Vật lý là một trong những ngành khoa học cơ bản nhất, thực sự là một trong những nỗ lực quan trọng nhất của loài người. Chúng ta quan sát toàn bộ thế giới, và thấy nó đầy rẫy những điều mờ ám. Chúng là gì và làm sao để xử lý?

Có những vấn đề được đặt ra ngay từ khi loài người bắt đầu hỏi những câu hỏi. Thời Hy Lạp cổ đại, vật lý được cho là những nghiên cứu tổng quan về sự biến đổi và chuyển động, bao gồm cả vật chất sống và không sống.

Aristotle đã đưa ra vốn từ vựng về xu hướng, nguyên nhân và kết quả. Cách thức một thực thể di chuyển và thay đổi có thể được giải thích bằng cách xem xét những đặc tính bên trong và các ngoại lực tác động lên nó. Chẳng hạn, các vật điển hình về bản chất là đứng yên; để chúng chuyển động thì nhất thiết phải có tác động nào đó gây ra chuyển động.

Nguồn ảnh: BBC.

Tất cả những điều này đã thay đổi nhờ một người thông thái tên là Isaac Newton. Tác phẩm Principia Mathematica được ông công bố năm 1687 là công trình quan trọng bậc nhất trong toàn bộ chiều dài lịch sử vật lý. Chính ở đó, ông đã đặt nền móng cho những thứ mà bây giờ chúng ta gọi là cơ học “cổ điển” hay đơn giản là cơ học “Newton”.

Newton đã thổi bay những bàn tán mơ hồ về bản chất và kết quả, khám phá những điều ẩn sâu bên dưới: thể hiện qua hình thức toán học chặt chẽ và rõ ràng, mà biết bao thế hệ học trò vẫn khổ sở vì nó cho tới tận ngày nay.

Bất luận bạn có nhớ gì về các bài tập ở cấp ba hay đại học về con lắc và mặt phẳng nghiêng hay không thì những khái niệm của cơ học cổ điển cũng khá đơn giản. Hãy xem xét một vật thể, như hòn đá. Loại bỏ mọi thứ liên quan đến hòn đá mà nhà địa chất quan tâm, như màu sắc và thành phần cấu tạo. Bỏ qua khả năng cấu trúc hòn đá có thể thay đổi, chẳng hạn như nếu bạn dùng búa đập vỡ nó. Hạ hình ảnh tinh thần của bạn về hòn đá đến dạng đơn giản nhất: nó là một vật thể, có vị trí trong không gian, và vị trí đó thay đổi theo thời gian.

Cơ học cổ điển cho chúng ta biết chính xác vị trí của hòn đá thay đổi theo thời gian như thế nào. Cho tới nay, chúng ta đã rất quen thuộc với điều đó, vì thế thật đáng để suy ngẫm về mức độ ấn tượng của chúng. Newton không đưa ra những quan điểm mơ hồ về khuynh hướng của hòn đá khi nó chuyển động nhanh hơn hay chậm đi theo cách này hay cách khác.

Ông ấy cho chúng ta những quy tắc chính xác và không thể bị phá vỡ về cách thức mà mọi vật trong vũ trụ di chuyển trong mối tương quan với những vật còn lại – những quy tắc này có thể được sử dụng để bắt bóng chày hoặc hạ cánh các thiết bị thám hiểm trên bề mặt Hỏa tinh.

Đây là cách cơ học cổ điển hoạt động. Ở thời điểm bất kỳ, viên đá có vị trí và vận tốc, tốc độ mà nó chuyển động. Theo Newton, nếu không có lực nào tác động lên hòn đá, nó sẽ tiếp tục di chuyển theo quỹ đạo thẳng với vận tốc không đổi, mãi mãi. (Đây là sự khác biệt lớn so với quan điểm trước đó của Aristotle, người cho bạn biết rằng cần phải tác động một lực đẩy không đổi nếu muốn vật thể luôn chuyển động.)

Nếu một lực tác động lên hòn đá, nó sẽ được gia tốc - sự thay đổi trong vận tốc của hòn đá, khiến nó chuyển động nhanh hơn, hoặc chậm hơn, hoặc đơn thuần là thay đổi hướng chuyển động - tỷ lệ thuận với độ lớn của lực tác động.