Phóng to

TTO - Quan điểm nào đúng? Ánh sáng đi nhanh hơn hay chậm hơn khi đi vào môi trường đặc hơn? Người đưa ra câu trả lời cuối cùng là Pierre Fermat (1601-1665). Sinh cùng thời với Descartes, Fermat là thẩm phán tòa Toulouse và là nhà toán học nổi tiếng.

Ông là tác giả của nhiều lý thuyết trong đó có lý thuyết xác suất và phép tính vi tích phân cùng với Newton và Gottfried Liebniz (1464-1716). Ông nổi tiếng với định lý cuối cùng, viết nguệch ngoạc bên lề một cuốn sách, và ba thế kỷ rưỡi sau không một nhà toán học vĩ đại nào trên toàn thế giới có thể chứng minh được . Quan tâm đến vấn đề khúc xạ, Fermat hiểu biết khá sâu sắc và tổng hợp về hiện tượng này. Ông bác bỏ định đề của Descartes theo đó “chuyển động của ánh sáng trong các môi trường đặc hơn là dễ dàng hơn và nhanh hơn trong các môi trường loãng hơn. Định đề này có vẻ ngược với ánh sáng tự nhiên”.

Để chứng minh định lý Snel, ông sử dụng nguyên lý mục đích luận của tự nhiên, theo đó tự nhiên thực hiện mọi việc một cách tiết kiệm và dè sẻn: “Chứng minh của chúng tôi dựa trên một định đề duy nhất nói rằng tự nhiên vận hành bằng các phương tiện và con đường dễ nhất và thoải mái nhất” - ông viết. Định đề mang tính mục đích luận này đối lập với quan điểm cơ giới luận của Descartes. Đây không phải là lần đầu tiên nguyên lý tiết kiệm này xuất hiện trong lịch sử của vật lý học. Thực tế, rất nhiều nhà tư tưởng từ thời Cổ đại đã nhắc đến nguyên lý tiết kiệm. Chẳng hạn, để giải thích định luật phản xạ, Héron d’Alexandrie là người đầu tiên đã phát biểu một cách rõ ràng nguyên lý tiết kiệm vào thế kỷ thứ nhất: “Tự nhiên không làm bất cứ việc gì vô ích”. Thời Trung Cổ, Robert Grosseteste (“Tự nhiên luôn hành động theo cách ngắn gọn nhất có thể”) và Dante Alighieri (“Tất cả những gì rườm rà đều không làm Chúa và tự nhiên thích thú”) cũng đã hưởng ứng nguyên lý tiết kiệm này. Đến thời Phục Hưng, Léonard de Vinci đã nhắc đến nguyên lý tiết kiệm: “Ôi, sự tất yếu diệu kỳ {…} mọi hành động tự nhiên đều phải tuân theo ngươi bằng con đường ngắn nhất, với tư cách là một nguyên lý không thể tránh được”. Galileo cũng đã sử dụng nguyên lý tiết kiệm trong các nghiên cứu về chuyển động: “Cuối cùng, trong nghiên cứu này về chuyển động có gia tốc, chúng tôi như bị cầm tay dắt đi, khi quan sát quy tắc mà tự nhiên thường đi theo trong tất cả các hoạt động khác của nó, ở đó tự nhiên có thói quen hành động bằng các phương tiện thông thường nhất, đơn giản nhất, dễ dàng nhất”.

Fermat đã áp dụng nguyên lý tiết kiệm này cho hành trạng của ánh sáng: một tia sáng đi từ điểm này đến điểm khác trong một khoảng thời gian ngắn nhất có thể. Khi kết hợp với hai nguyên lý khác – nguyên lý vận tốc truyền ánh sáng hữu hạn trong không khí hoặc trong một môi trường trong suốt đồng tính, và nguyên lý vận tốc ánh sáng chậm lại trong một môi trường đặc hơn, - ông đã chứng minh được định luật khúc xạ ánh sáng của Snell. Chẳng hạn, khi ánh sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường kém chiết quang hơn, như từ không khí sang nước, chẳng hạn, thì tỷ số sin của góc tới với sin của góc khúc xạ là hằng số, lớn hơn 1 và bằng tỷ số của vận tốc ánh sáng trong không khí với vận tốc của ánh sáng trong nước. Tỷ số này ngược với tỷ số sai lầm mà Descartes thu được, làm cho ông đi đến suy nghĩ không đúng rằng vận tốc của ánh sáng trong nước lớn hơn vận tốc trong không khí.