Lời mở đầu - 13 các khái niệm những điều đặc trưng nhất và quan trọng nhất. Đồng thời chúng tôi cũng loại bỏ các sự kiện và lý thuyết không theo tiêu chí này. Để đạt được điều này, chúng tôi buộc phải chọn lọc kỹ lưỡng các sự kiện và ý tưởng. Tầm quan trọng của một vấn đề không nên được đánh giá qua số trang sách.
Một số tư tưởng thiết yếu không được nhắc đến trong quyển sách này không phải vì chúng không quan trọng mà chỉ vì chúng không nằm trên con đường mà chúng tôi đã chọn. Khi viết cuốn sách này, chúng tôi đã tranh luận rất nhiều về những đặc điểm của một độc giả lý tưởng và rất lo lắng cho anh ta. Chúng tôi nghĩ rằng, độc giả có thể thiếu hoàn toàn những hiểu biết cụ thể về vật lý và toán học, nhưng bù vào đấy, độc giả sẽ cần những đức tính đáng kể như: Sự hứng thú với các ý tưởng về vật lý và triết học. Thật đáng khâm phục về sự kiên nhẫn của độc giả khi phải cố tìm hiểu những điểm khó khăn và kém thú vị.
Độc giả sẽ biết rằng, để hiểu bất cứ trang nào trong cuốn sách này cần phải đọc trang trước thật cẩn thận và không nên đọc một cuốn sách khoa học, dù thuộc loại phổ thông, như đọc một quyển tiểu thuyết. Quyển sách này chỉ đơn giản là một cuộc chuyện trò giữa bạn và chúng tôi. Bạn có thể thấy nó dài dòng hay thú vị, u mê hay kích thích. Chúng tôi sẽ đạt được mục đích nếu những trang sách này đem đến cho bạn một vài khái niệm về cuộc chiến không ngừng nghỉ của trí tuệ con người đầy sáng tạo nhằm hiểu rõ những định luật thống trị các hiện tượng vật lý.
Albert Einstein Leopold Infeld 14 - SỰ T I ẾN H Ó A C ỦA V ẬT LÝ I Bình minh của tư duy cơ học Bình minh của tư duy cơ học Câu chuyện trinh thám vĩ đại. Manh mối đầu tiên. Bí ẩn của chuyển động. Manh mối còn sót lại.
Nhiệt có phải là một chất?. Tàu lượn siêu tốc. Tỷ số trao đổi. Bối cảnh triết học.
Lý thuyết động học của vật chất. CÂU CHUYỆN TRINH THÁM VĨ ĐẠI HÃY TƯỞNG TƯỢNG về một câu chuyện trinh thám tuyệt hảo. Trong những câu chuyện như thế luôn có tất cả các manh mối quan trọng nhất buộc độc giả tự hình thành những lý luận riêng cho chính mình. Nếu theo dõi một cách cẩn thận, chúng ta sẽ tìm thấy đáp án của câu chuyện sớm hơn cả những tiết lộ của tác giả ở những trang cuối của quyển truyện.
Khác với những bí ẩn khác trong câu chuyện, những đáp án này không những không làm chúng ta thất vọng, mà hơn thế nữa, còn xuất hiện đúng vào lúc chúng ta mong chờ nhất. Liệu chúng ta có thể so sánh độc giả của một quyển tiểu thuyết như thế với các nhà khoa học, những người từ thế hệ này sang thế 16 - SỰ T I ẾN H Ó A C ỦA V ẬT LÝ hệ khác luôn tìm kiếm đáp án cho những bí ẩn được viết trong quyển sách vĩ đại của tự nhiên? Sự so sánh khập khiễng này cần được loại bỏ. Nhưng nó cũng có một lý lẽ mà chúng ta cũng có thể mở rộng và thay đổi để nó phù hợp hơn khi so sánh với những nỗ lực của khoa học nhằm giải đáp các bí ẩn của vũ trụ. Cho đến nay, câu chuyện bí ẩn vĩ đại vẫn chưa đi đến hồi kết và chúng ta cũng không thể khẳng định được sự tồn tại của đáp án cuối cùng này.
Tuy thế, việc không ngừng tìm hiểu những điều bí ẩn trong quyển sách vĩ đại này giúp chúng ta hiểu những điều cơ bản nhất của tự nhiên, lần ra những manh mối của khoa học, và tạo nên nguồn cảm hứng cho quá trình phát triển đầy vất vả và khó nhọc của khoa học. Dù đã đọc và tìm được nhiều đầu mối và đáp án trong quyển sách của tự nhiên, chúng ta nhận thấy rằng chúng ta hiện vẫn cách rất xa đáp án cuối cùng, nếu nó thật sự tồn tại! Trong mỗi giai đoạn tìm hiểu, điều chúng ta luôn làm là cố gắng tìm sự tương quan giữa đáp án vừa được tìm thấy với một số các manh mối đã được phát hiện trước đó. Những lý thuyết như thế đều mang tính tạm thời vì chúng có thể giải thích một số các sự kiện đã được biết đến. Tuy nhiên, không một lý thuyết tổng quát nào có thể đưa ra đáp án phù hợp với tất cả các manh mối đã được tìm thấy.
Thông thường, một lý thuyết dường như rất hoàn hảo lại mâu thuẫn hoặc không thể giải thích được những khám phá mới. Càng tìm được nhiều manh mối, chúng ta càng nhận thức trọn vẹn hơn sự kết cấu hoàn hảo trong quyển sách của tự nhiên, dù rằng lời giải đáp cuối cùng dường như ngày càng lùi xa dần khi chúng ta ngày càng tiến bộ. Trong hầu hết các cuốn tiểu thuyết trinh thám xuất hiện vào thời của tác giả nổi tiếng Conan Doyle, một nhà thám tử tài ba Bình minh của tư duy cơ học - 17 luôn thu thập được hầu hết các dữ kiện, tối thiểu là cho việc điều tra một mặt nào đó của vụ án. Các dữ kiện này thường rất lạ lùng, rời rạc và hoàn toàn không liên quan với nhau.
Tuy vậy, nhà thám tử tài ba này luôn hiểu rằng việc điều tra thêm là không cần thiết, chỉ có sự suy luận mới tìm ra được mối liên kết giữa các sự kiện thu thập được. Cho nên ông ta có thể chơi vĩ cầm hay nằm ườn trên ghế với một ống điếu và đột nhiên thật bất ngờ, ông đã tìm ra lời giải. Không những giải thích được các manh mối trong tay mà ông ta còn đoán được rằng một số sự kiện khác đã phải xảy ra. Do biết một cách chính xác nơi cần tìm, nếu thích thì ông ta có thể đi tìm thêm những bằng chứng khác cho suy luận của mình.
Chúng tôi xin phép nhắc lại một điều nhàm chán. Khi đọc quyển sách của tự nhiên, một nhà khoa học phải tự tìm cho mình lời giải đáp vì ông ta không thể nhanh chóng lật đến những trang cuối của quyển sách này như những độc giả thiếu kiên nhẫn thường làm khi theo dõi một quyển tiểu thuyết trinh thám. Trong khoa học, độc giả cũng là một thám tử điều tra luôn tìm cách giải thích, dù chỉ một phần nào đó, mối liên hệ của các sự kiện với vô số các yếu tố khác. Để đạt được dù là một phần nhỏ của lời giải đáp, các nhà khoa học luôn phải thu thập các dữ kiện vô cùng rời rạc, và sau đó tìm sự liên kết giữa chúng bằng những suy luận đầy sáng tạo.
Mục đích của chúng tôi trong phần kế tiếp là phác họa sự tương đồng giữa tư duy của một nhà thám tử và những công việc của các nhà vật lý. Chúng tôi chủ yếu đề cập đến vai trò của tư duy và ý tưởng trong cuộc thám hiểm truy tìm sự hiểu biết trong thế giới vật lý. 18 - SỰ T I ẾN H Ó A C ỦA V ẬT LÝ MANH MỐI ĐẦU TIÊN Những cố gắng tìm hiểu quyển sách vĩ đại của tự nhiên cũng cổ xưa như chính tư duy của loài người. Nhưng chỉ từ hơn 300 năm trước đây, các nhà khoa học mới bắt đầu hiểu ngôn ngữ của quyển sách này.
Sự tìm hiểu những bí ẩn ấy phát triển vô cùng nhanh chóng, nhất là trong thời đại Galileo(1)* (Galilei Galileo) và Newton(2). Người ta đã phát triển các phương pháp nghiên cứu một cách có hệ thống để khám phá và theo dõi những đầu mối của những bí ẩn trong tự nhiên. Nhiều bí ẩn của tự nhiên đã được khám phá mặc dù những lý giải cho những điều ấy tỏ ra chỉ có giá trị tạm thời và nông cạn dưới quan điểm của những nghiên cứu sau đó. Một vấn đề cơ bản nhất, đã bị che giấu hàng nghìn năm bởi chính sự phức tạp của nó, chính là sự chuyển động.
Mọi chuyển động mà chúng ta quan sát trong tự nhiên thực chất là một vấn đề rất phức tạp, rắc rối; ví dụ như một hòn đá được ném lên không trung, một chiếc tàu chạy trên mặt biển, một xe cút-kít được đẩy trên mặt đường. Để hiểu được các hiện tượng này, tốt nhất ta nên bắt đầu với những trường hợp đơn giản nhất và đi dần đến các vấn đề phức tạp hơn. Hãy xét một vật nằm yên khi nó hoàn toàn không có sự chuyển động. Để thay đổi vị trí của nó, ta cần tác động lên nó, như đẩy hay nhấc nó lên, hoặc dùng sức kéo của ngựa hay các * Tất cả những chú thích được trình bày ở cuối quyển sách.
Bình minh của tư duy cơ học - 19 cỗ máy hơi nước. Trực giác của chúng ta thấy sự chuyển động của vật này gắn liền với các tác động như là đẩy, kéo hay nâng. Những kinh nghiệm lặp lại ấy đã khiến chúng ta mạo hiểm phát biểu: Nếu chúng ta muốn vật này chuyển động nhanh hơn thì chúng ta đẩy nó mạnh hơn. Dường như rất hiển nhiên để có thể kết luận rằng vật thể có vận tốc lớn hơn nếu được tác động mạnh hơn.
Một xe kéo bốn ngựa sẽ chạy nhanh hơn một xe kéo chỉ có hai ngựa. Trực giác nói với chúng ta rằng tốc độ liên quan mật thiết với tác động. Các độc giả tiểu thuyết trinh thám cũng nhận thấy điều tương tự vì các manh mối giả tạo làm rối tung câu chuyện và trì hoãn lời giải đáp. Phương pháp suy luận dựa vào trực giác dẫn đến quan niệm sai lầm về chuyển động đã tồn tại trong nhiều thế kỷ.
Có lẽ uy tín của Aristotle(2a) ở khắp Âu châu là lý do chính của sự tin tưởng vào phương pháp tư duy trực giác này. Trong tác phẩm Mechanics (Cơ học), được cho là của ông trong hai nghìn năm qua, chúng ta đọc được phát biểu sau: “Vật thể đang chuyển động sẽ dừng lại khi lực tác động lên nó không còn nữa.” Sự khám phá và sử dụng lý luận khoa học của Galileo là một trong những thành tựu khoa học quan trọng nhất trong lịch sử tư tưởng của loài người và đánh dấu bước khởi đầu thật sự của vật lý học. Khám phá này cho chúng ta một bài học quan trọng là các kết luận bởi trực giác dựa trên sự quan sát trực tiếp không luôn đáng tin tưởng và đôi khi dẫn đến các manh mối sai lầm. 20 - SỰ T I ẾN H Ó A C ỦA V ẬT LÝ Nhưng trực giác sai lầm ở đâu?