10 thí nghiệm có tính đột phá trong sự phát triển của khoa học

09:01 SA @ Thứ Hai - 07 Tháng Sáu, 2010

Đó là những thí nghiệm không đòi hỏi những trang thiết bị đắt tiền, phức tạp nhưng mang lại những phát kiến khoa học góp phần quan trọng vào sự phát triển của nhân loại.

Thí nghiệm hai khe áp dụng cho sự giao thoa của electron

Cả Newton và Young đều quan niệm không đầy đủ về bản chất của ánh sáng. Đến đầu thế kỷ 20, Max Planck (và sau đó là Einstein) chỉ ra rằng, ánh sáng phát xạ và hấp thụ không phải liên tục mà gián đoạn theo từng lượng tử gọi là photon. Bên cạnh đó các thí nghiệm lại tiếp tục chỉ ra rằng ánh sáng có tính chất sóng.

Vài thập kỷ sau, thuyết lượng tử được phát triển đã dung hòa hai quan niệm đối nghịch này và chỉ ra rằng cả hai đều…đúng: photon và những hạt hạ nguyên tử khác (electron, proton…) đều thể hiện lưỡng tính sóng-hạt.

Để kiểm nghiệm ý tưởng này, các nhà vật lý thường sử dụng thí nghiệm của Young, trong đó thay vì chùm sáng thì họ sử dụng chùm electron cho đi qua hai khe hẹp nhỏ gần nhau. Tuân theo những định luật của cơ học lượng tử, chùm hạt này giao thoa, tạo thành những vân sáng, tối xen kẽ giống như những vân tạo bởi ánh sáng. Và như vậy khẳng định: các hạt hành xử giống như…sóng.

Thí nghiệm rơi tự do của Galileo (Năm 1600)

Trước khoảng thời gian cuối những năm 1500, quan niệm của Aristotle khiến mọi người đều nhất mực tin rằng vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ. Kết luận này được Nhà thờ chuẩn y và tiếp tục thống trị trong suốt kỷ nguyên tối.

Galileo Galilei, giáo sư toán học ở Đại học Pisa, đã làm nên một điều phi thường giúp thay đổi nhận thức của chúng ta về vạn vật, và thí nghiệm của ông đã trở thành một cột mốc đáng nhớ trong lịch sử khoa học.

Trong thí nghiệm, Galilei đã thả hai vật có khối lượng khác nhau từ tháp nghiêng Pisa. Kết quả hai vật rơi xuống đất trong cùng một khoảng thời gian, và như vậy bác bỏ quan niệm của Aristotle. Chính thách thức đối với Aristotle đã khiến ông bị đuổi việc. Nhưng quan trọng hơn cả, Galilei đã chỉ ra rằng, những tri thức khoa học phải được đúc kết từ quy luật khách quan của tự nhiên chứ không phải bằng niềm tin.

Thí nghiệm giọt dầu của Millikan (Năm 1910)

Từ thời cổ đại, con người đã biết đến điện khi quan sát những tia chớp trong những trận mưa giông hay những tia sáng li ti xuất hiện khi cọ xát tấm dạ len vào bàn tay. Năm 1887, nhà vật lý người Anh J. J. Thomson cho rằng, điện tích bao gồm những hạt mang điện âm gọi là electron. Sau đó, năm 1909, nhà khoa học người Mỹ Robert Millikan đã nảy ra ý tưởng đo điện tích của những hạt này.

Trong thí nghiệm, ông đã phun những giọt dầu vào một buồng trong suốt. Ở đỉnh và đáy là những tấm kim loại gắn vào một bộ pin điện để tạo ra một bản mang điện dương và bản còn lại mang điện âm.

Lúc đầu, giọt dầu không tích điện và rơi dưới tác dụng của trọng lực. Sau đó ông cho những hạt này “nhiễm điện” bằng việc rọi một chùm tia rơnghen để iôn hóa. Vì mang điện nên những giọt dầu sẽ rơi nhanh hơn do chịu thêm tác dụng của điện trường. Quan sát hết giọt dầu này đến giọt dầu khác khi thay đổi hiệu điện thế, Millikan đi đến kết luận: điện tích có một giá trị không đổi. Từ việc so sánh khoảng thời gian rơi của giọt dầu khi mang điện và chưa mang điện ông đã tính ra đơn vị điện tích nhỏ nhất là e = 1,63.10-19C.

Thí nghiệm thanh xoắn của Cavendish (Năm 1798)

Một trong những đóng góp khác của Newton là lý thuyết hấp dẫn. Lý thuyết này phát biểu rằng, lực hấp dẫn giữa hai vật tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Nhưng câu hỏi đặt ra là làm thế nào xác định được lực này khi cường độ của nó quá yếu.

Vào năm 1700, nhà khoa học Anh Henry Cavendish quyết tâm tìm kiếm sự thật. Ông đã sử dụng một thanh gỗ mảnh, hai đầu có gắn viên bi kim loại, giống như quả tạ, rồi treo lơ lửng bằng một sợi dây. Sau đó ông sử dụng hai quả cầu chì đặt gần hai đầu thanh. Nếu quả cầu chì hút hai viên bi kim loại kia thì sợi dây sẽ xoắn lại. Để đo được những thay đổi tinh tế, Cavendish đã đặt những mảnh ngà khắc tinh vi ở mỗi bên. Còn để triệt tiêu sự ảnh hưởng của không khí, dụng cụ (gọi là cân bằng xoắn) được đặt trong một buồng kín và được quan sát bởi hai ống nhòm gắn ở mỗi bên.

Bằng thí nghiệm của mình, cuối cùng ông cũng đã xác định được thông số gọi là hằng số hấp dẫn với độ chính xác đáng kinh ngạc và từ đó, Cavendish đã tính được khối lượng của Trái đất là 6.0x 1024 kilôgram.

Thí nghiệm phân tích ánh sáng mặt trời bằng lăng kính của Newton (Năm 1665-1666)

Isaac Newton sinh vào năm Galileo chết. Năm 1665, ông tốt nghiệp Đại học Trinity, Cambridge. Trước Newton, mọi người quan niệm rằng ánh sáng là thể thuần khiết nhất (một lần nữa Aristotle cũng quan niệm như vậy), và những màu sắc riêng biệt chỉ là sự biến đổi nào đó của ánh sáng trắng. Để kiểm tra nguyên lý tổng hợp này, Newton đã chiếu một chùm ánh sáng Mặt trời qua một lăng kính và chỉ ra rằng nó phân tích thành một phổ màu: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím trên bức tường. Newton kết luận chính đây mới là những màu cơ bản.

Eratosthenes đo chu vi trái đất (Thế kỷ thứ 3 trước công nguyên)

Thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, trưa ngày Hạ chí ở một thành phố nhỏ Ai Cập mà ngày nay gọi là Aswan, ánh sáng Mặt trời chiếu thẳng xuống đáy giếng sâu. Ngay lập tức Eratosthenes, một thủ thư làm việc tại thư viện Alexandria, đã nhận ra rằng, ông đã có được thông tin quan trọng để xác định chu vi Trái đất. Cùng giờ và ngày đó năm sau, ông tiến hành đo bóng đổ của một chiếc cọc ở thành phố Alexandria và phát hiện thấy những tia sáng Mặt trời bị nghiêng một góc 7 độ so với phương thẳng đứng.

Giả sử rằng Trái đất hình cầu thì chu vi của nó tương ứng với một góc 360 độ. Nếu Aswan và Alexandria cách nhau 7 độ thì khoảng cách tương ứng giữa hai thành phố này là 7/360 vòng tròn. Bằng cách đo khoảng cách hai thành phố là 5.000 stadia, Eratosthenes kết luận chu vi Trái đất gấp 50 lần khoảng cách đó, tức là khoảng 250,000 stadia.

Ngày nay, các nhà khoa học không biết rõ 1 stadia là bao nhiêu mét nên không biết chính xác chu vi Trái đất mà Eratosthenes tính được đạt đến độ chính xác nào. Nhưng dù gì đi chăng nữa, xét về mặt khoa học thì cách tính của ông hoàn toàn hợp lý.

Thí nghiệm giao thoa ánh sáng của Young (Năm 1801)

Không phải Newton lúc nào cũng đúng. Trải qua hàng loạt các cuộc tranh luận, để rồi ông nhận định rằng bản chất của ánh sáng là hạt hơn là sóng. Năm 1803, nhà khoa học Anh Thomas Young đã nảy ra ý tưởng kiểm tra lại kết luận đó.

Trong thí nghiệm của mình, ông đã khoét một lỗ nhỏ ở cửa sổ và dùng một tấm giấy chắn lại chỉ để hở một lỗ nhỏ. Khi chùm sáng đi qua lỗ nhỏ này được đổi hướng bởi một tấm gương phẳng. Sau đó Young tiếp tục sử dụng một tấm bìa mảnh có khoét hai lỗ nhỏ gần nhau với mục đích tách chùm sáng tới thành hai. Thật bất ngờ, khi hai chùm sáng này chiếu lên một bức tường, giao thoa, để lại những vân tối, sáng xen kẽ nhau. Young kết luận: ánh sáng có tính chất sóng.

Rutherford khám phá ra hạt nhân nguyên tử (Năm 1911)

Trước khi Ernest Rutherford tiến hành những thí nghiệm về phóng xạ ở Đại học Manchester vào năm 1911, mọi người quan niệm rằng nguyên tử cấu tạo bởi một lượng lớn các hạt điện tích dương và các electron “trộn” vào nhau tạo thành một cấu trúc “mềm”.

Sử dụng các hạt alpha bắn vào một lá vàng mỏng, Rutherford nhận thấy một lượng nhỏ các hạt alpha bật trở lại. Nếu nguyên tử là một cấu trúc mềm thì hạt alpha sẽ bị “hấp thụ”, nhưng thí nghiệm lại chứng tỏ rằng trong nguyên tử phải có một hạt nhân cứng để khi hạt alpha va vào sẽ bị “bật” ra. Sau khi tính toán kỹ lưỡng, cuối cùng ông đưa ra kết luận, phần lớn khối lượng của nguyên tử tập trung vào một lõi nhỏ gọi là hạt nhân, các electron quay xung quanh hạt nhân này.

Thí nghiệm của Galileo về những quả bóng lăn trên mặt phẳng nghiêng (Năm 1600)

Galileo tiếp tục tinh lọc những ý tưởng về chuyển động của các vật. Trong thí nghiệm về chuyển động trên mặt phẳng nghiêng, ông đã thiết kế một tấm phản dài 12 cubit, rộng nửa cubit, khoét một rãnh thẳng và phẳng ở giữa. Sau đó ông nghiêng mặt phẳng để cho những quả bóng lăn xuống, rồi đo thời gian chuyển động lăn dốc bằng một đồng hồ nước - một chiếc bình đựng nước thông với chiếc cốc ở phía dưới qua chiếc ống nhỏ. Để đo thời gian chuyển động, ông cân lượng nước chảy vào cốc. Sau đó Galileo so sánh thời gian với quãng đường quả bóng đi được.

Aristotle tiên đoán rằng vận tốc của quả bóng là không đổi. Nhưng thí nghiệm của Galileo lại chỉ ra rằng, chuyển động của những quả bóng được gia tốc: quãng đường đi được tỷ lệ thuận với bình phương thời gian di chuyển.

Quả lắc Faucault (Năm 1851)

Vài năm trước các nhà khoa học đã đặt một quả lắc tại Nam Cực và quan sát chuyển động quay của nó. Họ đang tái tạo lại thí nghiệm đã từng tiến hành ở Paris năm 1851.

Sử dụng một sợi dây thép dài 220 feet, nhà khoa học Pháp Jean-Bernard-Léon Foucault treo một quả cầu sắt nặng 62 pound từ mái vòm của nhà thờ Panthéon, rồi sau đó cho nó dao động. Để ghi lại quá trình chuyển động của con lắc ông đã gắn một chiếc kim châm vào quả cầu và đặt một chiếc vòng chứa cát ẩm dưới sàn nhà.

Những người quan sát xung quanh hết sức ngạc nhiên vì chuyển động quay không giải thích được của con lắc khi nó để lại những vệt hơi khác biệt nhau sau mỗi lần chuyển động lắc đi lắc lại. Với những gì đang xảy ra dưới sàn của nhà thờ Panthéon, Foucault đã chỉ ra một cách thuyết phục hơn bao giờ hết: Trái đất đang quay quanh trục của nó. Tại vĩ độ ở Paris, con lắc hoàn thành một vòng quay theo chiều kim đồng hồ hết 30 giờ; còn tại Nam bán cầu con lắc sẽ quay theo chiều ngược lại; tại xích đạo chuyển động của con lắc không quay; tại cực nam của Trái đất các nhà khoa học khẳng định chu kỳ chuyển động quay này là 24 giờ.

Nguồn:Tia sáng
LinkedInPinterestCập nhật lúc:

Nội dung liên quan

  • Ngũ hành và khoa học

    09/11/2015PhD. Nguyễn Thế HùngHọc thuyết Ngũ Hành có vài ngàn năm tuổi. Cái tuổi đó được xem là bền vững. Nhưng Học thuyết ấy rất huyền bí, bị khoa học hiện đại xem là nhảm nhí, đôi khi phản khoa học nữa. Thực tế, chúng ta đang quay lưng lại với Ngũ Hành và quay lưng lại với một "khái niệm văn hóa đã và đang bền vững"...
  • Khoa học thế kỷ XXI: Vượt ra ngoài quy giản luận

    16/03/2015Đặng Mộng LânChúng ta đã bước vào thế kỷ XXI, thế kỷ được chờ đợi sẽ xuất hiện cuộc cách mạng khoa học mới. Cuộc cách mạng khoa học lần thứ ba này sẽ là như thế nào?
  • Cách mạng khoa học - sự thay đổi khuôn mẫu (Paradigm)

    03/02/2015Đặng Mộng LânCuốn sách "The Structure of Scientific Revolutions” của Thomas S. Kuhn ra đời năm 1962 làm rõ bản chất của khái niệm “cách mạng khoa học" mà những cách hiểu trước đó chưa thể xem là thích hợp. Công trình này đã đưa ra một hình ảnh rõ ràng và đơn giản về sự phát triển của khoa học: Một khuôn mẫu (paradigm) (một cấu trúc cơ bản ổn định nảy sinh từ một số khám phá được chấp nhận bởi cộng đồng khoa học) xuất hiện rồi bị thay thế bởi một khuôn mẫu mới...
  • Theo vết chân những người khổng lồ & Sự đỏng đảnh của phương pháp

    12/12/2014Hai cuốn sách nghiên cứu, biên khảo về những trường phái văn hoá tư tưởng phương Tây quan trọng, giới thiệu một cách tương đối hệ thống các lí thuyết và phương pháp nghiên cứu trong văn hóa nghệ thuật suốt hai thế kỉ qua ở phương Tây...
  • Trí tuệ vũ trụ và những hệ quả triết học

    29/04/2014Hà YênTriết học Phương đông coi con người là Vũ trụ thu nhỏ. Triết học Phương tây thì khẳng định Thượng đế sáng tạo ra Vũ trụ và sau đó sáng tạo ra con người theo đúng hình ảnh của mình. Thế nhưng, ngoài thể xác, con người còn có Ý thức, có Tư duy, nghĩa là có Trí tuệ, thì Vũ trụ thể hiện những cái đó ở chỗ nào?
  • Giải mã ADN của những người sáng tạo

    06/01/2010Jeffrey H. Dyer, Hal B. Gregersen và Clayton M. Christensen - Harvard Business Review“Làm thế nào tôi tuyển dụng được những con người sáng tạo cho tổ chức của mình? Và làm thế nào bản thân tôi cũng trở nên sáng tạo hơn?”
  • Một nhà khoa học nước Pháp: Marcelin Berthelot

    09/06/2009Phạm QuỳnhKhoa học ngày một tấn tới, từ một trăm năm trở lại đây đã biến cải hẳn mặt địa cầu. Ta đứng xa mà trông những cảnh tượng kỳ kỳ quái quái, hằng ngày xuất hiện ra trước mắt ta, vừa kinh hãi, vừa cảm phục, không ngờ một khối óc mềm của con người mà làm nên những sự kinh thiên động địa như thế. Tuy ngày nay không tin thần thánh như xưa, không cho các công cuộc kỳ diệu ấy là bởi tay những bậc “siêu nhân” làm ra, nhưng lại đặt ra một vị thần mới, vô hình, vô ảnh, gọi là thần Khoa Học.
  • Giải mã các hiện tượng dị thường

    19/12/2008Đại tá, nhà nghiên cứu Đỗ Kiên CườngChúngta.com đăng lại loạt bài viết "Giải mã các hiện tượng dị thường" đã đăng trên báo Thể thao & Văn hóa rất bổ ích và có giá trị nhận thức cao về những hiện tượng ở ranh giới nhận thức của loài người...
  • Một hành trình của nghệ thuật Đương Đại Thế Giới

    07/12/2008Phạm Trần LêXuyên suốt lịch sử phát triển văn hóa nhân loại, gánh nặng hoa tiêu được đặt lên vai người nghệ sĩ tiên phong. Nghệ sĩ tiên phong (advant-garde), cái danh hiệu đầy trân trọng, thường chỉ được nhìn ra và công nhận sau khi người nghệ sĩ đã nếm trải rất nhiều sự hiểu lầm và ghẻ lạnh từ số đông.
  • Lý giải nào cho những huyền bí tâm linh

    06/12/2008Hà YênThế giới các hiện tượng huyền bí thuộc phạm trù Tâm linh, vẫn tiếp tục kích thích nhiều công trình nghiên cứu, xuất hiện nhiều trong vòng hai mươi năm trở lại đây. Sự tập hợp trí tuệ ấy, hình thành cái gọi là “Khoa học huyền bí”, mà sức lan tỏa của nó đủ trở thành một bộ phận không nhỏ trong toàn bộ Tri thức của nhân loại.
  • Không, hư vô, chân không, trong khoa học tự nhiên

    10/03/2008Chuyên gia CNTT Paris, Pháp - Hà Dương TuấnTiểu luận này trình bày những cách hiểu khác nhau trong lịch sử của khoa học tự nhiên về cái không và cái chân không - bằng cách sử dụng khái niệm mô hình. Khái niệm then chốt của khoa học luận này ít khi được nhấn mạnh đầy đủ...
  • Tiềm năng con người qua nhãn quang khoa học - khai mở tiềm năng bằng tri thức

    30/01/2008Hồ Văn Khánh"Tiềm năng" có nghĩa là năng lực tiềm tàng trong cuộc sống, những nguồn năng lượng tiềm ẩn trong cơ thể. Chúng có thể đã, đang và sẽ biểu hiện qua muôn hình vạn trạng của tạo vật trên mọi khía cạnh, sắc thái của vạn hữu tùy theo thiên chức nhân duyên hay sự điều tâm rèn luyện mãnh liệt...
  • Một vụ kiện khoa học lớn: Vũ trụ sơ sinh trong phòng thí nghiệm

    14/11/2006Đặng Mộng LânVũ trụ của chúng ta ngày nay đã bắt đầu từ một vụ nổ khổng lồ (big bang) cách đây khoảng 14 tỉ năm. Vào khoảng vài phần triệu giây ngay sau lúc ra đời, vũ trụ có nhiệt độ vào khoảng hàng nghìn triệu độ. Điều kiện đó của vũ trụ sơ sinh đã được tạo ra trong chiếc máy Rhic ở Brookhaven và các kết quả đã được công bố năm 2005...
  • “Một thứ toán kỳ lạ: Tổng các số dương bằng một số âm”?

    25/09/2006Chu Văn KhánhGiáo sư Phan Đình Diệu là một trong những nhà khoa học có nhiều bài viết, nhiều nỗi niềm trăn trở về nền giáo dục nước nhà. Năm 2004, ông cùng một số nhà khoa học tham gia thảo luận và đệ trình lên Thủ tướng Chính phủ một bản báo cáo kiến nghị về việc cải cách nền giáo dục hiện nay. Trước thềm năm học mới, chúng tôi đã có cuộc trò chuyện với ông về những vấn đề đã và đang gây bức xúc trong ngành giáo dục...
  • Khoa học và tâm linh

    03/12/2005Nguyễn Khánh HảiNhững nhận thức của con người về thế giới xung quanh (vũ trụ, xã hội, v..v..) có thể phân thành hai loại: một loại có thể kiểm nghiệm, chứng minh bằng thực nghiệm, bằng lý trí, bằng lô gích, đó là loại gọi là thuộc lĩnh vực khoa học. Loại thứ hai chỉ có thể nhận thức được bằng trực giác của từng người chứ không thể chứng minh hai năm rõ mười được bằng thực nghiệm hoặc bằng lý trí các vấn đề tâm linh thuộc lĩnh vực này.
  • Tư duy phương Đông nhìn dưới ánh sáng học thuyết Einstein

    07/11/2005Nguyễn Huệ ChiĐột phá khoa học của thế kỷ XX được đánh dấu bằng việc khám phá ra thuyết tương đối của nhà vật lý học Albert Einstein ngay vào những năm đầu thế kỷ đã làm chấn động dư luận thế giới, nhưng ý nghĩa lớn lao của nó, theo tôi nghĩ, lại chính là sự tác động dây chuyền và có tính chất lâu dài trong suốt cả một thế kỷ, làm lung lay một phương pháp tư tưởng đã hằn sâu thành nếp, chiếm địa vị độc tôn trong nghiên cứu, có lúc gây bế tắc trì trệ cho nhiều ngành khoa học, không chỉ khoa học tự nhiên mà cả khoa học xã hội và nhân văn - phương pháp duy lý cổ điển [1] của phương Tây...
  • Chương 2. Phong cách khoa học trong lao động

    14/07/2005
  • xem toàn bộ