I. Sự ra đời và những thành tựu ban đầu của vật lí thực nghiệm
1. Sơ lược về lịch sử hình thành của Vật lí thực nghiệm
- Trong thời cổ Hi Lạp, các nhà triết học dựa trên những quan sát cùng lí luận và phương pháp quy nạp để nghiên cứu. Các nhà bác học tiêu biểu là Aristotle, Ptolemy.
- Thế kỉ XVII, nhà bác học Galilei bắt đầu những thí nghiệm thực tiễn để đưa ra những kết luận. Ông là người đặt nền móng cho phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Và Isaas Newton đã thừa kế và hoàn thiện phương pháp đó.
+ Galilei (Ga-li-lê, 1564-1647): ông nghiên cứu tìm cách thực nghiệm để chứng minh vấn đề
+ Newton (Niu-tơn, 1642-1727) tìm ra một phương pháp khoa học rất tổng quát là phương pháp thực nghiệm, đây là một cuộc cách mạng về tư duy.
2. Một số thành tựu ban đầu của vật lí thực nghiệm
– Galilei chế tạo thành công kính thiên văn vào năm 1609 và mở đầu cho kỉ nguyên nghiên cứu vũ trụ.
– Newton tìm ra các định luật cơ bản về chuyển động, đặt nền móng cho cơ học cổ điển.
– Newton nghiên cứu hiện tượng tán sắc ánh sáng, chứng minh được lí thuyết về ánh sáng trắng. Ngoài ra, Newton cũng nêu ra giả thuyết ánh sáng có tính chất hạt.
- Michael Faraday (Mai-cơn Pha-ra-đây) (1791 – 1867) nghiên cứu các hiện tượng về điện từ và hiện tượng cảm ứng điện và từ đó tạo cơ sở cho sự ra đời của máy phát điện xoay chiều
– Sự ra đời của động cơ hơi nước vào năm 1765 của James Watt (Giêm Oát) (1736 – 1819) là thành tựu quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.
– Thomas Young (Tho-mát Y-âng) (1773 – 1829) thực hiện thí nghiệm giao thoa ánh sáng từ đó chứng minh ánh sáng có tính chất sóng.
II. Vai trò của cơ học Newton đối với sự phát triển của Vật lí học.
- Isaac Newton đã xây dựng lên hệ thống các định luật về chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn, nó được coi là cơ sở vững chắc cho sự ra đời và phát triển của cơ học cổ điển.
- Các định luật của Newton đặt nền móng cho cơ học cổ điển nguyên cứu các chuyển động
- Giúp các nhà vật lí nghiên cứu lực điện, lực từ chế tạo được nam châm điện, động cơ, máy phát điện.
- Từ ý tưởng phóng viên đạn chuyển động quanh Trái Đất, Liên Xô đã phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên.
III. Một số lĩnh vực của Vật lí cổ điển
Một số nhánh nghiên cứu chính của Vật lí cổ điển
- Cơ học cổ điển: được xây dựng dựa trên các định luật của Newton, nghiên cứu các trạng thái chuyển động của vật chất ở cấp độ vĩ mô khi chịu tác dụng của lực. Đối tượng nghiên cứu bao gồm chất rắn, chất lưu.
– Quang học nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến ánh sáng như phản xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc,... và tính chất quang học của các loại tinh thể, và những tính chất của các loại tia tử ngoại và hồng ngoại. Có hai quan điểm tách biệt nhau đó là ánh sáng có tính chất hạt hoặc ánh sáng có tính chất sóng.
– Nhiệt động lực học nghiên cứu về các hiện tượng nhiệt và khả năng chuyển hoá năng lượng nhiệt thành công cơ học. Một trong số lí thuyết quan trọng đó là các nguyên lí của nhiệt động lực học.
– Điện và Từ học nghiên cứu các vấn đề liên quan tương tác giữa các điện tích đứng yên (tĩnh điện) hoặc chuyển động có quy luật để tạo thành dòng điện. Ngoài ra, mối quan hệ tương hỗ giữa điện và từ cũng được nghiên cứu như lí thuyết về dòng điện cảm ứng.
- Vật lí thiên văn – phần quan trọng của vật lí học: nghiên cứu và mô tả các chuyển động của các vật thể trên bầu trời dựa trên các thuyết vật lí với nền móng là định luật vạn vật hấp dẫn.
IV. Sự khủng hoảng của vật lí cuối thế kỉ XIX và sự ra đời của vật lí hiện đại
1. Sự khủng hoảng của vật lí cuối thế kỉ XIX
- Giai đoạn từ giữa thế kỉ XIX đến trước đầu thế kỉ XX chứng kiến sự ra đời của nhiều kết quả nghiên cứu quan trọng trong Vật lí.
- Vào khoảng năm 1865, James Clerk Maxwell (Giêm Clớt Mác-xoen) (1831 – 1879) đã xây dựng lí thuyết về sóng điện từ đồng thời Maxwell cũng mở rộng lí thuyết điện từ cho các hiện tượng quang học và đưa ra quan điểm về bản chất của ánh sáng là sóng điện từ.
- James Prescott Joule (Giêm Prét-cót Jun) đã phát biểu định luật bảo toàn năng lượng và khẳng định nhiệt cũng là một dạng năng lượng.
Nhưng lí thuyết trường điện từ của Maxwell cũng còn có những hạn chế nhất định, nhất là nó không giải thích được hai hiện tượng gây nên cuộc khủng hoảng vật lí cuối thế kỉ XIX.
Từ đó đã dẫn tới sự ra đời của vật lí hiện đại với lí thuyết cơ học lượng tử và lí thuyết tương đối.
2. Sự ra đời của vật lí hiện đại
Thuật ngữ Vật lí hiện đại được dùng để chỉ các nhánh của vật lí được hình thành từ đầu thế kỷ 20 bao gồm Cơ học lượng tử và Thuyết tương đối cũng như các lĩnh vực khác được hình thành sau này
- Năm 1900, Planck (Plăng, 1858 – 1947) phát minh ra thuyết lượng tử năng lượng, giải thích được kết quả thực nghiệm về bức xạ vật đen tuyệt đối.
- Năm 1905, Einstein (1879 – 1955) phát minh ra thuyết tương đối hẹp, mô tả không gian – thời gian theo cách mới và tìm ra hệ thức Einstein, đã mở đường cho nghiên cứu năng lượng nguyên tử và hạt nhân.
- Năm 1916, Einstein đưa ra thuyết tương đối rộng, quan niệm trường hấp dẫn đặc trưng bởi độ cong của không – thời gian phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng. Thuyết tương đối rộng đã mở đường cho vật lí hiện đại.
- Lí thuyết lượng tử và thuyết tương đối tác động mạnh mẽ đến mọi lĩnh vực nghiên cứu của vật lí và sáng chế các thiết bị kĩ thuật như laser, máy tính hoặc GPS.
3. Một số lĩnh vực chính của vật lí hiện đại
- Nghiên cứu thâm nhập vào thế giới vi mô: Các nhánh nghiên cứu mới như vật lí hạt (hay còn gọi là vật lí năng lượng cao), vật lí nguyên tử, vật lí vật chất ngưng tụ, vật lí nhiệt độ thấp, vật lí bán dẫn, quang học lượng tử,...
- Ứng dụng những thành tựu của vật lí để tạo ra các công nghệ và phương tiện kĩ thuật mới như: vật lí plasma, vật lí nano, vật lí laser, vật lí sinh học,...
- Nghiên cứu khám phá thế giới vĩ mô như các hành tinh, hệ Mặt Trời, thiên hà.
