James Clerk Maxwell, nhà vật lý người Scotland, đã gom tất cả những gì người ta biết về điện và từ vào một bộ phương trình vào những năm sáu mươi của thế kỷ mười chín. Khi giải chúng, ông thấy chúng dự đoán có những làn sóng điện và từ đan vào nhau lan đi trong không gian, với tốc độ tính ra đúng bằng tốc độ ánh sáng đã đo được. Ông kết luận: ánh sáng chính là sóng điện từ. Hai mươi năm sau, sóng vô tuyến được tạo ra trong phòng thí nghiệm, và thế giới bước vào thời đại của radio, truyền hình và điện thoại di động.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Ở tập trước, Faraday để lại những đường sức đẹp đẽ nhưng không có phương trình. Hôm nay là câu chuyện của người đã nhìn những đường sức ấy nghiêm túc hơn ai hết, và tìm ra rằng điện, từ và ánh sáng là một.
Một thần đồng toán học tôn trọng người thợ đóng sách
Maxwell sinh năm một nghìn tám trăm ba mươi mốt ở Edinburgh, đúng năm Faraday phát hiện cảm ứng điện từ. Từ nhỏ ông đã tò mò lạ thường, hay hỏi mọi thứ hoạt động thế nào. Ông viết công trình toán học đầu tiên khi mới khoảng mười bốn tuổi.
Khác với nhiều nhà toán học coi thường những hình ảnh trực quan của Faraday, Maxwell đọc kỹ các công trình của ông và tin rằng những đường sức kia chứa một chân lý sâu sắc. Ông đặt mục tiêu dịch ý tưởng của Faraday sang ngôn ngữ toán học.
Hai người cách nhau bốn mươi tuổi, một người gần như không dùng toán, một người là bậc thầy toán học, nhưng tôn trọng lẫn nhau. Đó là một sự kết hợp hiếm có giữa trực giác thực nghiệm và sức mạnh lý thuyết.
Maxwell còn có nhiều đóng góp lớn khác, trong đó có lý thuyết về chuyển động của các phân tử khí và nhiều công trình về nhận thức màu sắc.
Bộ phương trình gói trọn điện và từ
Trước Maxwell, người ta biết nhiều quy luật rời rạc: điện tích hút đẩy nhau, dòng điện tạo ra từ trường, từ trường biến thiên tạo ra dòng điện như Faraday tìm thấy. Maxwell viết chúng thành một hệ thống thống nhất.
Trong quá trình đó, ông nhận ra hệ thống bị thiếu một mảnh để cân đối: nếu từ trường biến thiên sinh ra điện trường, thì điện trường biến thiên cũng phải sinh ra từ trường. Ông thêm số hạng đó vào. Đây là bước đi táo bạo dựa trên sự nhất quán của lý thuyết, chưa có thí nghiệm nào đòi hỏi.
Bộ phương trình này về sau được viết gọn lại thành bốn phương trình nổi tiếng mà sinh viên vật lý nào cũng học. Chúng mô tả mọi hiện tượng điện và từ thông thường, từ cục nam châm tới tia sét.
Nói gọn cho người không học toán thì thế này: điện và từ không phải hai thứ riêng biệt, mà là hai mặt của cùng một hiện tượng, gọi là điện từ.
Khoảnh khắc nhận ra ánh sáng là sóng điện từ
Mảnh ghép Maxwell thêm vào tạo ra một hệ quả kỳ diệu: điện trường biến thiên sinh ra từ trường biến thiên, từ trường biến thiên lại sinh ra điện trường biến thiên, cứ thế nối tiếp nhau, tự duy trì và lan đi trong không gian mà không cần dây dẫn. Đó là sóng điện từ.
Maxwell tính tốc độ của làn sóng ấy từ những hằng số điện và từ đo được trong phòng thí nghiệm. Kết quả xấp xỉ ba trăm nghìn cây số mỗi giây, rất gần với tốc độ ánh sáng mà các nhà khoa học đã đo bằng những cách hoàn toàn khác.
Sự trùng khớp đó quá lớn để là ngẫu nhiên. Maxwell kết luận ánh sáng là một sóng điện từ. Ba lĩnh vực tưởng như tách biệt là điện, từ và quang học hoá ra là một.
Lý thuyết của ông còn dự đoán những sóng điện từ với bước sóng dài hơn và ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy rất nhiều, những thứ chưa ai từng biết tới. Như mình đã kể ở tập về tia X, ngày nay ta biết cả một dải từ sóng vô tuyến tới tia gamma.
Hertz kiểm chứng, và thế giới không dây ra đời
Maxwell mất năm một nghìn tám trăm bảy mươi chín, khi mới bốn mươi tám tuổi, trước khi lý thuyết của ông được kiểm chứng trực tiếp. Nhiều nhà vật lý thời đó vẫn còn hoài nghi.
Khoảng cuối những năm tám mươi của thế kỷ mười chín, nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz tạo ra tia lửa điện giữa hai quả cầu kim loại và phát hiện ở phía bên kia phòng một vòng dây có khe hở cũng loé tia lửa nhỏ. Ông đã phát và thu được sóng điện từ, chúng phản xạ, khúc xạ, giao thoa đúng như ánh sáng. Đơn vị tần số héc mang tên ông.
Hertz được ghi nhận là đã nghĩ phát hiện của mình không có ứng dụng thực tế. Chỉ ít năm sau, những người khác đã dùng sóng vô tuyến để gửi tín hiệu điện báo không dây, rồi tới radio, truyền hình, ra đa, và ngày nay là sóng điện thoại, wifi, định vị vệ tinh.
Chiếc ăng ten trên nóc nhà, cục phát wifi trong phòng, và cả chiếc điện thoại bạn đang dùng để nghe tập này đều là con cháu trực tiếp của những phương trình Maxwell viết ra hơn một thế kỷ rưỡi trước.
Bức ảnh màu đầu tiên và di sản của Maxwell
Maxwell còn để lại một dấu ấn dễ thương: năm một nghìn tám trăm sáu mươi mốt, ông trình diễn cách tạo ảnh màu bằng cách chụp một dải ruy băng ba lần qua ba tấm lọc đỏ, lục, lam rồi chiếu chồng lại. Đó là nguyên lý ba màu cơ bản mà màn hình điện thoại vẫn dùng tới hôm nay, như mình đã kể ở tập về màu sắc.
Lý thuyết điện từ của Maxwell cũng gieo mầm cho thuyết tương đối. Chính sự bất biến của tốc độ ánh sáng trong các phương trình của ông đã thúc đẩy Einstein suy nghĩ lại về không gian và thời gian.
Nhiều nhà vật lý xếp Maxwell vào hàng ngũ những người vĩ đại nhất, cạnh Newton và Einstein, dù tên ông ít quen thuộc với công chúng hơn.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: trong khi Hertz đang làm thí nghiệm với sóng vô tuyến, ở Paris, một nữ sinh viên nghèo từ Ba Lan sắp bắt đầu hành trình nghiên cứu những tia vô hình phát ra từ quặng u ra ni. Hành trình đó sẽ mang lại cho bà hai giải Nobel. Bà là ai?
Câu hỏi thường gặp
Sóng điện từ là gì?
Sóng điện từ là dao động của điện trường và từ trường đan xen nhau, tự lan truyền trong không gian, kể cả chân không. Ánh sáng, sóng vô tuyến, vi sóng, tia X đều là sóng điện từ, chỉ khác bước sóng.
Phương trình Maxwell có bao nhiêu phương trình?
Ở dạng phổ biến được giảng dạy ngày nay, chúng gồm bốn phương trình. Maxwell ban đầu viết dưới dạng nhiều phương trình hơn, về sau các nhà vật lý khác viết gọn lại.
Ai phát minh ra radio?
Radio là kết quả của nhiều người nối tiếp nhau: Maxwell dự đoán sóng điện từ, Hertz tạo và thu được chúng, rồi nhiều nhà phát minh khác phát triển thành hệ thống liên lạc không dây. Ai là người đầu tiên vẫn là chủ đề tranh luận lịch sử.
Vì sao sóng điện thoại xuyên qua tường được còn ánh sáng thì không?
Sóng điện thoại có bước sóng dài hơn ánh sáng rất nhiều và tương tác với vật liệu tường theo cách khác, nên phần lớn đi xuyên qua được, dù bị yếu đi. Tường bê tông dày và kim loại vẫn có thể chặn sóng đáng kể.
Maxwell có liên quan gì tới thuyết tương đối?
Các phương trình Maxwell cho tốc độ ánh sáng là một hằng số. Điều này không khớp với cách cộng tốc độ thông thường và đã thôi thúc Einstein xây dựng thuyết tương đối hẹp năm một nghìn chín trăm lẻ năm.
