Những hạt này khác nhau chủ yếu ở những đặc trưng định lượng. Tất cả sự phong phú, toàn bộ sự đa dạng về chất của Vũ trụ là kết quả của những sự khác nhau trong chuyển động của các hạt. Chuyển động là điều chủ yếu trong bức tranh Vũ trụ này. Bản chất bên trong của các hạt vật chất ở hàng thứ hai: cái chính là những hạt này chuyển động như thế nào.
Những định luật chuyển động của Newton
Cơ sở của bức tranh Vũ trụ thống nhất như vậy là ở đặc tính bao quát của những định luật chuyển động của vật thể do Newton phát minh ra và đã được ông trình bày chặt chẽ bằng toán học. Từ những thiên thể khổng lồ đến những hạt cát li ti gió thổi cũng bay đề tuân theo những định luật này mọt cách chính xác tuyệt vời. Và ngay cả gió là chuyển động của những hạt không khí mà mắt ta không nhìn thấy đựoc cũng tuân theo những định luật đó.
Tư tưởng chủ đạo của những đinh luật chuyển động của Newton là:
Sự biến đổi trạng thái chuyển động (có nghĩa là tốc độ) của các vật thể xảy ra do tác động tương hỗ lẫn nhau của chúng.
Điều này có phải là đương nhiên không? Hoàn toàn không. Newton tiếp bước theo Galile đã hoàn toàn vứt bỏ một trong những lầm lẫn sâu xa nhất của nhân loại về các định luật chuyển động của các vật. Bắt đầu từ thời Aristote, gần như suốt hai mươi thế kỷ, mọi người đều tin rằng chuyển động với tốc độ không đổi cần sự tác động từ bên ngoài, cần một nguyên nhân tích cực nào đấy để tự duy trì. Thiếu sự hỗ trợ như thế vật thể nhất định dừng lại.
Điều này hình như được kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta xác nhận. Thí dụ, nếu tắt động cơ thì ô tô sẽ dừng lại ngay trên con đường hoàn toàn nằm ngang. Trong các điều kiện khác như nhau, tốc độ của ô tô càng lớn khi công suất của động cơ càng lớn. Cũng có thể nói như thế về thuyền, xe đạp, tàu thuỷ, v.v… Chính vì thế mà ngay hiện nay ta cũng có thể gặp những người nhìn chuyển động giống như cách nhìn của Aristote, tuy bản thân họ cũng không nhận rõ điều đó.
Trong thực tế, một vật thể cô lập, tức là vật thể không thể tương tác với các vật thể khác luôn luôn chuyển động với tốc độ không đổi. Người ta thường nói là vật thể chuyển động theo quán tính. Chỉ có sự tác động từ phía vật thể khác mới có thể thay đổi tốc độ của nó. Để giữ cho tốc độ của vật không đổi cần phải tác dụng lực vào vật chỉ là vì trong những điều kiện bình thường luôn luôn tồn tại sức cản chuyển động từ phía mặt đất, không khí, hoặc nước. Người ta nói rằng có ma sát. Nếu như không có nó thì khi tắt động cơ tốc độ của ô tô cũng sẽ không giảm đi.
Điều này không thể nào hiểu được với loại người chẳng hạn như viên đại tá Craus von Sillargut ngu ngốc và ba hoa, kẻ bị anh lính can đảm Svayc lấy cắp mất con chó săn."Khi xăng đã hết – viên đại tá nói – thì ô tô phải dừng lại. Chính ta đã thấy điều đó hôm qua. Vậy mà sau đó, thưa các ngài, người ta lại còn ba hoa về quán tính. Nó không chạy, nó dừng lại, chết dí một chỗ. Hết xăng. Ồ, thế có nực cười không chứ?”
Điều đáng chú ý nhất trong những định luật chuyển động của Newton là dạng định lượng chính xác của chúng. Chúng ta không những chỉ có thể nói về một tương tác nào đó của các vật thể mà còn có thể đo được nó. Số đo định lượng của tác động giữa các vật thể với nhau trong cơ học được gọi là lực.
Cái gì chung giữa lực cơ bắp và lực hấp dẫn
Chính những tác động vào vật thể cho trước cũng có thể rất đa dạng. Phải chăng dường như có cái gì chung giữa lực hút của Trái đất vào Mặt trời và lực thắng lực hút buộc tên lửa chuyển động? Hay có gì chung giữa hai lực này và lực cơ bắp bình thường ? Chính chúng hoàn toàn khác nhau về bản chất và có nhiều hiện tượng khác nhau ẩn sau chúng. Có thể nói về chúng như nói về một cái gì đó gần gũi với nhau về mặt vật lý chăng? Đúng, cơ học Newton trả lời, có thể được. Và ở đây, trong cơ học, chính là kinh nghiệm hàng ngày của mỗi chúng ta đã được tổng quát hoá.
Khi không thể nâng được một vật nặng lên, người ta nói: “Không đủ sức”. Khi đó thực chất có sự so sánh hai lực hoàn toàn khác nhau về bản chất: lực cơ bắp và lực mà Trái đất hút vật. Nhưng nếu bạn nâng được vật nặng lên và giữ được nó trên tay, thì không có gì ngăn cản bạn khẳng định là lực cơ bắp của tay bạn về giá trị bằng trọng lực.
Về thực chất điều khẳng định trên cũng là định nghĩa về sự bằng nhau giữa các lực trong cơ học. Hai lực, không phụ thuộc vào bản chất của chúng, được coi là bằng nhau và hướng ngược nhau nếu tác động đồng thời của chúng lên vật thể không làm thay đổi tốc độ của nó. Chính điều đó đã mở ra khả năng để so sánh các lực và để đo chúng nếu một lực trong chúng được chọn ra làm chuẩn mẫu.
Panikovxki và quán tính.
Bạn hãy chú ý: cái chính trong định nghĩa của chúng ta về lực là mối liên hệ với chuyển động. Nếu vật thể đứng yên, thì những lực tác động lên nó cân bằng nhau. Còn nếu các lực không cân bằng nhau thì trong trường hợp này và chỉ trong trường hợp này trạng thái chuyển động của vật thể mới bị thay đổi . Vật thể nhận được gia tốc , mà theo định luật chuyển động của Newton giá trị của gia tốc đó tỉ lệ thuận với giá trị của lực nhưng hoàn toàn không phụ thuộc vào xuất xứ của lực đó. ở đây có rất nhiều thí dụ. Chúng ta hãy lấy hú hoạ một thí dụ, dù không mẫu mực lắm nhưng cũng không quá tẻ nhạt: Đó là tình tiết lấy cắp quả tạ nặng hai pút ( 1 pút bằng 16,38 kg) được mô tả trong truyện “Con bê vàng” của I.Ilf và E.Petrov. Panikovxki cầm phần được chia của mình bằng cả hai tay, bụng phưỡn ra và sung sướng thở phì phò… Đôi lúc anh ta không tài nào rẽ ngang được vì quả tạ theo quán tính cứ tiếp tục kéo anh ta về phía trước. Khi đó Balaganov lấy tay giữ chặt cổ Panikovxki và xoay người anh ta theo hướng cần thiết.
Trong trường hợp này, tác động bên ngoài từ phía Balaganov đã truyền cho thân người Panikovxki một gia tốc cần thiết để thay đổi hướng của tốc độ khi anh ta cần phải rẽ ngang.
Cần phải nói rằng sự thay đổi tốc độ của vật thể phụ thuộc không chỉ vào lực, mà còn vào chính bản thân vật thể. Không có quả tạ, đôi chân mệt mỏi của Panikovxki cũng có thể cho anh ta một gia tốc cần thiết đủ để rẽ ngang được.
Tính chất cuả vật thể quyết định sự nhanh chậm của sự thay đổi tốc độ chuyển động của nó dưới tác dụng của lực, trong cơ học được gọi là khối lượng (hay là khối lượng quán tính). Theo định luật thứ hai của Newton, gia tốc (nghĩa là độ biến thiên tốc độ trong một đơn vị thời gian) của vật thể tỉ lệ thuận với lực tác động lên nó và tỉ lệ nghịch với khối lượng của nó. Như vậy, trong cơ học cổ điển người ta đã định nghĩa chặt chẽ lực là gì. Định nghĩa này chứa đựng trong nó cả cách đo lực. Tác động của lực liên hệ với gia tốc một cách định lượng chính xác. Cơ học là ngành khoa học duy nhất “trong đó người ta biết một cách thực sự từ “lực” có nghĩa là gì”.
Còn nữa
Cuốn sách Các lực trong tự nhiên do Đặng Văn Sử biên soạn dựa trên bản dịch của Ngô Đặng Nhân. Tác giả: V.Grigôriev và G.Miakisev. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật xuất bản năm 2002. Chúng tôi xin trích đăng cuốn sách