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

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 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 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

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 bị 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 vào 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.

Rutherfordkhám 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, Rutherfordnhận 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 điện 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 điện 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.