xuất hiện  từ thời Hy Lạp cổ đại, với bản thân từ này bắt nguồn từ từ "atomos" trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là "không thể phân chia" được nữa. Cho đến năm 1897, các nhà khoa học tin rằng nguyên tử không có cấu trúc bên trong và là đơn vị vật chất nhỏ nhất. Đó là trước khi Joseph John Thomson phát hiện ra một hạt nhỏ mang điện tích âm - electron.

Năm 1904, JJ Thomspon cho rằng những hạt này được nhúng vào một chất tích điện dương giống như trái cây phân tán trong bánh pudding trong mô hình nguyên tử được đặt tên theo tên ông. Tuy nhiên, mô hình này đã bị lật ngược bởi thí nghiệm Geiger-Marsden, còn được gọi là thí nghiệm lá vàng hoặc thí nghiệm tán xạ hạt α, được tiến hành bởi nhóm của Ernest Rutherford và các đồng nghiệp.

Theo đó, việc bắn ra các hạt α - mà ngày nay chúng ta biết là giống với hạt nhân heli-4 - được phát ra bởi một nguồn phóng xạ ở một tấm lá vàng mỏng. Rutherford giải thích rằng nếu mô hình bánh pudding của nguyên tử là chính xác thì các hạt di chuyển này sẽ trải qua sự chệch hướng nhỏ nhất. Điều này là do một hạt α có khối lượng lớn hơn electron khoảng 7.000 lần. 

Các thí nghiệm năm 1911 cho thấy rằng đôi khi các hạt α trải qua một độ lệch lớn. Trong khi chỉ có một trong 20.000 hạt alpha bị lệch 45 ° hoặc hơn, điều này đủ để khơi nguồn cho suy nghĩ lớn về nguyên tử và tiết lộ sự hiện diện của hạt nhân nguyên tử. 

Rutherford đã so sánh kết quả với việc bắn một quả đạn pháo 15 inch vào một tờ giấy lụa và để nó dội lại trực tiếp vào bạn. Điều này cho thấy rằng phần lớn vật chất trong nguyên tử tập trung ở tâm của nó. Rutherford đề xuất một mô hình nguyên tử với các electron quay quanh một hạt nhân nặng mang điện tích dương.

Mô hình này theo thời gian có thể bị thay đổi, nhưng nó đại diện cho một bước quan trọng trong việc khám phá ra proton và neutron cũng như tiết lộ cấu trúc nguyên tử.

4. Nghịch lý song sinh: Thí nghiệm về thời gian là tương đối

10 thí nghiệm vật lý đã thay đổi vĩnh viễn hiểu biết loài người về vũ trụ - Phần 1 

Đối với Newton, khái niệm không gian khá đơn giản. Ở thời điểm của ông, các sự kiện của Vũ trụ diễn ra đơn giản. Tuy nhiên, trong suốt hai thập kỷ của Thế kỷ 20, Albert Einstein đã phá bỏ quan niệm về không gian thông thường, cho thấy không gian đóng vai trò quan trọng trong các sự kiện của Vũ trụ, vừa chỉ đạo hành động vừa chịu ảnh hưởng của các tác nhân khác như khối lượng. 

Điều này tự nó đã là một cuộc cách mạng, nhưng Einstein không dừng lại ở đó, ông cho thấy thời gian và không gian là một thực thể duy nhất với chiều thứ 4 của thời gian cũng như có thể thay đổi như không gian tùy thuộc vào hoàn cảnh của người quan sát.

Trong khi Einstein đã trở thành bậc thầy của thử nghiệm Gedankenex - hay thí nghiệm tư duy  - để phát triển lý thuyết đặc biệt và sau đó là thuyết tương đối rộng, thì có một thí nghiệm khác có lẽ là minh chứng rõ nhất cho cách tiếp cận đột phá của Einstein đối với thời gian, cái gọi là "nghịch lý song sinh."

"Nghịch lý song sinh" thể hiện ý tưởng rằng "đồng hồ chuyển động chạy chậm" và khái niệm về thời gian giãn nở. Nó tưởng tượng ra hai chị em sinh đôi - Terra và Astra - hai người sau này nổ tung từ Trái đất trong một tên lửa hướng tới một hệ sao xa xôi. Terra đợi ở Trái đất và từ hệ quy chiếu của mình, cô sẽ thấy đồng hồ di chuyển của Astra đang chạy chậm. Trong hệ quy chiếu của Astra, không phải đồng hồ của cô ấy đang chuyển động mà là của Terra. Điều đó có nghĩa là cô ấy thấy đồng hồ của Terra chạy chậm hơn đồng hồ của mình. 

10 thí nghiệm vật lý đã thay đổi vĩnh viễn hiểu biết loài người về vũ trụ - Phần 1 

Khi gặp lại nhau ở Trái Đất. hai chị em phát hiện ra rằng Terra đã già đi trong khi Astra vẫn giữ được tuổi trẻ của mình, và lý do đây là một trong những khía cạnh quan trọng của thuyết tương đối hẹp, nó chỉ áp dụng cho các hệ quy chiếu phi quán tính - hệ quy chiếu không tăng tốc. Trong chuyến du hành xuyên vũ trụ của Astra, có rất nhiều thời điểm khi cô ấy phải tăng tốc, điều này cũng bao gồm cả việc thay đổi hướng đi.

Sự khác biệt về tuổi tác giữa Terra và Astra phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ, thời gian đã du hành khỏi Trái Đất và số lần phải thay đổi tốc độ hoặc hướng đi. Hiệu ứng của sự giãn nở thời gian không còn bị giới hạn trong các thí nghiệm về tư duy khác. Các nhà vật lý đã đo lường tác động của nó đối với các hạt Muons tồn tại trong thời gian ngắn. Khi được tạo ra bởi các tia vũ trụ va vào bầu khí quyển phía trên, các hạt này chỉ tồn tại trong 2,2 micro giây. Ngay cả khi tính toán theo thời gian giãn nở và vận tốc đáng kinh ngạc của các hạt muon –- 0,98c hay 98% tốc độ ánh sáng –- thì rất ít hạt trong số này có thể tồn tại đủ lâu để tấn công bề mặt hành tinh của chúng ta. Nhưng nhờ sự giãn nở thời gian, giống như việc Astra giữ lại tuổi trẻ của mình, nhiều hạt trong số này tồn tại đủ lâu để đến được bề mặt hành tinh.

5. Thử nghiệm khe kép

Phần 1: xác định bản chất của ánh sáng

10 thí nghiệm vật lý đã thay đổi vĩnh viễn hiểu biết loài người về vũ trụ - Phần 1 

Sự phân tách của ánh sáng khi nó đi quan một lăng kính là sự khởi đầu của cuộc điều tra của các nhà khoa học về khía cảnh cơ bản này của thực tại. Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã tranh cãi gay gắt về việc liệu ánh sáng là hạt hay sóng. Thí nghiệm khe kép đã chứng minh ánh sáng không phải là hạt, cũng không phải là sóng, mà có các tính chất của cả hai.

Thí nghiệm về khe kép bắt đầu bằng ánh sáng đơn sắc - ánh sáng có một bước sóng và do đó có màu - chiếu qua hai khe có bề rộng cách nhau một khoảng bằng với bước sóng của nó. Khi sóng đi qua cả hai khe, nó tách ra thành 2 làn sóng mới - giống như sóng nước khi chạm vào một tảng đá. Hai sóng này sau đó giao thoa với nhau, khi một đỉnh gặp một đáy, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau - được gọi là giao thoa triệt tiêu. Tuy nhiên, khi một đỉnh gặp đỉnh, các sóng sẽ được củng cố - đây là hình thức giao thoa có tính xây dựng - và những điểm có ánh sáng sáng nhất. Trên bức tường thứ hai phía sau màn, ánh sáng tạo ra một dạng vân, gọi là hệ vân giao thoa. Điều này chứng tỏ bản chất sóng của ánh sáng.

Nếu ánh sáng truyền qua các khe bị giảm cường độ xuống một photon tại một thời điểm, chúng ta sẽ thấy một tòa nhà phân bố giống như hạt trên màn hình. Tuy nhiên, khi các hạt chồng chất lên nhau, một mẫu giao thoa bắt đầu hình thành giống như các photon đang giao thoa với chính chúng.  Điều này chứng tỏ rằng trong khi một photon được phát hiện là có các đặc tính của một hạt, thì giao thoa duy nhất đối với một sóng xuất hiện đi qua khe kép, do đó tiết lộ rằng photon có các đặc tính của một hạt và một sóng.

Thí nghiệm khe kép phần 2

10 thí nghiệm vật lý đã thay đổi vĩnh viễn hiểu biết loài người về vũ trụ - Phần 1 

Thí nghiệm khe kép phần 1 ở trên đã tiết lộ tính lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng, nhưng các nhà nghiên cứu quyết tâm thực hiện thí nghiệm với một hạt khác, thay thế ánh sáng bằng các electron - những hạt cơ bản mang điện tích âm cực nhỏ của vật chất. 

Họ sử dụng súng bắn điện tử để bắn các hạt qua phần khe kép tới màn hình huỳnh quang hoặc một loại máy dò hạt khác, các điện tử dường như xuất hiện một cách ngẫu nhiên. Khi nhiều điện tử đi qua các khe, một hình thức giao thoa - các dải tối "chạm" và ánh sáng bỏ qua - phát triển giống như chúng ta thấy với các photon ngụ ý rằng các điện tử đang di chuyển giống như các photon hay sóng. Hình ảnh giao thoa này sẽ biến mất nếu thử nghiệm được chạy lại, nhưng lần này với việc một trong các khe bị đóng lại, dẫn đến một đống lần truy cập trên màn hình giống như chúng ta mong đợi với các viên đạn.

Thực hiện lại thí nghiệm với cả hai khe đều mở và các electron nhỏ giọt qua từng khe một, có thể thấy rằng hình ảnh giao thoa bắt đầu xuất hiện trở lại. Điều đó nói rằng giống như các photon, các electron đang giao thoa với chính chúng khi chúng đi qua các khe kép. Hệ quả của việc này là con người sẽ buộc phải từ bỏ ý tưởng cổ điển về một hạt sở hữu một quỹ đạo xác định duy nhất xuyên qua không gian. Hạt có thể được coi là đi qua mỗi khe gây ra giao thoa xây dựng và phá hủy. Nó cũng cho thấy rằng vật chất - giống như ánh sáng - thể hiện tính hai mặt sóng hạt.

(Còn tiếp...)

Nguồn slashgear

Chủ đề liên quan

Chủ đề khác