10 thí nghiệm vật lý nổi tiếng

[Theme Hunter]

Bài từ Tủ sách Khoa học VLOS.

Trong ngành vật lý, có nhiều thí nghiệm đơn giản nhưng kết quả đạt được rất lớn và là tiền đề cho rất nhiều lý thuyết vật lý khác. Theo cuộc thăm dò của các nhà khoa học Mỹ về thí nghiệm đẹp nhất trong lịch sử từ trước đến nay, xếp theo thứ tự về thời gian, 10 thí nghiệm đó như sau:

Mục lục
1 Nội dung của 10 thí nghiệm
1.1 Đo đường kính Trái Đất của Eratosthenes
1.2 Vật rơi tự do của Galilei
1.3 Các viên bi lăn trên mặt dốc của Galilei
1.4 Tán sắc ánh sáng của Newton
1.5 "Sợi dây xoắn" của Cavendish
1.6 Giao thoa ánh sáng của Young
1.7 Con lắc nhà thờ Pathéon của Foucault
1.8 Giọt dầu của Millikan
1.9 Bắn các hạt alpha vào lá vàng mỏng của Rutherford
1.10 Hiện tượng giao thoa của hai chùm electron

Đo đường kính Trái Đất của Eratosthenes
Thí nghiệm được tiến hành cách đây khoảng 2.300 năm, tại thành phố Awan của Ai Cập, Eratosthenes, một người thủ thư ở Alexandria đã xác định được thời điểm mà ánh sáng mặt trời chiếu thẳng đứng xuống bề mặt đất. Có nghĩa là hình chiếu của một chiếc cọc thẳng đứng trùng với chân cọc.

Sau đó một năm, ông đã đo bóng của một chiếc cọc đặt ở Alexandria (Ai Cập), và phát hiện ra rằng ánh nắng Mặt Trời nghiêng 7 độ so với phương thẳng đứng.

Trái Đất là hình cầu nên chu vi của nó tương ứng với một góc 360 độ. Nếu hai thành phố (Awan và Alexandria) cách nhau một góc 7 độ, thì góc đó phải tương ứng với khoảng cách giữa hai thành phố ấy (với giả định rằng cả hai thành phố cùng nằm trên đường xích đạo). Dựa vào mối liên hệ này, Eratosthenes đã tính ra chu vi của Trái Đất là 250.000 stadia.

Đến nay, người ta vẫn chưa biết chính xác 1 stadia theo chuẩn Hy Lạp là bao nhiêu mét, nên chưa thể có kết luận về độ chính xác trong thí nghiệm của Eratosthenes. Tuy nhiên, phương pháp của ông hoàn hợp lý về mặt logic. Nó cho thấy Eratosthenes không những đã biết Trái Đất hình cầu, mà còn hiểu về chuyển động của nó quanh Mặt Trời.

Vật rơi tự do của Galilei
Cho đến cuối thế kỷ 16, có một quan niệm khá phổ biến lúc bấy giờ là vật thể nặng sẽ rơi nhanh hơn vật thể nhẹ. Tuy nhiên, Galileo Galilei lại không tin vào điều đó. Ông vốn là một thầy giáo dạy toán ở Đại học Pisa, Ý.

Ông đã thực hiện một thí nghiệm tại Tháp nghiêng Pisa. Thí nghiệm này như sau: Các vật có khối lượng khác nhau được ông thả rơi tự do từ trên tháp xuống đất và kết luận được rút ra từ thí nghiệm này là thời gian rơi của chúng là như nhau nếu bỏ qua sức cản của không khí.

Các viên bi lăn trên mặt dốc của Galilei
Một thí nghiệm của cũng rất nổi tiếng của Galileo Galilei là thí nghiệm xác định một đại lượng có ảnh hưởng đến thời gian di chuyển của vật thể khi vật thể di chuyển đến gần mặt đất (gần tâm Trái Đất).

Ông đã thiết kế một tấm ván dài 5,5 m, rộng 0,22 m và trên tấm ván đó cỏ xẻ một rãnh nhỏ. Tấm ván được dựng theo một độ dốc nhất định và các viên bi đồng được thả theo rãnh đó. Để đo thời gian di chuyển của những viên bi, ông dùng một chiếc đồng hồ nước có nguyên lý là khối lượng nước thu được sẽ chỉ ra thời gian tương ứng. Ông thấy rằng, càng xuống chân dốc, các viên bi chạy càng nhanh.

Kết quả của thí nghiệm đã chỉ ra rằng, quãng đường đi tỷ lệ thuận với bình phương của thời gian di chuyển, đó là do viên vi luôn chịu tác dụng của một đại lượng gọi là gia tốc tự do (g = 9,8 m/s²). Gia tốc này được gây ra bởi lực hấp dẫn của Trái Đất.

Tán sắc ánh sáng của Newton
Trước Isaac Newton người ta vẫn cho rằng ánh sáng là một dạng thuần khiết, không thể phân tách. Tuy nhiên, Newton đã chỉ ra sai lầm này, khi ông chiếu một chùm tia sáng Mặt Trời qua một lăng trụ kính rồi chiếu lên tường. Những gì thu được từ thí nghiệm của Newton cho thấy ánh sáng trắng không hề "nguyên chất", mà nó là tổng hợp của một dải quang phổ 7 màu cơ bản: đỏ, da cam, vàng, xanh lá cây, xanh nước biển, chàm, tím. Thí nghiệm này thể hiện hiện tượng tán sắc ánh sáng.

"Sợi dây xoắn" của Cavendish
Mọi người đều biết rằng Newton là người tìm ra lực hấp dẫn. Ông đã chỉ ra rằng hai vật có khối lượng luôn hút nhau bằng một lực tỷ lệ thuận với khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Tuy nhiên, làm sao để chỉ cho người khác thấy lực hấp dẫn bằng thí nghiệm khi nó quá yếu?

Vào năm 1797 - 1798, thí nghiệm này đã được thực hiện bởi nhà khoa học người Anh Henry Cavendish. Ông đã sử dụng thiết bị thuê của người dân nông thôn. Thiết bị thuê là sự cân bằng độ xoắn, thực chất là một dây kéo căng hỗ trợ những trọng lượng hình cầu. Ông cho gắn hai viên bi kim loại vào hai đầu của một thanh gỗ, rồi dùng một sợi dây mảnh treo cả hệ thống lên, sao cho thanh gỗ nằm ngang. Sau đó, Cavendish đã dùng hai quả cầu bằng chì, mỗi quả nặng 170 kg, tịnh tiến lại gần hai viên bi ở hai đầu gậy. Theo giả thuyết, lực hấp dẫn do hai quả cầu chì tác dụng vào hai viên bi sẽ làm cho cây gậy quay một góc nhỏ, và sợi dây sẽ bị xoắn một vài đoạn.

Kết quả, thí nghiệm của Cavendish được xây dựng tinh vi đến mức nó phản ánh gần như chính xác giá trị của lực hấp dẫn. Ông cũng tính ra được một hằng số hấp dẫn gần đúng với hằng số mà chúng ta biết hiện nay. Thí nghiệm được biết như sự cân Trái Đất và sự xác định của lực hấp dẫn, cho phép tính toán khối lượng Trái Đất. Thậm chí Cavendish còn sử dụng nguyên lý thí nghiệm này để tính ra được khối lượng của Trái Đất là 6 × 1024 kg.

Giao thoa ánh sáng của Young
Qua nhiều cuộc tranh luận, Isaac Newton đã hướng lý thuyết vật lý về bản chất ánh sáng là hạt chứ không phải là sóng. Vào năm 1803, nhà thầy thuốc và nhà vật lý trẻ người Anh tên là Thomas Young đã tiến hành thí nghiệm theo suy nghĩ của mình. Anh cắt một lỗ nhỏ trên một cửa sổ và bao phủ nó bởi một tấm bìa dày có một lỗ nhỏ ở đó và sử dụng một cái gương để làm lệch hướng chùm tia ánh sáng mảnh xuyên qua đó. Sau đó, anh cầm lấy một cái thẻ nhỏ dày khoảng 1/13 inch và đặt nó ở giữa chùm tia, chia chùm tia sáng thành hai phần. Kết quả thu được trên tường là một hình bóng bao gồm những băng ánh sáng và bóng tối giao thoa với nhau, một hiện tượng có thể được giải thích nếu hai chùm tia sáng đó là sóng ánh sáng. Điểm sáng là nơi hai đỉnh sóng giao nhau, điểm tối là nơi một đỉnh sóng giao thoa với một bụng sóng.

Với thí nghiệm này Thomas Young đã phản bác được lý thuyết của Newton là bản chất ánh sáng là hạt.

Con lắc nhà thờ Pathéon của Foucault
Vào năm 1851, nhà khoa học người Pháp Léon Foucault đã sử dụng một dây thép dài 68 m để treo một quả cầu sắt nặng 31 kg từ mái vòm của nhà thờ Panthéon và tác dụng một lực ban đầu, cho nó lắc đi lắc lại. Để đánh dấu quá trình chuyển động của quả cầu, ông đã cho gắn một kim nhọn vào quả cầu và cho vẽ một vòng tròn trên cát ẩm ở mặt đất phía dưới chuyển động của quả cầu. Trước mắt những người chứng kiến, quả cầu đã để lại những vệt của đường đi khác nhau sau mỗi chu kỳ chuyển động. Thực ra, mặt phẳng cát có vệt đường đi đó đã chuyển động chậm chạp và việc này đã chỉ ra rằng Trái Đất quay tròn xung quanh trục của nó. Tại đường vĩ độ đi qua thành phố Paris, đường chuyển động của con lắc đã thực hiện một vòng quay thuận chiều kim đồng hồ cứ sau 30 giờ. Tại Nam Bán Cầu, đường đi đó ngược chiều kim đồng hồ, và tại xích đạo, nó không quay tròn chút nào. Tại Nam Cực, những nhà khoa học ngày nay đã xác nhận chu kỳ của đường đi của con lắc là 24 giờ.

Như vậy, với thí nghiệm này, Foucault đã chỉ ra rằng, Trái Đất tự quay xung quanh trục của nó.

Giọt dầu của Millikan
Từ thời xa xưa, các nhà khoa học đã nghiên cứu về điện, một hiện tượng đến từ bầu trời như là những tia chớp hoặc có thể tạo ra đơn giản khi bạn chải tóc bằng lược. Vào năm 1897, nhà vật lý người Anh J. J. Thomson đã mới phát hiện ra một loại hạt tích điện, gọi là điện tử (electron). Có điều ngay cả Thomson cũng đã không xác định được giá trị điện tích của electron. Sau đó, thí nghiệm về những hạt này đã được nhà khoa học Mỹ Robert Milikan thực hiện vào năm 1909 để đo sự tích nạp của chúng. Sử dụng một máy phun hương thơm, Milikan đã phun các giọt dầu vào một hộp trong suốt. Đáy và đỉnh hộp làm bằng kim loại được nối với nguồn pin với một đầu là âm (-) và một đầu là dương (+). Trong thí nghiệm này, Millikan đã đặt một hiệu điện thế cực lớn (khoảng 10.000 V) giữa hai điện cực kim loại đó.

Milikan quan sát từng giọt rơi một và sự thay đổi điện áp rồi ghi chú lại tất cả những hiệu ứng. Ban đầu, giọt dầu không tích điện, nên nó rơi dưới tác dụng của trọng lực. Tuy nhiên sau đó, Millikan đã dùng một chùm tia Roentgen để ion hóa giọt dầu này, cấp cho nó một điện tích. Vì thế, giọt dầu này đã rơi nhanh hơn, vì ngoài trọng lực, nó còn chịu tác dụng của điện trường. Dựa vào khoảng thời gian chênh lệch khi hai giọt dầu rơi hết cùng một đoạn đường, Millikan đã tính ra điện tích của một hạt tích điện nhỏ nhất là 1 electron: e = 1,63 × 10-19 coulomb.

Năm 1917, Millikan lặp lại thí nghiệm trên, và đã sửa điện tích của 1 electron là e = 1,59 × 10-19 coulomb. Những đo đạc hiện nay dựa trên nguyên lý của Millikan cho kết quả là e = 1,602 × 10-19 coulomb.

Bắn các hạt alpha vào lá vàng mỏng của Rutherford
Trước khi Ernest Rutherford thực hiện thử nghiệm về sự bức xạ của các hạt alpha tại trường Đại học Manchester vào năm 1911, người ta vẫn nhầm tưởng rằng nguyên tử có cấu trúc "mềm": gồm các hạt tích điện dương đan xen với các electron, tạo thành một hỗn hợp "plum pudding" (mứt mận). Nhưng khi Rutherford cùng với những người trợ lý cho thực hiện thí nghiệm bắn các hạt alpha vào lá vàng mỏng, họ rất ngạc nhiên vì một phần trăm các hạt alpha đã phản hồi lại. Rõ ràng, nếu cấu trúc nguyên tử có dạng mềm như "plum pudding" thì đã không thể có sự phản hồi này, mà các hạt alpha sẽ bị dính hết vào các nguyên tử vàng, tương tự như khi người ta ném một cục bột mềm vào một chậu bánh mứt. Điều đó cho thấy trong cấu trúc nguyên tử, ngoài các electron, phải có một hạt nhân rất cứng. Rutherford đã kết luận là hầu hết khối lượng nguyên tử phải được tập trung trong một lõi nhỏ xíu gọi là hạt nhân, với những điện tử khác chuyển động xung quanh nó trên những quỹ đạo khác nhau, ở giữa là những khoảng không.

Với những sự thay đổi từ những lý thuyết định lượng, mô hình nguyên tử của Rutherford vẫn còn nguyên giá trị.

Hiện tượng giao thoa của hai chùm electron
Vào năm 1924, nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie đề xướng rằng electron và những những hạt vật chất khác cũng có những thuộc tính sóng như bước sóng và tần số. Về sau, có một thí nghiệm về tính chất sóng của electron đã được thực hiện bởi Clinton Joseph Davisson và Lester Halbert Germer ở Phòng thí nghiệm Bells. Để giải thích ý tưởng cho bản thân mình và những người khác, các nhà vật lý đã lặp đi lặp lại thí nghiệm giống của của Young về sự giao thoa ánh sáng nhưng thay chùm ánh sáng bằng chùm tia electron. Theo định luật, những dòng hạt này sau khi được chia làm hai sẽ giao thoa với nhau, để lại những phần sáng và tối như đã thấy ở thí nghiệm giao thoa ánh sáng của Young.

Đến nay, người ta vẫn không biết chắc thí nghiệm trên được thực hiện lần đầu tiên ở đâu, và ai là tác giả. Theo ông Peter Rodger, biên tập viên khoa học của tạp chí Physics Today, thì lần đầu tiên ông đọc được một bài viết về thí nghiệm này là năm 1961, và tác giả là nhà vật lý Claus Joensson ở Đại học Tueblingen (Tây Đức). Tuy nhiên, có lẽ thí nghiệm trên đã được thực hiện trước đó, có điều, đây là thời kỳ mà người ta tập trung nhiều vào các chương trình khoa học lớn, và đã không có ai để ý đến nó. Mãi đến khi người ta lật lại lịch sử các thí nghiệm khoa học và cảm nhận được "vẻ đẹp" của các chùm electron thì họ không biết được ai là người đầu tiên chứng minh được tính sóng của chúng nữa.