Vũ trụ của Einstein
Gần cuối XIX, các nhà khoa học có thể hài lòng rằng đã có câu trả lời ở hầu hết các lĩnh vực. Nhiều người thậm chí tin chẳng còn gì để nghiên cứu…
1875, Max Planck nghiên cứu về entropy, quá trình cốt lõi của nhiệt động lực học (entropy là thước đo độ hỗn loạn của một hệ vật chất). 1891, ông thu được kết quả đầu tiên nhưng hóa ra nhà khoa học Gibbs ở ĐH Yale đã tìm ra trước đó khá lâu. Nguồn cơn của chuyện này là Gibbs, nhà khoa học xuất chúng, có thói quen chỉ công bố kết quả nghiên cứu ở tập san địa phương. Tuy nhiên, quyển sách Equilibrium của Gibbs được xem là “cuốn Principa” về nhiệt động lực học.
Planck sau đó không nản lòng, chuyển sang nghiên cứu vấn đề khác, và năm 1900, ông là người đầu tiên đẩy cánh cửa bước vào kỷ nguyên lượng tử, ông khẳng định năng lượng không phải dòng chảy, mà có đơn vị riêng lẻ gọi là “lượng tử“. Ông chứng minh ánh sáng ko chỉ tồn tại dưới dạng sóng, mà còn ở dạng hạt. Nghiên cứu của Planck có thể đã được truyền cảm hứng từ khám phá trước đó của nhà khoa học Mỹ Michelson, người đã thuyết phục tổng thống Grant cho mình được học đại học miễn phí. Michelson đã săn lùng gió ete (vốn là môi trường giả định từ thời Newton, được cho là ánh sáng truyền đi trong đó). Năm 1887,Michelson chứng minh ete không tồn tại, ánh sáng truyền đi với vận tốc bất biến theo mọi hướng và mọi thời điểm. Ông là người Mỹ đầu tiên được trao Nobel vì sự dũng cảm công phá thành trì khoa học cổ điển.
Năm 1905, còn được gọi là năm kỳ diệu, Einstein trong khi chỉ là một nhân viên quèn ở Cục cấp bằng sáng chế, đã công bố loạt bài trên tạp chí vật lý của Đức. Trong đó, có 3 bài cực kỳ nổi tiếng: một bài về hiện tượng quang điện, một bài về bản chất nguyên tử. Và bài báo thứ ba đã thay đổi cả thế giới, ông phát biểu thuyết tương đối hẹp. Sau đó ông gửi thêm bài chú thích, có công thức nổi tiếng nhất thế giới E = mc2. Đây là công thức duy nhất được giữ lại trong cuốn sách nổi tiếng Lược sử thời gian (Stephen Hawking), khi tổng biên tập kiến nghị Hawking bỏ hết công thức đi, vì thông thường cứ thêm 1 công thức thì số độc giả sẽ giảm đi một nửa). Công thức của Enistein cho thấy năng lượng và khối lượng có liên quan mật thiết, nói cách khác chúng là một: “năng lượng là vật chất được giải phóng, vật chất là năng lượng đang chờ được giải phóng”. Hiểu nôm na là: 1 người bình thường cân nặng khoảng 65 kg có năng lượng tương đương 30 quả bom nguyên tử (như vậy, sức mạnh như Son Goku trong Dragon Ball cũng ko phải là ko có cơ sở nhỉ)
Công thức này đã giải thích cho cơ chế bức xa, và lí do các ngôi sao có thể sáng hàng tỷ năm…
Einstein tiếp tục phát triển thuyết tương đối tổng quát trong một thập kỷ sau đó. Thuyết tương đối tổng quát nổi tiếng có lẽ vì không mấy ai hiểu được nó. Có một câu chuyện vui: khi nhà thiên văn học Eddington được hỏi: có phải ông là 1 trong 3 người hiểu được thuyết tương đối hay không, ông trả lời: “tôi đang cố nghĩ xem người thứ 3 là ai đây?”
Thuyết tương đối tổng quát, được công bố 1919, cho rằng không gian và cả thời gian chỉ có ý nghĩa tương đối với người quan sát. Vd: một đoàn tàu tiến gần tới vận tốc ánh sáng, thì người đứng ngoài quan sát sẽ thấy nó biến dạng, còn người trên tàu ko cảm thấy. Thuyết tương đối ảnh hưởng khắp nơi nhưng ta không để ý: nếu bạn bay từ bờ Đông sang bờ Tây Hoa Kỳ, bạn sẽ trẻ hơn 1/tỷ giây. Có thể hình dung thuyết tương đối qua qua thí nghiệm quả bóng tròn đặt trên miếng đệm, miếng đệm lõm xuống vì khối lượng của quả bóng, nói cách khác, không-thời gian bị uốn cong khi đến gần quả bóng.
Tuy vĩ đại, Einstein cũng từng mắc sai lầm, ông từng nghĩ vũ trụ là bất biến. Sau này ông thừa nhận nó là sai lầm lớn nhất của mình. Hubble chính là người phát kiến về các vũ trụ đang giãn nở, và có tồn tại các thiên hà khác ngoài giải Ngân hà của chúng ta. Kính viễn vọng Hubble sau này được đặt theo tên ông.
Nguyên tử phi thường
Nhà vật lý nổi tiếng Richard Feymann từng nói: “Nếu bạn muốn thu gọn lịch sử vật lý chỉ trong một câu, thì đó là: Mọi vật chất đều được tạo thành từ nguyên tử” Mô tả về nguyên tử, có thể gói gọn trong 3 từ: nhỏ, nhiều, vững chắc.
Các nguyên tử cực kỳ nhỏ: khoảng 1/mười triệu mm. Một sợi tóc cũng có thể chứa đến nửa triệu nguyên tử:
Độ bền nguyên tử rất tuyệt vời. Ngài Martin Rees dự đoán độ bền là 10^35 năm, chúng có vòng đời rất dài nên chúng sẽ chuyển từ vật này sang vật khác. Mỗi người chúng ta là một tập hợp khổng lồ các nguyên tử, khoảng một tỷ trong đó có thể đã từng thuộc về Đức Phật, một tỷ của Thành Cát Tư Hãn, một tỷ của Shakespeare, một tỷ của Beethoven…
Người đầu tiên nhận thức được vật chất cấu thành từ nguyên tử là John Dalton. Khái niệm nguyên tử không hề mới mà đã được phát triển từ người Hy Lạp cổ, nhưng Dalton đã đóng góp = cách xem xét kích thước và tính chất tương đối, cũng như cách các nguyên tử kết hợp với nhau. Ông đặt cho hidro nguyên tử khối là 1.
Công lao khởi xướng thời đại nguyên tử thuộc về Rutherford. Ông là một trong những người đầu tiên nhận thấy năng lượng khổng lồ vốn có của nguyên tử.
Đầu thế kỷ XX, người ta cho rằng nguyên tử được cấu thành từ các bộ phận nhỏ, nhờ phát hiện electron của Thomson. Mô hình nguyên tử như một chiếc bánh nho, trong đó các hạt mang điện tích âm (nho) nằm rải rác trong một khối điện tích dương (bánh). Năm 1910, khi thí nghiệm bắn phá nguyên tử heli ion hóa (hạt alpha) vào lá vàng, Rutherford thấy nhiều hạt bay ngược trở lại. Chỉ có một cách lý giải duy nhất: Các hạt bị dội trở lại là do bị cản bởi một vật chất nhỏ và rắn ở trung tâm nguyên tử. Nghĩa là, nguyên tử có một hạt nhân rắn nằm ở trung tâm.
Cấu tạo nguyên tử: 3 loại hạt cơ bản, proton (dương) và neutron ở trung tâm (hạt nhân), các electron mang điện tích âm quay xung quanh. Hạt nhân rất nhỏ, = 1/triệu tỷ nguyên tử, nhưng chiếm hầu như toàn bộ khối lượng nguyên tử.
Chúng ta thường hình dung về nguyên tử với hình một vài electron quay quanh hạt nhân như hành tinh quay quanh Mặt trời, đây là mô hình được nhà vật lý Hantaro Nagaoka tạo ra 1904. Thực tế không phải vậy: tại sao electron có thể quay quanh hạt nhân mà không bị hút vào trong (nó phải cạn năng lượng và bị xoắn vào hạt nhân chứ?). Nhà khoa học Bohr đã nảy ra một ý tưởng thú vị, đến nỗi ông phải hoãn cả kỳ trăng mật, theo ông electron có thể biến mất khỏi quỹ đạo này và ngay lập tức xuất hiện ở quỹ đạo khác mà không cần phải di chuyển giữa chúng, ông gọi đó là bước nhảy lượng tử, nó giữ cho các electron không bị xoắn vào hạt nhân. Vói phát hiện này, ông đạt giải Nobel vật lý năm 1922.
Trở lại với Rutherford, ông thắc mắc tại sao các thành phần điện tích dương trong hạt nhân không bị thổi bay. Ông cho rằng đó là nhờ các hạt neutron không mang điện tích. Mãi đến năm 1935, neutron mới được phát hiện. Thực tế, đó có khi lại là một điều may. Nếu con người phân lập được neutron từ những năm 1920, “thì quả bom nguyên tử đầu tiên đã được tạo ra ở châu Âu, và hiển nhiên là do người Đức”.
Một nhà khoa học người Đức là Heisenberg, sau đó đã đưa ra nguyên lý bất định: “electron là một hạt song cũng có thể được mô tả dưới dạng sóng. Người ta có thể biết vận tốc của electron khi chúng di chuyển hoặc vị trí của nó tại một thời điểm nhất định, nhưng không thể biết cả hai”. Nghĩa là, mọi cố gắng đo lường chính xác một đại lượng sẽ khiến đại lượng đó càng kém chính xác, dù công cụ hiện đại đến đâu.
Để minh họa cho bản chất không giải thích được bằng trực giác của thế giới lượng tử, nhà khoa học Schrodinger đã đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng: con mèo của Schrodinger. Có lẽ đây là chú mèo nổi tiếng nhất trong lịch sử khoa học, các bạn có thể tìm hiểu thêm về chú ở đây nhé …
Năm 1925, Pauli với nguyên lí loại trừ, cho rằng các cặp hạ nguyên tử nhất định, ngay cả khi bị ngăn cách bởi một khoảng cách đáng kể, có thể ngay lập tức “biết” được các hạt còn lại đang làm gì. Hiện tượng này gọi là rối lượng tử, và là là cơ sở của kỹ thuật viễn tải lượng tử (hay nói nôm na là dịch chuyển thông tinh một cách tức thời).
Thoạt nhìn, Viễn tải lượng tử dường như mâu thuẫn với thuyết tương đối của Einstein, khi có thể truyền thông tin nhanh hơn ánh sáng. Đột nhiên, bạn cần đến hai lý thuyết để giải thích vũ trụ – thuyết lượng tử cho vi mô và thuyết tương đối cho vĩ mô. Einstein tất nhiên không thích điều này, ông dành cả đời còn lại để tìm ra Lý thuyết thống nhất, nhưng chưa thành công, và có cả những người như Michio Kaku kế tục …
Tách chì
Năm 1940, nhà khoa học Libby ở DH Chicago phát minh ra cách tính tuổi mẫu vật bằng Cacbon phóng xạ (Để tìm hiểu chi tiết về phương pháp này, các bạn có thể tham khảo cuốn sách “Súng vi trùng và thép”). Nôm na là, mọi sinh vật sống trong cơ thể đều có đồng vị C-14, và chúng bắt đầu phân rã ngay sau khi sinh vật chết, C-14 có chu kỳ bán rã khoảng 5600 năm, nghĩa là sau chừng ấy thời gian thì số lượng C-14 trong cơ thể còn lại một nửa. Bằng cách đo hàm lượng C-14 còn lại của hóa thạch, ta có thể tính được bao nhiêu năm đã trôi qua kể từ lúc sinh vật đó qua đời. Tuy nhiên, phương pháp này sẽ không chính xác với các hóa thạch có độ tuổi quá 200.000 năm vì hóa thạch có thể bị nhiềm C-14 từ các nguồn khác, và các nguồn đó có trong không khí cũng không ổn định qua thời gian…
Sau đó, dựa trên phương pháp phân rã của Rutherford, nhà khoa học Holmes đã nghĩ ra một kỹ thuật rất đơn giản, ông tính tốc độ phân rã urani thành chì, từ đó ông tính được chính xác tuổi của đất đá. Clair Patterson đã sử dụng phương pháp này để xác định tuổi Trái đất. Để tăng độ chính xác, Patterson đã nghĩ đến cách dùng đá từ các thiên thạch. Ông mất 7 năm kiên trì, cuối cùng vào năm 1953, ông đã tính chính xác tuổi Trái đất 4 tỷ 550 triệu năm cộng trừ 70 triệu năm, một con số mà đến ngày nay chúng ta vẫn đồng tình. Nhờ có ông, con người đã tính được tuổi Trái đất, vấn đề là dường như Tuổi Trái đất còn lớn hơn tuổi đã biết của Vũ trụ?
Hạt Quark của Muster Mark
Năm 1911, R.Wilson khi nghiên cứu sự hình thành các đám mây, đã xây dựng buồng mây nhân tạo, tình cờ ông đã phát minh ra máy dò hạt. Sau đó Lawrence cho ra đời máy gia tốc hạt đầu tiên. Khi phát triển các máy lớn hơn, các nhà khoa học bắt đầu tìm các hạt mới, nhỏ hơn cả electron như: mison, muon… Việc tìm kiếm các hạt đòi hỏi khả năng nắm bắt vì chúng không chỉ nhanh và nhỏ mà còn tồn tại rất ngắn. Ví dụ, để tóm được hạt neutrino, người phải dùng thùng rất lớn chứa nước nặng đơtêri có thể tích đến 57000 m3. Tóm lại, vấn đề mấu chốt để tìm ra các hạt là tiền, rất rất nhiều tiền để xây dựng các máy gia tốc hạt khổng lồ. Đáng chú ý nhất trong đó là chuỗi nam châm nặng hơn cả tháp Effeil, tạo thành một đường hầm vòng tròn có chu vi 26km của tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu, CERN. Nếu các bạn chưa biết, thì CERN cũng là nơi khai sinh ra mạng internet, world wide web, đấy.
Chính nhờ chiếc Máy gia tốc hạt khổng lồ này, con người đã phát hiện ra hạt cuối cùng của Mô hình Chuẩn: một mô hình mà từ đó có thể tạo nên tất cả các loại hạt lớn hơn, hay nói cách khác, vạn vật. Mô hình gồm có 6 hạt quark, 6 hạt lepton, 5 hạt boson, và hạt cuối cùng là hạt boson Higgs. Giờ thì có lẽ bạn đã hiểu vì sao hạt boson Higgs còn được gọi hạt của Chúa rồi nhỉ, đúng rồi, vì nó giúp hoàn thiện lý thuyết Mô hình Chuẩn.
Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn này vẫn thiếu hoàn chỉnh, bởi vì nó chỉ đề cập đến 3 trong 4 loại lực cơ bản của vật lý, thiếu mất trọng lực. Trong nỗ lực kéo mọi thử lại với nhau, các nhà vật lý đã đưa ra một lý thuyết đại thống nhất, gọi là thuyết siêu dây, trong đó họ cho rằng những hạt hạ nguyên tử thực ra là những sợi năng lượng dao động theo 11 chiều, gồm 3 chiều không gian đã biết, chiều thời gian và thêm 7 chiều khác mà chúng ta chưa biết. Rồi đến phiên bản nâng cấp của thuyết dây là thuyết M, ở đó bề mặt được các tâm hồn “sành điệu” của giới vật lý lý thuyết gọi là các màng. Các thuyết này nói chung cực kỳ khó hiểu. Nếu các bạn muốn hiểu rõ hơn về các lý thuyết hack não này, các bạn có thể tìm đọc quyển “Các thế giới song song”.
Tuy nhiên, cũng có những nhà khoa học, như Karl Popper, cho rằng sẽ không có học thuyết tối hậu về vật lý – thay vào đó, mõi lời giải thích sẽ đòi hỏi những lời giải thích cặn kẽ hơn nữa. tạo thành một chuỗi những nguyên lý ngày càng cơ bản.
Giờ chúng ta quay lại với câu hỏi về tuổi của vũ trụ, mãi cho đến khá gần đây, năm 2003, khi NASA chup được bức xạ nền vũ trụ từ Tàu thăm dò vi sóng bất đẳng hưởng Wilkinson, gọi tắt là WMAP, tuổi của vũ trụ mới được tuyên bố chính xác là 13,7 tỷ năm.
Vậy đấy, vũ trụ của chúng ta có độ tuổi thật đáng nể các bạn nhỉ. Còn vô số điều huyền bí về vũ trụ mà chúng ta chưa biết: chẳng hạn, dường như ít nhất 90% vũ trụ, có lẽ là 99% được cấu tạo bởi vật chất tối. Dạng vật chất mà con người vẫn chưa khám phá ra. Không chỉ vật chất tối, mà vũ trụ còn được lấp đầy bởi năng lượng tối. Chính nguồn năng lượng này là tác nhân khiến các thiên hà không chỉ ngày càng rời xa nhau, mà tốc độ cũng ngày một tăng lên.
(Tác giả: Sơn Nguyễn)
