Hành trình dài đưa đến Hệ phương trình Maxwell - Phần 4

• James C. Rautio (ieee.org)

Nét đẹp toán học là một chuyện. Còn việc tìm kiếm bằng chứng thực nghiệm cho lí thuyết Maxwell lại là chuyện khác. Khi Maxwell qua đời vào năm 1879, ở tuổi 48, lí thuyết của ông vẫn bị xem là chưa hoàn chỉnh. Chưa có bằng chứng kinh nghiệm nào cho thấy ánh sáng gồm các sóng điện từ, ngoài thực tế là tốc độ của ánh sáng nhìn thấy và tốc độ của bức xạ điện từ dường như khớp với nhau. Ngoài ra, Maxwell chưa xử lí cụ thể nhiều đại lượng mà bức xạ điện từ phải có nếu nó tạo nên ánh sáng, đó là các hành trạng như phản xạ và khúc xạ.

Các nhà vật lí George Francis FitzGerald và Oliver Lodge đã góp công củng cố mối liên hệ đó với ánh sáng. Là những người tán thành Chuyên luận 1873 của Maxwell, hai ông này đã gặp nhau vào năm trước khi Maxwell qua đời, tại một cuộc họp của Hội Liên hiệp Anh vì Tiến bộ Khoa học diễn ra ở Dublin, và họ bắt đầu hợp tác với nhau, chủ yếu qua trao đổi thư từ. Thư đi tin lại giữa họ và với Heaviside đã giúp cải tiến cách nhận thức lí thuyết của lí thuyết Maxwell.

Như nhà sử học Hunt miêu tả trong quyển sách của ông, The Maxwellians, Lodge và FitzGerald còn hi vọng tìm thấy bằng chứng thực nghiệm ủng hộ quan niệm rằng ánh sáng là sóng điện từ. Nhưng ở đây họ không thành công cho lắm. Vào cuối thập niên 1870, Lodge đã phát triển một số mạch điện mà ông hi vọng sẽ có khả năng biến đổi điện năng thấp tần thành ánh sáng cao tần hơn, nhưng nỗ lực ấy thất bại khi Lodge và FitzGerald nhận thấy bố trí của họ sẽ tạo ra bức xạ có tần số quá thấp để mắt có thể nhìn thấy.

Gần một thập niên sau đó, Lodge đang làm các thí nghiệm về chống sét thì ông để ý thấy các tụ phóng điện theo dây dẫn tạo ra cung sáng hồ quang. Lấy làm hiếu kì, ông cho thay đổi chiều dài dây và nhận thấy ông có thể hiện thực hóa việc đánh tia lửa điện. Ông kết luận đúng đắn rằng đây là tác dụng của một sóng điện từ đang cộng hưởng. Ông tìm thấy rằng, với công suất đủ lớn, ông thật sự có thể nhìn thấy không khí trở nên bị ion hóa xung quanh dây dẫn, một minh họa ấn tượng của một sóng dừng.

Cảm thấy hài lòng rằng mình đã tạo ra và phát hiện được sóng điện từ, Lodge dự tính báo cáo các kết quả bất ngờ của ông tại một cuộc họp của Hội Liên hiệp Anh, ngay sau khi ông đi nghỉ ở Alps trở về. Nhưng trong khi đọc báo trên xe lửa rời Liverpool, ông mới biết ông đã chậm chân. Trong số ra tháng 7 năm 1888 của tờ Annalen der Physik, ông tìm thấy một bài báo tiêu đề “Über elektrodynamische Wellen im Luftraum und deren Reflexion” (“Về các sóng điện từ trong không khí và sự phản xạ của chúng”), tên tác giả là một nhà nghiên cứu người Đức ít được biết tới, Heinrich Hertz.

Công trình thực nghiệm của Hertz về đề tài sóng điện từ đã bắt đầu tại Technische Hochschule (nay là Viện công nghệ Karlsruhe) ở Karlsruhe, Đức, năm 1886. Ông để ý thấy có cái đáng tò mò xảy ra khi ông cho tụ điện phóng điện qua một vòng dây dẫn. Một vòng dây giống hệt đặt gần đó phát sinh cung sáng hồ quang vắt giữa hai đầu chưa nối lại của nó. Hertz ghi nhận tia lửa điện ở vòng dây chưa nối lại được gây ra bởi sự thu sóng điện từ do vòng thứ nhất phát ra với tụ phóng điện.

Thấy hứng thú, Hertz đã sử dụng tia lửa điện trong các vòng dây như thế để phát hiện các sóng vô tuyến không nhìn thấy. Ông tiếp tục tiến hành thí nghiệm để xác nhận rằng sóng điện từ biểu hiện hành trạng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và, và phân cực giống ánh sáng. Ông tiến hành rất nhiều thí nghiệm trong không gian tự do lẫn với dây dẫn. Ông đã đúc một lăng kính dài một-mét làm bằng nhựa đường trong suốt với sóng vô tuyến và sử dụng nó để quan sát các tình huống phản xạ và khoảng cách quy mô tương đối lớn. Ông hướng sóng vô tuyến về phía một mạng lưới gồm các dây dẫn song song và chứng minh rằng chúng sẽ phản xạ hoặc truyền xuyên qua mạng lưới tùy thuộc vào định hướng của lưới. Thí nghiệm này chứng minh rằng sóng điện từ là sóng ngang: Chúng dao động, giống như ánh sáng, theo phương vuông góc với phương truyền của chúng. Hertz còn cho phản xạ sóng vô tuyến khỏi một tấm kẽm lớn, đo khoảng cách giữa các nút sóng ở sóng dừng thu được để xác định bước sóng của chúng.

Với số liệu này – cùng với tần số của bức xạ, cái ông tính được bằng cách đo điện dung và độ tự cảm của anten phát sóng kiểu mạch điện của ông – Hertz có thể tính được tốc độ của các sóng vô hình của ông, nó khá gần với giá trị đã biết cho ánh sáng khả kiến.

Heinrich Hertz sử dụng cuộn dây [bên trái] và anten [bên phải] để tạo ra và phát hiện bức xạ điện từ ngoài vùng khả kiến. Ảnh: Viện Công nghệ Karlsruhe

Maxwell từng nêu giả thuyết rằng ánh sáng là sóng điện từ. Hertz chứng minh rằng có khả năng toàn bộ vũ trụ của các sóng điện từ không nhìn thấy hành xử giống hệt như ánh sáng khả kiến và lan truyền trong không gian ở tốc độ bằng nhau. Nói chung, phát hiện này là đủ cho nhiều người chấp nhận rằng bản thân ánh sáng là sóng điện từ.

Nỗi thất vọng của Lodge vì chậm chân được bù lại bởi nét đẹp và sự hoàn chỉnh của công trình của Hertz. Lodge và FitzGerald xúc tiến phổ biến các kết quả của Hertz, trình bày chúng trước Hội Liên hiệp Anh. Hầu như ngay tức thì, công trình của Hertz đã đưa đến sự phát triển của điện báo không dây. Những hiện thân sớm nhất của công nghệ này sử dụng các bộ phát giống hệt như dụng cụ khe tia lửa điện dải rộng mà Hertz đã dùng.

Cuối cùng, các nhà khoa học chấp nhận rằng sóng điện từ có thể lan truyền trong chân không. Và khái niệm trường, thoạt đầu gây khó chịu vì không có bất kì bộ phận cơ giới nào để cho nó hoạt động, trở thành trung tâm của nhiều lĩnh vực vật lí học hiện đại.

Nhiều thành tựu xuất hiện dồn dập sau đó. Ngay trước khi kết thúc thế kỉ 19, nhờ những nỗ lực không mệt mỏi của một số nhà khoa học tận tụy, di sản của Maxwell đã được gìn giữ và phát huy.

1873

Maxwell cho xuất bản tác phẩm đình đám của ông, Chuyên luận về Điện và Từ.

1879

Niềm đam mê của Heinrich Hertz với công trình của Maxwell được khêu gợi bởi một cuộc thi của Viện Hàn lâm Khoa học Phổ nhằm tìm kiếm bằng chứng thự nghiệm ủng hộ hoặc phủ nhận các sóng điện từ.

1879

Maxwell qua đời vì bệnh ung thư dạ dày ở tuổi 48.

1885

Oliver Heaviside công bố một phiên bản thu gọn của các phương trình Maxwell, giảm số phương trình từ 20 xuống còn 4.

1888

Vài năm sau khi chuyển tới một phòng thí nghiệm được trang bị tốt ở Karslruhe, Hertz báo cáo xác nhận sự tồn tại của các sóng điện từ mà Maxwell đã dự đoán.

1940

Albert Einstein đưa ra thuật ngữ “hệ phương trình Maxwell” trong chuyên khảo của ông, “Các suy xét về các cơ sở của vật lí lí thuyết.”

Tác giả James C. Rautio là người sáng lập hãng Sonnet Software.
Trần Nghiêm dịch

>> Xem Phần 1, Phần 2, Phần 3