James Clerk Maxwell: Người hợp nhất điện và từ trường

Rất nhiều người hâm mộ nhà bác học Albert Einstein bởi vì ông là người đặt nền móng cho ít nhất bốn lĩnh vực vật lý mới, sáng tạo ra một lý thuyết hoàn chỉnh về lực hấp dẫn từ trí tưởng tượng của mình và cho chúng ta biết bản chất thực sự của thời gian và không gian. Nhưng Einstein hâm mộ ai?

Câu trả lời đó là James Clerk Maxwell – nhà khoa học đã giải thích nguyên lý hoạt động của sóng điện từ trong đài phát thanh, các thỏi nam châm, sức nóng của một ngày hè ấm áp và việc sạc pin.

Hầu hết mọi người đều không nhớ hoặc chưa từng nghe nói đến Maxwell, nhà khoa học và học giả người Scotland sống ở thế kỷ 19. Tuy nhiên, có lẽ ông là nhà khoa học vĩ đại nhất trong thời đại của mình khi đã cách mạng hóa vật lý theo cách mà không ai ngờ tới. Trên thực tế, các đồng nghiệp của ông đã phải mất nhiều năm để nhận ra lý thuyết vật lý về trường điện từ do ông xây dựng tuyệt vời và đúng đắn như thế nào.

Vào thời điểm đó, một trong những mối quan tâm lớn của giới khoa học đó là các tính chất kỳ lạ và khó hiểu của điện và từ trường. Mặc dù con người biết đến những hiện tượng tự nhiên liên quan đến điện và từ trong nhiều thiên niên niên kỷ, nhưng khi các nhà khoa học càng nghiên cứu sâu về chúng, họ càng phát hiện thêm nhiều điều kỳ lạ hơn.

Người cổ đại biết rằng một số loài động vật – chẳng hạn như lươn điện – có thể khiến cơ thể họ bị điện giật nếu chạm vào chúng, hoặc tia sét là nguyên nhân gây ra những đám cháy rừng vào mùa khô. Ngoài ra, một số chất như hổ phách có thể hút các vật nhỏ nếu được cọ xát liên tục, tạo ra tĩnh điện. Họ cũng tìm thấy những tảng đá dường như có phép thuật, gọi là đá nam châm, có khả năng hút các mảnh kim loại. Họ đã thành thạo việc sử dụng la bàn, mặc dù không hiểu nó hoạt động như thế nào.

Vào thời điểm Maxwell bắt đầu tìm hiểu về bản chất của điện và từ trường, các nhà khoa học khác đã tiến hành một loạt thí nghiệm liên quan đến vấn đề này. Benjamin Franklin phát hiện điện từ tia sét có thể được lưu trữ. Trong khi đó, các nhà khoa học Pháp nhận thấy dòng điện truyền qua một sợi dây dẫn có thể hút hoặc đẩy một sợi dây dẫn khác, tùy thuộc vào hướng của dòng điện. Ngoài ra, các quả cầu nhiễm điện hút hoặc đẩy nhau với cường độ tỷ lệ với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Điều khó hiểu nhất là dường như tồn tại một mối liên hệ giữa điện và từ. Ví dụ, dây dẫn điện làm lệch hướng chuyển động của kim la bàn. Khi dòng điện bắt đầu chạy trong một dây dẫn, nó sẽ kích hoạt dòng diện chạy trong một dây dẫn khác, ngay cả khi các dây không kết nối với nhau. Hoặc nam châm chuyển động có thể tạo ra dòng điện trong một cuộn dây dẫn đặt gần nó.

Tất cả những hiện tượng này thật kỳ lạ và hấp dẫn. Nhưng trước khi Maxwell xuất hiện, không ai hiểu rõ bản chất của chúng.

Chỉ trong vài năm, Maxwell đã áp dụng vật lý và toán học cơ bản để giải thích tất cả các thí nghiệm liên quan đến điện và từ.

Maxwell đã hình dung các lực điện và từ được mang và truyền đi bởi điện trường và từ trường. Ông cho rằng một điện tích sẽ tạo ra một điện trường bao quanh nó. Bất kỳ điện tích nào khác đặt trong điện trường này đều chịu tác động của một lực với độ lớn tùy thuộc vào cường độ điện trường mà điện tích ban đầu tạo ra.

Đối với từ trường cũng vậy, và Maxwell đã tiến thêm một bước xa hơn nữa. Ông nhận ra rằng điện trường và từ trường là hai mặt của cùng một đồng xu. Cụ thể, điện và từ không phải là hai phạm trù riêng biệt mà chỉ đơn thuần là hai sự biểu lộ của một trường điện từ thống nhất. Chúng ta không thể nghĩ về điện mà không nghĩ đến từ tính và ngược lại.

Maxwell đã xây dựng 20 phương trình có mối liên hệ chặt chẽ với nhau để mô tả trường điện từ cũng như những tương tác của chúng đối với vật chất. Một vài năm sau, ông rút gọn chúng thành bốn phương trình điện từ, và ngày nay các nhà khoa học gọi chúng là “các phương trình Maxwell”.

Các phương trình Maxwell được gọi là “sự thống nhất vĩ đại thứ hai trong vật lý học” sau sự thống nhất đầu tiên của Isaac Newton, trong đó Newton đã kết hợp lực hút của Trái đất với lực hấp dẫn của các thiên thể trong vũ trụ theo một định luật duy nhất – Định luật vạn vật hấp dẫn.

Sự hiểu biết của Maxwell thật vĩ đại. Ai có thể đoán được rằng điện và từ không chỉ liên quan mà còn giống nhau? Các nhà vật lý luôn tìm kiếm các nguyên tắc thống nhất, duy nhất để mô tả sự đa dạng và phong phú của các hiện tượng tự nhiên, và Maxwell là một trong số rất ít các nhà khoa học làm được điều này.

Nhưng Maxwell không dừng lại ở đó. Ông nhận thấy điện trường thay đổi có thể tạo ra từ trường và ngược lại. Vì vậy, ông ngay lập tức đặt ra câu hỏi: “Điện trường và từ trường có thể luân phiên biến đổi để tự củng cố và duy trì nhau hay không?”. Trong đó, một điện trường biến thiên sẽ tạo ra một từ trường biến thiên, từ trường này lại tiếp tục tạo ra điện trường biến thiên. Chúng có thể chuyển hóa lẫn nhau trong một trường thống nhất được gọi là điện từ trường.

Maxwell kết luận quá trình chuyển hóa luân phiên giữa điện trường và từ trường sinh ra một làn sóng, gọi là sóng điện từ. Ông bắt đầu tính toán tốc độ của sóng điện từ và nhận thấy nó di chuyển với vận tốc ngang bằng với tốc độ ánh sáng.

Bằng cách đưa khái niệm trường (field) vào phân tích điện và từ, Maxwell phát hiện ánh sáng ở mọi dạng thức – từ tia hồng ngoại, sóng vô tuyến, cho đến màu sắc của cầu vồng – đều là sóng điện từ.

Với một tập hợp các phương trình, một bước nhảy vọt về trực giác và hiểu biết sâu sắc, Maxwell đã hợp nhất ba lĩnh vực vật lý lớn: điện, từ và quang học. Không có gì ngạc nhiên khi Einstein và nhiều nhà khoa học khác ngưỡng mộ tài năng của ông.

Ngoài các phương trình diễn tả mối liên hệ giữa điện và từ, Maxwell cũng có nhiều thành tựu đột phá khác. Lý thuyết động lực học về chất khí của ông đã giải thích chính xác nguồn gốc của nhiệt độ. Ông đã đưa xác suất vào công trình nghiên cứu những thứ rất nhỏ, đặt nền móng cho thuyết lượng tử. Ông là người đầu tiên chụp ảnh màu, cũng như sử dụng toán học để mô tả vành đai của sao Thổ – hơn 100 năm trước khi các tàu vũ trụ xác nhận ông hoàn toàn đúng.

Theo Space