CÁC THUẬT NGỮ “NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC” VÀ
“VẬT LÝ THỐNG KÊ” CÓ NGHĨA LÀ GÌ
Khi sáng lập ra cơ học các tác giả đã cố miêu tả thế giới theo một quan điểm nhất quán. Họ đã phát triển các phương pháp cho phép xây dựng nên cả một sơ đồ ngắn gọn nhưng đủ chuẩn xác của tòa nhà thế giới.
Họ bị ấn vào một điểm. Một điểm theo đúng nghĩa đen của từ, vì cơ học của họ, về thực chất là khoa học về chuyển động của điểm. Trong khi thế giới này bao gồm các đối tượng vĩ mô: các chất khí, lỏng, rắn sinh thể (kể cả con người), các vật thể khổng lồ như các sao, hành tinh và thiên hà...
Hiển nhiên các đối tượng vĩ mô đâu có vận hành như những chất điểm. Dù rằng trong điều kiện nhất định thì cả con tàu, cả hành tinh, thậm chí cả thiên hà... có thể xem như một điểm nhưng xin nhớ chỉ là trong các điều kiện nhất định!
Nảy sinh câu hỏi: có tồn tại hay không những quy luật chung mà mọi vật vĩ mô đều phải tuân theo, không có ngoại lệ nào? Nếu là có thì ắt phát tìm được các quy luật ấy. Hiểu được chúng liên hệ ra sao với hành vi của ''chất điểm'' tạo nên vật thể thì thật là tốt. Việc tìm kiếm các ''quy tắc ứng xử'' chung nhất của vật thể vĩ mô là đối tượng của nhiệt động lực học.
Còn việc lý giải mối quan hệ của các “quy tắc” ấy với cơ học, tức là với chuyển động của các hạt tạo nên vật là công việc của vật lý thống kê hay cơ học thống kê.
Điều ấy có nghĩa là gì, giờ đây thì thật dễ hiểu, nhưng vào thế kỷ XIX khi chưa hề có nhiệt động lực học, lại càng chưa có vật lý thống kê, dù ở trong ý tưởng, thì một nhiệm vụ bao quát như thế làm sao có thể đặt ra. Để khởi đầu cần phải hiểu nhiệt là cái gì và nó ''hoạt động'' thế nào. Từ đó mới có tên gọi ''nhiệt động lực học''. Mãi về sau, sau khi xây dựng được cơ học thống kê, người ta mới hiểu ra rằng phạm vi ứng dụng của nhiệt động lực học rộng lớn hơn rất nhiều so với ý đồ ban đầu chỉ là mô tả các quá trình nhiệt. Té ra các định luật của nó là đúng cho mọi vật thể phức tạp bao gồm một số lớn hạt. Nhưng đáng ngạc nhiên nhất là điều các định luật ấy ứng dụng được cả cho bức xạ điện từ.
Một lý thuyết đã hoàn thành và có tác dụng tuyệt vời thì quả nhiên không còn giống là bao với hình ảnh ban đầu của nó trước mắt các nhà sáng lập ra nó. Ngắm nhìn ''khu vườn'' lý thuyết đã quy hoạch hoàn hảo và tỉa xén tỉ mỉ khó lòng hình dung nổi những vất vả và phương tiện từng phải đổ ra cho nó. Cả một núi vấn đề mà nếu không được giải quyết thì hoặc không công việc này ắt công việc khác đã phải dở dang, chẳng có được khu vườn để mà tham quan.
Đối với người tham quan thì câu chuyện các bài toán chân lấm tay bùn bếp núc ấy không mấy hấp dẫn. Tình hình thường là đúng như vậy khi người ta hoàn thành các công trình ứng dụng. Vậy mà để hiểu thấu thực chất các khái niệm và nguyên lý cơ bản thì cách tiếp cận lịch sử mối quan hệ các lý thuyết lại luôn tỏ ra đặc biệt bổ ích.
Ta hãy tự cho phép một phút thôi, làm chủ mọi vũ khí của vật lý học hiện đại và hiểu rõ các vấn đề của nó, khi đó sẽ diễn đạt thế nào đây các tư tưởng cơ bản của nhiệt động lực học và vật lý thống kê? Ngày nay cả hai môn đều hướng vào việc phân tích các hệ phức tạp theo quan điểm vật lý, nhưng mỗi môn “quan sát” hệ thống theo cách của mình, môn đầu thì nhìn từ bên ngoài, môn thứ hai nhìn từ bên trong. Đối với nhiệt động lực học hệ thống là một hộp đen, chỉ biết cái gì đi vào và cái gì đi ra, còn cái gì diễn ra bên trong nó thì không quan trọng, không đáng quan tâm, hoặc không thể biết. Cơ học thống kê thì ngược lại, nó ''chui'' vào bên trong hệ thống, “xem xét” bằng cách nào ''cái đi vào'' chuyển hóa thành ''cái đi ra''. Với nó hệ thống là trong suốt. Đương nhiên cơ học thống kê cho ta một lượng thông tin về hệ thống nhiều hơn so với nhiệt động lực học. Nhưng ''còn khuya'' tất cả thông tin ấy mới là dùng được và có khi chúng là không cần thiết. Ví như khi khảo sát một đám mây hay một đàn ong thì hoàn toàn không đáng quan tâm một giọt nước hay mỗi con ong riêng rẽ bay thế nào trong đám trong đàn. Điều quan trọng là sự chuyển vận của cả đám, cả đàn như một toàn thể.
Dù có tính ''bổ sung'' nhất định của các cách tiếp cận nhiệt động lực học và thống kê chúng luôn luôn gắn bó với nhau. Các đại lượng nhiệt động lực học là giá trị trung bình toàn thể tích của các đại lượng mà thống kê khảo sát (từng chi tiết của từng hạt riêng lẻ, vì thế theo nghĩa này quan điểm thống kê là cơ sở cơ học của nhiệt động lực học. Nhưng các đại lượng nhiệt động lực học – cái quan sát được trên thực nghiệm, lại dẫn dường cho cơ học thống kê ''một người dẫn dắt hơi mù lòa'' theo cách nói của J. W. Gibbs.
Nếu ta chỉ quan tâm hệ thống như một toàn thể, không đi sâu vào chi tiết cấu trúc trong nó, thì có lẽ cũng không đủ. Còn cần có ý niệm gì đó về mô hình của nó, về những gì diễn ra ở mức vi mô vì rằng với mô hình khác nhau thì chính các kết luận cũng sẽ khác nhau. Tình thế đặc biệt nổi bật trong các định luật dựa trên các quan niệm khác nhau về bản chất của nhiệt. Nếu coi nhiệt là một thực thể vật chất (chất nhiệt) người ta đã thu được một số định luật, còn nếu coi nhiệt là hình thái của chuyển động, thì thu được những định luật hoàn toàn khác. Nhưng trong cả hai trường hợp bên cạnh những dị biệt, luôn tồn tại hai cái tương đồng: định luật bảo toàn và định luật hướng quá trình. Trong trường hợp đầu, đó là định luật bảo toàn chất nhiệt và tính không thể có động cơ vĩnh cửu loại một. Còn trong trường hợp thứ hai loại định luật định lượng quá trình, thì có định luật bảo toàn năng lượng và định luật tăng entropy (hoặc không thể tạo ra động cơ vĩnh cửu loại hai tức là ''truyền nhiệt tự phát từ vật ít nóng tới vật nóng hơn mà không kéo theo sự tiêu hao nào'').
Các định luật nhiệt động lực học là kết quả sự khái quát hóa nhiều thực nghiệm và quan sát, là chỗ dựa để thiết lập bản thân các khái niệm: nhiệt, nhiệt độ, áp suất, năng lượng và entropi. Trong đó áp suất và năng lượng có bản chất cơ học, những cái còn lại thì chỉ gắn với các quá trình nhiệt. Để làm rõ vì sao chính các khái niệm đó quyết định những đặc tính chung nhất của hành vi của vật thể vĩ mô, cần phải theo dõi mỗi khái niệm ấy phát sinh thế nào, thay đổi và tương tác với cái khác thế nào, tạo ra một hệ thống kín, dẫn đến lý thuyết hoàn chỉnh là nhiệt động lực học. Dù chỉ liếc nhìn qua danh mục các khái niệm kể trên cũng lập tức phải đặt câu hỏi: tại sao lại có áp suất ở đây? Nhiệt, năng lượng nhiệt độ, thậm chí cả entropi bí ẩn là các khái niệm chung mà có lẽ gắn với mọi hệ thống nhiệt. Nhưng còn áp suất thì hơi lạ! Phải chăng nó hiện ra ở dạng thức nào đó, chẳng hạn như khi dòng điện chảy qua vật dẫn? Mặc dù ai cũng biết rằng nhiệt được tỏa ra trong dây dẫn và hiệu ứng ấy được dùng trong thiết bị đun nóng bằng điện. Thắc mắc ấy là hoàn toàn có lý và cần được giải thích.
Vấn đề là ở chỗ để phân tích bất cứ bài toán nhiệt nào người ta đều cố gắng hết mình lựa chọn ra một hệ thống hoặc mô hình đơn giản nhất hàm chứa đủ các nét đặc trưng của bài toán ấy. Đối với nhiệt động lực học thì hệ thống giản đơn nhất được lựa chọn ấy là chất khí. Chất khí thì gây nên áp suất lên thành bình chứa nó, và áp suất là một trong các đặc trưng chủ yếu của nó.
Ngoài ra, lịch sử đã xếp đặt sao đó khiến cho việc nghiên cứu các định luật chất khí lại gắn chặt với việc nghiên cứu nhiệt, vì hiệu ứng nở nhiệt được phát hiện rõ nhất lại chính ở chất khí. Còn về các quá trình điện ở chất khí thì cũng có xảy ra, nhưng lại ở cấp độ khó lòng so được với vật hiệu ứng nhiệt.
Giờ đây, ngược lại có thể phát sinh một ấn tượng lầm lạc rằng: áp suất là một đặc tính không tách rời của bất kỳ vật thể vĩ mô nào, giống như nhiệt độ và năng lượng. Tất nhiên vào thời kỳ hình thành nhiệt động lực học thì nó là như vậy thật do ở mọi đối tượng khảo sát áp suất đều là một trong các đại lượng cơ bản dùng để mô tả các đối tượng ấy. Nhưng khi lý thuyết đã xây dựng xong, thì vỡ lẽ rằng nhiều hệ thống không cần mô tả bằng áp suất, mà vai trò chính lại thuộc về các ''lực lượng'' khác. Chẳng hạn như với chất từ thì vai trò tương tự lại thuộc về đại lượng ''độ từ hóa''.
Tất cả các khái niệm vừa nêu được hình thành không biệt lập với nhau, mà trong mối tương quan chặt chẽ với nhau (vì chúng phản ánh các tính chất khác nhau của cùng một đối tượng), và vì thế, sau khi tách một khái niệm ra để xem xét thì mọi khái niệm còn lại phải coi như đã biết.
