lịch sử nghiên cứu ánh sáng trước thế kỷ xx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

-----

-----

LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU ÁNH SÁNG TRƯỚC THẾ KỶ XX
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

ThS. Nguyễn Hữu Khanh

Thang Đức Huy
Mã số SV: 1100294
Lớp: Sư phạm Vật lý – Tin học

Khóa: 36

Cần Thơ, năm 2014


Phần MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong chương trình đại học, em đã được học rất nhiều môn học. Đối với em các
môn học đó rất bổ ích, đặc biệt là các môn vật lý. Những môn học này giúp em bổ sung

thêm kiến thức, sự hiểu biết của mình; ngoài ra, đó còn là hành trang quý báu để phục vụ
cho công tác giảng dạy sau này và trong cuộc sống.
Đối với em mỗi môn học đều có cái hay riêng. Trong đó, quang học là môn giúp
cho em có những hiểu biết sâu hơn về bản chất của ánh sáng, các tính chất của ánh sáng
và các hiện tượng về ánh sáng. Từ những kiến thức được học đó giúp cho em có sự tìm
tòi, khám phá về thực tế xung quanh mình, các sự việc diễn ra hằng ngày mà chúng ta
xem đó như là điều hiển nhiên. Từ đó câu hỏi đặt ra là các sự việc, hiện tượng đó được
khám phá, nghiên cứu như thế nào và việc vận dụng những kiến thức được học vào thực
tế như thế nào cho hợp lý? Chính vì thế em chọn đề tài “Lịch sử nghiên cứu ánh sáng
trước thế kỷ XX” để giúp em có những hiểu biết đúng đắn hơn về tự nhiên.
Ánh sáng là một người bạn gần gũi của con người trong mọi hoạt động hằng ngày,
đôi khi sự tồn tại của chúng đối với con người như là một điều hiển nhiên và tự nhiên.
Nói như vậy không có nghĩa con người luôn chấp nhận sự đồng hành của người bạn ánh
sáng đi bên cạnh mình mà không đặt vấn đề tìm hiểu "cội nguồn" của chúng. Vậy ánh
sáng từ đâu sinh ra? Bản chất của ánh sáng là như thế nào? Người ta đã nghiên cứu ánh
sáng như thế nào? Vô vàn câu hỏi và những thắc mắc mà con người đã đặt ra cho ánh
sáng. Đề tài này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ phần nào các vần đề trên.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu được bản chất, tính chất của ánh sáng và các kiến thức có liên quan đến
quang học: các định luật cơ bản, những nhà bác học gắn liền với quang học.
Nghiên cứu những thành quả của các nhà vật lý đã đạt được trong việc nghiên cứu
ánh sáng. Từ đó vận dụng vào giải thích thành công một số hiện tượng tự nhiên.
Nêu được kết luận sư phạm của đề tài, vận dụng vào giảng dạy trong chương trình
THPT.

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Khái quát chung về một số kiến thức về ánh sáng, một số nhà vật lý học đã gắn liền
với lịch sử quang học, những công trình nghiên cứu về ánh sáng trước thế kỷ XX và việc
vận dụng vào để giải thích một số hiện tượng mà chúng ta thấy từ thực tế.

4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
Để hoàn thành luận văn này cần sử dụng các phương pháp phân tích, tổng hợp,
và vận dụng các kiến thức để giải thích hiện tượng trong tự nhiên.

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN
Bước 1: Nhận đề tài từ giáo viên hướng dẫn tổng hợp, xác định mục đích của đề
tài
Bước 2: Tìm nguồn tài liệu có liên quan
Bước 3: Viết đề cương chi tiết
Bước 4: Nộp đề cương chi tiết và gặp giáo viên hướng dẫn để hướng dẫn cách
thực hiện viết luận văn dựa theo đề cương, đọc và tổng hợp lại tài liệu theo hướng của đề
tài.
Bước 5: Tiến hành viết luận văn
Bước 6: Nộp và báo cáo luận văn
Trang 1


Phần NỘI DUNG
Chương 1: VẬT LÝ VỚI ÁNH SÁNG
1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA ÁNH SÁNG
1.1.1 Một số khái niệm
Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong
vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 380nm đến 740nm).
Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng
hạt chuyển động gọi là photon. Ánh sáng do Mặt Trời tạo ra còn được gọi là ánh
nắng (hay còn gọi là ánh sáng trắng bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến thiên liên tục
từ đỏ đến tím); ánh sáng Mặt Trăng mà con người thấy được gọi là ánh trăng thực tế là
ánh sáng do mặt trời chiếu tới Mặt Trăng phản xạ đi tới mắt người; do đèn tạo ra còn

được gọi là ánh đèn; do các loài vật phát ra gọi là ánh sáng sinh học.
"Ánh sáng lạnh" là ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ tím. "Ánh
sáng nóng" là ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ. Ánh sáng có quang phổ trải đều
từ đỏ đến tím là ánh sáng trắng; còn ánh sáng có bước sóng tập trung tại vùng quang phổ
rất hẹp gọi là "ánh sáng đơn sắc".
Ánh sáng nhìn thấy là bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng
mắt thường ( tức là từ khoảng 400nm đến 700nm ).
Ánh sáng là một trong những điều kì lạ trong thế giới ta đang sống. Ta chưa biết gì
nhiều về ánh sáng và những gì ta biết chưa hẳn đã hoàn toàn chính xác. Người ta mới chỉ
có thể dựa trên các tác động của ánh sáng để mô tả chứ chưa thể nói là lý giải một cách
thích đáng.
1.1.2 Tính chất của ánh sáng: Lưỡng tính sóng – hạt
Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánh sáng là sóng đã thực sự được xác nhận, đặc
biệt là sau kết luận của Maxwell khẳng định ánh sáng là sóng điện từ với vận tốc là
300.000 km/s. Nhưng một vấn đề được đặt ra lúc này là vận tốc này của ánh sáng được
tính so với cái gì? Các phương trình của Maxwell không trả lời được cho câu hỏi này. Đi
theo vết chân của Newton, Maxwell nghĩ hoàn toàn tự nhiên rằng ánh sáng lan truyền với
vận tốc 300.000 km/s là so với một chất ête tĩnh chiếm đầy trong vũ trụ. Nhưng ête ở đây
được làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu và có những tính chất gì?
Theo các quan điểm của các nhà khoa học khẳng định ánh sáng là sóng từ trước cho
đến cuối thế kỉ XVII, ta có thể thấy được vấn đề giải mã chất “ête” trong không gian là
một vấn đề rất đáng để quan tâm. Chất “ête” được đặt ra như một môi trường để truyền
sóng ánh sáng. Các nhà khoa học ban đầu đã đề xuất sóng ánh sáng như sóng âm, tức
phải là sóng dọc, nhưng với phát hiện của Augustin Fresnel về hiện tượng phân cực ánh
sáng đã dẫn đến nhận định ánh sáng phải là sóng ngang. Như vậy, chất “ ête” phải là chất
rắn để có thể lan truyền được sóng ngang, nghĩa là môi trường ête phải có một mật độ
cứng nhất định. Nhưng bằng cách nào mà Trái đất lại có thể chuyển động trong một môi
trường cứng như vậy mà không bị chậm lại và va vào Mặt Trời? Bằng cách nào mà ête lại
có thể cùng lúc vừa là một chất rắn đàn hồi lại vừa là một chất lỏng tinh tế được?
Đó chính là những vấn đề khiến cho các nhà khoa học cuối thế kỉ XIX quan tâm?

Có hay không có một môi trường đặc biệt “ête” trong sự lan truyền của sóng ánh sáng?
Năm 1887, nhà vật lý người Mỹ, Albert Michelson (1852-1931), và đồng nghiệp
của ông là Edward Morley (1838-1923) đã thực hiện một thí nghiệm tài tình để kiểm tra
sự tồn tại của ête.Hai ông đã chế tạo một dụng cụ gọi là giao thoa kế, dựa trên nguyên lý
giao thoa của Thomas Young. Trong giao thoa kế này, một chùm sáng có một tần số duy
Trang 2


nhất được chia làm hai chùm. Hai chùm này đi theo hai con đường khác nhau nhưng có
cùng chiều dài, một theo phương chuyển động của trái đất, một theo phương vuông góc
rồi sau đó kết hợp với nhau. Đúng ở thời điểm chúng tách khỏi nhau, hai chùm tia hoàn
toàn trùng khít với nhau, nhưng khi chúng kết hợp thì sự kết hợp phụ thuộc vào vận tốc
của hai chùm tia ở thời điểm đó. Nếu có xét đến sự chuyển động của Trái đất thì chắc
chắn là vận tốc của hai chùm tia này là khác nhau, nhưng kết quả thu được lại hoàn toàn
khác, hai chùm tia vẫn trùng khít như lúc bị tách ra, điều đó có nghĩa vận tốc ánh sáng
truyền theo hai phương khác nhau là không thay đổi. Trong dự đoán, với giao thoa kế của
mình, Michelson và Morley về nguyên tắc có thể đo được các chênh lệch với cỡ vận tốc
khoảng 1,5 km/s, tức là một phần hai mươi vận tốc của Trái đất qua chất ête giả thuyết.
Nhưng rõ ràng sau nhiều lần thực hiện thí nghiệm thì hai ông đã kết luận rằng vận tốc
ánh sáng không thay đổi dù nó lan truyền theo phương nào đi nữa.

Hình 1.1: Edward Morley (trái) và Albert Michelson (phải), hai nhà vật lý người Mỹ
Sau thí nghiệm của Michelson và Morley, con người dần phải chấp nhận rằng chất
“ête”chỉ là sản phẩm bởi trí tưởng tượng, dù rằng có nhiều nhà khoa học đã cố gắng để
“cứu” lấy khái niệm này. Và mọi chuyện dừng lại ở đó, cho đến khi Albert Einstein
(1879-1955) đã khẳng định một nguyên nhân thật đơn giản để lí giải vấn đề trên, ông cho
rằng môi trường ête là không hề tồn tại, các sóng ánh sáng, khác với các sóng khác,
không cần phải có một môi trường để lan truyền. Ánh sáng có thể lan truyền trong một
không gian hoàn toàn trống rỗng. Và Einstein đã giải thích quan điểm của mình bằng
thuyết tương đối hẹp của mình.

Như vậy cho đến năm 1905, con người đã có một cái nhìn đúng đắn hơn về sóng
ánh sáng, và đặc biệt đó là loại bỏ được khái niệm về môi trường “ete” như các nhà khoa
học trước đây vẫn thường đề cập đến. Nhưng cũng trong chính năm đó, một luồng gió
mới lại thổi tới trong vấn đề bản chất của ánh sáng với một công trình của chính Albert
Einstein về “Hiệu ứng quang điện”.
Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng trong đó các electron thoát ra khỏi bề mặt
của một tấm kim loại khi có ánh sáng chiếu vào. Theo như quan điểm cổ điển thì với
cường độ ánh sáng càng mạnh thì electron ngày càng tích tụ được nhiều năng lượng để
bức ra khỏi kim loại, nhưng trên thực tế thí nghiệm lại không phải như vậy.
Einstein đã nhận thấy rằng, nếu chiếu một ánh sáng có tần số thấp vào một kim loại,
thì hiệu ứng vẫn không thể xảy ra, dù chiếu với cường độ mạnh bao nhiêu đi nữa. Ngược
lại khi chiếu ánh sáng với tần số cao, như ánh sáng cực tím thì hiệu ứng lại lập tức xảy ra
mà không cần khoảng thời gian để electron tích lũy năng lượng.
Để giải thích về hiện tượng kì lạ này, Einstein đã đặt vấn đề cần xem xét lại bản chất
của ánh sáng. Ông đã đưa ra một giả thuyết táo bạo rằng hiệu ứng quang điện chỉ có thể
Trang 3


giải thích được nếu sóng ánh sáng bị kim loại hấp thụ không phải là một sóng liên tục mà
được cấu thành từ các “hạt” hay các lượng tử năng lượng xác định. Năng lượng này
không thể tùy tiện lấy bất kì, mà đúng bằng một bội số của tần số. Einstein đã khai triển
thuyết lượng tử của Planck và đưa ra thuyết photon, cho rằng năng lượng ánh sáng tập
trung trong những hạt nhỏ gọi là photon hay quang tử.
Trong khuôn khổ giả thuyết này thì Einstein đã giải thích được tất cả các sự kiện
thực nghiệm quan sát được. Như vậy, một lần nữa ánh sáng lại được khẳng định về bản
chất hạt của nó, tuy nhiên ta có thể thấy quan niệm “hạt ánh sáng” do Einstein đưa ra là
khác với quan niệm trước đây của Newton, đó không phải là những hạt cơ học đơn giản
như quan niệm của Newton mà có những thuộc tính riêng của nó. Nhờ vào giả thuyết về
lượng tử ánh sáng này Einstein đã hoàn toàn giải thích được 3 thí nghiệm của mình về
hiệu ứng quang điện.

Sau đó hơn 10 năm, trong thập niên 1920, lí thuyết của Einstein về tính chất hạt của
ánh sáng một lần nữa được củng cố bởi các thí nghiệm của nhà vật lí người Mĩ Arthur
H.Compton, người chứng minh được photon có xung lượng, một yêu cầu cần thiết để
củng cố lí thuyết vật chất và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau, hiệu ứng đó sau này
được gọi là hiệu ứng Compton. Đó là hiện tượng xảy ra khi Compton nghiên cứu sự
khuếch tán (hay tán xạ) tia X bởi graphit (than chì). Trong thí nghiệm của mình, ông
nhận thấy khi cho một chùm tia X có độ dài sóng λ đi qua một khối graphit, chùm tia bị
khuếch tán. Khi khảo sát chùm tia khuếch tán ở một góc khuếch tán ϕ nhờ máy quang
phổ, người ta thấy ngoài vạch ứng với độ dài sóng λ còn một vạch ứng với độ dài sóng
λ ’ lớn hơn λ . Compton đã giải thích hiện tượng này bằng sự va chạm giữa photon với
electron của chất khuếch tán, trong đó photon như một hạt có tính cơ học. Nếu thừa nhận
ánh sáng có bản chất sóng thì Compton sẽ không thể giải thích được hiện tượng đã xảy
ra, chỉ khi chấp nhận ánh sáng có bản chất hạt, và sử dụng thuyết photon của Einstein thì
ông mới có thể giải thích được trọn vẹn hiện tượng.

Hình 1.2: Tán xạ photon
Như vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ XX tồn tại một câu hỏi đặt ra cho các nhà khoa
học: bản chất của ánh sáng là sóng hay hạt. Trước khi hiện tượng quang điện xuất hiện
con người có thể dễ dàng tin chắc rằng ánh sáng là sóng điện từ với các hiện tượng liên
quan đến sự truyền của ánh sáng như giao thoa, nhiễu xạ,…Tuy nhiên cho đến đầu thế kỉ
XX, với lí thuyết sóng ánh sáng con người sẽ không thể lí giải được cho các hiện tượng
về sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton…
Để có được đáp án cho những hiện tượng này, con người sẽ phải chấp nhận quan điểm
hạt photon của Einstein. Vậy ánh sáng thực chất là sóng hay hạt?
Cùng khoảng thời gian nghiên cứu của Compton, một nhà khoa học người Pháp
Louis Victor-de Broglie cho rằng tất cả vật chất và bức xạ đều có những tính chất vừa
giống sóng vừa giống hạt. Dưới sự chỉ dẫn của Max Planck, De Broglie đã ngoại suy
Trang 4

công thức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với năng lượng chứa luôn hằng số
Planck:

E = mc

2

= hf

Trong đó: E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng
số Planck, và f là tần số.
Công trình của De Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lượng và khối
lượng của một hạt, mang tính cơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mới cuối cùng sẽ
dùng để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. Đó chính là
ngành cơ học lượng tử.
Qua đó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ XX khi tìm hiểu về ánh sáng không phải là
sự tranh chấp giữa hai quan điểm để xác định quan điểm nào đúng mà lại là sự thống nhất
chúng lại trong một lí thuyết mới. Ngày nay chúng ta công nhận ánh sáng có lưỡng tính
sóng – hạt. Hai tính chất này cùng tồn tại trong một thể thống nhất là ánh sáng và tùy
điều kiện của hiện tượng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng được hiện
ra. Ta có thể coi sóng và hạt là hai tính phụ nhau của ánh sáng. Giữa hai mặt sóng và hạt
của ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ không hoàn toàn là hai mặt độc
lập với nhau.

Hình 1.3: Louis de Broglie (1892-1987), người Pháp
Cho đến đầu thế kỉ XX, việc thừa nhận sự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp
con người hiểu được một cách bao quát các đặc tính của ánh sáng. “Ánh sáng không là
sóng và cũng chẳng là hạt, nói ánh sáng là lưỡng tính sóng – hạt thực chất các nhà khoa
học muốn đề cập đến ánh sáng như một đối tượng mới trong vật lí học mà bản chất của
nó vừa giống sóng vừa giống hạt”. Quan điểm này đã thực sự khép lại những cuộc tranh

luận về bản chất ánh sáng là sóng hay hạt. Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng là tìm
hiểu về cái bản chất vô cùng đặc biệt này, và hơn thế nữa, đối tượng “lưỡng tính sónghạt” không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn được suy rộng ra cho các hạt vật chất, như ta đã
biết trong lí thuyết của De Broglie.

1.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ NHỮNG ĐỊNH LUẬT VỀ QUANG HỌC
1.2.1 Một số khái niệm
Quang học là một ngành của vật lý nghiên cứu về sự lan truyền của ánh sáng trong
các môi trường.
Vì ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của bức xạ điện từ, quang học có thể coi
như là một lĩnh vực trong điện từ học và nhiều kết quả của quang học có thể mở rộng ra
Trang 5


cho các bức xạ điện từ khác. Tuy vậy do yếu tố lịch sử, quang học ngày nay vẫn có vị trí
như một ngành vật lý riêng và có những nhánh riêng của nó: quang hình, quang lý...
Quang học có ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và công nghệ như trong khoa đo
lường, công nghệ điện tử, y học...
1.2.2 Những định luật về quang học
1.2.2.1 Nguyên lý Fermat
Ta biết rằng, theo nguyên lí truyền thẳng ánh sáng trong một môi trường đồng tính
về quang học (chiết suất của môi trường như nhau tại mọi điểm) ánh sáng truyền theo
đường thẳng, nghĩa là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm cho trước. Khi truyền từ một
môi trường này sang một môi trường khác (có chiết suất khác nhau), ánh sáng sẽ bị phản
xạ và khúc xạ ở mặt phân cách hai môi trường, nghĩa là tia sáng bị gãy khúc. Vậy trong
trường hợp chung, giữa hai điểm cho trước ánh sáng có thể truyền theo đường ngắn nhất
không? Ta hãy khảo sát thí nghiệm sau:

Hình 1.4: Minh họa nguyên lý Fermat
Xét một gương êlipôit tròn xoay M1 có mặt trong là mặt phản xạ. Tại tiêu điểm F1
của gương, ta đặt một nguồn sáng điểm. Theo tính chất của êlipxôit, các tia sáng xuất

phát từ F1, sau khi phản xạ trên mặt gương, đều qua tiêu điểm F2, đồng thời các đường đi
của tia sáng giữa hai tiêu điểm đều bằng nhau. Trên hình vẽ ta xét hai đường đi F1OF2 và
F1O'F2 .
Bây giờ giả sử ta có thêm hai gương M2 và M3 tiếp xúc với gương êlipxôit tại O.
Đường (∆ ) là pháp tuyến chung của 3 gương tại O (hình 1.4). Thực tế cho biết F1OF2 là
đường truyền có thực của ánh sáng đối với cả 3 gương. Ta rút ra các nhận xét sau:
- So với tất cả các con đường đi từ F1 đến gương M2 rồi đến F2 thì con đường truyền
thực F1OF2 của ánh sáng là con đường dài nhất (mọi con đường khác đều ngắn hơn con
đường tương ứng phản xạ trên êlipxôit).
- Đối với gương M3, con đường thực F1OF2 là con đường ngắn nhất (mọi con đường
khác đều dài hơn con đường tương ứng phản xạ trên êlipxôit)
- Đối với gương êlipxôit M1, có vô số đường truyền thực của ánh sáng từ F1 tới M1
rồi tới F2. Các đường truyền này đều bằng nhau.
Vậy đường truyền thực của ánh sáng từ một điểm này tới một điểm khác là một cực
trị.
Ta có thể phát biểu một cách tổng quát trên khái niệm quang lộ: khi ánh sáng đi từ
một điểm A tới một điểm B trong một môi trường có chiết suất n, thì quang lộ được định
nghĩa là
λ = n.AB
Nguyên lý FERMAT được phát biểu như sau :
"Quang lộ từ một điểm này tới một điểm khác phải là một cực trị".
Ta cũng có thể phát biểu nguyên lí này dựa vào thời gian truyền của ánh sáng.
Trang 6


Thời gian ánh sáng truyền một quang lộ nds là dt = nds/c , c = vận tốc ánh sáng
trong chân không.
Thời gian truyền từ A tới B là:
A

t=

1
nds
c ∫B
A

∫ nds

Quang lộ B
là một cực trị. Vậy thời gian truyền của ánh sáng từ một điểm này
tới một điểm khác cũng là một cực trị.
Ta thấy điều kiện quang lộ cực trị không phụ thuộc chiều truyền của ánh sáng. Vì
vậy đường truyền thực của ánh sáng từ A đến B cũng phải là đường truyền thực từ B đến
A. đó là tính chất rất chung của ánh sáng, gọi là tính truyền trở lại ngược chiều.
Từ định lý FERMAT, ta có thể suy ra các định luật khác về đường truyền của ánh
sáng.
1.2.2.2 Định luật truyền thẳng ánh sáng
"Trong một môi trường đồng tính, ánh sáng truyền theo đuờng thẳng"
Thực vậy, trong môi trường đồng tính, chiếc suất n bằng nhau tại mọi điểm. Quang
lộ cực trị cũng có nghĩa là quãng đường (hình học) cực trị. Mặt khác, trong hình học ta đã
biết: đường thẳng là đường ngắn nhất nối liền hai điểm cho trước. Ta tìm lại được định
luật truyền thẳng ánh sáng.
1.2.2.3 Định luật phản xạ ánh sáng
Xét mặt phản xạ (P) và hai điểm A, B cho trước. Về mặt hình học, ta có vô số
đường đi từ A, phản xạ trên (P) tới B. Trong vô số đường đi hình học đó, ta cần xác định
đường nào là đường đi của ánh sáng. Theo nguyên lý FERMAT, đó là đường đi có quang
lộ cực trị.
Trước hết, ta chứng tỏ rằng đường đi đó phải ở trong mặt phẳng (Q) chứa A, B và
thẳng góc với mặt phản xạ (P) (Hình 1.5)

Hình 1.5: Tia tới và tia phản xạ không cùng nằm trên một mặt phẳng
Thật vậy, nếu tia sáng tới mặt (P) tại một điểm I1 không nằm trong mặt phẳng (Q)
thì ta luôn luôn từ I1 kẻ được đường thẳng góc với giao tuyến MN của (P) và (Q), và có
AIB < AI1B
Vậy điểm tới của hai tia sáng phải nằm trong mặt phẳng (Q), nghĩa là quang lộ khả
dĩ phải nằm trong (Q), tức là phải nằm trong mặt phẳng tới.

Trang 7


Hình 1.6: Định luật phản xạ ánh sáng
Tiếp theo, ta cần xác định điểm tới I trên MN. Đó chính là giao điểm của AB' với
MN
(B' là điểm đối xứng với B qua mặt (P)). Thực vậy, với một điểm J nào khác trên
MN, ta luôn có:
AIB < AJB
Từ hình 1.6, ta dễ dàng suy ra : góc tới i = góc phản xạ i'
Vậy tóm lại, từ nguyên lý FERMAT, ta tìm lại được định luật phản xạ ánh sáng:
"Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới. Tia phản xạ và tia tới ở hai bên đường pháp
tuyến. Góc phản xạ bằng góc tới".
1.2.2.4 Định luật khúc xạ ánh sáng

Hình 1.7: Định luật khúc xạ ánh sáng
Xét mặt phẳng (P) ngăn cách hai môi trường có chiết suất tuyệt đối lần lượt là n1 và
n2. Hai điểm A và B nằm ở hai bên của mặt phẳng (P). Ta hãy xác định đường truyền của
tia sáng từ A tới B.
Chứng minh tương tự trường hợp phản xạ, ta thấy các tia sáng trong hai môi trường
phải nằm trong cùng một mặt phẳng. Đó là mặt phẳng Q chứa A, B và vuông góc với mặt
phẳng P (mặt phẳng Q chính là mặt phẳng tới).

Trong mặt phẳng Q, ta hãy xác định đường truyền thực của tia sáng. Trên hình 1.7,
MN là giao tuyến giữa hai mặt phẳng P và Q. Giả sử (AIB) là quang lộ thực. Ta hãy biểu
diễn quang lộ (AIB) theo biến số x (x xác định vị trí I trên MN).
(AIB) =•λ = n1AI + n2IB
λ = n1 h12 + x 2 + n2 h22 + ( p − x )2
Là quang lộ thực vậy, theo nguyên lý FERMAT ta phải có:
dl
x
= n1
− n2
dx
h12 + x 2

p−x
h22 + ( p − x )

2

=0

hay n1sini1 – n2sini2 = 0
sin i1 n 2
= = n 2.1
hay sin i2 n1
(hằng số)
Trang 8


Vậy ta đã tìm được định luật khúc xạ ánh sáng. "Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng
tới. Tia tới và tia khúc xạ ở hai bên đường pháp tuyến. Tỉ số giữa sin góc tới và sin góc

khúc xạ là một hằng số đối với hai môi trường cho trước"
Nhắc lại : n2.1 = chiết suất tỉ số đối của môi trường thứ hai với môi trường thứ nhất.
Chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối
với chân không.
• TRƯỜNG HỢP ĐẶC BIỆT: Sự phản xạ toàn phần
Khi chiết suất của môi trường thứ hai nhỏ hơn môi trường thứ nhất, thí dụ : ánh sáng
truyền từ thủy tinh ra ngoài không khí, ta có : n2.1 < 1. Suy ra góc khúc xạ i2 lớn hơn góc
i1.
Vậy khi i2 đạt đến trị số lớn nhất là π/2 thì i1 có một trị số xác định bởi sin λ = n2.1, λ
được gọi là góc tới giới hạn. Nếu góc tới lớn hơn góc giới hạn này thì toàn bộ năng lượng
ánh sáng bị phản xạ trở lại môi trường thứ nhất (không có tia khúc xạ). Đó là sự phản xạ
toàn phần.
Trên đây ta đã thấy, các định luật về quang hình học đã được chứng minh từ nguyên
lý FERMAT. Ta cũng có thể tìm lại được các định luật này từ nguyên lý Huyghens.
Nguyên lý Huyghens là nguyên lý chung cho các quá trình sóng. Điều này trực tiếp
chứng minh bản chất sóng của ánh sáng. Tuy nhiên, trong phần quang hình, ta chỉ nhằm
xác định đường truyền của ánh sáng qua các môi trường và chưa để ý tới bản chất của
ánh sáng.
Các đây hàng ngàn năm, các định luật quang học được tìm ra một cách riêng biệt,
độc lập với nhau, bằng các phương pháp thực nghiệm. Tiến thêm một bước, từ các quan
sát thực tế, người ta thừa nhận nguyên lý chung. Rồi từ nguyên lý chung, suy ra các định
luật. Đó là phương pháp tiên đề để xây dựng một môn khoa học.

1.3. NHỮNG NHÀ VẬT LÝ HỌC GẮN LIỀN VỚI QUANG HỌC
1.3.1 Albert Einstein (1879 – 1955)
1.3.1.1 Cuộc đời
Einstein sinh ngày 14 tháng 3 năm 1879 tại thị trấn nhỏ Ulm bên dòng sông Danube
thuộc bang Baden-Württemberg của Đức. Einstein bỏ quốc tịch Đức năm 1896 và nhận
quốc tịch Thụy Sĩ năm 1901. Sau khi tốt nghiệp trường Eidgenössische Technische
Hochschule (một trường đại học kỹ thuật) vào năm 1900 ở Zurich, Thụy Sĩ, ông dạy toán

tại một trường đại học kỹ thuật khác ở Winterthur, rồi từ 1902 đến 1908, bắt đầu làm việc
cho văn phòng cấp bằng sáng chế kỹ thuật tại Bern, với chức vụ giám định viên kỹ thuật
hạng III. Đây chính là thời gian Einstein có những phát kiến quan trọng trong vật lý lý
thuyết, và cũng là nền tảng cho sự nghiệp của ông sau này, hoàn toàn làm ngoài giờ và
không có nhiều liên hệ trực tiếp với đồng nghiệp và tài liệu khoa học.
Einstein nhận bằng tiến sĩ từ Đại học Zurich năm 1905 và cùng năm này xuất bản 3
công trình khoa học trong đó có thuyết tương đối hẹp. Sau khi phát kiến ra nguyên lý
tương đương của trọng trường năm 1907, Einstein trở thành giảng viên tại Đại học Bern
năm 1908, rồi thành giáo sư vật lý tại Đại học Zurich năm 1909 và bắt đầu được biết đến
là một nhà khoa học hàng đầu. 1911, trong khi chuyển đến giảng tại Đại học KarlFerdinand ở Praha (thủ đô của Tiệp Khắc lúc đó), ông đưa ra tiên đoán đầu tiên của
thuyết tương đối rộng là ánh sáng phải đi theo đường cong khi qua gần Mặt Trời. Một
năm sau đó trở lại Zurich tiếp tục phát triển lý thuyết về trọng trường bằng tính toán
tensor, với sự giúp đỡ của bạn học và cũng là nhà toán học Marcel Grossmann. Năm
1914 ông quay lại Đức, trở thành thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Đức. Năm
1915, lần đầu thuyết tương đối rộng được xuất bản. Năm 1919, đo đạc với ánh sáng mặt
Trang 9


trời khi có nhật thực của một đoàn chuyên gia người Anh đã khẳng định tiên đoán của
Einstein vào năm 1911.
Einstein nhanh chóng trở nên rất nổi tiếng trên thế giới, còn ở Đức ông lại bị một số
phần tử bài Do Thái tấn công. Từ năm 1920
đến năm 1927, ông đi khắp thế giới để
thuyết trình và hoạt động xã hội (1921 Mỹ,
1922 Pháp và Nhật, 1923 Palestine, rồi 1924
Nam Mỹ). Năm 1921 cũng là năm Einstein
được nhận giải thưởng Nobel về vật lý,
không phải cho công trình nổi tiếng nhưng
vẫn còn gây tranh cãi vào thời điểm này là
lý thuyết tương đối, mà cho những giải thích

về hiệu ứng quang điện. Bắt đầu từ năm
1927, Einstein tham gia vào một cuộc tranh
luận với Niels Bohr về thuyết lượng tử. Ông
làm việc quá sức và lâm bệnh năm 1928.
Mặc dù bình phục ngay trong năm này,
cường độ làm việc của ông buộc phải giãn
hơn trước. Năm 1932, Einstein nhận giảng
tại Đại học Princeton, tại Mỹ, và không quay Hình 1.8: Albert Einstein (1879 – 1955)
trở lại nữa vì chính quyền chống Do Thái
Đức quốc xã đã cầm quyền ở Đức. Năm 1933, ông tiếp tục chu du Oxford, Glasgow,
Brussels, Zurich và nhận được những vị trí danh dự mà ông đã từng mơ ước vào năm
1901 từ Jerusalem, Leiden, Oxford, Madrid và Paris. Năm 1935 Einstein quyết định ở lại
Princeton thực hiện những cố gắng trong việc thống nhất các định luật của vật lý. Năm
1940 ông nhận quốc tịch Mỹ, và vẫn giữ quốc tịch Thụy Sĩ.
Einstein là một người phản đối chiến tranh và đã gây được 6 triệu đô la tiền quỹ
bằng việc bán đấu giá bản viết tay về thuyết tương đối hẹp của mình vào năm 1944. Ông
bắt đầu lâm bệnh từ năm 1949 và viết di chúc năm 1950. Năm 1952, chính phủ Israel mời
Einstein nhận chức tổng thống, nhưng ông từ chối. Một tuần trước khi mất, Einstein ký
tên vào một bức thư kêu gọi các nước không xây dựng vũ khí hạt nhân. Ông mất tại
Trenton, New Jersey, 4 giờ chiều ngày 18 tháng 4 năm 1955.
1.3.1.2 Sự nghiệp
Ông là người đã công bố vào năm 1905 ba bài viết gây nên ảnh hưởng có tính cách
mạng đến sự phát triển của vật lý hiện đại.
Trong bài viết thứ nhất, ông đã đề xuất thuyết tương đối hẹp mô tả chính xác hơn
các hạt vật chất chuyển động với vận tốc cao. Tiên đề cơ bản của thuyết tương đối hẹp là
vận tốc ánh sáng cũng như mọi định luật vật lý là như nhau trong mọi hệ quy chiếu quán
tính. Einstein biết rõ về kết quả thí nghiệm âm tính của Michelson-Morley, nhưng chưa
quen biết với công trình của Hendrik Lorentz sau năm 1895, nên ông đã tự sáng tạo ra
biến đổi Lorentz cho mình.
Thuyết tương đối hẹp đòi hỏi nhiều sự thay đổi đối với các định luật cơ học, tuy

nhiên các phương trình điện từ của James Clerk Maxwell được phát hiện là thoả mãn
hoàn toàn thuyết này mà không cần sự thay đổi gì. Sử dụng thuyết tương đối hẹp,
Einstein đã tìm ra được sự tương đương giữa khối lượng nghỉ m0 và năng lượng E của vật
chất, mô tả bởi E2 - p2c2 = m02c4, với c là vận tốc ánh sáng và p là động lượng (tương đối
tính). Khi khối lượng tổng cộng (tương đối tính) m = γm0 được dùng, phương trình đơn
giản hoá thành phương trình nổi tiếng E = mc2.
Trang 10


Trong bài viết thứ hai, cùng xuất bản vào năm 1905, Einstein đã giải thích được
hiệu ứng quang điện bằng cách giả thiết rằng ánh sáng là các hạt chuyển động (gọi là
photon) với năng lượng E = hν, ở đây h là hằng số Planck (gọi tên theo nhà vật lý Max
Planck) và ν là tần số của hạt photon. Đây là một mở rộng của lý thuyết lượng tử ánh
sáng của Planck. Phương trình mà Einstein tiên đoán từ lý thuyết này đã được kiểm
chứng bằng thí nghiệm của Robert Millikan vào năm 1916.
Cũng vào năm 1905 ấy, trong bài viết thứ ba, Einstein đã giải thích chuyển động
Brown bằng lý thuyết động học, với lập luận cơ bản là chuyển động của các hạt Brown là
do sự va đập hỗn loạn của các phân tử. Einstein đã tiếp tục phát triển lý thuyết này đến
một phương trình cho thấy các hạt lơ lửng trong không trung trên mặt đất sẽ dần dần tự
sắp xếp theo mật độ giảm dần theo hàm mũ tự nhiên từ thấp lên cao. Sử dụng phương
trình của Einstein cho chuyển động Brown và phân bố của các hạt, Jean Perrin đã đo
được hằng số Boltzmann bằng thí nghiệm.
Einstein sau đó tiếp tục phát triển thuyết tương đối rộng, dựa trên tiên đề là gia tốc
đều tương đương với trọng trường hấp dẫn. Tiên đề này thường được biết đến với tên gọi
nguyên lý tương đương của trọng trường. Nó mô tả trọng trường như là độ cong của
không thời gian. Lý thuyết tương đối rộng sử dụng rất nhiều tính toán tensor RicciCurbastro. Einstein cũng đã nghiên cứu mô hình vũ trụ, và thấy là lý thuyết tương đối
rộng không thỏa mãn điều kiện đồng nhất, đẳng hướng và cân bằng của vũ trụ, trừ phi
thêm vào lý thuyết này một hằng số gọi là hằng số vũ trụ.
Trong phần lớn cuộc đời còn lại của mình, Einstein đã có những cố gắng không
thành công trong việc tạo ra một lý thuyết thống nhất có thể mô tả tất cả mọi loại lực của

tự nhiên như là các dạng khác nhau của một lực cơ bản nhất. Các lý thuyết của Einstein
thường gây nhiều tranh cãi, ngay cả rất nhiều năm sau khi ông công bố chúng. Trong một
bản tiến cử Einstein vào Viện Hàn lâm Khoa học Đức, người ta đã viết "Tóm lại, ta có
thể nói là hầu như không có một vấn đề lớn nào của vật lý hiện đại mà Einstein không
thực hiện những đóng góp quan trọng. Một vài dự đoán nhầm của ông, ví dụ như giả
thuyết về các hạt ánh sáng, cũng không thể đem ra để phản bác lại ông được, vì rằng sẽ
không thể đưa ra những ý tưởng mới, ngay cả với những môn khoa học chính xác nhất,
mà không thỉnh thoảng sẵn sàng đương đầu với may rủi".
Một nghiên cứu gần đây về bộ não của Einstein, đã được bảo quản cho đến nay (chi
tiết có thể xem Regis 1991), người ta thấy khu vực bên trong của não, phần liên quan đến
tư duy toán học, rộng hơn bình thường đến 15% (Witelson và các tác giả khác 1999).
Ngoài ra, các đường viền não, bình thường chạy từ sau ra trước, không phát triển đối với
não của Einstein. Tuy nhiên, chưa thể khẳng định được sự ảnh hưởng của các yếu tố sinh
lý bất thường này đến sự sáng tạo khoa học của Einstein.
1.3.2 Isaac Newton (1642 - 1727)
1.3.2.1 Cuộc đời
Isaac Newton sinh ra tại một ngôi nhà ở Woolsthorpe, gần Grantham
ở Lincolnshire, Anh, vào ngày 25 tháng 12 năm 1642 (4 tháng 1, 1643 theo lịch mới).
Ông chưa một lần nhìn thấy mặt cha, do cha ông, một nông dân cũng tên là Isaac
Newton, mất trước khi ông sinh ra không lâu. Sống không hạnh phúc với cha dượng từ
nhỏ, Newton bắt đầu những năm học phổ thông trầm uất, xa nhà và bị gián đoạn bởi các
biến cố gia đình. May mắn là do không có khả năng điều hành tài chính trong vai anh cả
sau khi cha dượng mất, ông tiếp tục được cho học đại học (trường Trinity College
Cambridge) sau phổ thông vào năm 1661, sử dụng học bổng của trường với điều kiện
phải phục dịch các học sinh đóng học phí.
Trang 11


Mục tiêu ban đầu của Newton tại Đại học Cambridge là tấm bằng luật sư với
chương trình nặng về triết học của Aristotle, nhưng ông nhanh chóng bị cuốn hút bởi toán

học của Descartes, thiên văn học của Galileo và cả quang học của Kepler. Ông đã viết
trong thời gian này: "Plato là bạn của tôi, Aristotle là bạn của tôi, nhưng sự thật mới là
người bạn thân thiết nhất của tôi". Tuy nhiên, đa phần kiến thức toán học cao cấp nhất
thời bấy giờ, Newton tiếp cận được là nhờ đọc thêm sách, đặc biệt là từ sau năm 1663,
gồm các cuốn Elements của Euclid, Clavis Mathematica của William Oughtred, La
Géométrie của Descartes, Geometria a Renato
Des Cartescủa Frans van Schooten, Algebra của
Wallis và các công trình của François Viète.
Ngay sau khi nhận bằng tốt nghiệp,
năm 1630, ông phải trở về nhà 2 năm vì trường
đóng cửa do bệnh dịch hạch lan truyền. Hai
năm này chứng kiến một loạt các phát triển
quan trọng của Newton với phương pháp tính vi
phân và tích phân hoàn toàn mới, thống nhất và
đơn giản hoá nhiều phương pháp tính khác nhau
thời bấy giờ để giải quyết những bài toán có vẻ
không liên quan trực tiếp đến nhau như tìm diện
tích, tìm tiếp tuyến, độ dài đường cong và cực
trị của hàm. Tài năng toán học của ông nhanh
chóng được hiệu trưởng của Cambridge nhận ra
khi trường mở cửa trở lại. Ông được nhận làm
giảng viên của trường năm 1670, sau khi hoàn
thành thạc sĩ, và bắt đầu nghiên cứu và giảng
về quang học. Ông lần đầu chứng minh ánh Hình 1.9: Isaac Newton (1642-1727)
sáng trắng thực ra được tạo thành bởi nhiều
màu sắc, và đưa ra cải tiến cho kính thiên văn sử dụng gương thay thấu kính để hạn chế
sự nhoè ảnh do tán sắc ánh sáng qua thuỷ tinh.
Newton được bầu vào Hội Khoa học Hoàng gia Anh năm 1672 và bắt đầu vấp phải
các phản bác từ Huygens và Hooke về lý thuyết hạt ánh sáng của ông. Lý thuyết về màu
sắc ánh sáng của ông cũng bị một tác giả phản bác và cuộc tranh cãi đã dẫn đến suy sụp

tinh thần cho Newton vào năm 1678. Năm 1679 Newton và Hooke tham gia vào một
cuộc tranh luận mới về quỹ đạo của thiên thể trong trọng trường. Năm 1684, Halley
thuyết phục được Newton xuất bản các tính toán sau cuộc tranh luận này trong
quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các Nguyên lý của Triết lý về Tự
Nhiên). Quyển sách đã mang lại cho Newton tiếng tăm vượt ra ngoài nước Anh, đến châu
Âu.
Năm 1685, chính trị nước Anh thay đổi dưới sự trị vì của James II, và trường
Cambridge phải tuân thủ những điều luật phi lý như buộc phải cấp bằng cho giáo chủ
không thông qua thi cử. Newton kịch liệt phản đối những can thiệp này và sau khi James
bị William III đánh bại, Newton được bầu vào Nghị viện Anh nhờ những đấu tranh chính
trị của ông.
Năm 1693, sau nhiều năm làm thí nghiệm hoá học thất bại và sức khoẻ suy sụp
nghiêm trọng, Newton từ bỏ khoa học, rời Cambridge để về nhận chức trong chính quyền
tại Luân Đôn. Newton tích cực tham gia hoạt động chính trị và trở nên giàu có nhờ bổng
lộc nhà nước. Năm 1703 Newton được bầu làm chủ tịch Hội Khoa học Hoàng gia Anh và
Trang 12


giữ chức vụ đó trong suốt phần còn lại của cuộc đời ông. Ông được Nữ hoàng phong bá
tước năm 1705. việc ai phát minh ra vi phân và tích phân, Newton và Lepnic không bao
giờ tranh luận cả, nhưng các người hâm mộ lại tranh cãi quyết liệt khiến hai nhà khoa học
vĩ đại này cảm thấy xấu hổ. Ông mất ngày 31 tháng 3 năm 1727 tại Luân Đôn.
1.3.2.2 Sự nghiệp
Isaac Newton sinh ra trong một gia đình nông dân. May mắn cho nhân loại, Newton
không làm ruộng giỏi nên được đưa đến Đại học Cambridge để trở thành luật sư. Tại
Cambridge, Newton bị ấn tượng mạnh từ trường phái Euclid, tuy rằng tư duy của ông
cũng bị ảnh hưởng bởi trường phái của Roger Bacon và René Descartes. Một đợt dịch
bệnh đã khiến trường Cambridge đóng cửa và trong thời gian ở nhà, Newton đã có những
phát kiến khoa học quan trọng, dù chúng không được công bố ngay.
Những người có ảnh hưởng đến việc công bố các công trình của Newton là Robert

Hooke và Edmond Halley. Sau một cuộc tranh luận về chủ đề quỹ đạo của một hạt khi
bay từ vũ trụ vào Trái Đất với Hooke, Newton đã bị cuốn hút vào việc sử dụng định luật
vạn vật hấp dẫn và cơ học của ông trong tính toán quỹ đạo Johannes Kepler. Những kết
quả này hấp dẫn Halley và ông đã thuyết phục được Newton xuất bản chúng. Từ tháng
8 năm 1684 đến mùa xuân năm 1688, Newton hoàn thành tác phẩm, mà sau này trở thành
một trong những công trình nền tảng quan trọng nhất cho vật lý của mọi thời đại,
cuốn Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các Nguyên lý Toán học của Triết
lý về Tự nhiên).
Trong quyển I của tác phẩm này, Newton giới thiệu các định nghĩa và ba định
luật của chuyển động thường được biết với tên gọi sau này là Định luật Newton. Quyển II
trình bày các phương pháp luận khoa học mới của Newton thay thế cho triết lý Descartes.
Quyển cuối cùng là các ứng dụng của lý thuyết động lực học của ông, trong đó có sự giải
thích về thủy triều và lý thuyết về sự chuyển động của Mặt Trăng. Để kiểm chứng lý
thuyết về vạn vật hấp dẫn của ông, Newton đã hỏi nhà thiên văn John Flamsteed kiểm tra
xem Sao Thổ có chuyển động chậm lại mỗi lần đi gần Sao Mộc không. Flamsteed đã rất
sửng sốt nhận ra hiệu ứng này có thật và đo đạc phù hợp với các tính toán của Newton.
Các phương trình của Newton được củng cố thêm bằng kết quả quan sát về hình dạng bẹt
của Trái Đất tại hai cực, thay vì lồi ra tại hai cực như đã tiên đoán bởi trường phái
Descartes. Phương trình của Newton cũng miêu tả được gần đúng chuyển động Mặt
Trăng, và tiên đoán chính xác thời điểm quay lại của sao chổi Halley. Trong các tính toán
về hình dạng của một vật ít gây lực cản nhất khi nằm trong dòng chảy của chất lỏng hay
chất khí, Newton cũng đã viết ra và giải được bài toán giải tích biến phân đầu tiên của thế
giới.
Newton sáng tạo ra một phương pháp khoa học rất tổng quát. Ông trình bày phương
pháp luận của ông thành bốn quy tắc của lý luận khoa học. Các quy tắc này được phát
biểu trong quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica như sau:
1. Các hiện tượng tự nhiên phải được giải thích bằng một hệ tối giản các quy luật
đúng, vừa đủ và chặt chẽ.
2. Các hiện tượng tự nhiên giống nhau phải có cùng nguyên nhân như nhau.
3. Các tính chất của vật chất là như nhau trong toàn vũ trụ.

4. Một nhận định rút ra từ quan sát tự nhiên chỉ được coi là đúng cho đến khi có một
thực nghiệm khác mâu thuẫn với nó.
Bốn quy tắc súc tích và tổng quát cho nghiên cứu khoa học này đã là một cuộc cách
mạng về tư duy thực sự vào thời điểm bấy giờ. Thực hiện các quy tắc này, Newton đã
hình thành được các định luật tổng quát của tự nhiên và giải thích được gần như tất cả các
bài toán khoa học vào thời của ông. Newton còn đi xa hơn việc chỉ đưa ra các quy tắc cho
Trang 13


lý luận, ông đã miêu tả cách áp dụng chúng trong việc giải quyết một bài toán cụ thể.
Phương pháp giải tích mà ông sáng tạo vượt trội các phương pháp mang tính triết lý hơn
là tính chính xác khoa học của Aristoteles và Thomas Aquinas. Newton đã hoàn thiện
phương pháp thực nghiệm của Galileo Galilei, tạo ra phương pháp tổng hợp vẫn còn
được sử dụng cho đến ngày nay trong khoa học. Những câu chữ sau đây trong
quyển Opticks (Quang học) của ông có thể dễ dàng bị nhầm lẫn với trình bày hiện đại của
phương pháp nghiên cứu thời nay, nếu Newton dùng từ "khoa học" thay cho "triết lý về
tự nhiên":
Cũng như trong toán học, trong triết lý về tự nhiên, việc nghiên cứu các vấn đề hóc
búa cần thực hiện bằng phương pháp phân tích và tổng hợp. Nó bao gồm làm thí nghiệm,
quan sát, đưa ra những kết luận tổng quát, từ đó suy diễn. Phương pháp này sẽ giúp ta đi
từ các hợp chất phức tạp đến nguyên tố, đi từ chuyển động đến các lực tạo ra nó; và tổng
quát là từ các hiện tượng đến nguyên nhân, từ nguyên nhân riêng lẻ đến nguyên nhân
tổng quát, cho đến khi lý luận dừng lại ở mức tổng quát nhất. Tổng hợp lại các nguyên
nhân chúng ta đã khám phá ra thành các nguyên lý, chúng ta có thể sử dụng chúng để giải
thích các hiện tượng hệ quả.
Newton đã xây dựng lý thuyết cơ học và quang học cổ điển và sáng tạo ra giải
tích nhiều năm trước Gottfried Leibniz. Tuy nhiên ông đã không công bố công trình về
giải tích trước Leibniz. Điều này đã gây nên một cuộc tranh cãi giữa Anh và lục địa châu
Âu suốt nhiều thập kỷ về việc ai đã sáng tạo ra giải tích trước. Newton đã phát hiện ra
định lý nhị thức đúng cho các tích của phân số, nhưng ông đã để cho John Wallis công

bố. Newton đã tìm ra một công thức cho vận tốc âm thanh, nhưng không phù hợp với kết
quả thí nghiệm của ông. Lý do cho sự sai lệch này nằm ở sự giãn nở đoạn nhiệt, một khái
niệm chưa được biết đến thời bấy giờ. Kết quả của Newton thấp hơn γ½ lần thực tế,
với γ là tỷ lệ các nhiệt dung của không khí.
Theo quyển Opticks, mà Newton đã chần chừ trong việc xuất bản mãi cho đến khi
Hooke mất, Newton đã quan sát thấy ánh sáng trắng bị chia thành phổ nhiều màu sắc, khi
đi qua lăng kính (thuỷ tinh của lăng kính có chiết suất thay đổi tùy màu). Quan điểm hạt
về ánh sáng của Newton đã xuất phát từ các thí nghiệm mà ông đã làm với lăng kính ở
Cambridge. Ông thấy các ảnh sau lăng kính có hình bầu dục chứ không tròn như lý
thuyết ánh sáng thời bấy giờ tiên đoán. Ông cũng đã lần đầu tiên quan sát thấy các
vòng giao thoa mà ngày nay gọi là vòng Newton, một bằng chứng của tính chất sóng của
ánh sáng mà Newton đã không công nhận. Newton đã cho rằng ánh sáng đi nhanh hơn
trong thuỷ tinh, một kết luận trái với lý thuyết sóng ánh sáng của Christiaan Huygens.
Newton cũng xây dựng một hệ thống hoá học trong mục 31 cuối quyển Opticks.
Đây cũng là lý thuyết hạt, các "nguyên tố" được coi như các sự sắp xếp khác nhau của
những nguyên tử nhỏ và cứng như các quả bi-a. Ông giải thích phản ứng hoá học dựa
vào ái lực giữa các thành phần tham gia phản ứng. Cuối đời (sau 1678) ông thực hiện rất
nhiều các thí nghiệm hoá học vô cơ mà không ra kết quả gì.
Newton rất nhạy cảm với các phản bác đối với các lý thuyết của ông, thậm chí đến
mức không xuất bản các công trình cho đến tận sau khi người hay phản bác ông nhất là
Hooke mất. Quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica phải chờ sự thuyết
phục của Halley mới ra đời. Ông tỏ ra ngày càng lập dị vào cuối đời khi thực hiện các
phản ứng hoá học và cùng lúc xác định ngày tháng cho các sự kiện trong Kinh Thánh.
Sau khi Newton qua đời, người ta tìm thấy một lượng lớn thuỷ ngân trong cơ thể của ông,
có thể bị nhiễm trong lúc làm thí nghiệm. Điều này hoàn toàn có thể giải thích sự lập dị
của Newton.
Trang 14


Newton đã một mình đóng góp cho khoa học nhiều hơn bất cứ một nhân vật nào

trong lịch sử của loài người. Ông đã vượt trên tất cả những bộ óc khoa học lớn của thế
giới cổ đại, tạo nên một miêu tả cho vũ trụ không tự mâu thuẫn, đẹp và phù hợp với trực
giác hơn mọi lý thuyết có trước. Newton đưa ra cụ thể các nguyên lý của phương pháp
khoa học có thể ứng dụng tổng quát vào mọi lĩnh vực của khoa học. Đây là điều tương
phản lớn so với các phương pháp riêng biệt cho mỗi lĩnh vực của Aristoteles và Aquinas
trước đó.
Tuy các phương pháp của Newton rất lôgic, ông vẫn tin vào sự tồn tại của Chúa.
Ông tin là sự đẹp đẽ hoàn hảo theo trật tự của tự nhiên phải là sản phẩm của một Đấng
Tạo hoá siêu nhân. Ông cho rằng Chúa tồn tại mọi nơi và mọi lúc. Theo ông, Chúa sẽ
thỉnh thoảng nhúng tay vào sự vận hồi của thế gian để giữ gìn
trật tự.
Cũng có các nhà triết học trước như Galileo và John
Philoponus sử dụng phương pháp thực nghiệm, nhưng
Newton là người đầu tiên định nghĩa cụ thể và hệ thống cách
sử dụng phương pháp này. Phương pháp của ông cân bằng
giữa lý thuyết và thực nghiệm, giữa toán học và cơ học. Ông
toán học hoá mọi khoa học về tự nhiên, đơn giản hoá chúng
thành các bước chặt chẽ, tổng quát và hợp lý, tạo nên sự bắt
đầu của Kỷ nguyên Suy luận. Những nguyên lý mà Newton
đưa ra do đó vẫn giữ nguyên giá trị cho đến thời đại ngày nay.
Sau khi ông ra đi, những phương pháp của ông đã mang lại
những thành tựu khoa học lớn gấp bội những gì mà ông có
thể tưởng tượng lúc sinh thời. Các thành quả này là nền tảng Hình 1.10: Quyển
cho nền công nghệ mà chúng ta được hưởng ngày nay.
Opticks của Newton
Từ năm 1670 đến 1672, Newton diễn thuyết về quang
học. Trong khoảng thời gian này ông khám phá ra sự tán sắc ánh sáng, giải thích việc ánh
sáng trắng qua lăng kính trở thành nhiều màu, và một thấu kính hay một lăng kính sẽ hội
tụ các dãy màu thành ánh sáng trắng.
Newton còn cho thấy rằng ánh sáng màu không thay đổi tính chất, bằng việc phân

tích các tia màu và chiếu vào các vật khác nhau. Newton chú ý rằng dù là gì đi nữa, phản
xạ, tán xạ hay truyền qua, màu sắc vẫn giữ nguyên. Vì thế màu mà ta quan sát là kết quả
vật tương tác với các ánh sáng đã có sẵn màu sắc, không phải là kết quả của vật tạo ra
màu.
Nhờ vào những khám phá trên, Newton nhận ra nguyên nhân gây ra sự sai lệch
màu của hình ảnh trên kính viễn vọng khúc xạ thời đó. Ông đã áp dụng nguyên lý
của James Gregory để tạo ra kính viễn vọng phản xạ đầu tiên, khắc phục được nhiều
nhược điển về ảnh của kính viễn vọng khúc xạ đồng thời giảm đi đáng kể chiều dài của
kính viễn vọng.
1.3.3 Galileo Galilei (1564 – 1642)
1.3.3.1 Cuộc đời
Galileo sinh tại Pisa (khi ấy là một phần của Lãnh địa công tước Florence), Italia,
con cả trong số sáu người con của Vincenzo Galilei, một người chơi đàn luýt và nhà lý
luận âm nhạc nổi tiếng, và Giulia Ammannati. Bốn trong số sáu người con sống qua tuổi
sơ sinh, và người con út Michelangelo (hay Michelagnolo) trở thành một người chơi đàn
luýt và nhà soạn nhạc nổi tiếng.
Tên đầy đủ của Galileo là Galileo di Vincenzo Bonaiuti de' Galilei. Khi ông lên 8,
gia đình ông chuyển tới Florence, nhưng ông ở lại cùng Jacopo Borghini trong hai
Trang 15


năm. Sau đó ông đi học tại Tu viện Camaldolese ở Vallombrosa, 35 km phía đông nam
Florence. Dù khi còn trẻ ông nghiêm túc đi theo con đường tu sĩ, nhưng ông cũng theo
học y tại Đại học Pisa theo yêu cầu của cha mình. Ông không hoàn thành khoá học, mà
thay vào đó nghiên cứu toán học. Năm 1589, ông được chỉ định làm giáo sư toán tại Pisa.
Năm 1591 cha ông mất và ông được giao phó việc chăm lo người em trai Michelagnolo.
Năm 1592, ông tới Đại học Padua, dạy địa
lý, cơ khí, và thiên văn học cho tới năm
1610. Trong giai đoạn này Galileo đã thực
hiện những khám phá quan trọng trong cả

khoa học lý thuyết (ví dụ, động học của
chuyển động và thiên văn học) và khoa học
ứng dụng (ví dụ, sức bền vật liệu, cải tiến
kính thiên văn). Các quan tâm của ông gồm
nghiên cứu chiêm tinh, mà ở thời tiền hiện
đại được xem là liên quan với việc nghiên
cứu toán học và thiên văn học.
Dù là một tín đồ sùng đạo của Giáo hội
Công giáo Rôma, Galileo có ba đứa
con ngoài giá thú với Marina Gamba. Họ có
hai con gái, Virginia sinh năm 1600 và Livia
sinh năm 1601, và một con trai, Vincenzo,
sinh năm 1606. Vì là con ngoài giá thú, ông
cho rằng các cô con gái của mình không
Hình 1.11: Galileo Galilei (1564–1642)
thể lập gia đình. Tương lai duy nhất của họ
là tôn giáo. Cả hai cô gái đều được gửi tới nhà dòng kín San Matteo ở Arcetri và sống
trọn đời ở đó. Virginia lấy tên Maria Celeste khi vào nhà tu. Bà mất ngày 2 tháng 4 năm
1634, và được chôn cất cùng Galileo tại Basilica di Santa Croce di Firenze. Livia lấy tên
Sister Arcangela và ốm đau trong suốt cuộc đời. Vincenzo sau này được hợp pháp hoá và
cưới Sestilia Bocchineri.
Năm 1610 Galileo xuất bản một cuốn sách về các quan sát thiên văn của mình với
các Mặt Trăng của Sao Mộc, sử dụng quan sát này để ủng hộ lý thuyết nhật tâm của vũ
trụ củaCopernicus chống lại thuyết địa tâm Ptolemy và các lý thuyết của Aristote. Năm
sau đó, Galileo tới thăm Rome để chứng minh kính viễn vọng của mình trước các nhà
triết học và toán học của Học viện Dòng Tên Rôma (Jesuit Collegio Romano), và để họ
tự thấy bằng mắt mình sự thực về bốn Mặt Trăng của Sao Mộc. Khi ở Rome ông cũng trở
thành một thành viên của Accademia dei Lincei.
Năm 1612, xuất hiện sự chống đối thuyết nhật tâm của vũ trụ đang được Galileo
ủng hộ. Năm 1614, từ bục giảng kinh của Vương cung thánh đường Santa Maria Novella,

linh mục Tommaso Caccini (1574–1648) lên án các ý kiến của Galileo về sự chuyển
động của Trái Đất, cho rằng chúng là nguy hiểm và gần với sự dị giáo. Galileo tới Roma
để bảo vệ mình trước những cáo buộc đó, nhưng, vào năm 1616, hồng y Robert
Bellarmine đích thân khiển trách Galileo bắt ông không được ủng hộ cũng như giảng dạy
thiên văn học Copernicus. Trong năm 1621 và 1622, Galileo đã viết cuốn sách đầu tiên
của mình, Người thí nghiệm (II Saggiatore), được phê duyệt và cho phát hành năm 1623.
Năm 1630, ông quay lại Roma để xin giấy phép in cuốn Đối thoại về hai Hệ thống Thế
giới, được xuất bản tại Florence năm 1632. Tuy nhiên, vào tháng 10 năm ấy, ông bị bắt
phải ra trước Thánh bộ Giáo lý Đức tin ở Roma.
Trang 16


Sau một phiên xử của Giáo hoàng, theo đó ông bị nghi ngờ mạnh mẽ là dị giáo,
Galileo bị quản thúc tại gia và các hoạt động của ông bị Giáo hoàng kiểm soát. Từ năm
1634 trở về sau, ông sống tại ngôi nhà thôn quê ở Arcetri, bên ngoài Florence. Ông bị mù
hoàn toàn năm 1638 và bị chứng thoát vị và mất ngủ đầy đau đớn, vì thế ông được cho
phép tới Florence chữa bệnh. Ông tiếp tục tiếp khách cho tới năm 1642, sau khi qua đời
vì sốt và chứng tim đập nhanh.
1.3.3.2 Sự nghiệp
Chỉ dựa vào một số miêu tả không chính xác về chiếc kính viễn vọng thực tế đầu
tiên, do Hans Lippershey người Hà Lan phát minh năm 1608, Galileo, trong năm sau đó,
đã làm một chiếc kính viễn vọng có độ phóng đại 3x, và sau này làm những chiếc khác có
độ phóng đại lên tới 30x. Với thiết bị đã được cải tiến này ông có thể thấy các hình ảnh
phóng đại, thẳng đứng trên Trái Đất – cái mà hiện được biết là kính viễn vọng Trái Đất,
hay kính thiên văn nhỏ. Ông cũng có thể sử dụng nó để quan sát bầu trời; trong một thời
gian ông là một trong những người chế tạo các kính thiên văn đủ tốt cho mục đích đó.
Ngày 25 tháng 8 năm 1609, ông trưng bày chiếc kính viễn vọng đầu tiên của mình trước
những nhà lập pháp Venice. Công việc chế tạo kính thiên văn của ông còn có tác dụng
phụ mang lại khá nhiều tiền khi các lái buôn thấy nó hữu ích cho các chuyến đi biển và đi
buôn của họ. Ông đã xuất bản các quan sát thiên văn học bằng kính viễn vọng đầu tiên

của mình vào tháng 3 năm 1610 trong một chuyên luận ngắn có nhan đề Sidereus
Nuncius (Sứ giả sao).
Ngày 7 tháng 1 năm 1610, Galileo quan sát bằng kính viễn vọng của mình cái ông
miêu tả ở thời gian đó là "ba định tinh, hoàn toàn không nhìn thấy được bởi chúng quá
nhỏ", tất cả nằm gần Sao Mộc và thẳng hàng qua nó. Những quan sát vào các đêm sau đó
cho thấy các vị trí của các "ngôi sao" đó liên quan tới Sao Mộc đang thay đổi theo một
cách khiến chúng có thể là không giải thích được nếu đó thực sự là các định tinh. Ngày
10 tháng 1, Galileo ghi chú rằng một trong số chúng đã biến mất, một quan sát mà ông
cho rằng nó đã bị Sao Mộc che khuất. Trong vài ngày ông đã kết luận rằng chúng quay
quanh Sao Mộc: Ông đã khám phá ra bốn vệ tinh (Mặt Trăng) lớn nhất của Sao
Mộc: Io, Europa, và Callisto. Ông phát hiện ra vệ tinh thứ tư, Ganymede, ngày 13 tháng
1. Galileo đặt tinh cho bốn vệ tinh ông đã phát hiện ra là những ngôi sao Medici, để vinh
danh người bảo trợ tương lai của ông, Cosimo II de' Medici, Đại Công tước Tuscany, và
ba người anh em của Cosimo. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học sau này đổi tên chúng
thành các vệ tinh Galileo để vinh danh ông.
Một hành tinh với các hành tinh nhỏ hơn quay quanh nó không thích hợp với các
nguyên tắc của Thiên văn học Aristotle, cho rằng mọi thiên thể phải quay quanh Trái
Đất, và nhiều nhà thiên văn học và triết học ban đầu đã từ chối tin rằng Galileo đã phát
hiện ra một vật như thế.
Galileo tiếp tục quan sát các vệ tinh trong mười tám tháng sau đó, và tới giữa năm
1611 ông đã có nhiều ước tính chính xác về các chu kỳ của chúng—một kỳ công
mà Kepler đã cho rằng không thể thực hiện.
Từ tháng 9 năm 1610, Galileo quan sát thấy Sao Kim có đủ các tuần tương tự
như Mặt Trăng. Mô hình nhật tâm của hệ mặt trời đượcNicolaus Copernicus phát triển
tiên đoán rằng tất cả các pha phải được quan sát thấy bởi Sao Kim quay quanh Mặt trời sẽ
khiến phần được chiếu sáng của nó quay về phía Trái Đất khi nó ở phía đối diện của Mặt
trời và quay đi khi nó ở cùng phía với Trái Đất. Trái lại, mô hình địa tâm của Ptolemy dự
đoán rằng chỉ trăng lưỡi liềm và các tuần mới mới có thể được quan sát, bởi Sao Kim
được cho là nằm giữa Mặt Trời và Trái Đất khi nó quay quanh Trái Đất. Các quan sát của
Galileo về các tuần của Sao Kim chứng minh rằng nó quay quanh Mặt trời và là bằng

Trang 17


chứng ủng hộ (nhưng không chứng minh cho) mô hình nhật tâm. Tuy nhiên, bởi nó bác
bỏ mô hình hành tinh hoàn toàn địa tâm của Ptolemy, dường như nó là quan sát có tính
quyết định khiến đa số cộng đồng khoa học thế kỷ 17 quay sang ủng hộ các mô
hình nhật-địa tâm (tất cả các hành tinh chuyển động xung quanh Mặt trời nhưng Mặt trời
quay quanh Trái Đất) và địa tâm như các mô hình Tycho và Capella, và vì thế được cho
là quan sát thiên văn quan trọng nhất của Galileo.
Galileo cũng quan sát Sao Thổ, và ban đầu nhầm lẫn các vành đai của nó là các
hành tinh, cho rằng nó là hệ ba vật thể. Khi ông quan sát hành tinh ở thời điểm sau này,
các vành đai của Sao Thổ hướng trực tiếp về phía Trái Đất, khiến ông cho rằng hai vật
thể đã biến mất. Các vành đai tái xuất hiện khi ông quan sát hành tinh năm 1616, càng
khiến ông bối rối.
Galileo là một trong những người Châu Âu đầu tiên quan sát các đốm mặt trời, dù
Kepler đã không chủ tâm quan sát một đốm năm 1607, nhưng nhầm lẫn cho rằng đó là
một sự lướt qua của Sao Thuỷ. Ông cũng tái giải thích một quan sát đốm mặt trời từ
thời Charlemagne, mà trước kia được gán cho (không có khả năng) một lần lướt qua
của Sao Thuỷ. Sự tồn tại của các đốm mặt trời cho thấy một khó khăn khác trong sự hoàn
hảo không thể thay đổi của các tầng trời do vật lý thiên thể chính thống Aristotle đặt ra,
nhưng những lần lướt qua có chu kỳ đều của nó cũng xác nhận dự đoán trong cơ học
thiên thể Aristotle của Kepler trong tác phẩm Astronomia Nova (Thiên văn Mới) năm
1609 của ông rằng mặt trời quay, đây là tiên đoán đúng đầu tiên của vật lý thiên thể thời
hậu mặt cầu. Và những biến đổi hàng năm trong các chuyển động của các đốm mặt trời,
do Francesco Sizzi và những người khác khám phá năm 1612–1613, cung cấp một bằng
chứng mạnh chống lại cả hệ Ptolemy và hệ địa-nhật tâm của Tycho Brahe. Vì các biến
đổi theo mùa bác bỏ mọi mô hình hành tinh địa tĩnh không chuyển động địa chất như mô
hình địa tâm hoàn toàn của Ptolemy và mô hình địa-nhật tâm của Tycho theo đó Mặt trời
quay quanh Trái Đất hàng ngày, vì thế sự thay đổi phải xuất hiện hàng ngày. Nhưng nó
có thể giải thích được bằng các hệ thống quay địa chất như mô hình địa-nhật tâm bán

Tycho của Longomontanus, các mô hình địa-nhật tâm của Capella và mở rộng của
Capella với một sự chuyển động quay hàng ngày của Trái Đất, và mô hình nhật tâm hoàn
toàn. Một cuộc tranh cãi về sự ưu tiên trong việc khám phá các đốm mặt trời, và sự giải
thích chúng, khiến Galileo rơi vào một sự thù hằn kéo dài và cay đắng với thầy tu dòng
TênChristoph Scheiner; trên thực tế, có ít nghi ngờ rằng cả hai người trong số họ đã bị
đánh bại bởi David Fabricius và con trai ông Johannes, tìm kiếm việc xác nhận tiên đoán
của Kepler về chuyển động của Mặt trời. Scheiner nhanh chóng chấp nhận đề xuất năm
1615 của Kepler về thiết kế kính thiến văn hiện đại, cho độ phóng đại lớn hơn nhưng
hình ảnh bị lộn ngược; Galileo rõ ràng không thay đổi thiết kế của Kepler.
Galileo là người đầu tiên thông báo về các ngọn núi và hố va chạm trên Mặt Trăng,
mà ông cho sự hiện diện của nó bởi các kiểu mẫu sáng và tối trên bề mặt Mặt Trăng.
Thậm chí ông còn ước tính chiều cao của các ngọn núi từ các quan sát đó. Điều này dẫn
ông tới kết luận rằng Mặt Trăng là "xù xì và không bằng phẳng, và giống như chính bề
mặt của Trái Đất," chứ không phải là một mặt cầu hoàn hảo như Aristotle đã tuyên bố.
Galileo quan sát Ngân hà, trước đó được cho là một tinh vân, và thấy rằng nó là tập hợp
những ngôi sao trong một vùng quá đặc khiến nó trông như một đám mây từ Trái Đất.
Ông định vị nhiều ngôi sao khác quá xa để có thể thấy bằng mắt thường. Galileo cũng
quan sát Sao Hải Vương năm 1612, nhưng không nhận thấy rằng nó là một hành tinh và
không có chú ý đặc biệt đến nó. Trong cuốn sổ ghi chép của ông nó xuất hiện như một
ngôi sao tối không đáng chú ý.
1.3.4 Christiaan Huygens (1629 – 1695)
Trang 18


1.3.4.1 Cuộc đời
Christiaan Huygens sinh năm 1629 tại Den Haag, Hà Lan trong một gia đình quyền
quý có truyền thống khoa học, bố ông làConstantijn Huygens, vốn là thư ký cho hoàng tử
và là bạn của René Descartes. Ông học
luật và toán ở Đại học Leiden và Đại học
Orange ở Breda trước khi chuyển sang

học khoa học. Ông là một nhà toán
học, thiên văn học vàvật lý học người Hà
Lan. Ông được coi là một trong những
nhà khoa học tiên phong của Cách mạng
Khoa học với những nghiên cứu mang
tính đột phá trong các lĩnh vực Toán
học, Vật lý và Thiên văn học. Huygens
còn là một nhà phát minh lớn đặc biệt
với các sáng chế về đồng hồ.
Huygens được coi là một trong
những nhà toán học tiên phong trong sự
phát triển phương pháp tính hiện đại với
việc chứng minh được tính đẳng
thời của đường Cycloid. Sau khi
được Blaise Pascal khích lệ, Huygens đã Hình 1.12: Christiaan Huygens (1629-1695)
viết quyển sách đầu tiên trong lĩnh vực lý
thuyết xác suất, được xuất bản vào năm 1657.
Năm 1673, Huygens tiến hành các thí nghiệm về sự cháy trong. Mặc dù ông đã thiết
kế được dạng đơn giản của động cơ đốt trong, chất đốt được tạo ra từ năng lương của
đạn, nhưng ông không bao giờ thành công trong việc này.
Năm 1675, Christiaan Huygens nhận bằng sáng chế đồng hồ bỏ túi. Ông còn phát
minh ra nhiều dụng cụ khác như bộ điều hòa 31 quãng cho đàn keyboard quãng 8.
Huygens trở lại Den Haag vào năm 1681 sau khi bị một trân ốm nặng. Ông cố gắng
trở lại Pháp vào năm 1685 nhưng việc hủy bỏ của chỉ dụ Nantes đã ngăn cản dự định này.
Huygens mất ở Den Haag ngày 8 tháng 7 năm 1695.
1.3.4.2 Sự nghiệp
Với tư cách một nhà vật lý, Huygens đã thu hút sự chú ý từ giới khoa học với ý kiến
cho rằng ánh sáng có tính chất sóng, mà sau đó đã trở thành phương tiện để hiểu lưỡng
tính sóng hạt. Năm 1655, sử dụng kiểu kính thiên văn do mình chế tạo, Christiaan
Huygens đã phát hiện ra vê tinh Titan của Sao Thổ và kiểm chứng được rằng vành đai

Sao Thổ có chứa đá [2]. Cùng năm đó ông quan sát và vẽ phác thảo được hình dáng
của tinh vân Orion, những khám phá này sau đó được in trong tác phẩm Systema
Saturnium (1659). Huygens cũng thành công trong việc chia tinh vân thành các ngôi
sao khác nhau, nội vùng sáng hơn của tinh vân Orion được đặt tên là Vùng
Huygens (Huygens region). Ông cũng đồng thời phát hiện ra vài tinh vân năm giữa các vì
sao và các ngôi sao kép. Huygens đa đưa ra công thức mà bây giờ được biết đến dưới cái
tên định luật thứ hai về chuyển động của Isaac Newton trong dạng một phương trình bậc
hai. Newton đã công bố lại công thức và tổng quát hóa định luật này lên.
Ông cũng làm việc trong lĩnh vực thiết kế những chiếc đồng hồ chính xác, cần thiết
cho hải quân. Vào năm 1658, ông xuất bản một cuốn sách trong lĩnh vực này có tên
là Horologium. Năm 1657 ông đăng ký sáng chế cho phát minh đồng hồ quả lắc, phát
minh đã tạo ra một bước tiến lớn trong lĩnh vực đồng hồ. Bộ phận đáng chú ý do
Trang 19


Huygens phát minh là cái hồi, đây là bộ phận giúp điều chỉnh lại tốc độ của đồng hồ và
đồng hồ đeo tay. Ông cũng áp dụng chứng minh của mình về tính đẳng thời củađường
Cycloid để tạo ra các máy cycloid giúp hệ thống treo quả lắc hoạt động được trơn chu
hơn, bảo đảm cho chuyển động đều của quả lắc bất chấp biên độ lớn của dao động, bất
chấp làm thế nào mà quả lắc dịch chuyển liên tục từ bên này sang bên kia. Phần lý thuyết
toán học và ứng dụng cụ thể của phát hiện này được in trong sách Horologium
Oscillatorium năm1673. Huygens cũng quan sát được hiện tượng hai quả lắc được treo
trên cũng một thanh xà chuyển động theo các hướng trái ngược nhau một cách hoàn hảo,
hiện tượng này ông gọi là sự đồng điệu kì lạ ngày nay biết dưới cái tên cộng hưởng. Trái
với những điều mà phần lớn mọi người nghĩ, Huygens không phải một thợ đồng hồ, và
được biết đến là một người không tự làm đồng hồ cho bản thân. Ông là một học giả, một
nhà khoa học và một nhà phát minh, và chiếc đồng hồ quả lắc cổ nhất được biết đến là
được làm "với đặc quyền" - sự cho phép của Huygens - bởi tay của thợ đồng hồ Salomon
Coster ở Den Haag. Chiếc đồng hồ quả lắc cổ nhất còn được biết đến theo mẫu của
Huygens năn 1657 có thể tìm thấy ở bảo tàng Boerhaave tại Leiden, tại đó cũng trưng

bày cả chiếc đồng thiên văn vô cùng quan trọng của Huygens. Một phát triển khác trong
kỹ thuật chế tạo đồng hồ của Huygens là đồng hồ lên dây cót, sáng chế này được ông
thực hiện cùng thời điểm với sáng chế của Robert Hooke, dẫn đến cuộc tranh cãi về ai là
chủ của sáng chế này kéo dài đến hàng thế kỉ. Vào tháng 2 năm 2006, bản photo bị mất
tích của một bản viết tay của Hooke đã được tìm thấy ở Hampshire, cuộc tranh cãi về
chiếc đồng hồ lên dây đến đây kết thúc nhờ những bản photo này.
Ngày 3 tháng 5 năm 1661, ông cùng hai nhà thiên văn học Thomas Streete và
Richard Reeveshe đã quan sát và nhận thấy rằng Sao Thủy quay quanh Mặt Trời, qua
kính viễn vọng Richard Reeves ở London.
Hội Hoàng gia Luân Đôn bầu Huygens thành một thành viên vào năm 1663. Năm
1666 Huygens chuyển đến Paris, nơi mà ông nắm giữ một vị trí trong Viện Hàn lâm
Khoa học Pháp dưới sự bảo trợ của Louis XIV. Sử dụng Đài thiên văn Paris (hoàn thành
vào năm 1672), ông đã mở rộng tầm nhìn của thiên văn học. Năm 1684 ông xuất bản
cuốn sáchAstroscopia Compendiaria mà trong đó ông có giới thiệu đến loại kính viễn
vọng mới của ông.
Huygens còn nghiên cứu chi tiết về sự sống ngoài Trái Đất. Trong sách của
ông Cosmotheoros, với đầu đề The celestial worlds discover'd: or, conjectures concerning
the inhabitants, plants and productions of the worlds in the planets, ông đã tưởng tượng
về một vũ trụ tràn đầy sự sống, phần lớn cuộc sống đó tương đối giống với cuộc sống
trên Trái Đất vào thế kỉ 17. Bầu không khí tự do của Hà Lan vào thời điểm này không chỉ
cho phép mà còn khuyến khích cho nghiên cứu này. Một cách tương phản, trong khi đó,
nhà triết học Giordano Bruno, một người cũng tin tưởng vào những cuộc sống ngoài Trái
Đất, bị thiêu sống bởi Giáo hội La Mã vì đức tin của ông năm 1600.
1.3.5 Léon Foucault (1819-1868)
1.3.5.1 Cuộc đời
Jean Bernard Léon Foucault (các sách vật lý tiếng Việt thường ghi là Phu-cô) (18
tháng 9, 1819 - 11 tháng 2, 1868) là nhà vật lý học người Pháp. Ông là người đã phát
minh ra con lắc Foucault - thiết bị chứng tỏ Trái Đất đang tự quay quanh trục của nó.
Ông cũng thực hiện các đo đạc ban đầu về tốc độ ánh sáng và khám phá ra dòng điện
Foucault. Tên tuổi của ông cũng gắn vớicon quay hồi chuyển mặc dù ông không phải là

người phát minh ra thiết bị này.
Foucault sinh ra tại Paris, là con trai của một người làm nghề xuất bản. Ông chủ yếu
học ở nhà, sau đó có thời gian theo học y khoa nhưng đã bỏ ngang để theo đuổi niềm đam
Trang 20


mê vật lý học do ông mắc chứng sợ máu. Lúc đầu, ông hướng sự tập trung vào việc cải
thiện quy trình chụp ảnh của Louis Daguerre. Ông làm trợ lý thí nghiệm của Alfred
Donné trong các bài giảng về giải phẫu học hiển vi trong vòng ba năm.
Foucault qua đời do chứng đa xơ cứng tiến
triển nhanh vào ngày 11 tháng 2 năm 1868 tại
Paris. Ông được chôn cất tại Nghĩa trang
Montmartre.
Tiểu hành tinh 5668 Foucault được đặt theo
họ của Foucalt. Tên ông cũng nằm trong danh sách
72 nhân vật được ghi tên trên tháp Eiffel.
1.3.5.2 Sự nghiệp
Ông cùng A. H. L. Fizeau thực hiện một chuỗi
các khám phá về mật độ ánh sáng của Mặt Trời và
so sánh nó với mật độ cacbontrong đèn hồ quang
điện và mật độ canxi ôxít trong đèn hàn ôxi-hiđrô,
về sự giao thoa tia hồng ngoại và về sự phân
cực màu sắc của ánh sáng.
Năm 1850, ông thí nghiệm dùng dụng cụ
Fizeau–Foucault để đo tốc độ ánh sáng; về sau thí
nghiệm này được gọi là thí nghiệm Fizeau– Hình 1.13: Léon Foucault (1819-1868)
Foucault. Việc chứng minh rằng tốc độ ánh sáng
trong môi trường nước thấp hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng trong môi trường không khí
đã đặt dấu chấm hết cho thuyết hạt ánh sáng của Isaac Newton.
Năm 1851, ông cung cấp bằng chứng thực nghiệm cho thấy rằng Trái Đất tự quay

quanh trục của mình (xem chuyển động hàng ngày). Từ mái Điện Panthéon ở Paris, ông
treo một quả cầu và tác động lực ban đầu khiến nó dao động; đầu kim gắn trên quả cầu vẽ
vòng tròn trên cát ẩm ở mặt đất phía dưới, để lại những vệt của đường đi khác nhau sau
mỗi chu kỳ chuyển động chậm chạp. Quỹ đạo này đã cho thấy rằng Trái Đất quay tròn
xung quanh trục của nó. Thí nghiệm "Con lắc Foucault" gây ấn tượng cho cả giới trí thức
và giới bình dân; khắp các thành phố lớn ở châu Âu và châu Mỹ diễn ra các thí nghiệm
về con lắc này và thu hút đám đông theo dõi. Năm 1852, ông dùng khái niệm "Con quay
hồi chuyển" để gọi bằng chứng thực nghiệm này. Năm 1855, ông nhận Huy chương
Copley của Hội Hoàng gia Luân Đôn cho các nghiên cứu thực nghiệm hết sức nổi bật của
mình. Trước đó, vào khoảng đầu năm 1855, ông cũng được đài quan sát hoàng gia ở
Paris công nhận là physicien (nhà vật lý).
Tháng 9 năm 1855, ông phát hiện ra rằng cần nhiều lực hơn để khiến một
đĩa đồng quay quanh trục nếu mép của đĩa này nằm giữa các cực của một nam
châm (nằm trong từ trường), đồng thời đĩa bị dòng điện Foucault sinh ra nung nóng.
Năm 1857, Foucault phát minh ra kính phân cực mang tên ông. Những năm sau đó
ông sáng chế ra phương pháp thử nghiệm gương trong kính viễn vọng phản xạ để xác
định hình dạng của gương đó. "Kiểm định lưỡi dao Foucault" này cho phép người ta xác
định xem liệu bề mặt một gương cầu là cầu hoàn hảo hay không. Trước khi Foucault
công bố phát minh này thì việc kiểm định bề mặt gương phản xạ trong kính viễn vọng
vẫn chỉ là "khi được khi không".
Năm 1862, Foucault dùng thiết bị gương xoay của Charles Wheatstone và xác định
được tốc độ ánh sáng là 298.000 km/s, thấp hơn 10.000 km/s so với giá trị đo được trong
các thí nghiệm trước đó và chỉ sai lệch 0,6% so với giá trị hiện đại.
Trang 21


Sau năm đó, Foucault trở thành thành viên của Cục Kinh độ (Bureau des
Longitudes). Năm 1864, ông trở thành hội viên Hội Hoàng gia Luân Đôn và sang năm
1865 thì trở thành thành viên ban cơ khí của hội. Năm 1865, ông cho ra các bài viết về
việc sửa đổi máy điều tốc của James Watt. Cũng trong năm đó (Compt. Rend. lxiii.) ông

chỉ ra rằng chỉ cần gắn một tấm phim mỏng bằng bạc trong suốt bên ngoài kính viễn
vọng thì có thể quan sát Mặt Trời mà không làm hại mắt. Lúc gần cuối đời, ông quay về
với tôn giáo cũ là Công giáo La Mã.

1.4. MỘT VÀI HIỆN TƯỢNG VỀ QUANG HỌC
Có khi nào ta ngồi suy nghĩ: Tại sao trần nhà lại sơn màu trắng? còn bốn vách tường
lại không sơn màu trắng? hay mỗi lần đi trên đường phải dừng lại khi gặp: “Đèn đỏ”, và
tại sao lại phải “Đèn đỏ”? v.v... Những hiện tượng rất thực tế, rất gần gũi với chúng ta,
nhiều lúc chúng ta xem đó là hiển nhiên, ta vô tình không cần biết. Nhưng khi hiểu được
“chúng” thì đúng là thú vị thật.
1.4.1 Hiện tượng 1: Chậu thau đựng đầy nước, vì sao khi nhìn nghiêng thấy nước trở
thành nông hơn?
Khi chậu thau đựng đầy nước, nhìn nghiêng từ bên cạnh, độ sâu từ mặt nước tới đáy
chậu có vẻ như trở thành nông hơn. Hiện tượng kì lạ này, rốt cuộc đã xảy ra như thế nào?

Hình 1.14: Thau đầy nước nhìn nghiêng thấy nông hơn
Muốn làm sáng tỏ chân tướng của một cách triệt để thì cần phải hiểu rõ một số tính
chất của ánh sáng trước đã. Thì ra trong cùng một loại môi trường, ánh sáng bao giờ cũng
truyền theo đường thẳng - đường ngắn nhất. Song nó từ một loại môi trường đi vào một
môi trường khác, ví dụ như từ không khí vào nước, hoặc từ nước vào không khí, do tốc
độ truyền của ánh sáng trong hai loại môi trường đó khác nhau, trên mặt phân cách của
hai môi trường, ánh sáng sẽ bị cong lại, đi theo một đường gấp khúc. Loại hiện tượng này
của ánh sáng gọi là khúc xạ ánh sáng. Chậu nước của bạn trông thấy biến thành nông đi
chính là do khúc xạ của ánh sáng gây nên.
Bạn xem kìa, dưới khe suối có con cá nhỏ, tia sáng từ thân cá phản xạ ra, đến mặt
phân cách giữa nước và không khí liền đổi hướng truyền theo đường thẳng, nó gấp
nghiêng với mặt nước một góc. Cái đập vào mắt chúng ta chính là tia sáng đã gấp khúc
đổi hướng. Song con mắt không cảm nhận được, vẫn cứ tưởng rằng tia sáng đó theo
đường thẳng chiếu tới, và ngộ nhận ảnh ảo do tia sáng đã bị đổi hướng đó tạo ra con cá
thật. Như vậy vị trí của cá trong nước nhìn có vẻ nông hơn. Lí lẽ khiến cho chậu nước trở

thành nông hơn cũng như thế đấy.
Trò đùa nghịch của tia sáng cũng giống như cách biến hoá của nhà ảo thuật thế thôi.
Khi chúng ta nhận biết rõ đủ loại tính khí của tia sáng, thì sẽ không bị nó “lừa gạt” nữa.
Người đánh cá có kinh nghiệm khi dùng cái xiên để xỉa cá, người ấy quyết không xỉa
thẳng vào con cá, vì rằng đó chẳng qua chỉ là ảo ảnh của cá. Chắc chắn anh ta nhằm vào
Trang 22


chỗ hơi xa và sâu hơn một chút dùng sức đâm tới. Như vậy, một con cá giãy giụa tứ tung
đã bị xiên chặt. Đó đúng là kinh nghiệm phong phú mà người đánh bắt cá tích luỹ được
qua thực tiễn lâu dài của mình.
1.4.2 Hiện tượng 2: Tại sao các vì sao lấp lánh?
Những đêm hè quang mây không Trăng ngồi hóng mát ngoài sân, chúng ta thường
say mê ngắm bầu trời, với muôn vàng ngôi sao lấp lánh. Nếu qua sát kỹ, chúng ta sẽ thấy
rằng, những ngôi sao ở thấp gần chân trời lấp lánh mạnh hơn, còn những ngôi sao ở cao,
giữa vòm trời, thì không lấp lánh.
Hẳn bạn đã nhiều lần nhìn thấy rằng, khi nhìn qua phía trên đầu máy xe lửa, vào
một vật ở xa, thí dụ như vào cửa sổ của một ngôi nhà, thì thấy đường nét của ngôi nhà
thành ngoằn ngoèo, lung linh. Đó là vì lớp không khí gần đầu máy nóng lên và chuyển
động lên phía trên (tạo thành dòng đối lưu trong không khí). Dòng khí nóng có tỉ trọng
nhỏ hơn, do đó có chiếc suất nhỏ hơn không khí xung quanh. Tia sáng từ vật tới mắt bạn
khi đi qua dòng khí đó bị khúc xạ trở thành hơi cong nên nhìn thấy vật ở một vị trí hơi
khác so với khi tia sáng không bị cong. Vì dòng khí không đều và không ổ định nên
những điểm khác nhau của vật bị dich chuyển không đều nhau và vật bị “biến dạng”,
mép cửa trở thành ngoằn ngoèo. Và những chổ ngoằn ngoèo lại thay đổi liên tục, nên ta
thấy vật như lay động nhẹ. Sao trên trời lấp lánh cũng do cùng một nguyên nhân. Các tia
sáng từ sao đến mắt ta cũng qua một lớp khí quyển dày. Ban ngày mặt đất bị Mặt Trời
nung nóng nên trong khí quyển luôn luôn có dòng khí đối lưu nhỏ, chiếc suất khác nhau.
Tia sáng từ vì sao tới mắt ta, khi đi qua những dòng khí ấy, bị khúc xạ thành hơi cong,
lúc cong về phía này, lúc cong về phía khác. Do đó một mặt vị trí của ngôi sao hình như

bị thay đổi liên tục, mặt khác số tia sáng rọi vào mắt cũng không đều, lúc nhiều, lúc ít
khiến ta thấy sao có lúc sáng hơn, có lúc tối hơn, tức là thấy nó lấp lánh.
Sao càng ở gần chân trời, lớp không khí mà tia sáng phải đi qua càng dày, sao càng
lấp lánh mạnh. Khi sao ở giữa đỉnh đầu, lớp không khí mà ánh sáng đi qua mỏng hơn, tia
sáng lại đi cùng phương với dòng khí, nên tia sáng không bị cong và hầu như không lấp
lánh.
Nếu bạn quan sát kỹ, thì thấy rằng sao Hôm (hay Sao Mai), và nói chung hành tinh
thì không lấp lánh. Đó là vì góc trông của hành tinh tương đối lớn (góc trông của các sao
đều bằng không), chùm sáng từ hành tinh rọi vào mắt tương đối rộng nên thăng giáng
trong chùm không rõ rệt.
1.4.3 Hiện tượng 3: Tại sao trong giao thông, người ta dùng đèn đỏ để báo hiệu nguy
hiểm mà không dùng đèn màu khác?
Có hai lý do. Lý do thứ nhất, lý do khách quan, là trong bảy màu quang phổ, màu đỏ
ứng với bước sóng lớn nhất, nên ánh sáng đỏ truyền trong không khí được xa hơn. Khi
một chùm ánh sáng truyền trong không khí, nhất là không khí có nhiều bụi hoặc hạt nước
nhỏ (tức là sương mù), thì một phần năng lượng ánh sáng bị các phân tử không khí và các
hạt đó tán xạ ra mọi phía, nên năng lượng chùm sáng càng giảm, khi truyền đi càng xa.
Phần ánh sáng mất do tán xạ tăng rất nhanh khi bước sóng giảm, nên ánh sáng có bước
sóng dài bị mất mát ít hơn và truyền được xa hơn ánh sáng các màu khác.
Lý do thứ hai, lý do chủ quan là như sau: Khi đứng rất xa một đèn màu, ta trông
thấy đèn nhưng không nhận ra màu của nó. Phải lại gần thêm, mới phân biệt màu của ánh
sáng đèn. Nghĩa là đối với các màu lục, lam, vàng, tím ngưỡng sáng (là lượng ánh sáng
nhỏ nhất mà mắt phát hiện được) không trùng với ngưỡng màu (lượng ánh sáng nhỏ nhất
để nhận ra màu ánh sáng). Chỉ riêng với màu đỏ, là hai ngưỡng đó trùng nhau: ban đêm
nếu đặt một chiếc đèn đỏ trên đường, thì từ xa đi lại, lúc bắt đầu trông thấy đèn ta cũng
Trang 23


đồng thời nhận ra màu đỏ của nó. Như vậy dùng đèn đỏ để báo hiệu nguy hiểm thì không
sợ nhầm lẫn và lại có thể nhận thấy được từ xa.

1.4.4 Hiện tượng 4: Vẽ đẹp rực rỡ của kim cương
Khi vào thăm một số viện bảo tàng lớn, nhiều du khách bị thu hút khi đứng ngắm
các vương miện và các đồ trang sức của vua, chúa thời xưa, được trang trí bằng các viên
kim cương lấp lánh. Tại sao loại đá quý này có vẻ đẹp rực rỡ như vậy?
Bản chất kim cương là cacbon kết tinh. Chiết suất của kim cương rất lớn (n ≈ 2,42).
Khi kim cương ở trong không khí, góc giới hạn igh
của tia sáng tới một mặt của viên kim cương có giá
trị khá nhỏ (igh ≈ 240). Kim cương thường được khai
thác từ các mỏ. Để có các viên kim cương đẹp như ta
thấy, người ta cắt gọt viên kim cương thành các khối
có nhiều mặt. Khi một tia sáng rọi tới một mặt, nó sẽ
bị khúc xạ, đi vào trong viên kim cương và bị phản
xạ toàn phần nhiều lần giữa các mặt của viên kim
cương trước khi ló ra tới mắt ta, nên ta thấy ánh sáng
từ viên kim cương lóe ra rất sáng. Ánh sáng tới kim
cương là ánh sáng trắng của Mặt Trời gồm vô số ánh
sáng màu từ đỏ đến tím. Khi đi qua kim cương, ánh
sáng trắng bị tan sắc, do đó ta thấy kim cương lấp Hình 1.15: Kim cương lấp lánh
lánh nhiều màu rực rỡ.
1.4.5 Hiện tượng 5: Vì sao dưới ánh sáng ban ngày, nhìn bong bóng xà phòng hay vết
dầu loang trên vũng nước ta thấy có nhiều màu sặc sỡ?
Những vân màu sặc sỡ trên bong bóng xà phòng hoặc trên vết dầu loang trên mặt
nước là kết quả của sự giao thoa ánh sáng.
Màng bong bóng xà phòng là một lớp nước mỏng - cỡ phần nghìn milimet - trong
suốt, vết dầu loang cũng là một màng như vậy. Hai mặt của màng cùng phản xạ ánh sáng
như hai mặt của tấm cửa.
Ta xét một điểm I trên màng mỏng M mà độ dày được vẽ to gấp nghìn lần độ dày
thật. Tia sáng SIR1 phát đi từ một điểm S của nguồn, phản xạ ở mặt trên của màng và rọi
vào mắt. Trong số rất nhiều tia sáng phát đi từ S, có một tia SKR2 phản xạ ở mặt dưới của
màng và cũng rọi vào mắt. Vì màng rất mỏng, nên đối với mắt, hai tia IR1 và KR2 như là

được phát đi từ cùng một điểm I. Khi hai tia này được thuỷ tinh thể của mắt hội tụ lên
võng mạc, chúng gặp nhau và giao thoa với nhau. Hai tia sáng đi từ điểm I, mà gặp nhau
trên võng mạc của mắt, thì mắt nhìn rõ điểm I: ta nói là mắt điều tiết để nhìn vào mặt bản.
Hai tia sáng giao thoa với nhau, có thể hoặc tăng cường lẫn nhau, hoặc triệt tiêu nhau, tuỳ
theo độ dày của màng và tuỳ theo bước sóng ánh sáng. Chùm ánh sáng rọi vào màng là
ánh sáng trắng, có đủ các màu, ứng với nhiều bước sóng khác nhau, nên cùng một lúc, ở
cùng một điểm I, sóng ánh sáng màu này bị triệt tiêu, sóng ánh sáng màu khác lại được
tăng cường, và ánh sáng phản xạ thành có màu sắc, và màu sắc đó thay đổi theo chỗ dày,
chỗ mỏng trên màng.

Trang 24