Những thí nghiệm “đẹp nhất” trong lịch sử

Những thí nghiệm khoa học hiện nay thường phức tạp, chỉ có thể thực hiện bởi một nhóm nghiên cứu và có chi phí lên tới hàng triệu USD. Tuy nhiên, khi được hỏi về thí nghiệm “đẹp nhất” trong lịch sử khoa học, người ta lại tôn sùng các ý tưởng đơn giản.

Mới đây, tiến sĩ Robert Crease, thuộc khoa Triết của Đại học New York, Mỹ, đã thực hiện một cuộc thăm dò ý kiến các nhà khoa học về “thí nghiệm đẹp nhất trong lịch sử”. Kết quả cho thấy không phải những thí nghiệm hiện đại, phức tạp, như phân tích gene, nghiên cứu hạt hạ nguyên tử hay đo ánh sáng của các ngôi sao xa, được chọn là “đẹp nhất”. Ngược lại, những thí nghiệm đơn giản như đo chu vi Trái đất, tán xạ ánh sáng, vật rơi tự do... lại được yêu thích hơn cả. Vẻ đẹp này mang ý nghĩa rất cổ điển: mô hình thí nghiệm đơn giản, logic đơn giản, nhưng kết quả đạt được lại rất lớn. Dưới đây là thứ tự các thí nghiệm được xem là “đẹp nhất”, xếp theo trình tự thời gian.

Thí nghiệm đo đường kính Trái đất của Erasthenes. Vào một ngày hạ chí cách đây khoảng 2300 năm, tại thành phố Awan của Ai Cập, Erasthenes đã xác định được thời điểm ánh sáng Mặt trời chiếu thẳng đứng xuống bề mặt đất. Điều đó có nghĩa là bóng của một chiếc cọc thẳng đứng trùng khớp với thân cọc.

Cùng thời điểm đó vào năm sau, ông đo bóng của một chiếc cọc đặt ở Alexandria, Hy Lạp, và phát hiện ánh sáng Mặt trời nghiêng 7 độ so với phương thẳng đứng. Giả định Trái đất là hình cầu, chu vi của nó tương ứng với một góc 360 độ. Nếu hai thành phố Awan và Alexandria cách nhau một góc 7 độ, thì góc đó phải tương ứng với khoảng cách giữa hai thành phố ấy, với giả định cả hai thành phố cùng nằm trên đường xích đạo. Dựa vào mối liên hệ này, Erasthenes đã tính ra chu vi Trái đất là 250.000 stadia. Đến nay, người ta vẫn chưa biết chính xác 1 stadia theo chuẩn Hy Lạp là bao nhiêu mét, có thể là chiều dài của một sân vận động, nên chưa thể kết luận độ chính xác trong thí nghiệm của Erasthenes. Tuy nhiên, phương pháp của ông hoàn toàn hợp lý về mặt logic. Nó cho thấy Erasthenes không chỉ biết Trái đất hình cầu mà còn hiểu về chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời.

Thí nghiệm về vật rơi tự do của Galilei. Cuối thế kỷ XVI, người ta đều tin rằng vật thể nặng rơi nhanh hơn vật thể nhẹ. Lý do là Aristotle đã nói như vậy, và quan điểm đó được Nhà thờ công nhận.

Tuy nhiên, Galileo Galilei, một thầy giáo dạy toán ở Đại học Pisa, Italy, lại tin vào điều khác hẳn. Thí nghiệm về vật rơi tự do của ông đã trở thành câu chuyện kinh điển trong khoa học: ông leo lên tháp nghiêng Pisa để thả các vật có khối lượng khác nhau xuống đất, rồi rút ra kết luận rằng chúng rơi với tốc độ như nhau, tất nhiên phải bỏ qua sức cản của không khí. Vì kết luận này, ông bị đuổi việc. Ông trở thành tấm gương sáng cho các nhà nghiên cứu sau này, vì đã chỉ ra rằng người ta chỉ có thể rút ra kiến thức khoa học từ các quy luật khách quan của thiên nhiên, chứ không phải từ niềm tin.

Thí nghiệm về các viên bi lăn trên mặt dốc của Galilei. Một lần nữa, Galileo Galilei lại có một thí nghiệm được lọt vào “Top 10 thí nghiệm đẹp nhất”. Để kiểm chứng một đại lượng gọi là gia tốc, Galilei đã thiết kế một tấm ván dài 5,5 mét, rộng 0,22 mét. Sau đó, ông cho xẻ một rãnh ở giữa tấm ván.

Galilei dựng tấm ván dốc xuống rồi thả các viên bi đồng theo rãnh. Sau đó, ông dùng một chiếc đồng hồ nước để đo thời gian viên bi di chuyển trên một quãng đường nhất định. Galilei đo đường đi của viên bi và cân số nước do đồng hồ nhỏ ra để suy ra tỷ lệ giữa đường đi và thời gian di chuyển của vật thể. Ông khám phá ra rằng càng xuống chân dốc, viên bi chạy càng nhanh: quãng đường đi tỷ lệ thuận với bình phương của thời gian di chuyển. Lý do là viên bi luôn chịu tác dụng của một gia tốc do lực hút của Trái đất gây ra. Đó chính là gia tốc tự do, g = 9,8 m/s2.

Newton đã chứng minh rằng ánh sáng trắng bị phân tán thành nhiều màu khi đi qua lăng kính.

Trước Newton, người ta vẫn cho rằng ánh sáng là một thể tinh khiết, không thể phân tách, lại là một quan điểm từ Aristotle. Tuy nhiên, Newton đã chỉ ra sai lầm này khi dùng lăng kính tách ánh sáng Mặt trời thành các màu khác nhau rồi chiếu lên tường.

Thí nghiệm của Newton cho thấy ánh sáng trắng không hề “nguyên chất” mà là tổng hợp của một dải quang phổ gồm 7 màu cơ bản: đỏ, da cam, vàng, xanh lá cây, xanh nước biển, chàm, tím.

Thí nghiệm về “sợi dây xoắn” của Cavendish. Chúng ta đều biết Newton là người tìm ra lực hấp dẫn. Ông đã chỉ ra rằng hai vật luôn hút nhau bằng một lực tỷ lệ thuận với khối lượng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Tuy nhiên, làm sao để chỉ cho người khác thấy lực hấp dẫn bằng thí nghiệm, bởi vì nó quá yếu?

Cuối thế kỷ XVIII, nhà khoa học người Anh Henry Canvadish đã thực hiện một thí nghiệm tinh xảo như sau: ông gắn hai viên bi kim loại vào hai đầu của một thanh gỗ, rồi dùng một sợi dây mảnh treo cả hệ thống lên sao cho thanh gỗ nằm ngang. Sau đó, Cavendish dùng hai quả cầu chì, mỗi quả nặng 170 kg, tịnh tiến lại gần hai viên bi ở hai đầu gậy. Theo giả thuyết, lực hấp dẫn do hai quả cầu chì tác dụng vào hai viên bi sẽ làm cây gậy quay một góc nhỏ, và sợi dây sẽ bị xoắn một vài đoạn.

Kết quả, thí nghiệm của Canvadish được xây dựng tinh vi đến mức phản ánh gần như chính xác giá trị của lực hấp dẫn. Ông cũng tính ra một hằng số hấp dẫn gần đúng với hằng số chúng ta biết hiện nay. Thậm chí, Canvadish còn sử dụng nguyên lý thí nghiệm này để tính ra khối lượng Trái đất là 60 x 1020 kg.

Thí nghiệm về sự giao thoa ánh sáng của Young. Nhiều năm liền, Newton đã dẫn các nhà khoa học vào một con đường sai lầm khi ông cho rằng ánh sáng được cấu thành từ hạt chứ không phải sóng. Tuy nhiên, năm 1803, nhà vật lý người Anh Thomas Young đã phản bác quan điểm của Newton bằng thí nghiệm sau:

Young khoét một lỗ ở cửa kính, rồi che lại bằng một miếng giấy dày có châm một lỗ nhỏ như đầu kim. Sau đó, Young dùng một tấm gương để làm chệch hướng đi của tia sáng mảnh rọi qua lỗ nhỏ của miếng giấy. Tiếp theo, ông dùng một mảnh bìa cực mảnh, cỡ 0,1 milimet, đặt vào giữa tia sáng để tách nó ra làm hai. Khi hai tia sáng này chiếu lên tường, Young nhận thấy có các điểm sáng và điểm tối đan xen với nhau. Đây rõ ràng là hiện tượng giao thoa của ánh sáng: điểm sáng là nơi hai đỉnh sóng giao nhau, còn điểm tối là nơi một đỉnh sóng giao thoa với một hõm sóng để triệt tiêu nhau. Như vậy, ánh sáng phải có tính sóng.