LÀM SAO NHÌN RA SỰ THỐNG NHẤT
TRONG CÁC HIỆN TƯỢNG KHÁC BIỆT
Giữa tháng 2 năm 1820, nhà vật lý Đan Mạch, giáo sư Đại học tổng hợp Copenhagen Hang Christian Oersted giảng bài cho sinh viên. Sau khi nối các cực pin bằng đoạn dây dẫn ông nói cho họ biết đoạn dây bị nóng lên thậm chí bị nóng đỏ khi dòng điện chạy qua. Các cặp mắt người nghe hướng vào đoạn dây dẫn, còn anh trợ lý trẻ của giáo sư thì vô tình liếc nhìn kim la bàn ở gần đó. Anh này nhận ra kim la bàn chợt rung rinh và quay đi một góc nhỏ. Anh ta báo cho vị giáo sư biết. Oersted hết sức bất ngờ về hiện tượng đó, ông lặp lại nghiệm, đưa la bàn lại gần dây dẫn và nhận thấy kim la bàn quay tới hướng vuông góc với sợi dây dẫn điện thì mới dừng lại.
Vậy là Oersted đã thiết lập được rằng trong số hai loại điện đã biết đến thời bấy giờ - điện tĩnh và điện động (điện Volta) – thì chỉ có cái sau (còn gọi là xung đột điện theo thuật ngữ thời ấy) là có liên hệ với từ tính. Thực ra Oersted không phải người đầu tiên quan tâm tới biểu hiện từ học của điện. Ngay từ năm 1751 nhà bác học Mỹ Benjamin Franklin khi cho phóng điện từ pin điện qua dây dẫn đã quan sát thấy các tính chất từ tính ở đó. Kết quả ấy còn được khẳng định bởi một giáo sư Đại học Moskva là Ivan Alekseyevich, Dvigupsky (1771 hoặc 1772 - 1840). Ông cho phóng điện từ chai Leyden dọc theo kim nam châm và đã quan sát thấy sự đổi cực tù trong nó.
Nhà vật lý Pháp Arago sưu tập rất nhiều sự kiện về tác dụng từ khi có phóng điện và đã từng biết rằng trên con tàu bị sét đánh thì tượng la bàn bị hỏng, còn các đồ vật bằng thép như lò xo đồng hồ, vũ khí... thì bị nhiễm từ. Điều bất ngờ trong kết luận của Oersted là ở chỗ lực tác dụng lên cực từ của kim la bàn có hàng không phải theo bán kính vectơ nối từ cực của kim la bàn với đoạn dây dẫn. Điều đó vượt ra ngoài khuôn khổ cơ học Newton, vốn chỉ biết đến các lực xuyên tâm. Oersted công bố các kết quả quan sát trong bài báo ''Các thí nghiệm về tác dụng của xung đột điện tới kim nam châm'' ra ngày 21-7-1820. Từ đó diễn ra hàng loạt sự kiện liên tiếp: Tháng 10 cùng năm nhà vật lý Pháp Dominique Francois Arago (1786 - 1853) đã kể lại thí nghiệm Oersted và lặp lại chúng trên diễn đàn của Viện hàn lâm Khoa học Paris. Trong buổi trình diễn ấy có mặt một viện sĩ, nhà toán học André Marie Ampère. Ông cho rằng thực chất của hiện tượng mới phát hiện là do chuyển động của điện tích và quyết định tự mình tiến hành các phép do cần thiết.
Ampère đã tin chắc rằng dòng điện khép kín là tương đương với nam châm. Ngày 24 tháng 9 năm l820 ông làm thí nghiệm nối hai cuộn dây dẫn với cột Volta để biến chúng thành nam châm: các đầu này đẩy nhau còn các đầu khác thì hút nhau. Đặt kề nhau hai đoạn dây dẫn thẳng thông thường có dòng điên chạy qua, Ampère thiết lập được rằng chúng cũng tương tác với nhau: chúng hút nhau khi dòng điện cùng chiều, đầy nhau nếu hai dòng ngược chiều nhau. Hôm sau Ampère công bố quan sát của mình trước Viện hàn lâm và ''quy mọi hiện tượng từ về các hiện tượng điện''. Ampère đã chế tạo mẫu nguyên thuỷ của một nam châm điện sau khi khám phá ra rằng lõi thép ở giữa cuộn dây dẫn dòng điện bị từ hóa và làm cho từ trường mạnh lên rất nhiều.
Kết quả là các điện tích chuyển động (dòng điện) tạo ra quanh mình một từ trường nhưng lực của từ trường đó tác dụng lên nam châm hay dòng điện khác có hướng khác với hướng của dòng điện: mũi kim nam châm có xu hướng quay vuông góc với hướng dây điện. Việc nghiên cứu lực tác dụng của dòng điện này lên một dòng điện khác đã khơi dậy một loạt nghiên cứu độc lập với một kết quả bất ngờ: lực luôn hướng vuông góc với dây dẫn được đặt trong từ trường (để tiện cho việc nghiên cứu dây dẫn có dạng khung chữ nhật). Biểu thức toán học của lực đó (lực Ampère)được viết đơn giản nhất là dưới dạng tích vectơ:
trong đó I là cường độ dòng điện đi qua dây dẫn, L là vectơ độ dài dây dẫn cùng một hướng với dòng điện, còn B đặc trưng cho từ trường. Đại lượng B được gọi là cảm ứng từ và là đại lượng tương tự như cường độ điện trường.
Định luật Ampère đóng một vai trò then chốt cả về lý thuyết lẫn trong ứng dụng thực tiễn: sử dụng nó có thể trực tiếp đo đại lượng cảm ứng từ hoặc cường độ dòng điện qua dây dẫn. Dựa trên định luật ấy người ta đã chế tạo dược các thiết bị đầu tiên để đo cường độ dòng điện: điện kế.
HANS CHRISTIAN OERTED
Về khả năng cảm nhận được mối liên hệ giữa các hiện tượng vật lý và sự thống nhất phổ quát của chúng ẩn giấu sau cái vẻ bề ngoài đa dạng, phức tạp... thì phải nói Hans Christian Oersted (1777 - 1851) là bậc kỳ tài, vượt xa bất kỳ đồng nghiệp nào của mình.
Là cử nhân (1797) rồi giáo sư (từ 1806) của Đại học tổng hợp Copenhagen, Oersted đã dành trọn cuộc đời mình cho việc nghiên cứu chỉ một vấn đề duy nhất: thiết lập mối quan hệ lẫn nhau của các hiện tượng. Thành tựu lớn nhất của ông theo sự công nhận chung là phát minh thực hiện năm 1820: cái kim nam châm ở gần đoạn đây dẫn có dòng điện chạy qua thì bị lệch đi. Ông là người khám phá ra mối liên hệ rất đặc thù các hiện tượng điện và từ, mối quan hệ mà vốn ông không hề nghi ngờ (nhưng niềm tin bên trong dẫu cho có mạnh mẽ đến đâu thì cũng không thể sánh với một thực nghiệm xua tan được mối nghi ngờ về một hiện tượng đã được đoán trước). Cuốn khoa toàn thư xuất bản năm 1830 ở thủ đô Edinburgh của Scotland đã kể về sự trọng đại này, không chỉ đối với cuộc đời của Oersted, mà cả trong lịch sử vật lý:
Hiện tượng từ do Han Christian Oersted, giáo sư trường đại học tổng hợp Copenhagen phát minh ra năm 1820. Trong suốt bước đường nghiên cứu khoa học, vẫn cho rằng các tác động từ và các tác động điện đều do cùng loại lực gây ra, chỉ vì các lý do thông thường mà còn bởi các lý do triết học, theo đó mọi hiện đều phải được quy về một lực nguyên thuỷ...Tháng 7 năm 1820 ông lặp lại thí nghiệm của mình với pin Volta lớn hơn nhiều. Hiệu ứng rất rõ rệt song vẫn chưa thật mạnh vì dây dẫn quá nhỏ. Trước kia Oersted cho rằng hoàn toàn không có tác dụng phát sáng hay phát nóng, nhưng rồi nhận ra rằng khi dùng dây dẫn diện lớn thì hiệu ứng từ sẽ mạnh hơn.
Vào năm 1821 Oersted là một trong trong những người đầu tiên phát biểu giả thuyết về bản chất điện từ của ánh sáng (điều mà nửa thế kỷ sau mới được chứng thực, khi Maxwell xây dựng được lý thuyết trường điện từ). Năm 1823 Orssted thiết lập mối tương quan giữa các hiện tượng nhiệt và điện và phát minh hiệu ứng nhiệt điện (độc lập với Seebeck và Fourier).
Do tác dụng cơ, kể cả tác dụng của dao động âm, trên bề mặt một số chất điện môi, có thể xuất hiện các điện tích (hiệu ứng áp điện). Hào hứng với việc khám phá minh áp điện, Oersted đã nỗ lực (nhưng không thành công) quan sát sự phát sinh điện do tác dụng của tiếng nói. Ông mơ tưởng về bức tranh tương quan giữa âm và điện.
Năm 1824 Oersted tổ chức Hội truyền bá tri thức khoa học tự nhiên ở Đan Mạch - tương tự như Viện Hoàng gia London, nơi có truyền thống tổ chức các bài giảng phổ cập cho mọi người. Ông cũng tạo ra ở Đan Mạch một phòng thí nghiệm vật lý. Từ 1829 nhà bác học trở thành Hiệu trưởng trường Bách khoa Copenhagen, tuy vẫn làm việc ở bộ môn vật lý của Đại học tổng hợp Copenhagen. Ông là thành viên của nhiều Viện hàn lâm nước ngoài, kể cả Viện hàn lâm khoa học Petersburg.
ANDRÉ MARIE AMPÈRE
Nhà vật lý Pháp xuất chúng André Marie Ampère sinh ngày 20 tháng 1 năm 1775 ở thành phố Lyon. Cha ông, Jean Jacques Ampère không chỉ là thương gia thành đạt mà còn là con người rất uyên bác. Cậu André biết đọc rất sớm và say mê hầu như mọi thứ có được trong thư viện tuyệt vời của cha. Cậu không hề đến trường, nhưng được học hành tại gia. Năm 13 tuổi cậu trình bày công trình toán học đầu tiên của mình ở Viện Hàn lâm Lyon. Năm 18 tuổi cậu đã nắm vững các ngôn ngữ Hy Lạp, Latinh và Italia, các kiến thức cơ sở vật lý học, toán học cao cấp, thực vật học và văn học. Coi tự học là phương pháp thu nhận kiến thức chính, Ampère say mê nghiên cứu các ngành khoa học khác nhau nhất.
Năm 1793 cha ông, làm công tố viên Lyon, bị toà án cách mạng xử tử bằng máy chém, khiến gia đình mất hết nguồn thu nhập và André Ampère phải đi dạy tư các môn toán, vật lý và hóa học. Tháng 2 năm 1802 ông bắt đầu dạy vật lý ở trường Trung tâm của thị trấn Bourg và ở đây ông thực sự say sưa với khoa học này tuy không rời bỏ toán học. Năm đó, ông cũng viết một bài báo nhỏ về lý thuyết xác suất: ''Vài suy nghĩ về lý thuyết trò chơi toán học'', được nhiều nhà khoa học, trong đó có nhà toán học Pháp lừng danh P. S. Laplace, đánh giá cao. Người ta mời Ampère giảng bài ở Trường lixê (trung học) mới mở tại Lyon, còn tháng 10 năm 1803 ông được làm tập sự ở Đại học Bách khoa Paris – trường đại học kỹ thuật có tiếng nhất của nước Pháp. Năm năm sau ông trở thành giáo sư toán giải tích, và năm 1814 thì được bầu làm viện sĩ hàn lâm Pháp về ngành toán, mở đầu giai đoạn hoạt động sáng tạo mạnh mẽ nhất của ông. Cho tới năm 1815 ông dành thời giờ rỗi cho hóa học phương tinh vi phân và lý thuyết xác suất. Các công trình toán học của ông được Lagrange và Laplace rất ca ngợi.
Mùa hè 1820 các thực nghiệm của vị giáo sư Đại học Copenhagen H.C. Oersted gây xôn xao giới khoa học: Ampere hiểu ngay tầm quan trọng trong kết quả của nhà khoa học Đan Mạch này và bắt tay vào nghiên cứu mối liên hệ giữa điện và từ. Một tuần lễ sau ông trình bày tại viện hàn lâm “quy tắc các ngón tay”; mà ông mới tìm ra, xác định hướng quay kim nam châm la bàn đặt gần dây dẫn có dòng điện; một tuần lễ sau nữa ông công bố về sự tương tác giữa hai dây dẫn có dòng điện một hiện tượng mà trước đó chưa từng được biết đến. Người ta kể rằng tựa hồ ngay tại buổi báo cáo của Ampère có một đồng nghiệp hỏi ông: ''Thế thì có gì là mới mẻ đâu. Nếu dòng điện tác dụng được lên một nam châm thì chúng tác dụng lên nhau là đương nhiên chứ còn gì!''. Arago bèn can thiệp giúp nhà nghiên cứu đang bị bối rối: Ông này rút từ túi áo hai chiếc chìa khóa và nói lớn ''Mỗi cái chìa khoá này đều tác dụng với kim nam châm đây, nhưng chúng có tác dụng gì lên nhau đâu!''
Phát minh ấy của Ampère đã mở đường hình thành môn khoa học mới: điện đông lực học. Có thể nói rằng các ý tưởng cơ bản được ông nêu ra trong có hai tuần lễ, dù cho trước đó ông chưa lừng nghiên cứu về điện.
Đồng thời Ampère tiếp tục giảng dạy: từ 1818 ông dạy lôgic học ở Trường Sư phạm và dạy thiên văn ở Đại học Sorbonne; năm sau ông nhận học vị giáo sư triết học. Từ 1824 Ampère lãnh đạo bộ môn vật lý ở College de France, một trong các cơ sở đào tạo và nghiên cứu khoa học lâu đời nhất nước Pháp, và ông giữ chức vụ này đến cuối đời. Cũng năm 1924 Ampère trở thành thành viên Hội khoa học hoàng gia ở Edinburgh, hội các nhà nghiên cứu tự nhiên của Thụy Sĩ và một số tổ chức nổi tiếng khác.
Ampère khá bất hạnh trong đời: người vợ đầu bị chết trẻ, người vợ sau thì ông li dị, và ông phải tự nuôi hai người con. Vì túng thiếu Ampère thường xuyên phải nhận làm thanh tra tại các trường học và phải đi công cán khắp nơi trong nước. Khi 45 tuổi sức khỏe ông đột ngột kém đi do bệnh tim. Ông từng viết thư cho một người bạn: ''Tôi chưa từng bao giờ bất hạnh đến như bây giờ, bởi vận rủi đeo đuổi đến thế và bởi lao động quá tải đến vậy''. Tuy nhiên Ampère vẫn sống say mê với nghiên cứu điện và từ học. Một số Hội khoa học tiếp tục bầu ông làm hội viên, trong đó có Viện Hàn lâm Saint Peterburg (1830).
Trong một chuyến công tác thanh tra những vùng phía Nam nước Pháp ngày 10 tháng 6 năm 1836 Ampère đã mất ở bệnh viện nhỏ của Marseille. Năm 1869 thi hài ông được chuyển về Paris, an táng tại nghĩa trang đồi Montmatre. Trên mộ chí ghi dòng chữ ''Ông đã sống lương thiện và giản dị cũng như rất vĩ đại”.
