Faraday Và Lý Thuyết Điện Từ Của Ánh Sáng

Chắc hẳn chúng ta đều biết Michael Faraday (22 tháng 9 năm 1791 – 25 tháng 8 năm 1867) vì khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ, những đóng góp của ông cho kỹ thuật điện và

Chắc hẳn chúng ta đều biết Michael Faraday (22 tháng 9 năm 1791 – 25 tháng 8 năm 1867) vì khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ, những đóng góp của ông cho kỹ thuật điện và điện hóa, cũng như đưa ra khái niệm ‘từ trường’ để mô tả các tương tác điện từ. Tuy nhiên, có lẽ ít người biết rằng Faraday đã có những đóng góp cơ bản cho lý thuyết điện từ của ánh sáng.

Vào năm 1845, Faraday đã phát hiện ra rằng từ trường ảnh hưởng đến chùm ánh sáng phân cực, một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Faraday hay hiệu ứng quang từ.

Cụ thể, ông phát hiện ra, mặt phẳng dao động của ánh sáng phân cực tuyến tính tới trên một mảnh thủy tinh quay khi một từ trường được đặt theo hướng lan truyền.

Đây là một trong những dấu hiệu đầu tiên về mối tương quan giữa điện từ và ánh sáng. Năm sau, vào tháng 5 năm 1846, Faraday xuất bản bài báo Thoughts on Ray Vibrations (Những cân nhắc về sự rung động của tia sáng), một ấn phẩm tiên tri trong đó ông suy đoán, ánh sáng đó là một loại dao động của các đường ‘sức điện’ và ‘từ’.

Michael-Faraday Michael Faraday (1791-1867). Ảnh: Wikipedia

Faraday thực sự là một ngoại lệ trong lịch sử vật lý: Quá trình đào tạo của ông rất sơ đẳng. Tuy nhiên, các định luật về điện và từ có được nhờ những khám phá thực nghiệm của Faraday nhiều hơn của bất kỳ ai khác.

Ông đã khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ, dẫn đến việc phát minh ra máy phát điện, tiền thân của máy phát điện ngày nay. Ông giải thích hiện tượng điện phân dưới dạng lực điện và giới thiệu các khái niệm như trường và ‘đường sức’, những khái niệm cơ bản để hiểu về tương tác điện và từ trường, những khái niệm cơ bản làm nền tảng cho sự phát triển vật lý.

Michael Faraday sinh ra ở phía nam London trong một gia đình bình thường. Khi còn nhỏ, nền giáo dục chính thức duy nhất mà ông ấy nhận được là đọc, viết và số học.

Ông bỏ học năm 13 tuổi và bắt đầu làm việc trong một xưởng đóng sách. Niềm đam mê khoa học của ông ấy được khơi dậy từ đó, khi Faraday đọc về điện và các từ khoa học khác trong Encyclopædia Britannica, khi đang đóng sách, sau đó ông ấy bắt đầu thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm tạm thời.

Vào ngày 1 tháng 3 năm 1813, ông được thuê làm trợ lý phòng thí nghiệm cho nhà hóa học danh tiếng Sir Humphrey Davy tại Viện hoàng gia London, nơi ông được bầu làm thành viên vào năm 1824 và là nơi ông làm việc cho đến khi qua đời vào năm 1867, đầu tiên với tư cách là trợ lý của Davy, sau đó là cộng sự của ông, và cuối cùng, sau cái chết của Davy, với tư cách là người kế vị ông.

Faraday đã gây ấn tượng với Davy đến nỗi, khi được hỏi khám phá khoa học vĩ đại nhất của mình là gì, ông đã trả lời: “Khám phá vĩ đại nhất của tôi là Michael Faraday”.

Năm 1833, ông trở thành giáo sư hóa học Fullerian đầu tiên tại Viện hoàng gia. Faraday cũng là một nhà phổ biến khoa học vĩ đại và vào năm 1826, ông đã thiết lập các bài giảng chiều thứ sáu tại Viện hoàng gia và năm sau đó, Bài giảng giáng sinh (giới trẻ giáng sinh), hiện đang được phát sóng hàng 5 trên truyền hình.

Cả hai vẫn tồn tại và tiếp tục là một kênh liên lạc giữa các nhà khoa học và giáo dân, với mục tiêu cuối cùng là trình bày khoa học cho công chúng. Bản thân Faraday đã thực hiện nhiều cuộc nói chuyện như vậy.

Michael Faraday giảng ‘bài giáng sinh’ tại Học viện hoàng gia năm 1856. Ảnh: Wikipedia

Faraday đã khám phá ra điện từ lần đầu tiên vào năm 1821. Lặp lại thí nghiệm của Oersted với một cây kim bị từ hóa tại các điểm khác nhau xung quanh một dây dẫn mang điện, ông suy luận rằng, dây dẫn được bao quanh bởi một chuỗi vô số các đường sức tròn đồng tâm. Tập hợp các đường sức này là từ trường của dòng điện, một thuật ngữ cũng được giới thiệu bởi Faraday.

Ông bắt đầu từ công trình của Oersted và Ampère về tính chất từ ​​của dòng điện, và vào năm 1831, Faraday đã tạo ra được dòng điện từ, một hiện tượng được gọi là cảm ứng điện từ.

Faraday phát hiện ra rằng, khi một dòng điện chạy qua một cuộn dây, một dòng điện khác có thời gian rất ngắn được tạo ra trong một cuộn dây khác gần đó.

Việc phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ vào năm 1831 đã đánh dấu một cột mốc quan trọng trong sự tiến bộ không chỉ của khoa học mà còn của xã hội, và ngày nay được sử dụng với mục đích phát điện trên quy mô lớn trong các nhà máy điện.

Hiện tượng này cũng cho thấy điều gì đó mới mẻ về điện trường và từ trường. Khác với tĩnh điện trường tạo bởi các điện tích đứng yên có tuần hoàn dọc theo đường kín khác không (trường bảo toàn), điện trường do từ trường tạo ra có tuần hoàn dọc theo đường kín khác không.

Hoàn lưu nói trên ứng với suất điện động cảm ứng – bằng tốc độ biến thiên của ‘từ thông’ xuyên qua mặt giới hạn bởi đường kín nói trên (định luật Faraday). Faraday đã phát minh ra động cơ điện đầu tiên, máy biến áp đầu tiên, máy phát điện đầu tiên, vì vậy không còn nghi ngờ gì nữa, Faraday có thể được gọi là cha đẻ của kỹ thuật điện.

Ông từ bỏ lý thuyết về chất lỏng điện và từ để giải thích điện và từ, và đưa ra các khái niệm về trường và đường sức để giải thích điện và từ, tránh xa mô tả cơ học của các hiện tượng tự nhiên theo phong cách hành động thuần túy nhất của Newton thông qua khoảng cách.

Sự kết hợp này của khái niệm trường được Einstein mô tả là sự thay đổi lớn trong vật lý học, bằng cách cung cấp điện, từ tính và quang học với một khuôn khổ chung của các lý thuyết vật lý.

Tuy nhiên, phải mất vài năm thì các đường trường (đường sức) của Faraday mới được cộng đồng khoa học chấp nhận một cách dứt khoát, chỉ cho đến vài năm sau, nhà vật lý người Scotland James Clerk Maxwell đã tham gia vào lĩnh vực này.

Như đã nêu ở phần đầu, một hiện tượng khác do Faraday khám phá ra, có lẽ ít được biết đến hơn, là ảnh hưởng của từ trường lên chùm ánh sáng phân cực, một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Faraday hay hiệu ứng quang từ.

Faraday không bằng lòng với việc tiết lộ mối quan hệ giữa điện và từ, mà còn muốn biết liệu nam châm có ảnh hưởng đến các hiện tượng quang học hay không. Ông tin vào sự thống nhất của tất cả các lực tự nhiên và đặc biệt là giữa ánh sáng, điện và từ.

Ngày 13 tháng 9 năm 1845, ông phát hiện ra rằng, nếu một chùm ánh sáng phân cực tuyến tính đi qua một vật liệu nhất định mà từ trường được đặt theo hướng truyền ánh sáng, thì sẽ quan sát thấy sự xoắn trong mặt phẳng phân cực ánh sáng. Faraday đã viết trong mục nhật ký phòng thí nghiệm số 7504 của mình:

“Hôm nay tôi đã làm việc với các ‘đường sức từ’ tác dụng lên các vật thể khác nhau (trong suốt theo các hướng khác nhau) và đồng thời truyền một tia sáng phân cực qua chúng (…) một hiệu ứng được tạo ra trên tia sáng phân cực, và do đó lực từ và ánh sáng được chứng minh là có liên quan với nhau”.

Không còn nghi ngờ gì nữa, đó là dấu hiệu rõ ràng đầu tiên cho thấy lực từ và ánh sáng có liên quan với nhau, và nó cũng cho thấy ánh sáng có liên quan đến điện và từ. Liên quan đến hiện tượng này, Faraday cũng đã viết trong cùng mục 7504:

“Thực tế này có thể sẽ cực kỳ hiệu quả và có giá trị lớn trong việc điều tra cả hai loại lực lượng tự nhiên”.

Ông đã không sai, vì hiệu ứng quang từ là một trong những trụ cột cơ bản và là một trong những kiểm tra thực nghiệm của lý thuyết điện từ của ánh sáng.

Michael Faraday – Sự quay của sự phân cực ánh sáng do hiệu ứng Faraday. Ảnh: Wikipedia

Trong một buổi nói chuyện vào tối thứ 6 của Viện hoàng gia vào tháng 4 năm 1846, Faraday đã suy đoán rằng, ánh sáng có thể là một loại nhiễu loạn nào đó lan truyền dọc theo các đường trường. Sự thật là cuộc nói chuyện hôm thứ 6 đó lẽ ra phải được Charles Wheatstone đưa ra để nói về chiếc đồng hồ bấm giờ của ông.

Tuy nhiên, vào phút cuối, Wheatstone đã trở nên sợ hãi trước khi bắt đầu bài nói chuyện của mình, bị liệt và không thể đứng vững. Đối mặt với tình huống như vậy, Faraday không hề nao núng chút nào, chính ông là người đã tổ chức hội nghị Wheatstone.

Khi hoàn thành nó trước thời hạn, để hoàn thành bài phát biểu, ông ấy đã trình bày ý tưởng của mình về bản chất của ánh sáng. Phần thứ 2 này của bài nói chuyện của Faraday đã được xuất bản cùng năm đó trên Tạp chí triết học với tựa đề “Thoughts on Ray Vibrations” (Những cân nhắc về sự rung động của tia sáng).

Faraday thậm chí còn dám đặt câu hỏi về sự tồn tại của ‘ether’ phát sáng – một dị giáo khoa học vào thời điểm đó – được cho là môi trường truyền ánh sáng, như Fresnel đã mô tả rất tao nhã, trong lý thuyết sóng ánh sáng của mình.

Ông đề xuất, ánh sáng có thể không phải là kết quả của sự rung động trong ether, mà là sự rung động của các đường sức vật lý. Faraday đã cố gắng làm mà không cần ether, nhưng vẫn giữ các rung động. Bằng một giọng gần như xin lỗi, Faraday kết thúc bài viết của mình bằng những lời sau:

“Có thể là tôi đã mắc nhiều lỗi trong tất cả những gì tôi đã nói, vì những ý tưởng của tôi về vấn đề này thậm chí đối với bản thân tôi dường như chỉ là bóng tối của sự suy đoán”.

Tuy nhiên, ý tưởng này của Faraday đã vấp phải sự hoài nghi lớn và không ai chấp nhận nó, cho đến khi bài báo của Maxwell được xuất bản vào năm 1865 với tựa đề A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (Lý thuyết động lực học của trường điện từ).

Bài báo tuyệt vời này của Maxwell không chỉ chứa đựng lý thuyết điện từ của ánh sáng – một trong những cột mốc được kỷ niệm trong “năm ánh sáng quốc tế 2015” này – mà Maxwell còn ghi nhận những cân nhắc về dao động của sét từ Faraday những ý tưởng làm cơ sở cho việc xây dựng lý thuyết điện từ của ông về ánh sáng.

Ở trang 466 của bài báo năm 1865 của ông, và với sự khiêm tốn đặc trưng của Maxwell, ông đề cập đến bài báo năm 1846 của Faraday như sau:

“Khái niệm về sự lan truyền của các nhiễu loạn từ trường ngang và loại trừ các nhiễu loạn từ thông thường đã được giáo sư Faraday thiết lập rõ ràng trong ‘Những cân nhắc về dao động của sét’ của ông. Lý thuyết điện từ của ánh sáng, do ông [Faraday] đề xuất, về cơ bản giống như lý thuyết mà tôi đã bắt đầu phát triển trong công trình này, ngoại trừ việc vào năm 1846 không có dữ liệu nào để tính tốc độ lan truyền”.

Và trên trang 461 của cùng ấn phẩm năm 1865 này, Maxwell cũng viết những điều sau đây về hiệu ứng quang từ do Faraday phát hiện chỉ 20 năm trước đó:

“Faraday phát hiện, khi một tia sáng phân cực phẳng đi qua một môi trường nghịch từ trong suốt, theo hướng của các đường sức từ, sinh ra bởi nam châm hoặc dòng điện, nằm trong môi trường xung quanh nó, thì một vòng xoắn được tạo ra trong mặt phẳng phân cực của ánh sáng”.

Maxwell đã trích dẫn 6 lần và đề cập đến nó 3 lần nữa trong bài báo của ông về lý thuyết động lực học của trường điện từ. Đây không thể được coi là một điều gì đó khác thường và không có gì lạ cả.

Maxwell ngưỡng mộ Faraday và phần lớn công trình của ông về điện từ dựa trên công trình trước đó của Faraday và hơn nữa chính Maxwell là người đã lập mô hình toán học những khám phá thực nghiệm của Faraday về điện từ thành lý thuyết.

Sóng điện từ mà sự tồn tại của nó đã được Faraday suy đoán vào năm 1846 với những cân nhắc của ông về dao động của sét và được Maxwell dự đoán bằng toán học vào năm 1865, cuối cùng đã được Hertz tạo ra trong phòng thí nghiệm vào năm 1888.

Phần còn lại của câu chuyện thì ai cũng biết. Rõ ràng là Maxwell đã mở ra cánh cửa cho vật lý thế kỷ 20, nhưng cũng đúng là Faraday đã đưa cho Maxwell một số chìa khóa mà ông đã sử dụng.

“Nếu tôi có thể nhìn xa hơn, đó là vì tôi đã trèo lên vai những người khổng lồ”(*), Newton đã viết như vậy vào năm 1676. 250 năm sau, trong một lần Einstein đến thăm người bạn ở Cambridge (Anh). Người bạn nói: “Ông đã làm được những điều tuyệt vời, vì ông đã gánh trên vai Newton”. Einstein trả lời: “Điều đó không đúng, tôi đang đứng trên vai của Maxwell”.

Nhiều khả năng là nếu ai đó đưa ra tuyên bố tương tự với Maxwell, Maxwell sẽ chỉ ra rằng, anh ta đã giẫm lên vai Faraday.

Ghi chú:

(*) Mặc dù một số tác giả giải thích cụm từ này của Newton như một nhận xét châm biếm nhắm vào ngoại hình lưng gù của Hooke, nhưng ngày nay cụm từ này được sử dụng theo nghĩa tích cực của nó. Ngày nay bài bình luận của Newton là một sự thừa nhận về cách khoa học bao gồm một loạt các tiến bộ nhỏ, mỗi tiến bộ được xây dựng dựa trên những tiến bộ đã đạt được trước đó.

Augusto Belendez: Giáo sư vật lý ứng dụng tại Đại học Alicante và là thành viên của hiệp hội vật lý hoàng gia Tây Ban Nha.

Scroll to Top