William Gilbert and Magnetism
A. The 16th and 17th centuries saw two great pioneers of modern science: Galileo and Gilbert. The impact of their findings is eminent. Gilbert was the first modern scientist, also the accredited father of the science of electricity and magnetism, an Englishman of learning and a physician at the court of Elizabeth. Prior to him, all that was known of electricity and magnetism was what the ancients knew, nothing more than that the lodestone possessed magnetic properties and that amber and jet, when rubbed, would attract bits of paper or other substances of small specific gravity. However, he is less well known than he deserves.
Vào các thế kỷ 16 và 17 đã xuất hiện hai nhà tiên phong vĩ đại của khoa học hiện đại: Galileo và Gilbert. Ảnh hưởng từ những phát hiện của họ rất rõ rệt. Gilbert được coi là nhà khoa học hiện đại đầu tiên, cũng là cha đẻ được công nhận của ngành khoa học về điện và từ, một người Anh uyên bác và là bác sĩ phục vụ triều đình Nữ hoàng Elizabeth. Trước Gilbert, những gì người ta biết về điện và từ chỉ dừng lại ở chỗ đá nam châm (lodestone) có đặc tính từ tính và hổ phách cũng như hắc thạch, khi bị cọ xát thì hút các mẩu giấy hoặc vật nhẹ. Tuy nhiên, ông ít được biết đến hơn so với tầm vóc mà ông xứng đáng nhận.
B. Gilbert’s birth pre-dated Galileo. Born in an eminent local family in Colchester County in the UK, on May 24, 1544, he went to grammar school, and then studied medicine at St John’s College, Cambridge, graduating in 1573. Later he travelled in the continent and eventually settled down in London.
Gilbert chào đời sớm hơn Galileo. Ông sinh ngày 24 tháng 5 năm 1544 tại một gia đình danh giá ở hạt Colchester, Anh quốc. Gilbert học tại trường ngữ pháp, rồi theo học ngành y tại trường St John’s College, Cambridge, tốt nghiệp năm 1573. Sau đó, ông du hành khắp châu Âu rồi cuối cùng định cư tại London.
C. He was a very successful and eminent doctor. All this culminated in his election to the president of the Royal Science Society. He was also appointed personal physician to the Queen (Elizabeth I), and later knighted by the Queen. He faithfully served her until her death. However, he didn’t outlive the Queen for long and died on November 30, 1603, only a few months after his appointment as personal physician to King James.
Gilbert là một bác sĩ rất thành công và nổi tiếng. Tất cả những điều này đã dẫn đến việc ông được bầu làm chủ tịch của Hội Khoa học Hoàng gia. Ông cũng được bổ nhiệm làm bác sĩ riêng cho Nữ hoàng Elizabeth I, và sau đó được Nữ hoàng phong tước hiệp sĩ. Ông tận tụy phục vụ cho đến khi Nữ hoàng băng hà. Tuy nhiên, ông cũng không sống lâu hơn Nữ hoàng bao nhiêu, qua đời vào ngày 30 tháng 11 năm 1603, chỉ vài tháng sau khi được bổ nhiệm làm bác sĩ riêng cho Vua James.
D. Gilbert was first interested in chemistry but later changed his focus due to the large portion of mysticism of alchemy involved (such as the transmutation of metal). He gradually developed his interest in physics after the great minds of the ancient, particularly about the knowledge the ancient Greeks had about lodestones, strange minerals with the power to attract iron. In the meantime, Britain became a major seafaring nation in 1588 when the Spanish Armada was defeated, opening the way to British settlement of America. British ships depended on the magnetic compass, yet no one understood why it worked. Did the Pole Star attract it, as Columbus once speculated; or was there a magnetic mountain at the pole, as described in Odyssey, which ships would never approach, because the sailors thought its pull would yank out all their iron nails and fittings? For nearly 20 years, William Gilbert conducted ingenious experiments to understand magnetism. His works include On the Magnet, Magnetic Bodies, and the Great Magnet of the Earth.
Thoạt đầu, Gilbert quan tâm đến hóa học nhưng sau đó lại chuyển hướng vì có quá nhiều yếu tố thần bí trong giả kim thuật (như việc biến kim loại này thành kim loại khác). Dần dần, ông phát triển niềm say mê vật lý, đặc biệt chịu ảnh hưởng từ tư tưởng của các nhà Hy Lạp cổ đại về đá nam châm, loại khoáng vật kỳ lạ có khả năng hút sắt. Trong thời điểm ấy, nước Anh trở thành cường quốc hàng hải sau khi đánh bại hạm đội Tây Ban Nha (Spanish Armada) năm 1588, mở đường cho việc định cư của người Anh tại châu Mỹ. Những chuyến tàu Anh quốc phụ thuộc vào la bàn từ, vậy mà chẳng ai hiểu rõ vì sao nó hoạt động. Liệu có phải sao Bắc Cực hút nó, như Columbus từng phỏng đoán; hay có phải tồn tại ngọn núi từ tính ở cực như sử thi Odyssey mô tả? Trong khoảng 20 năm, William Gilbert đã thực hiện các thí nghiệm xuất sắc nhằm giải thích bản chất từ tính. Các tác phẩm của ông gồm On the Magnet, Magnetic Bodies và The Great Magnet of the Earth.
E. Gilbert’s discovery was so important to modern physics. He investigated the nature of magnetism and electricity. He even coined the word “electric”. Though the early beliefs of magnetism were also largely entangled with superstitions such as that rubbing garlic on lodestone can neutralise its magnetism, one example being that sailors even believed the smell of garlic would interfere with the action of the compass, Gilbert also found that metals can be magnetised by rubbing materials such as fur, plastic or the like on them. He named the ends of a magnet “north pole” and “south pole”. The magnetic poles can attract or repel, depending on polarity. In addition, however, ordinary iron is always attracted to a magnet. Though he started to study the relationship between magnetism and electricity, sadly he didn’t complete it. His research of static electricity using amber and jet only demonstrated that objects with electrical charges can work like magnets attracting small pieces of paper and stuff. It is a French guy named du Fay that discovered that there are actually two electrical charges, positive and negative.
Phát hiện của Gilbert có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với vật lý hiện đại. Ông nghiên cứu bản chất của điện và từ. Thậm chí, ông là người đặt ra thuật ngữ “electric” (thuộc về điện). Tuy những hiểu biết ban đầu về từ tính khi đó còn gắn liền với mê tín (chẳng hạn người ta tin rằng xoa tỏi lên đá nam châm có thể triệt tiêu từ tính, thậm chí thủy thủ tin mùi tỏi sẽ cản trở hoạt động của la bàn), Gilbert cũng chứng minh được rằng kim loại có thể được nhiễm từ bằng cách cọ xát các vật liệu như lông thú, nhựa hay tương tự. Ông đặt tên hai cực của nam châm là cực bắc và cực nam, và nêu rõ các cực nam châm có thể hút hoặc đẩy nhau tùy theo cực tính. Thêm nữa, sắt thường thì luôn bị nam châm hút. Dù Gilbert khởi đầu nghiên cứu mối liên hệ giữa điện và từ, đáng tiếc ông không thể hoàn tất. Thử nghiệm của ông với tĩnh điện trên hổ phách và hắc thạch chỉ mới cho thấy vật thể mang điện có thể hoạt động như nam châm để hút các mẩu giấy nhỏ. Phải đến khi nhà nghiên cứu người Pháp du Fay phát hiện ra rằng thực chất có hai loại điện tích, dương và âm.
F. He also questioned the traditional astronomical beliefs. Though a Copernican, he didn’t express in his quintessential beliefs whether the earth is at the centre of the universe or in orbit around the sun. However, he believed that stars are not equidistant from the earth but have their own earth-like planets orbiting around them. The earth itself is like a giant magnet, which is also why compasses always point north. They spin on an axis that is aligned with the earth’s polarity. He even likened the polarity of the magnet to the polarity of the earth and built an entire magnetic philosophy on this analogy. In his explanation, magnetism is the soul of the earth. Thus a perfectly spherical lodestone, when aligned with the earth’s poles, would wobble all by itself in 24 hours. Further, he also believed that the sun and other stars wobble just like the earth does around a crystal core, and speculated that the moon might also be a magnet caused to orbit by its magnetic attraction to the earth. This was perhaps the first proposal that a force might cause a heavenly orbit.
Ông cũng đặt nghi vấn về những quan niệm thiên văn học truyền thống. Dù mang tư tưởng ủng hộ Copernicus, Gilbert lại không thể hiện rõ niềm tin rằng Trái đất nằm ở trung tâm vũ trụ hay quay quanh Mặt trời. Tuy nhiên, ông cho rằng các ngôi sao không cách đều Trái đất mà có những hành tinh giống Trái đất quay quanh chúng. Bản thân Trái đất thì giống như một nam châm khổng lồ, đó cũng là lý do vì sao la bàn luôn chỉ về hướng bắc. Trái đất quay trên một trục đồng nhất với cực từ. Thậm chí, ông còn ví sự phân cực của nam châm với sự phân cực của Trái đất và xây dựng cả một triết lý từ tính dựa trên phép loại suy này. Trong lời giải thích của ông, từ tính là “linh hồn” của Trái đất. Do đó, một hòn đá nam châm hình cầu hoàn hảo, khi đặt đúng vị trí hai cực của Trái đất, sẽ tự lắc nhẹ trong vòng 24 giờ. Không những vậy, Gilbert còn tin rằng Mặt trời và các ngôi sao khác cũng lắc lư giống Trái đất quanh một lõi tinh thể, và ông phỏng đoán rằng Mặt trăng cũng có thể là một khối nam châm, bị hút phải quay quanh Trái đất nhờ lực từ. Đây có lẽ là giả thuyết đầu tiên về việc một lực nào đó có thể tạo nên quỹ đạo thiên thể.
G. His research method was revolutionary in that he used experiments rather than pure logic and reasoning like the ancient Greek philosophers did. It was a new attitude towards scientific investigation. Until then, scientific experiments were not in fashion. It was because of this scientific attitude, together with his contribution to our knowledge of magnetism, that a unit of magneto motive force, also known as magnetic potential, was named Gilbert in his honour. His approach of careful observation and experimentation rather than the authoritative opinion or deductive philosophy of others had laid the very foundation for modern science.
Phương pháp nghiên cứu của Gilbert mang tính cách mạng ở chỗ ông dùng thí nghiệm thay vì dựa trên tư duy và suy luận thuần túy như các triết gia Hy Lạp cổ. Đây là một quan điểm mới trong việc nghiên cứu khoa học. Trước thời điểm đó, thí nghiệm khoa học chưa được ưa chuộng. Chính nhờ thái độ khoa học này, cùng đóng góp to lớn cho hiểu biết về từ tính, mà một đơn vị đo lực từ động (hay còn gọi là thế năng từ) đã được đặt tên là “Gilbert” để vinh danh ông. Cách tiếp cận dựa trên quan sát và thí nghiệm cẩn thận, thay vì ý kiến uy quyền hay triết lý suy diễn, đã đặt nền móng vững chắc cho khoa học hiện đại.