Về một cuộc tranh luận vĩ đại
Rất lâu, trước khi trong khoa học xuất hiện những quan niệm về chuyển động phân tử và cách mô tả thống kể của nó, trong lòng của cơ học đã nẩy sinh ra một vấn đề mà thoạt đầu tưởng rằng không quan trọng lắm: tương tác giữa các vật thể có được thực hiện tức thời hay không, hay để thực hiện nó cần có một thời gian nhất định.
Trong những chương nói về lực hấp dẫn và lực điện từ chúng ta sẽ bàn chi tiết về cuộc tranh cãi giữa những người ủng hộ thuyết “tác dụng xa”, có nghĩa là tương tác xảy ra tức thời trực tiếp qua không gian trống rỗng mà không cần tới môi trường trung gian nào cả, và những người bảo vệ quan điểm của thuyết “tác dụng gần” hoàn toàn đối lập với thuyết thứ nhất. Những bằng chứng đánh dấu bước ngoặt trong cuộc tranh cãi này đã xuất hiện đồng thời với việc xây dựng lý thuyết các hiện tượng điện từ. Và những bằng chứng này đã ủng hộ thuyết tác dụng gần. Đây lần đầu tiên người ta đã giải thích rõ rằng tín hiệu về sự có mặt của mỗi điện tích hay mỗi dòng điện không đươc truyền đi tức thời tới một khoảng cách, tức là sự truyền tương tác chỉ xảy ra sau một thời gian nhất định. Nói cách khác, bất kỳ “tín hiệu” nào cũng lan truyền với một tốc độ có thể là rất lớn nhưng vẫn không phải là vô hạn. Và ngay sau khi điều đó được chứng minh thì một vấn đề khác lại được đặt ra ngay: vậy còn cơ học Newton thì sao? Vì trong cơ học tác dụng của các vật thể lên nhau luôn luôn là sự tác dụng qua lại lẫn nhau. Chẳng hạn lực mà quyển sách đè xuống bàn bằng về độ lớn có hướng ngược lại với tác dụng từ phía bạn lên quyển sách. Theo định luật thứ ba của Newton tác dụng luôn luôn bằng phản tác dụng.
Nếu dịch chuyển thật nhanh một trong hai điện tích tương tác với nhau thì trong một khoảng thời gian nào đó điện tích kia vẫn chưa cảm thấy điều này. Một lực như trước vẫn tác dụng lên nó, trong khi điện tích thứ nhất sau khi chuyển chỗ một chút đã cảm thấy ngay tác dụng của những lực biến đổi. Tác dụng tỏ ra không bằng phản tác dụng.
Điều này không phải là nhỏ nhặt và như chúng ta thấy sau này, cũng không phải là một chi tiết ngẫu nhiên. Tất cả vấn đề là ở chỗ môi trường trung gian có mặt khi các điện tích tương tác nhau- điện từ trường- không phải là hệ cơ học, có nghĩa là không thể mô tả bằng cơ học Newton. Người ta không thể nói về trường điện từ như về hệ các chất điểm chuyển động theo các định luật cơ học Newton. Bản thân ngôn ngữ của cơ học với toàn bộ kho tàng các mô hình của nó ở đây khôn phù hợp để mô tả đối tượng.
Nếu có thể nói về tác dụng của các lực lên một hạt từ phía trường, thì lại không thể nói về lực tác dụng lên trường từ phía hạt. Điều này rất quan trọng! Nếu cách mô tả bằng cơ học mất ý nghĩa thì cần phải đưa vào những thước đo tương tác khác nào đó. Chúng ta không cần phải tìm kiếm lâu vì ở đây chính năng lượng có thể đảm đương vai trò này một cách xuất sắc.
Tình trạng các vấn đề trong lý thuyết các hiện tượng điện từ tuyệt nhiên không phải là đặc biệt. Bây giờ quan điểm của thuyết tác dụng gần chiếm ưu thế tuyệt đối, có nghĩa là các tương tác thông qua những trường nào đó, đã đặt ra những hạn chế cho việc sử dụng các lực như những công cụ để mô tả tương tác.
Người ta không đặt được lò xo vào nguyên tử
Mặc dù có tất cả những phức tạp gắn liền với việc đưa ra các trường, song cơ học Newton vẫn đang được sử dụng một cách hữu hiệu, chẳng hạn khi mô tả chuyển động của các vật mang điện trong các trường điện từ cho trước (những trường điện từ, đương nhiên không tuân theo các luật định cơ học, những luật định này chỉ chi phối chuyển động của các vật thể ). Nhưng thậm chí ngay cả giá trị nửa vời này của cơ học cũng hoàn toàn không phải luôn luôn có được.
Trong thế giới các hạt cơ bản, dùng lực ta không thể mô tả được sự tương tác không chỉ của những tập hợp lớn các hạt mà ngay cả của từng hạt riêng rẽ của thế giới đó.
Trong cơ học người ta xem rằng vật thể chuyển động theo quỹ đạo xác định ở mỗi điểm của quỹ đạo nó có tốc độ xác định. Dưới tác dụng của lực tốc độ sẽ thay đổi từ điểm này sang điểm khác, còn trong trường hợp chuyển động của các hạt cơ bản thì tốc độ ở một điểm không có giá trị xác định. Không thể xem hạt cơ bản thí dụ như electron, đơn giản như một quả cầu có kích thước rất nhỏ. Chắc chắn là electron chuyển động trong không gian theo thời gian, như không thể hình dung chuyển động này một cách rành mạch như sự dịch chuyển dọc theo một đường nào đó (theo quỹ đạo) và đo lực trực tiếp bằng cân lò xo trong thế giới vi mô là việc không thể làm được. Không thể đặt lò xo vào nguyên tử để đo lực tương tác của electron với hạt nhân.
Toàn bộ cơ học cổ điển và cùng với nó là khái niệm lực, nói chung, không thể áp dụng được với các hạt cơ bản. Không thể đặc trưng một cách chính xác tương tác của các hạt cơ bản trong nguyên tử bằng các lực. Cách mô tả theo năng lượng ở đây trở thành khả năng duy nhất. Năng lượng mang tính phổ biến đến mức luật bảo toàn năng lượng mở rộng được tới cả những hạt cơ bản và đương nhiên khi đó nó sẽ có dạng phức tạp hơn.
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