Đơn Cực Từ (Phần 1)
Nghiên cứu hệ phương trình Mắc-xoen một cách nghiêm túc cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về điện động lực học. Việc thừa nhận sự tồn tại của đơn cực từ dựa trên sự suy đoán về sự đối xứng của điện trường và từ trường của Đi-rắc, đã làm cho hệ phương trình Mắc-xoen trở nên đẹp hơn. Nhưng đơn cực từ có thực sự tồn tại hay không vẫn là một bí ẩn.
Giới thiệu
Ai cũng biết các nam châm bao giờ cũng có hai cực, nói rộng hơn là số cực của một nam châm bao giờ cũng là một số chẵn, có những nam châm có bốn cực, sáu cực,…, nhưng không có nam châm nào có một cực, ba cực, năm cực,… Đây là vấn đề người ta đã nhận thấy từ lâu nhưng cho đến nay vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng.
Trước kia, chưa hiểu rõ nguồn gốc của các hiện tượng điện và từ, người ta coi rằng trong tự nhiên có chất lỏng điện, chất lỏng từ. Điều ấy không có gì lạ, vào thời ấy các hiện tượng chưa biết rõ hầu như được gắn với một giả thiết là có một chất lỏng tương ứng, chẳng hạn giả thiết về chất lỏng nhiệt để giải thích các hiện tượng nhiệt.
Nhưng cho đến đến cuối thế kỉ XIX, khi Tôm-xơn tìm ra electron và đến đầu thế kỉ XX, khi Ru-dơ-fo tìm ra proton thì người ta đi đến kết luận rằng trong tự nhiên không có chất lỏng điện mà có điện tích, và hơn thế nữa người ta còn khẳng định là trong tự nhiên có hai loại điện tích và được gọi là điện tích dương, điện tích âm. Các hiện tượng điện có liên hệ chặt chẽ với điện tích. Nói tóm lại thực nghiệm đã chứng minh rằng điện tích là cái có thực, tồn tại trong tự nhiên.
Joshep John Thomson (1856-1940)
Ernest Rutherford (1871-1937)
Trong quá khứ xa xưa, điện và từ là hai lĩnh vực độc lập với nhau. Nhưng sau thí nghiệm Ơ-xtét, người ta thấy rằng điện và từ là hai lĩnh vực có liên quan chặt chẽ với nhau.
Hans Christian Oersted (1777-1851)
Vì vậy người ta thường hay so sánh, đối chiếu các các hiện tượng trong hai vĩnh vực với nhau. Về điện thì có hai loai điện tích, có những vật chỉ mang điện tích dương, có những vật chỉ mang điện tích âm. Tuy nhiên, cũng có những vật mang cả hai loại điện tích tách biệt nhau, điện tích dương ở một đầu, điện tích âm ở một đầu. Ta gọi những vật đó là các lưỡng cực điện. Nếu vậy ta có thể coi những vật chỉ mang một loại điện tích là các đơn cực điện.
So sánh với lưỡng cực điện, ta có thể coi những nam châm có hai cực là những lưỡng cực từ, hai cực của nam châm chứa hai từ tích khác nhau, tương tự như hai điện tích dương và âm của lưỡng cực điện. Nhưng khác với điện tích, trong thực tế không thấy nam châm nào chỉ có một cực, nghĩa là trong thực tế ta không quan sát thấy đơn cực từ.
Do đó vấn đề được đặt ra về từ là trong tự nhiên có tồn tại những thực thể tương tự như điện tích trong điện hay không? Nói cách khác trong tự nhiên có từ tích không? Và nếu có thì tại sao chỉ quan sát thấy các lưỡng cực từ, không quan sát thấy đơn cực từ
Điện tích (a) đứng yên sinh ra điện trường, chuyển động sinh ra từ trường.
Từ tích (b) đứng yên sinh ra từ trường, chuyển động sinh ra điện trường
Mặt khác, lí thuyết và thực nghiệm đều chứng tỏ rằng các đường sức điện thì không khép kín, chúng xuất phát từ các điện tích dương và tận cùng tại các điện tích âm. Còn các đường sức từ thì khép kín; vì khép kín nên không thể nói gì về các điểm xuất phát và các điểm tận cùng của các đường sức từ. Điều đó có thể đoán nhận là trong tự nhiên không có từ tích. Vì không có từ tích nên việc các đường sức từ không có điểm xuất phát, không có điểm tận cùng là điều hiển nhiên.
Nhưng cũng có một dự đoán khác, xem ra không phải là không có lí. Đoán nhận đó là trong tự nhiên có từ tích; từ tích cũng có hai loại là từ tích dương, từ tích âm. Tuy nhiên từ tích khác điện tích ở chổ điện tích dương, điện tích âm có thể tồn tại tách biệt nhau ở các hạt và các vật khác nhau; còn từ tích thì bao giờ từ tích dương và từ tích âm cũng gắn liền với nhau, vì chúng gắn liền với nhau nên hoặc là chúng trung hoà lẫn nhau ở cùng một vật nào đó, trong trường hợp này ta coi như vật không có từ tích; hoặc là chúng tồn tại tách biệt nhau nhưng định xứ trên cùng một vật, trường hợp này ta có lưỡng cực từ (nam châm).
Giữa thế kỉ XIX Mắc-xoen xây dựng thành công lí thuyết về trường điện từ. Sự ra đời lí thuyết trường điện từ của Mắc-xoen là một thắng lợi rực rỡ của vật lí.
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Cũng nên chú ý rằng lí thuyết Mắc-xoen ra đời trước khi Tômxơn tìm ra electron khá lâu. Tuy nhiên trong lí thuyết này cũng có mặt những đại lượng mà sau này được gọi là điện tích. Nhưng trong lí thuyết không có mặt các đại lượng nào có thể đoán nhận là các từ tích. Điều đó có thể xem là một bằng chứng nghiêng về điều đoán nhận rằng trong tự nhiên không có từ tích.
Tuy nhiên không dễ gì bác bỏ đoán nhận thứ hai vừa nói trên đây chỉ bằng những suy đoán đơn giản như vậy. Vấn đề là ở chỗ, trong vật lí có rất nhiều hiện tượng sánh đôi mà người ta vẫn gọi là đối xứng. Nhưng ở đây lại có hiện tượng bất thường. Điện trường do các điện tích gây ra nhưng từ trường lại không có từ tích gây ra. Vậy là trong lĩnh vực điện từ hình như có sự thiếu vắng tính đối xứng. Ta sẽ xem xét kĩ vấn đề nêu trên trong bài viết sau
Nghiên cứu hệ phương trình Mắc-xoen một cách nghiêm túc cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về điện động lực học. Việc thừa nhận sự tồn tại của đơn cực từ dựa trên sự suy đoán về sự đối xứng của điện trường và từ trường của Đi-rắc, đã làm cho hệ phương trình Mắc-xoen trở nên đẹp hơn. Nhưng đơn cực từ có thực sự tồn tại hay không vẫn là một bí ẩn.
Giới thiệu
Ai cũng biết các nam châm bao giờ cũng có hai cực, nói rộng hơn là số cực của một nam châm bao giờ cũng là một số chẵn, có những nam châm có bốn cực, sáu cực,…, nhưng không có nam châm nào có một cực, ba cực, năm cực,… Đây là vấn đề người ta đã nhận thấy từ lâu nhưng cho đến nay vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng.
Trước kia, chưa hiểu rõ nguồn gốc của các hiện tượng điện và từ, người ta coi rằng trong tự nhiên có chất lỏng điện, chất lỏng từ. Điều ấy không có gì lạ, vào thời ấy các hiện tượng chưa biết rõ hầu như được gắn với một giả thiết là có một chất lỏng tương ứng, chẳng hạn giả thiết về chất lỏng nhiệt để giải thích các hiện tượng nhiệt.
Nhưng cho đến đến cuối thế kỉ XIX, khi Tôm-xơn tìm ra electron và đến đầu thế kỉ XX, khi Ru-dơ-fo tìm ra proton thì người ta đi đến kết luận rằng trong tự nhiên không có chất lỏng điện mà có điện tích, và hơn thế nữa người ta còn khẳng định là trong tự nhiên có hai loại điện tích và được gọi là điện tích dương, điện tích âm. Các hiện tượng điện có liên hệ chặt chẽ với điện tích. Nói tóm lại thực nghiệm đã chứng minh rằng điện tích là cái có thực, tồn tại trong tự nhiên.
Joshep John Thomson (1856-1940)
Ernest Rutherford (1871-1937)
Trong quá khứ xa xưa, điện và từ là hai lĩnh vực độc lập với nhau. Nhưng sau thí nghiệm Ơ-xtét, người ta thấy rằng điện và từ là hai lĩnh vực có liên quan chặt chẽ với nhau.
Hans Christian Oersted (1777-1851)
Vì vậy người ta thường hay so sánh, đối chiếu các các hiện tượng trong hai vĩnh vực với nhau. Về điện thì có hai loai điện tích, có những vật chỉ mang điện tích dương, có những vật chỉ mang điện tích âm. Tuy nhiên, cũng có những vật mang cả hai loại điện tích tách biệt nhau, điện tích dương ở một đầu, điện tích âm ở một đầu. Ta gọi những vật đó là các lưỡng cực điện. Nếu vậy ta có thể coi những vật chỉ mang một loại điện tích là các đơn cực điện.
So sánh với lưỡng cực điện, ta có thể coi những nam châm có hai cực là những lưỡng cực từ, hai cực của nam châm chứa hai từ tích khác nhau, tương tự như hai điện tích dương và âm của lưỡng cực điện. Nhưng khác với điện tích, trong thực tế không thấy nam châm nào chỉ có một cực, nghĩa là trong thực tế ta không quan sát thấy đơn cực từ.
Do đó vấn đề được đặt ra về từ là trong tự nhiên có tồn tại những thực thể tương tự như điện tích trong điện hay không? Nói cách khác trong tự nhiên có từ tích không? Và nếu có thì tại sao chỉ quan sát thấy các lưỡng cực từ, không quan sát thấy đơn cực từ
Điện tích (a) đứng yên sinh ra điện trường, chuyển động sinh ra từ trường.
Từ tích (b) đứng yên sinh ra từ trường, chuyển động sinh ra điện trường
Mặt khác, lí thuyết và thực nghiệm đều chứng tỏ rằng các đường sức điện thì không khép kín, chúng xuất phát từ các điện tích dương và tận cùng tại các điện tích âm. Còn các đường sức từ thì khép kín; vì khép kín nên không thể nói gì về các điểm xuất phát và các điểm tận cùng của các đường sức từ. Điều đó có thể đoán nhận là trong tự nhiên không có từ tích. Vì không có từ tích nên việc các đường sức từ không có điểm xuất phát, không có điểm tận cùng là điều hiển nhiên.
Nhưng cũng có một dự đoán khác, xem ra không phải là không có lí. Đoán nhận đó là trong tự nhiên có từ tích; từ tích cũng có hai loại là từ tích dương, từ tích âm. Tuy nhiên từ tích khác điện tích ở chổ điện tích dương, điện tích âm có thể tồn tại tách biệt nhau ở các hạt và các vật khác nhau; còn từ tích thì bao giờ từ tích dương và từ tích âm cũng gắn liền với nhau, vì chúng gắn liền với nhau nên hoặc là chúng trung hoà lẫn nhau ở cùng một vật nào đó, trong trường hợp này ta coi như vật không có từ tích; hoặc là chúng tồn tại tách biệt nhau nhưng định xứ trên cùng một vật, trường hợp này ta có lưỡng cực từ (nam châm).
Giữa thế kỉ XIX Mắc-xoen xây dựng thành công lí thuyết về trường điện từ. Sự ra đời lí thuyết trường điện từ của Mắc-xoen là một thắng lợi rực rỡ của vật lí.
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Cũng nên chú ý rằng lí thuyết Mắc-xoen ra đời trước khi Tômxơn tìm ra electron khá lâu. Tuy nhiên trong lí thuyết này cũng có mặt những đại lượng mà sau này được gọi là điện tích. Nhưng trong lí thuyết không có mặt các đại lượng nào có thể đoán nhận là các từ tích. Điều đó có thể xem là một bằng chứng nghiêng về điều đoán nhận rằng trong tự nhiên không có từ tích.
Tuy nhiên không dễ gì bác bỏ đoán nhận thứ hai vừa nói trên đây chỉ bằng những suy đoán đơn giản như vậy. Vấn đề là ở chỗ, trong vật lí có rất nhiều hiện tượng sánh đôi mà người ta vẫn gọi là đối xứng. Nhưng ở đây lại có hiện tượng bất thường. Điện trường do các điện tích gây ra nhưng từ trường lại không có từ tích gây ra. Vậy là trong lĩnh vực điện từ hình như có sự thiếu vắng tính đối xứng. Ta sẽ xem xét kĩ vấn đề nêu trên trong bài viết sau
