Bài giảng Điện học (Phần 23) pdf

Bài giảng Điện học
(Phần 23)
Chương 5
CÁC TRƯỜNG LỰC
Nềnkhoa học mũi nhọn dễ dàng thâmnhập vào nền văn hóa công chúng, đôi
khi qua hình thức bị bóp méo.Trí tưởng tượngNewtonthống trị khắp nơi chủ yếu
với chất liệu đẹp vữngchắc gọi là vật chất, nó đượccấu thành từ những quả cầu có
phần rắn chắc gọi là nguyên tử.Vào đầu thế kỉ 20, các vị khách hàng của tiểu
thuyết giật gân và nền khoa học đại chúnghóa bắt đầu nghenói tới mộthình
ảnh mới của vũ trụ, toàn đầy tia X, tiaN và sóng Hertz.Cái mà họ bắt đầuthấm
nhập quadacủa họ là sự xét lại triệt để quan niệm củaNewton về một vũ trụ cấu
thành từ các khối vậtchất có vẻ tương tác thông quacác lực. Trongbức tranh mới
xuấthiện, vũ trụ cấu thành từ lực, haynói mangtính kĩ thuật hơn,từ những gợn
sóng trongcáctrườnglực phổ biến. Khônggiống như đa số độc giả của tác
phẩm Những câu chuyện vũ trụ hồi năm 1941, bây giờ bạn có đủ kiến thức kĩ thuật
để hiểu đượcmột trường lựcthật sự là cái gì.
5.1 Tại sao lại là các trường lực ?
Sự trễ thời gian tác dụng lực từ xa
Cái gì đã thuyết phụccác nhàvật lí rằng họ cần đếnquanniệm mới này về
một trườnglực ? Mặc dù chúng ta đã quenthuộc nhiều với lực điện, nhưng hãybắt
đầu với một ví dụ lực từ. (Thật ra lí dochủ yếu khiến tôi hoãn chưabàn tới từ học
quá lâu vì các phép tínhtoánhọc của các hiệu ứngtừ sẽ dễ nắm bắt hơnnhiều với
quan niệm về trườnglực) Trước hết, hãy nói qua một chút về cơ sở dẫn đến ví dụ
của chúngta. Một thanh nam châm,a, có mộttrục mà nhiều quỹ đạo electronđịnh
hướngdọc theo đó. Chính Trái Đất cũng là một nam châm, mặc dù không phải loại
dạng thanh. Tương tácgiữanam châm-TráiĐất và thanh nam châm, b, làmcho
chúng sắp thẳng hàngtrục củachúng theo hướng ngược nhau(nói cách khác, các
electroncủa chúng quaytrongnhữngmặt phẳng songsong,nhưngmột quỹ đạo
quay theo chiều kim đồng hồ và quỹ đạo kia quay ngược chiều kim đồnghồ khi
nhìn dọc theo trục) Ở kích thướcnhỏ hơn,bất kì haithanhnamchâm nào đặtở
gần nhau cũngsẽ tự sắp chúngđầunối đuôi, c.

Bây giờ chúngta xétmột ví dụ có liên quan. Rõrànglà haingười cáchnhau
một bứctườngmỏngcỡ tờ giấy có thể sử dụngmột cặp thanh namchâm để truyền
tín hiệu cho nhau. Mỗi người sẽ cảm thấy namchâm củamình cố gắng xoayđi
phản ứng lại với bấtkì chuyển động quaynào thựchiện bởi namchâm củangười
bên kia.Phạm vi thực tế của sự truyền thông sẽ rấtngắn đốivới cách sắpđặt này,
nhưng một thiết bị nhạy cóthể thu được các tín hiệu từ tính từ nhữngkhoảng cách
xa hơn nhiều. Thật ra,ở đây khôngkhác gì mấy so với radiothựchiện: các electron
chạylên chạyxuốngtrongănten phát tạo ra lực tácdụnglên các electrontrong
ăntenthu ở xa. (Cả lực điện lẫn lựctừ đều có mặttrong các tín hiệu radiothựctế,
nhưng cho đến lúc này chúng takhôngphải lo ngại gì về điều đó).
Bây giờ,một câu hỏi tự nhiên phát sinh là có haykhông sự chậm trễ thời
gian trong loại truyềnthôngqua cáclực từ (và điện) này. Newtonnghĩ rằng không,
vì ôngquanniệm về nền vậtlí dưới dạngtác dụng lực tức thời xuyên khoảng cách.
Tuy nhiên, ngày nay chúng tabiết rằngcó một sự chậm trễ thời giannhư thế. Nếu
bạn thực hiệnmột cuộc gọi điện thoại đườngdài gửi tín hiệu qua vệ tinh viễn
thông, bạn sẽ dễ dàng có thể phát hiện sự chậm trễ khoảng chừng nửa giây trên
hành trình50.000 dặm khép kín của tínhiệu. Cácphép đo hiện đại cho thấycác lực
điện, lực từ và lựchấp dẫnđều truyền đi ở tốc độ ánh sáng, 3 x10
8
m/s. (Thật ra,
chúng ta sẽ sớm bàn đến việcchính bản thân ánh sáng cũngđược cấu thành từ
điện và từ).
Nếu như mất chút ít thời giancho lực truyềnqua không gian,thì rõràngphải
có mộtthứ gì đó truyềnqua không gian. Thật ra thì hiện tượngtruyền raxa ở cùng
tốc độ như nhautheo mọi hướng gợi ý rõ ràng tới phép ẩndụ sóng như các gợn
sóng trên mặt hồ.
Nhiều bằng chứng cho thấy các trường lực là có thật: chúng mang năng
lượng
Luận cứ đanhthép chokhái niệm lạ lùngnày về các gợn sónglực xuất phát
từ thực tế là chúng mangnănglượng.

Đầu tiên, hãy giả sử một người đangcầm thanh nam châm ở phía bên phải
quyết định lộn ngược nó lại,kết quả thu được là cấuhình d.Cô ta phảithực hiện
công cơ học để làm xoay nó,và nếu cô ta buôngthanh namchâmra, năng lượngsẽ
được giải phóngkhi nóquayngượctrở lại c. Rõ ràng cô ta đã dự trữ năng lượng
khi chuyển từ c sang d.Trongchừng mực nào đó, mọi thứ dễ dàngđược giải thích
mà không cần khái niệm trường lực.
Nhưng bây giờ hãy tưởng tượng hai ngườibắt đầu ở vị trí c và đồngthời lật
thanh nam châm của họ cực kì nhanh sang vị trí e, giữ chúng thẳnghàng vớinhau
trong toàn bộ thời gianđó. Hãy tưởngtượng,vì mục đích lập luận, rằnghọ có thể
làm việc nàynhanh đếnmức từng namchâmbị đảo ngược trong khitínhiệu lực từ
nam châm kia vẫn còntrên đường truyềnđi. (Đối với một ví dụ mangtính thực tế
hơn, chúng ta phải cóhai ăntenradio,nhưng các namchâm thì dễ hình dunghơn)
Trongkhi lật,từng namchâm vẫn cảm nhận lực từ cách thức mà nam châm
kia thường định hướng. Dù cho hai namchâmvẫn thẳnghàng trongkhi lật, sự
chậmtrễ thời gian khiến cho mỗi người cảm thấy sự cản trở khi cô ta xoaytròn
thanh nam châm của mình.Làm thế nào lại có chuyện này ?Cả hai ngườihọ rõ
ràng đang thựchiện công cơ học, nên họ phải đangdự trữ nănglượng từ bằng
cách nào đó. Nhưng theo quanniệm kiểuNewton truyền thốngvề vật chất tương
tác thông qua các lựctứcthời xuyên khoảngcách, năng lượng tương tác phát sinh
từ vị trí tươngđối của các vật đangtương tác thông qua lực. Nếu các namchâm
khôngbao giờ thayđổi sự định hướngtương đối của chúng đối với nhau, thìlàm
thế nào mà năng lượng từ có thể được dự trữ ?
Câu trả lời khả dĩ duy nhất lànăng lượng phải rơivào các gợn lựctừ bắt
chéo không giangiữacác namchâm.Chúng ta quen thuộcvới ý tưởngrằngmột
ăntenphát sóngradio tiêu thụ một lượnglớn côngsuất, vàbằng cách nào đó phát
nó ra vũ trụ. Một người làmviệc xungquanhmột ănten như thế cần phải thận
trọng không tiến quá gần nó, vì toàn bộ năng lượngđó có thể dễ dàng nấu chín da
thịt người (mộthiện tượng đau đớn gọi là “sự đốt cháy RF”).
c