10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

151. Vì sao thực phẩm được chiếu xạ có thể bảo quản lâu dài?

Phương pháp bảo quản thực phẩm kiểu cũ là đặt thực phẩm vào tủ lạnh hoặc hầm ngầm để phòng ngừa chúng bị thối hỏng. Bảo quản thực phẩm theo cách này, thời gian bảo quản nói chung không dài. Vì thời gian dài ra, các vi sinh vật ẩn náu trong thực phẩm, trong điều kiện thích hợp lại sẽ sinh sôi hoạt động, phân giải chất dinh dưỡng trong thực phẩm, tiết ra dung môi và vật chất có độc tính, có thể làm cho thực phẩm bị thối rữa biến chất.

Liệu có cách gì làm cho thực phẩm bảo quản được trong thời gian tương đối dài mà không xảy ra thối rữa biến chất không?

Hiện nay, người ta đã tìm được một phương pháp mới, có thể bảo quản thực phẩm dài ngày mà không bị biến chất. Đó là cách dùng tia chiếu xạ vào thực phẩm.

Bảo quản thực phẩm bằng tia chiếu xạ là áp dụng chất đồng vị phóng xạ coban-60 và tia γ do xesi-137 bức xạ ra, hoặc là dùng chùm electron của máy gia tốc. Năng lượng của loại tia này cao kinh khủng, năng lực xuyên thấu hết sức mạnh, có thể chiếu xạ qua lớp trong lớp ngoài của thực phẩm. Khi chiếu xạ, tia γ sẽ bị nguyên tử, phân tử của vi sinh vật hấp thu, sinh ra một lượng lớn các electron chuyển động. Những electron này lại có thể thúc đẩy nguyên tử, phân tử trong vi sinh vật ion hoá, qua đó mà giết sạch chúng. Cho nên, thực phẩm một khi trải qua chiếu xạ, tác dụng diệt khuẩn hết sức triệt để, có thể bảo quản lâu dài, sẽ không xảy ra thối rữa, biến chất.

Dùng tia chiếu xạ còn có một ưu điểm mà những phương pháp khác không sao sánh nổi: khi chiếu xạ, tuy sức xuyên thấu của tia vô cùng mạnh, nhưng sự biến đổi nhiệt độ của bản thân thực phẩm lại rất nhỏ bé. Điều đó làm cho chất dinh dưỡng và mùi vị vốn có của thực phẩm đều có thể giữ được, cho nên rất được ưa chuộng.

Từ khoá: Bảo quản thực phẩm; Chất đồng vị phóng xạ; Tia γ.

152. Vì sao máy kiểm tra an toàn có thể phát hiện hàng cấm cất giấu trong hành lí?

Nơi làm thủ tục nhập cảnh của bến xe, bến cảng và sân bay đều được trang bị các máy kiểm tra an toàn. Tại nơi đó, hành khách phải để hành lí đi qua máy kiểm tra an toàn. Một khi phát hiện trong hành lí có hàng cấm như chất dễ cháy, dễ nổ và dễ ăn mòn, máy kiểm tra an toàn liền phát tín hiệu cảnh báo, bảo đảm cho hành khách được an toàn trong chuyến đi.

Vì sao máy kiểm tra an toàn có thể phát hiện hàng phạm pháp trong hành lí nhỉ? Điều đó hoàn toàn dựa vào sự hỗ trợ của tia X. Chúng ta biết rằng, tia X là một loại sóng điện từ, bước sóng của nó còn ngắn hơn bước sóng của tia tử ngoại, nói chung không vượt quá 1 nanomet. Vì thế, tia X có tính chất khác với ánh sáng nhìn thấy. Ánh sáng nhìn thấy thông thường chỉ có thể xuyên qua các vật thể trong suốt như: nước, thuỷ tinh v.v. Còn tia X thì lại có thể xuyên thấu các vật thể không trong suốt như: giấy, gỗ, vải v.v. Vả lại, khả năng xuyên thấu của tia X đối với các loại vật thể không như nhau. Đối với vật thể do nguyên tố tương đối nhẹ cấu thành, tia X có thể đi qua dễ dàng, rất ít bị hấp thu. Nguyên tử lượng của nguyên tử cấu thành vật chất nặng dần lên, chúng hấp thu tia X nhiều dần lên. Mật độ của các loại vật phẩm trong hành lí của hành khách mỗi thứ một khác. Mức độ hấp thu của chúng đối với tia X vì thế cũng có khác biệt. Khi tia X quét qua những vật phẩm đó, do có thứ hấp thu tia X nhiều một chút, có thứ hấp thu ít một chút, trên màn huỳnh quang của máy kiểm tra an toàn liền hiện ra những hình bóng có mức độ đậm nhạt khác nhau. Căn cứ vào các hình bóng khác nhau đó, nhân viên kiểm tra an toàn có thể phân tích tiến hành đối chiếu để đưa ra phán đoán chính xác, kịp thời phát hiện hàng phạm pháp lẫn lộn trong hành lí.

Đồng thời, máy kiểm tra an toàn còn có thể chuyển tín hiệu tia X xuyên thấu với cường độ nhất định thành tín hiệu điện, một khi thấy nó tương tự với tín hiệu điện do một loại hàng cấm nào đó sinh ra, bộ phận cảnh báo liền tự động phát ra cảnh báo, nhắc nhở nhân viên kiểm tra mở va li ra xem xét.

Từ khoá: Máy kiểm tra an toàn; Tia X; Hấp thu ánh sáng; Hàng cấm.

153. Nguyên lí tốc độ ánh sáng không đổi là gì?

Vận tốc là đại lượng vật lí miêu tả tốc độ và hướng chuyển động của vật thể. Kinh nghiệm sống hằng ngày của con người cho chúng ta biết: khi phán đoán trạng thái chuyển động của cùng một vật thể, người quan sát ở những nơi khác nhau rút ra các kết luận có thể là không giống nhau. Một ví dụ rõ nhất là: một người đứng trên mặt đất, khi nhìn một chiếc ô tô lao nhanh trên quốc lộ, nếu trong ô tô ấy có một người khác hoàn toàn biệt lập với bên ngoài, người ấy không thấy được bất kì cảnh vật nào ở ngoài xe, cũng không nghe thấy bất kì tiếng nổ nào của động cơ ô tô, thế thì người trong xe chắc chắn cho là chiếc ô tô ấy đang đứng yên. Sở dĩ họ có các kết luận không giống nhau là vì mỗi người chọn hệ quy chiếu khác nhau. Người trên mặt đất lấy cây cối, nhà cửa trên mặt đất làm hệ quy chiếu, trông thấy vị trí của ô tô đang biến đổi, vì vậy lẽ đương nhiên người ấy cho là ô tô đang chạy. Còn người trong xe lấy ô tô làm hệ quy chiếu, ô tô chạy nhanh bao nhiêu, hệ quy chiếu cũng chạy nhanh bấy nhiêu, vì vậy người ấy cho là ô tô đang đứng yên. Dù vậy, có nhiều quan sát chứng tỏ, kết quả nhận được từ thực nghiệm vật lí tiến hành trên mặt đất và kết quả nhận được từ cùng một thực nghiệm tiến hành trên chiếc ô tô ấy (giả thiết rằng ô tô đang chuyển động đều trên đường thẳng) là giống nhau. Đó là cái mà trong vật lí gọi là nguyên lí tương đối Galilei, tức là định luật cơ học hữu hiệu trong một hệ quy chiếu, thế thì nó cũng hữu hiệu trong bất kì hệ quy chiếu nào đang chuyển động thẳng đều đối với hệ quy chiếu đó. Loại hệ quy chiếu mà trong đó định luật cơ học hữu hiệu gọi là hệ quán tính.

Einstein đã phân tích các thành quả vật lí học cho đến đầu thế kỉ XX và cho rằng nguyên lí tương đối Galilei chính xác phổ biến. Ông còn chỉ thêm rằng: không chỉ có định luật cơ học, mà cả điện từ học và các định luật vật lí khác đều có hình thức tương đồng trong tất cả các hệ quán tính.

Tuy nhiên, khi giải thích sự lan truyền của sóng điện từ, nguyên lí tương đối lại đối mặt với hai cục diện tiến thoái lưỡng nan: một mặt, các nghiên cứu khoa học đã chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ và tốc độ truyền của sóng điện từ trong chân không bằng với tốc độ ánh sáng C trong chân không, thế thì, căn cứ vào nguyên lí tương đối, tốc độ ánh sáng C trong chân không đối với mọi hệ quán tính - bất kể chúng đứng yên tương đối hoặc chuyển động tương đối - đều phải như nhau, không liên quan gì đến chuyển động của nguồn sóng đã phát ra sóng điện từ cả! Song mặt khác, sự chuyển động nhanh chậm của bất kì vật thể nào bao giờ cũng là nói so với một hệ quy chiếu nhất định. Vì vậy, cách nói "tốc độ ánh sáng C đối với bất cứ hệ quán tính nào đều như nhau" là không được.

Đối mặt với sự lựa chọn nghiêm ngặt này, tháng 9 năm 1905, Einstein công bố luận văn "Bàn về điện động lực học của vật thể chuyển động" trên Niên giám vật lí của Đức, đưa ra hai giả thiết cơ bản: giả thiết một là nguyên lí tương đối, giả thiết thứ hai là tốc độ ánh sáng không đổi. Tức là trong tất cả các hệ quán tính, tốc độ truyền ánh sáng trong chân không đều bằng C như nhau. Căn cứ vào kết quả đo đạc mới nhất, trị số đưa ra về tốc độ ánh sáng trong năm 1986 là C = 299792458 m/s.

Vậy thì phải giải thích như thế nào về kết luận "chuyển động nhanh chậm là tương đối so với hệ quy chiếu" có phù hợp với lẽ đời hay không? Einstein cho rằng, khi vật thể chuyển động, kết luận quan sát được trong những hệ quán tính khác nhau có thể liên hệ qua lại với nhau thông qua một loại phương thức gọi là "phép biến đổi Lorentz", cũng tức là sự chuyển động nhanh chậm "nhìn" từ một hệ quán tính, có thể thông qua "phép biến đổi Lorentz" suy tính ra sự chuyển động nhanh chậm của nó trong một hệ quán tính khác. Theo phép biến đổi này, một vật thể chuyển động, độ dài của nó trên hướng chuyển động sẽ rút ngắn. Khi tốc độ chuyển động của nó gần được 90% của tốc độ ánh sáng, kết quả tính toán cho biết, độ dài của nó chỉ còn một nửa của ban đầu; hơn nữa, nhịp điệu của chiếc đồng hồ đang chuyển động cũng sẽ chậm hơn lúc nó đứng yên. Khi nó chuyển động với tốc độ ánh sáng, nhịp điệu chuyển động liền hoàn toàn dừng lại. Chính là căn cứ vào quan niệm thời gian - không gian - thời gian như vậy, nếu một vật thể chuyển động với tốc độ ánh sáng C so với thuyền, thế thì nó chuyển động so với bờ cũng với tốc độ ánh sáng C. Loại kết luận "chuyển động nhanh chậm là so với hệ quy chiếu" ấy không còn thích hợp trong trường hợp này nữa. Do kiến thức thông thường của con người có được trong tình hình tốc độ chuyển động nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng, trong thế giới vĩ mô của chuyển động tốc độ thấp, con người không quan sát thấy kết quả mà "phép biển đổi Lorentz" mang lại, vì vậy kết luận của kiến thức thông thường là hữu hiệu, không hề mâu thuẫn gì với nguyên lí không đổi của tốc độ ánh sáng.

Từ khoá: Hệ quy chiếu; Hệ quán tính; Nguyên lí tương đối Galilei; Nguyên lí tương đối; Nguyên lí tốc độ ánh sáng không đổi; Phép biến đổi Lorenz; Quan niệm không - thời gian.

154. Vì sao tốc độ chuyển động của bất kì vật thể nào cũng không thể đạt tới và vượt quá tốc độ ánh sáng?

Theo kinh nghiệm sống hằng ngày của con người, có vẻ như chớp sáng phát ra từ một nơi nào đó có thể lập tức được người quan sát ở ngoài một khoảng cách nhất định trông thấy. Nói theo thuật ngữ của truyền thông thì, phát ra chớp sáng là phát tín hiệu đi, còn trông thấy chớp sáng là thu nhận tín hiệu. Việc phát tín hiệu và thu tín hiệu có phải là cùng một thời điểm không nhỉ? Nếu là cùng một thời điểm thì tốc độ ánh sáng phải là lớn vô hạn: nếu không cùng một thời điểm, thì tốc độ ánh sáng là có giới hạn.

300 năm trước, nhà thiên văn Đan Mạch, Olaus Roemer thông qua quan sát chu kì bị che khuất của vệ tinh của sao Mộc, rút ra kết luận tốc độ ánh sáng là có giới hạn. Trị số tốc độ ánh sáng mà ông đo được là C = 2,77 x 1010 cm/s. Năm 1849, James Brley người nước Anh, lợi dụng phương pháp bánh xe răng lại một lần nữa đo đạc thành công tốc độ ánh sáng. Về sau, qua nhiều lần cải tiến, người ta đã xác định tốc độ ánh sáng trong chân không C = 2,997925 x 1010 cm/s, tức là trong một giây, ánh sáng có thể vòng quanh Trái Đất 7,5 vòng! ánh sáng chuyển động với tốc độ cao như vậy, trong khoảng cách quan sát hàng ngày, thời gian ánh sáng đi qua thực sự là quá nhỏ bé, đến nỗi con người hay tưởng lầm rằng ánh sáng phát tín hiệu và thu tín hiệu là cùng một thời điểm.

Hiện nay trong vạn vật, vạn sự tồn tại trên thế giới, tốc độ chuyển động nhanh nhất là tốc độ ánh sáng trong chân không, không có tốc độ chuyển động của vật thể nào khác có thể đạt đến và vượt quá nó. Vì sao vậy nhỉ?

Hoá ra là, thảo luận vấn đề tốc độ ánh sáng không đơn thuần chỉ là một vấn đề tốc độ lớn nhỏ, mà là một vấn đề có liên quan đến con người phải dùng quan niệm thời gian, không gian nào để nhận thức sự tiến hoá của thiên nhiên và của cả Vũ Trụ. Chính là trên điểm này có sự khác biệt căn bản giữa vật lí học kinh điển do Newton sáng lập và thuyết tương đối do Einstein xây dựng nên.

Newton cho rằng, thời gian là tuyệt đối, từ quá khứ ngàn xưa đến tương lai vô hạn, thời gian bao giờ cũng trôi qua với phương thức như nhau. Không gian cũng là tuyệt đối, tức là đo độ dài lớn nhỏ của không gian, bao giờ cũng cố định, bất kể là đo thời gian hay không gian đều không thể bị ảnh hưởng của trạng thái chuyển động của vật thể. Ngoài ra, Newton còn cho rằng, khối lượng của vật thể cũng là đại lượng vật lí không đổi. Cho dù ở trạng thái chuyển động nào, khối lượng đều không thể thay đổi.

Chính trên quan điểm đối với ba đại lượng vật lí cơ bản: không gian, thời gian và khối lượng, Einstein rút ra các kết luận hoàn toàn khác với Newton. Ông cho rằng, ba đại lượng vật lí này không phải là tuyệt đối mà là tương đối, cũng tức là chúng có quan hệ mật thiết với trạng thái chuyển động.

Nếu có một thước thẳng với độ dài khi đứng yên là Lo, khi nó chuyển động thẳng đều dọc theo hướng của thước với tốc độ v, độ dài của nó đo được trong trạng thái chuyển động là:

trong đó c là tốc độ ánh sáng. Do tốc độ ánh sáng rất lớn, vì vậy L nhỏ hơn L0, hơn nữa tốc độ chuyển động càng lớn, sự rút ngắn của L càng rõ rệt. Qua tính toán, bạn sẽ nhận thấy: một thước thẳng dài 1 m khi đứng yên, khi tốc độ chuyển động đạt tới 0,9 c, độ dài chỉ còn 0,436 m. Thước dài 1 m mà rút ngắn tới hơn một nửa cơ đấy!

Cũng tương tự như vậy, nếu một cái đồng hồ tham gia chuyển động thẳng với tốc độ v, thế thì khoảng cách thời gian t0 lúc đứng yên, sẽ biến thành t khi chuyển động. Quan hệ giữa chúng là 

Khi đứng yên, quãng cách thời gian của cả ngày là 24 giờ, khi tốc độ chuyển động của đồng hồ đạt 0,9 c, vậy mà phải chạy tới 55 giờ! Khoảng cách thời gian kéo dài ra hơn gấp đôi!

Khối lượng cũng là tương đối. Theo lí thuyết của Einstein, một vật thể có khối lượng đứng yên m0, khi tham gia chuyển động thẳng với tốc độ v, khối lượng của nó sẽ trở thành 

Vật thể có khối lượng bằng 1 kg lúc đứng yên, khi tốc độ chuyển động đạt 0,9 c, khối lượng tăng lên thành 2,29 kg.

Độ dài rút ngắn, đồng hồ chậm lại, khối lượng tăng lên, có đúng là những thứ đó sẽ xảy ra? Trong nhiều thực nghiệm về vật lí năng lượng cao, các nhà khoa học đã hoàn toàn chứng thực loại hiệu ứng thuyết tương đối này. Do tốc độ chuyển động của vật thể trong đời sống hằng ngày của chúng ta nhỏ hơn tốc độ ánh sáng nhiều lắm, vì vậy, tuy hiệu ứng thuyết tương đối vẫn tồn tại, song biến đổi do nó gây ra quá ư là nhỏ bé, khó có thể nhận biết được.

Giả dụ khi tốc độ chuyển động v của vật thể bằng hoặc vượt quá tốc độ ánh sáng thì sẽ có những kết quả gì nhỉ? Rõ ràng là

 sẽ trở thành số 0 hoặc số ảo. Khi ấy, vật thể có độ dài bất kì lúc đứng yên, khi chuyển động sẽ rút ngắn thành số không hoặc số ảo, quãng cách thời gian Δt và khối lượng m, khi chuyển động sẽ trở thành vô cùng lớn hoặc số ảo. Cho đến nay, những kết luận như vậy chưa ai có thể chứng minh sự tồn tại hợp lí của nó. Qua đó, có thể thấy, vật thể có độ dài đứng yên, khối lượng đứng yên nhất định, và chuyển động trong quãng cách thời gian t nào đó, tốc độ của nó chỉ có thể tiếp cận tốc độ ánh sáng, mà không thể nào đạt tới và vượt quá tốc độ ánh sáng. Đó là giới hạn cao nhất của mọi tốc độ chuyển động của vật thể trong vật lí học cận đại.

Từ khoá: Tốc độ ánh sáng; Không gian; Thời gian; Khối lượng; Thuyết tương đối.

155. Vì sao nói tia sáng trên trời là cong?

Năm 1919, trên tờ Times ở Luân Đôn có đăng tải một bài báo làm cho mọi người sửng sốt. Đầu đề của nó là "Tia sáng trên trời bị cong". Mới nghe, cách nói ấy quả thực là khó hiểu. Trên thực tế, kết luận đó là hệ quả tất nhiên của không gian cong do Einstein nêu ra.

Không gian cong là gì? Hơn nữa, sức mạnh nào đã tạo nên không gian cong nhỉ?

Từ những kinh nghiệm sống hàng ngày, chúng ta biết rằng khi một vật thể nếu chịu hướng tác động của ngoại lực không giống với tốc độ chuyển động của bản thân nó thì vật thể sẽ lệch khỏi đường đi ban đầu mà chuyển động theo đường cong. Một ví dụ điển hình là chuyển động ném ngang. Sau khi một hòn đá được ném ra theo hướng nằm ngang, nó chịu tác động trọng lực thẳng đứng hướng xuống dưới, cho nên đường đi của nó biến thành đường parabon. Ai cũng biết rằng, Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời, Mặt Trăng quay xung quanh Trái Đất, quỹ đạo vận hành của chúng cũng là đường cong. Nguyên nhân của nó bởi tại giữa Mặt Trời và Trái Đất, giữa Trái Đất và Mặt Trăng đang tồn tại lực vạn vật hấp dẫn. So sánh lực vạn vật hấp dẫn với lực ma sát, lực đàn hồi mà chúng ta rất quen thuộc, có thể nhận thấy, lực vạn vật hấp dẫn giữa hai vật thể sinh ra thông qua phạm vi không gian cách nhau, còn lực ma sát, lực đàn hồi sinh ra bởi hai vật thể trực tiếp tiếp xúc nhau. Không gian xảy ra lực hút này gọi là trường hấp dẫn.

Nội dung chủ yếu của thuyết tương đối của Einstein là quan niệm cho rằng, thời gian và không gian không phải là tuyệt đối như cách Newton đã nói, mà là những đại lượng vật lí tương quan mật thiết với trạng thái chuyển động của vật thể. Căn cứ vào nguyên lí của thuyết tương đối, sở dĩ Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo cong, phải được coi là trường hấp dẫn do Mặt Trời sinh ra làm cho không gian bị cong đi gây ra. Vật thể có khối lượng càng lớn, không gian cong sinh ra càng rõ rệt. Khi một vật thể khác có khối lượng và tốc độ xác định, từ nơi rất xa chuyển động tới gần vật thể có khối lượng lớn ấy, nó từ không gian "bằng phẳng" liền đi vào không gian "cong", thế là đường đi cũng bị đổi thành cong ngay.

Dùng quan điểm ấy để phân tích hiện tượng truyền đi của ánh sáng, chúng ta thấy ánh sáng truyền theo đường thẳng, đó là vì trong hành trình truyền đi, ánh sáng không tiến vào không gian cong, hoặc cho dù tồn tại không gian "cong" do khối lượng gây nên, mức độ cong của nó quá nhỏ bé, cho nên chúng ta không quan sát thấy sự lệch nhau giữa đường truyền đi của ánh sáng với đường thẳng. Song, một khi ánh sáng tiến vào không gian "cong" do sự tồn tại của khối lượng lớn tạo thành, ánh sáng không còn truyền theo đường thẳng nữa, mà phải theo đường cong. Ý tưởng này không phải là điều tưởng tượng vô căn cứ, mà là hoàn toàn được quan sát thực nghiệm chứng minh. Ngay từ tháng 5 năm 1919, nhà thiên văn người Anh, A. S. Eddington, lợi dụng thời cơ một lần quan sát nhật thực toàn phần, đã dẫn đầu một đội thám hiểm đến Châu Phi, nghiệm chứng được hiện tượng ánh sáng bị cong do khối lượng Mặt Trời gây nên. Mặc dù sự quan sát này quá khó khăn, sai số cũng lớn, nhưng kết quả đo đạc xác định nhiều lần chứng tỏ, tia sáng quả thực bị cong đi, góc cong ở trong khoảng 1,61" - 1,95". Tháng 11 năm đó, Hội khoa học Hoàng gia và Hội Thiên văn Hoàng gia của Anh đã phá lệ tiến hành cuộc họp liên tịch quy mô lớn, công bố cho mọi người trên thế giới về một trong những thành tựu vĩ đại nhất này trong lịch sử khoa học của nhân loại.

Từ khoá: Không gian cong; Trường hấp dẫn; Sự truyền của ánh sáng.

156. Vì sao quang lượng tử không phải là hạt vật chất, cũng không phải là sóng?

Quang lượng tử (lượng tử ánh sáng) còn gọi là photon. Danh từ này được Einstein nêu ra đầu tiên trong một bản luận văn nổi tiếng, công bố năm 1905. Do những thành tựu to lớn về lí thuyết photon, Einstein được tặng giải thưởng Nobel về vật lí năm 1921.

Vậy thì, rốt cuộc quang lượng tử là gì nhỉ? Trong đời sống hàng ngày, ánh sáng là thứ quen thuộc nhất đối với con người. Nếu không có ánh sáng, con người quả là không thể nào sống được. Thế mà con người nhận thức bản chất của ánh sáng lại phải trải qua con đường gian nan đầy quanh co trắc trở.

Lí thuyết do Newton đại diện cho rằng, vật thể phát sáng là vì nó phát xạ ra dòng hạt ánh sáng. Sở dĩ chúng ta có thể trông thấy ánh sáng, là do những hạt đó rơi vào mắt, gây nên thị giác. Theo lí thuyết này, người ta giải thích hiện tượng phản xạ của ánh sáng là kết quả của sự va đập đàn hồi của các hạt ánh sáng trên bề mặt phản xạ.

Tuy nhiên, Huygens, người cùng thời với Newton, lại cho rằng ánh sáng do vật thể phát ra là một chuyển động sóng. Loại chuyển động sóng này khác với sóng nước và sóng âm thanh chúng ta thường quan sát thấy - chúng đều có môi trường truyền sóng. Môi trường đó là nước đối với sóng nước, là không khí hoặc chất lỏng và chất rắn khác đối với sóng âm thanh. Còn sóng ánh sáng lan truyền được trong chân không, cũng có nghĩa chân không là môi trường của sóng ánh sáng.

Hai loại lí thuyết này ngay từ đầu đã xảy ra xung đột, song do Newton có uy tín hơn trong giới khoa học, lí thuyết hạt của ánh sáng chiếm vị trí quan trọng trong một quãng thời gian rất dài. Mãi đến đầu thế kỉ XIX, khi Young, Fresnel, Fraunhofer có phát hiện mới về hiện tượng giao thoa, phân cực của ánh sáng, chúng hết sức ăn khớp với lí thuyết sóng của ánh sáng của Huygens. Còn lí thuyết hạt của ánh sáng của Newton lại không sao giải thích được điều này.

Theo đà phát triển của khí cụ quang học, lí thuyết quang học cũng phát triển rất nhiều. Sau khi Maxwell chứng minh sóng ánh sáng là một loại sóng điện từ, lí thuyết sóng của ánh sáng hầu như hoàn toàn được thực nghiệm chứng thực, lí thuyết ánh sáng là chuyển động sóng cũng được mọi người tiếp nhận rộng rãi.

Song lí thuyết này khi đối mặt với kết quả thực nghiệm của hiệu ứng quang điện lại luôn tỏ ra bất lực. Cái gọi là hiệu ứng quang điện chỉ ra rằng: Khi dùng ánh sáng chiếu rọi lên bề mặt kim loại, sẽ làm cho electron trong kim loại văng ra ngoài. Ngay từ năm 1872, Stoletov của Trường đại học Tổng hợp Matxcơva đã phát hiện ra hiện tượng này. Sau đó các nhà vật lí người Đức, Hertz và cộng sự đã nghiên cứu về vấn đề này và đạt được nhiều thành quả.

Khi người ta tìm cách dùng thuyết chuyển động sóng của ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện, kết luận rút ra được là: khi cường độ ánh sáng tăng lên, tốc độ của electron bị văng ra khỏi kim loại cũng phải tăng lên. Song kết quả thực nghiệm cho thấy, khi dùng ánh sáng của cùng một tần số chiếu rọi, bất kể là cường độ ánh sáng lớn bao nhiêu, tất cả electron quan sát được đều có tốc độ như nhau. Cũng có nghĩa là, tốc độ của electron bị văng ra khỏi kim loại không có quan hệ gì với cường độ ánh sáng! Hơn nữa, khi tần số ánh sáng đạt một giá trị cực hạn nào đó thì mới làm cho electron văng ra khỏi kim loại trong điều kiện ánh sáng chiếu đến. Vả lại, electron trong kim loại có thể bị đánh bật ra hay không, vấn đề này có liên quan với tần số của ánh sáng, nghĩa là tốc độ electron văng ra khi dùng ánh sáng tím chiếu rọi lớn hơn khi dùng ánh sáng đỏ chiếu rọi! Thế là thuyết chuyển động sóng của ánh sáng rơi vào tình trạng khó khăn trước các kết quả thực nghiệm.

Với tư duy sáng tạo, Einstein khảo sát hiệu ứng quang điện từ một góc độ hoàn toàn khác. Ông đưa ra lí thuyết về ánh sáng và quang lượng tử. Theo lí thuyết này, năng lượng của ánh sáng do từng suất từng suất năng lượng đơn nguyên nhỏ nhất không liên tục tổ hợp thành, và độ lớn của năng lượng đơn nguyên ấy vừa đúng tỉ lệ thuận với tần số ánh sáng. Ánh sáng vẫn có tần số (hoặc bước sóng) giống như chuyển động sóng, song nó còn có đặc tính "hạt" nhỏ xíu - từng đơn nguyên năng lượng một. Như vậy, ánh sáng chẳng qua là một chùm dòng năng lượng, trong đó năng lượng đơn nguyên thứ nhất gọi là quang lượng tử (photon). Khi ánh sáng chiếu xạ lên bề mặt kim loại, nó trao năng lượng của quang lượng tử cho electron, quang lượng tử liền biến mất, còn electron nhận được năng lượng của photon, lại cộng thêm năng lượng tự có của nó liền có thể từ trong kim loại vọt ra. Do năng lượng của quang lượng tử chỉ liên quan với tần số ánh sáng, cho nên chỉ có ánh sáng có tần số lớn hơn một trị số nhất định, mới có thể cung cấp năng lượng đầy đủ làm cho electron trong kim loại bị bật ra ngoài. Như vậy, lí thuyết quang lượng tử đã dùng phương thức ngắn gọn rõ ràng giải thích hiệu ứng quang điện.

Thành công này đã mang lại cho ông giải thưởng Nobel. Song lí thuyết quang lượng tử lại đưa đến cuộc tranh luận về vấn đề bản chất của ánh sáng xảy ra 100 năm trước đó. Rốt cuộc ánh sáng là gì? Là chuyển động sóng hay là hạt?

Sự phát triển của vật lí học làm cho người ta không thể không tiếp nhận cách lập luận rằng, có lúc ánh sáng xuất hiện với tư cách là chuyển động sóng (như giao thoa và nhiễu xạ của ánh sáng), có lúc nó lại xuất hiện với hạt (như sự tới và sự phản xạ của ánh sáng), song ánh sáng vừa không phải là chuyển động sóng như kiểu sóng nước, sóng âm thanh, cũng không phải là hạt vật chất như kiểu chất điểm nhỏ xíu, ánh sáng có tính hai mặt chuyển động sóng - hạt, cũng tức là tính hai mặt sóng - hạt.

Thế thì tại sao ánh sáng Mặt Trời hoặc ánh sáng phát ra từ các nguồn sáng khác mà chúng ta trông thấy lúc nào cũng ổn định và liên tục, chứ không phải từng phần từng phần một nhỉ? Đó là vì năng lượng của quang lượng tử quá nhỏ bé, biểu thị của nó dưới hình thức toán học là hệ thức Planck nổi tiếng E = hv, trong đó, E là năng lượng photon, v là tần số ánh sáng, h là hằng số Planck có giá trị là 6.62618 × 10-34 J.s. Tuy con số đó nhỏ đến thế, nhưng tác dụng của nó đối với sự phát triển của vật lí học, đối với nhận thức của con người về bản tính của ánh sáng lại rất lớn. Giả dụ chúng ta bật sáng một bóng đèn điện 25 W, và coi ánh sáng phát ra là ánh sáng màu vàng, thế thì chùm ánh sáng ấy liền bao gồm 6 × 1019 đơn nguyên năng lượng của quang lượng tử, hoặc là nói, chùm ánh sáng ấy phát ra 6 × 1019 quang lượng tử, tức là mỗi giây phát ra 60 tỉ tỉ suất đơn nguyên năng lượng. Do mắt người có đặc trưng tạm lưu giữ thị giác, vì vậy, khi con số quang lượng tử nhiều như vậy chiếu đến với tốc độ nhanh như vậy, mắt người hoàn toàn không nhận ra được quang lượng tử từng suất từng suất một, chỉ thấy đó là một chùm sáng liên tục.

Qua đó, có thể thấy, quang lượng tử là đơn nguyên nhỏ nhất của năng lượng. Nó không phải là hạt vật chất. Tuy độ lớn năng lượng của quang lượng tử có quan hệ với tần số, song nó cũng không phải là chuyển động sóng thông thường mà chúng ta trông thấy.

Từ khoá: Lí thuyết hạt của ánh sáng; Lý thuyết sóng của ánh sáng; ánh sáng; Quang lượng tử; Hiệu ứng quang điện; Tính hai mặt sóng - hạt; Hệ thức Planck.

157. Vì sao nói hạt cơ bản không còn cơ bản nữa?

Hơn 2000 năm trở lại đây, các triết gia và các nhà khoa học tự nhiên luôn suy ngẫm một vấn đề: nếu cứ chia cắt mãi một vật thể thì sẽ như thế nào? Liệu có thể tìm được một loại hạt cơ bản nhất tạo thành ra vật chất hay không?

Các nhà vật lí trước tiên phát hiện nhiều vật thể đều là do các phân tử rất nhỏ cấu tạo thành, về sau lại thám trắc được phân tử là do nguyên tử còn nhỏ hơn cấu tạo thành. Nguyên tử cũng có kết cấu phức tạp, trung tâm của nó là hạt nhân nguyên tử và các electron. "Tính khí" của proton, nơtron và electron mỗi loại một khác. Các nhà vật lí gọi proton và nơtron là hađron (hạt nặng), gọi electron là lepton (hạt nhẹ). Chúng đều là người một nhà, gọi chung là hạt cơ bản.

Từ khi Joseph John Thomson phát hiện ra hạt cơ bản thứ nhất - electron, từ trong phòng thực nghiệm vào năm 1897 cho đến nay, hiện tại số thành viên của gia tộc hạt cơ bản đã tăng lên đến hơn 300 loại. Có thể phân chia hơn 300 thành viên này thành ba họ tộc: photon, lepton, hađron, trong đó có tới gần 300 loại thuộc về hađron. Trước những năm 60 của thế kỉ XX, nhiều người cho rằng, hạt cơ bản là thứ cơ bản nhất cấu tạo thành vật chất. Chúng không có kích thước, cũng không có kết cấu.

Gần 20 năm trở lại đây, trong khi chỉnh lí gia tộc hạt cơ bản đông đúc ấy, các nhà vật lí phát hiện quy luật sắp xếp nhất định, tồn tại giữa các hađron, như kiểu các nguyên tố trong bảng tuần hoàn của các nguyên tố vậy. Sự xuất hiện của luật chu kì nguyên tố là do nguyên tử có kết cấu nội bộ. Qua đó các nhà vật lí tự nhiên nảy sinh ra một loại ý tưởng: phải chăng hạt cơ bản cũng có kết cấu nội bộ? Các nhà vật lí lí thuyết dựa vào manh mối ấy, đề ra giả thiết cho rằng hađron là hệ thống do ba (hoặc một đôi) hạt cơ bản hơn cấu tạo thành. Họ gọi những thứ cơ bản hơn hạt cơ bản này là quark (quac). Điều làm cho người ta hào hứng là dựa vào giả thiết đơn giản như vậy, lại có thể giải thích nhiều sự thật của thực nghiệm. Về sau, các nhà vật lí sử dụng chùm electron có năng lượng rất cao bắn phá proton và nơtron, quả nhiên, phát hiện trong proton và nơtron có chứa quark.

Mấy chục năm gần đây, tình hình lại có bước phát triển. Các nhà vật lí khi đổi dùng nơtrino bắn phá hađron, đã phát hiện điều còn kì diệu hơn. Thực nghiệm cho thấy, trong hađron không chỉ có quark, có thể còn có một loại vật chất gọi là gluon. Năm 1979, một nhóm thực nghiệm vật lí năng lượng cao do giáo sư Đinh Triệu Trung, nhà vật lí nổi tiếng người Mĩ gốc Hoa chỉ đạo, khi sử dụng máy gia tốc có năng lượng cao nhất trên thế giới lúc bấy giờ (đặt tại Hambourg, Đức) để tìm kiếm các hạt mới bằng cách cho electron dương và âm va đập thẳng vào nhau, trong quá trình phân tích một loại hiện tượng gọi là "sự phun" (spouting) đã tiến một bước tìm thấy chứng cứ thực nghiệm về sự tồn tại của gluon, được giới khoa học kĩ thuật toàn thế giới hết sức coi trọng.

Thế thì, liệu quark và gluon có phải là những hạt cơ bản nhất cấu tạo thành vật chất hay không? Vấn đề này xem ra phải do sự thật thực nghiệm khoa học trong tương lai đưa ra lời giải.

Từ khoá: Phân tử; Nguyên tử; Hạt nhân nguyên tử; Proton; Nơtron; Hađron; Lepton; Hạt cơ bản; Quark; Gluon.

158. Vì sao nghiên cứu hạt cơ bản nhỏ xíu mà phải dùng máy gia tốc đồ sộ?

Hạt cơ bản là những hạt nhỏ nhất mà hiện nay con người có thể nhận thức được. Rốt cuộc chúng nhỏ đến đâu? Hãy làm một phép so sánh để thấy rõ: nếu có một loại kính phóng đại có thể phóng to quả bóng bàn lên ngang cỡ Trái Đất, thế thì dùng kính có hệ số phóng đại như vậy để quan sát hạt cơ bản thì chúng cũng chỉ lớn bằng quả bóng bàn mà thôi. Xếp 1000 tỉ hạt cơ bản thành một hàng ngang, cho đội hình hàng ngang đó đều bước cùng xuyên qua lỗ kim khâu cũng vẫn còn rộng rãi chán!

Đối với các hạt cơ bản nhỏ đến mức ấy, người ta không có cách gì quan sát được chuyển động của chúng bằng mắt thường. Thậm chí dùng kính hiển vi hệ số phóng đại cao cũng khó tóm bắt được chúng. Hiện nay các nhà khoa học chưa có cách gì tạo ra máy móc, khí cụ tinh vi hơn nữa để quan sát hạt cơ bản, nên phải dùng chính hạt cơ bản làm con "dao mổ", để mổ xẻ kết cấu của hạt cơ bản. Nguồn gốc thiên nhiên của loại "dao mổ" này là hạt năng lượng cao trong tia Vũ Trụ. Những cơ hội xuất hiện của chúng rất ít, vả lại cường độ rất yếu, càng quan trọng hơn là, con người không sao tiến hành điều khiển được chúng theo yêu cầu của các thực nghiệm khác nhau. Thế là các nhà khoa học liền chế tạo đủ loại các kiểu thiết bị công trình, gọi là máy gia tốc, để sinh ra hạt năng lượng cao nhằm sử dụng những hạt này tiến hành thực nghiệm có kế hoạch đối với hạt cơ bản một cách hữu hiệu và định lượng. Cỗ máy gia tốc con người chế tạo ban đầu là máy gia tốc đường thẳng, độ dài của nó tới 3 km. Nếu muốn sinh ra hạt năng lượng cao có năng lượng tăng 20 lần nữa, độ dài của máy gia tốc đường thẳng phải dài tới 75 km. Liệu có thể bắt hạt năng lượng cao chạy trên quỹ đạo cong, qua đó mà rút gọn rất nhiều kích cỡ của máy gia tốc hay không nhỉ? Ngay từ năm 1930, Laurence đã nêu ra phương án chế tạo máy gia tốc vòng đi vòng lại. Máy gia tốc vòng quanh chế tạo theo phương án này có đường kính khoảng 2 km. Nghiên cứu kích thước của hạt càng nhỏ, năng lượng cần thiết càng cao, thế thì đường kính của máy gia tốc sẽ phải càng lớn.

Vì sao nghiên cứu hạt cơ bản nhỏ xíu mà phải chế tạo máy gia tốc đồ sộ đến thế?

Thì ra, quy luật chuyển động của hạt cơ bản không đơn giản như chuyển động của vật thể trong thế giới vĩ mô mà chúng ta quan sát thấy (ví dụ chuyển động của quả bóng bàn). Chúng có một loại đặc tính kì lạ, tức là có hai thành phần: tính chất chuyển động sóng và tính chất hạt. Chuyển động của mỗi một loại hạt vi mô đều có một loại sóng đi kèm với nó. Bước sóng của loại sóng này tỉ lệ nghịch với động lượng của hạt. Vật thể như kiểu quả bóng bàn cũng có loại chuyển động sóng này, song khối lượng của quả bóng bàn lớn hơn rất nhiều so với hạt cơ bản. Vì vậy bước sóng của loại chuyển động sóng này rất ngắn, chúng ta hoàn toàn có thể bỏ qua ảnh hưởng của nó đối với chuyển động của quả bóng bàn. Tuy nhiên, khi nghiên cứu hạt cơ bản, cần phải coi trọng tác dụng của loại chuyển động sóng này. Để "nhìn rõ" kết cấu của hạt cơ bản, bước sóng của hạt cơ bản dùng làm "dao mổ" phải càng ngắn càng tốt, nếu không thì khó đo đạc chính xác được. Nhưng bước sóng càng ngắn thì động lượng tương ứng càng lớn. Những hạt cao tốc như vậy chạy theo đường thẳng rất dễ, song muốn chúng chuyển động vòng theo đường cung tròn thì không đơn giản. Cách giải quyết là chỉ có thể hết sức giảm nhỏ mức độ cong của "đường chạy" trong máy gia tốc. Như vậy, đường kính của máy gia tốc không thể không làm thật lớn.

Tuy nhiên, theo đà phát triển của khoa học kĩ thuật, con người tin rằng, kích thước của máy gia tốc có thể rút gọn lại nhiều. Năm 1953, máy gia tốc đồng bộ proton chế tạo tại phòng thực nghiệm quốc gia Brook New York là một trong số đó. Về nguyên tắc, loại máy gia tốc đó không bị hạn chế về thể tích, giá thành cũng tương đối thấp. Cố nhiên, về mặt kĩ thuật, nó cũng mang lại không ít vấn đề mới, còn phải chờ các nhà khoa học giải quyết thêm nữa.

Từ khoá: Hạt cơ bản; Máy gia tốc; Hạt năng lượng cao.

159. Vì sao nói plasma là trạng thái thứ tư của vật chất?

Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường, vật chất mà chúng ta trông thấy bao giờ cũng xuất hiện dưới hình thức thể khí, thể lỏng, hoặc thể rắn. Nước là một ví dụ điển hình. Nó là thể lỏng. Ở nhiệt độ 0°C, nó biến thành thể rắn - băng. Còn ở nhiệt độ 100°C, nước lại biến đổi thành thể khí - hơi nước. Sự biến đổi qua lại giữa chúng với nhau xảy ra ở nhiệt độ và áp suất bình thường.

Nếu xem xét từ kết cấu vi mô của vật thể, chúng ta có thể dựa vào sự sắp xếp của các hạt tổ thành vật chất, như nguyên tử, phân tử và ion, có trật tự hay không để phân biệt ba trạng thái của vật chất. Hạt vật chất cấu tạo thành chất rắn sắp xếp thành những "ô mạng" ngay hàng thẳng lối. Mỗi một hạt ở trên góc đỉnh của "ô mạng" có hơi "nhấp nhỏm" một chút. Loại trạng thái này là trạng thái có trật tự nhất. Nếu tăng nhiệt độ chất rắn, các hạt ở trên góc đỉnh của "ô mạng" sau khi nhận được năng lượng từ bên ngoài, trở nên càng nhấp nhổm hơn, thậm chí bắt đầu bỏ chạy khỏi góc đỉnh. Thế là chất rắn liền biến thành chất lỏng có sự sắp xếp tương đối kém trật tự. Cũng như vậy, khi tiếp tục tăng nhiệt cho chất lỏng đến nhiệt độ nhất định, hầu như tất cả các hạt đều biến thành những hạt "tự do thoải mái". Trật tự sắp xếp ban đầu không tồn tại nữa. Thế là xuất hiện trạng thái mất trật tự nhất, trạng thái chất khí – trạng thái thứ ba của vật chất.

Ở đây, tự nhiên có thể nêu ra một vấn đề: khi chúng ta tiếp tục tăng nhiệt cho chất khí thì liệu thể khí có chuyển hoá thành trạng thái mới hay không? Thực nghiệm chứng tỏ, khi nhiệt độ đạt vài ngàn độ Celsius trở lên, electron trong nguyên tử cũng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc của hạt nhân nguyên tử mà biến thành electron tự do. Còn nguyên tử thì do mất electron mà biến thành ion mang điện dương. Quá trình đó gọi là ion hoá. Chất khí sau khi ion hoá đã không còn là chất khí ban đầu nữa. Tuy chúng đều ở trong trạng thái trung hoà về điện, song ion hoá làm cho mức độ có trật tự của nguyên tử chất khí (mặc dầu loại có trật tự này kém so với chất rắn và chất lỏng) vốn trung tính lại bị phá hoại một lần nữa. Vả lại, sau khi ion hoá, thành phần cơ bản của chất khí là electron, ion và nguyên tử trung tính, vì vậy trạng thái này không thể quy vào ba trạng thái đã nêu ở trên, mà là trạng thái thứ tư của vật chất. Nó được gọi là plasma. Thông thường phân tử, nguyên tử trong chất khí không những tham gia chuyển động nhiệt loạn xạ lung tung, còn trong chất khí của plasma, electron còn có thể thể hiện ra một loại dao động qua lại tập thể, đặc biệt là khi đặt chất khí plasma trong từ trường, loại dao động này sẽ chịu sự chi phối và ảnh hưởng của từ trường. Những cái đó đều là sự khác biệt chủ yếu giữa chất khí plasma và chất khí thông thường.

Nhiệt độ gần Trái Đất tương đối thấp, không có điều kiện sinh ra plasma. Nhưng ở điều kiện riêng biệt nào đó, trên Trái Đất cũng có thể sinh ra plasma, như khi xảy ra sấm chớp mùa hè, chính là chất khí plasma sinh ra sau khi ion bị oxi hoá đã phát ra chớp loé; màu sắc đèn ống sặc sỡ nhiều màu trên đường phố cũng là do plasma sinh ra.

Hơn 99,9% vật chất trong Vũ Trụ ở vào trạng thái plasma, Mặt Trời là quả cầu lửa plasma nóng bỏng. Vì vậy, plasma lại là hình thái phổ biến của sự tồn tại vật chất, còn loài người lại gặp may sinh tồn trên Trái Đất vẻn vẹn chưa đến 0,1% của vùng khí plasma.

Từ khoá: Thể rắn; Thể lỏng; Thể khí; Plasma; Ion hoá.

160. Vì sao nói chất siêu dẫn không phải là chất dẫn hoàn toàn?

Cái danh từ chất dẫn (điện) không xa lạ gì đối với chúng ta cả. Hằng ngày, khi chúng ta bật rađiô hay tivi, chất dẫn liền hiện rõ ngay, chuyển biến tín hiệu điện thành âm nhạc du dương và hình ảnh tươi đẹp. Sở dĩ chất dẫn có được tính năng dẫn điện rất tốt là do kết cấu nội bộ của chúng quyết định. Song, bất kể là chất dẫn nào, trên đường đi của dòng điện bao giờ cũng sinh ra lực cản đối với dòng điện. Khi một dòng điện rất mạnh di qua dây dẫn, dây sẽ nóng lên, đó chính là loại lực cản, là điện trở trong dây gây ra. Chính vì có sự tồn tại của điện trở, năng lượng của dòng điện không thể không chia ra một phần tiêu hao trên điện trở, qua đó làm cho điện năng hữu dụng bị lãng phí vô ích.

Dòng điện chạy trong chất dẫn điện như thế nào? Có tồn tại chất dẫn điện hoàn toàn không có điện trở hay không? Đó là hai vấn đề mà con người rất quan tâm.

Thì ra, sự chuyển động của dòng điện là do một loại lực đặc biệt - lực điện trường gây ra. Khi dòng điện gặp phải điện trở, tốc độ chuyển động bị chậm lại, lực điện trường liền "ra tay giúp đỡ" để dòng điện vượt qua lực cản mà chạy không ngừng trong dây dẫn. Nguồn sinh ra ngoại lực điện trường này là nguồn điện. Nếu trong dây dẫn không có điện trở thì sự chuyển động của dòng điện không còn cần đến sự thúc đẩy của lực điện trường mà có thể chạy mãi được. Chất dẫn điện như vậy gọi là chất dẫn điện hoàn toàn. Trong chất dẫn hoàn toàn, lực điện trường chẳng những không có "đất dụng võ", mà còn hoàn toàn không có "chỗ dung thân". Vì trong chất dẫn hoàn toàn không còn điện trở nữa, điện tích một khi chịu lực thì sẽ càng chạy càng nhanh, rốt cuộc làm cho dòng điện trong chất dẫn trở nên ngày càng lớn, đến nỗi không sai khiến được. Trong hiện thực, loại tình hình này không thể nào xuất hiện ra. Vì vậy, trong chất dẫn hoàn toàn không thể tồn tại lực điện trường. Các nhà khoa học đã chứng minh rằng loại lực điện trường này còn sinh ra từ trường biến đổi theo thời gian. Trong chất dẫn hoàn toàn đã không có điện trường, thế thì trong nó cũng không thể tồn tại từ trường biến đổi theo thời gian.

Năm 1911, tại một phòng thực nghiệm ở Hà Lan do giáo sư Onnes lãnh đạo, một phát hiện lớn lao làm cho nhân viên nghiên cứu rất sửng sốt. Họ đã nhận thấy, ở gần nhiệt độ 4,2 K (khoảng –269°C), điện trở của thuỷ ngân đột nhiên biến mất. Về sau lại phát hiện, khi nhiệt độ ở 3,8 K (khoảng –270°C), điện trở của thiếc cũng không còn nữa. Lúc bấy giờ họ gọi loại trạng thái dẫn điện đặc thù ấy là trạng thái siêu dẫn. Chất dẫn điện thể hiện trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ rất thấp tức là chất siêu dẫn.

Chất siêu dẫn có phải là chất dẫn điện hoàn toàn không? Xét từ đặc điểm điện trở bằng không, chất siêu dẫn không có gì khác với chất dẫn điện hoàn toàn. Tuy nhiên, các nhà khoa học thông qua thực nghiệm đã cho thấy chất siêu dẫn có một loại tính chất rất đặc biệt. Loại tính chất này gọi là tính kháng từ hoàn toàn. Tính chất này chất dẫn điện hoàn toàn không có.

Đưa một nam châm có từ tính rất mạnh đến gần chất dẫn, chất dẫn dễ bị nam châm hút lại. Đó là vì chất dẫn chịu ảnh hưởng của nam châm nên cũng có từ tính, gọi là từ hoá. Tuy nhiên, khi đưa thỏi từ đến gần vật siêu dẫn thì nam châm lại phải chịu một lực cản rất lớn. Nếu đặt chất siêu dẫn lên mặt bàn, khi cho nam châm đến gần chất siêu dẫn từ phía trên xuống, lực cản đối với nam châm lớn đến nỗi có thể cân bằng với trọng lực của nam châm, làm cho nam châm bị treo nổi bên trên chất siêu dẫn. Đó tức là hiện tượng treo nổi từ (hay hiệu ứng siêu dẫn nặng không tiếp xúc). Nguyên nhân sinh ra hiện tượng đó là ở chỗ chất siêu dẫn không bị từ hoá. Nó có tính kháng từ rất mạnh (chất siêu dẫn đẩy toàn bộ từ thông). Trong chất dẫn hoàn toàn, từ trường một khi được sinh ra thì không thể nào tăng lên hoặc mất đi. Nhưng trong chất siêu dẫn, hoàn toàn không có từ trường nào xuất hiện cả. Cho dù trong chất dẫn vốn có từ trường tồn tại, khi biến thành chất siêu dẫn rồi thì từ trường liền bị đẩy tất cả ra ngoài chất siêu dẫn. Nếu đặt một từ trường vào bên ngoài chất siêu dẫn thì từ trường ấy không sao đi vào trong chất siêu dẫn được. Vì vậy, xét về mặt tính chất kháng từ, chất siêu dẫn không phải là chất dẫn hoàn toàn. Nó là một trạng thái mới của chất dẫn tồn tại ở nhiệt độ cực thấp.

Lợi dụng hiệu ứng tính kháng từ của chất siêu dẫn, hiện nay người ta đã chế tạo được đoàn tàu hoả treo nổi từ. Đoàn tàu này chạy bên trên đường ray, không có lực ma sát giữa đường ray và bánh xe như loại tàu hoả thông thường, tốc độ chạy tàu có thể tăng lên rất cao.

Từ khoá: Điện trở; Chất dẫn hoàn toàn; Chất siêu dẫn; Tính kháng từ; Treo nổi từ.