Thứ Sáu, 21 tháng 1, 2022

TT&HĐ V - 48/e


 
Vũ Trụ Có Giới Hạn Cuối Cùng Hay Không? | Thư Viện Thiên Văn

PHẦN V:     THỐNG NHẤT 
"Khoa học là một sức mạnh trí tuệ lớn nhất, nó dốc hết sức vào việc phá vỡ xiềng xích thần bí đang cầm cố chúng ta."
Gorky 
 
"Mỗi một thành tựu lớn của nhà khoa học chính là xuất phát từ những ảo tưởng táo bạo". 
JohnDewey
"Chân lý chỉ có một, nó không nằm trong tôn giáo, mà nằm trong khoa học."
Leonardo da Vinci
 
"Cái khó hiểu nhất chính là hiểu được thế giới" 
Albert Einstein
 "Có hai cách để sống trên đời: một là xem như không có phép lạ nào cả, hai là xem tất cả đều là phép lạ".
Albert Einstein
      
“Chính qua cuộc đấu tranh nhằm thống nhất một cách hợp lý cái đa dạng mà đã đạt được những thành công lớn nhất, dù rằng chính ý đồ đó có thể gây ra những nguy cơ lớn nhất để trở thành con mồi của ảo vọng”.
Albert Einstein


“Người nhìn thấy cái đa dạng mà không thấy cái đồng nhất thì cứ trôi lăn trong cõi chết”.

Upanishad       


CHƯƠNG IX(XXXXVIII): TƯƠNG LAI VŨ TRỤ
“Có một vật hỗn độn mà thành trước cả trời đất. Nó yên lặng, vô hình, đứng một mình mà không thay đổi vĩnh cửu, vân hành khắp vũ trụ không ngừng, có thể coi nó là mẹ của vạn vật trong thiên hạ. Ta không biết tên nó là gì, tạm đặt tên cho nó là đạo. Đạo mà diễn tả được thì đó không còn là đạo bất biến nữa, tên mà gọi ra được thì đó không còn là tên bất biến nữa." 
Lão Tử
 
“… Chúng ta vẫn còn là những người mới bắt đầu hết sức lúng túng với những hình ảnh trí tuệ đúng – sai lầm và thực tại tối hậu vẫn còn nằm ngoài xa tầm nắm bắt của chúng ta”
Susskind
 
"Ngôn ngữ của vật lí là toán học, và không thể hiểu được vật lí nếu không có toán học. Đây là cái khiến nó khó nuốt. Ngôn ngữ của văn học là tiếng Anh hay tiếng Trung hay thứ tiếng nào đó, và đó là cái khiến nó dễ tiêu hóa. Và văn học thì nói về con người. Vật lí học thì nói về cái phi con người. Nó không phải là một hương vị mà mọi con người đều nếm được". 
 Susskind
 
"Thay đổi là bản chất của Vũ Trụ chúng ta"
Frank Herbert
 
"Người thuận theo đất, đất thuận theo trời, trời thuận theo Đạo, Đạo thuận theo tự nhiên". 
 Lão Tử
 
"Các hằng số Vũ Trụ là hữu hạn (không vô tỷ!). Chỉ khi nào thừa nhận điều đó, vật lý học mới có khả năng hiểu thấu đáo Vũ Trụ. 
NTT



 

(Tiếp theo)
                                            ***

Ngay sau khi người ta buộc phải loại bỏ giả thuyết về “chất nhiệt” thì các nhà vật lý đã nhất trí công nhận rằng nhiệt là một dạng năng lượng nào đó, tuy nhiên các nhà vật lý cũng đã tách thành hai trường phái khoa học chính. Trường phái thứ nhất là trường phái “các nhà năng lượng học” (gồm: Mayer, Ostwald, Duhen…) đã đặt năng lượng đối lập với vật chất. Họ xem năng lượng không phụ thuộc vào vật chất, song họ cho năng lượng là hiện thực và không thể bị hủy diệt cũng như vật chất. Trong một số trường hợp nào đó, các nhà năng lượng học thậm chí đi tới chỗ tuyên bố không cần thiết mọi phần tử vật chất mang năng lượng, do đó năng lượng là biểu hiện duy nhất của thực tại vật lý. Dẫu cho ý nghĩa triết học của quan niệm này có như thế nào đi nữa thì theo quan điểm khoa học nó vẫn hoàn toàn bất lợi, bởi vì khi nâng năng lượng (và nhiệt năng, nói riêng) tới mức một thực thể luôn như siêu hình, quan niệm này làm cho con đường nghiên cứu tiếp tục bị bế tắc và do vậy làm cản trở sự phát triển của khoa học.

Trường phái thứ hai, đối lập với “các nhà năng lượng học” là “các nhà cơ học” hay “các nhà nguyên tử học” (Joule, Boltzmann, Clausius). Họ bác bỏ việc phân biệt năng lượng và vật chất, cố gắng tìm cách giải thích khái niệm này từ khái niệm kia. Do đó họ đã thấy ở nhiệt sự chuyển động khó nhận thấy của những thành phần nhỏ nhất của vật chất, nghĩa là theo các quan niệm của thời đó, của các phân tử hay nguyên tử. Thời bấy giờ, vật lý cơ học cổ điển đang thống trị nhận thức con người. Số đông các nhà khoa học đều tin rằng Vũ Trụ này vận hành theo những qui luật, nguyên lý mà Niutơn đã chỉ ra. Do đó có những ý đồ đưa các định luật của tự nhiên về những định luật của cơ học cổ điển, nhưng nói chung vẫn chưa thành công. Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực hoàn toàn xác định nào đó, những ý đồ giải thích các hiện tượng tự nhiên nhờ các định luật cơ học đã đem lại những kết quả xuất sắc, và một trong những lĩnh vực như vậy là lý thuyết các hiện tượng nhiệt. 

Ngày nay, chúng ta có cảm nhận rằng đó là hướng đi đúng. Dù chưa gặt hái được thành công hoàn toàn như mong ước, có lẽ là vì chưa đạt đến “độ sâu” cần thiết của sự nhận thức. Chẳng hạn, bản chất của nhiệt được giải thích theo “động học phân tử chất khí” là chưa rốt ráo. Giải thích xác đáng nhất, theo ý chúng ta, phải là: nhiệt là sự phản ánh mức độ rối loạn trong vận động số đông của bức xạ điện từ hay hạt KG mà đến một giới hạn nào đó của thế giới vi mô, những đại lượng có thể cảm nhận được trong thế giới vĩ mô như áp suất, nhiệt độ… không tồn tại nữa. Không thể hình dung được thứ sinh ra sự nóng-lạnh lại nóng lạnh!
Đến đây, chúng ta mạnh dạn phỏng đoán: vì năng lượng xét cho cùng là tích số giữa khối lượng và vận tốc bình phương, cho nên nó phải được hình thành nên từ chuyển hóa không gian, nghĩa là đồng thời hình thành cùng với khối lượng và vận tốc chuyển động bình phương. Suy ra năng lượng là một đặc trưng không thể loại trừ của vật chất. Từ đó có thể thấy quan niệm thứ hai về nhiệt đúng đắn hơn

Chính vì vậy, phải xem những giả thuyết cơ sở của lý thuyết động học chất khí chỉ là sự gần đúng và có tính xác suất.

Mối liên hệ giữa entrôpi và xác suất được Ludwig Boltzmann thiết lập, và được biểu diễn dưới dạng mà chúng ta đã trình bày. Việc chứng minh công thức này do chính Boltzmann đưa ra, dù rằng hoàn toàn chặt chẽ nhưng không được rõ ràng lắm. Vai trò công thức của Boltzmann đối với sự phát triển của khoa học hiện đại là rất lớn. Ở đây chúng ta nên đưa ra một cách chứng minh đơn giản nhất.

Tuy nhiên tính đơn giản này là do sự tồn tại mối quan hệ giữa entrôpi và xác suất được chấp nhận một cách tiên nghiệm, bởi vì hai đại lượng này luôn luôn biến thiên theo một hướng. Một mặt, theo nguyên lý Clausius, mọi hệ đều tiến triển sao cho entrôpi của nó tăng. Và mặt khác, sự tiến triển này luôn luôn hướng một cách tự nhiên đến những trạng thái có xác suất cao hơn. Nói cách khác, xác suất của các trạng thái liên tiếp của hệ tăng cùng với entrôpi của những trạng thái đó. Ta có thể biểu diễn tình huống này bằng toán học khi đặt:

S=f(W)

trong đó, W là xác suất, f là một hàm tăng nào đó

Có thể dễ dàng xác định dạng của hàm này nếu xuất phát từ thực tế là entrôpi của một hệ bằng tổng các entrôpi của các thành phần của hệ, còn xác suất của một trạng thái nào đó của hệ bằng tích xác suất các trạng thái của các thành phần của hệ. Nếu chẳng hạn số thành phần của hệ bằng hai thì một mặt:


 S=S1+S2

Còn mặt khác:

W=W1.W2 (ở đây (1) và (2) là chỉ tên các thành phần)

Từ đó suy ra:

f(W1.W2)=f(W1)+f(W2)
Để giải phương trình phiếm hàm này ta chỉ cần lấy đạo hàm nó lần lượt theo W1 và W2. Lấy đạo hàm lần thứ nhất dẫn đến phương trình:
W2.f’(W1.W2)=f’(W1)
Còn lấy đạo hàm lần thứ hai dẫn đến phương trình:

 f’(W1.W2)+W1.W2.f’’(W1.W2)=0
    hay: f’(W)+W.f’(W)=0
Nghiệm tổng quát của phương trình này có dạng:
f(W)=a.lnW+c
trong đó, a và c  là các hằng số tính phân
Bỏ hằng số cộng c đi và chú ý đến hệ thức f(W)=S, ta thu được công thức Boltzmann:
S=a.lnW
Nghĩa là: entrôpi của hệ ở trong một trạng thái nào đó tỉ lệ với lôga xác suất của trạng thái đó:
Người ta đã chứng minh được hằng số a bằng:
với j: là hệ số phụ thuộc việc chọn đơn vị đo, R: hằng số khí lý tưởng, N: là số Avôgadrô.
Từ đó suy ra:  với  là hằng số Boltzmann và (khi thay hệ đơn vị):
S=k.lnW
Hay đọc thành văn: entrôpi ứng với một trạng thái cho trước bằng tích hằng số Boltzmann và lôga tự nhiên của xác suất nhiệt động học của trạng thái đó. 
Lý thuyết có tính “Cơ học” của Boltzmann về nhiệt không phải không có ý kiến phản đối. Đối thủ chính của ông là Loschmidt, người đã dành bốn công trình để bác bỏ lý thuyết động học chất khí và các áp dụng của nó cho nguyên lý thứ hai của nhiệt động học, mà ý kiến phản đối nổi tiếng nhất là ý kiến dưới cái tên “nghịch lý Loschmidt” hay “nghịch lý tính thuận nghịch”.
Trong cơ học người ta phân biệt những trạng thái cân bằng là:
- bền
- không bền
- phiếm định
(Xem hình 1)
Hình 1: Các dạng cân bằng cơ học
1) bền  2) không bền  3) phiếm định
Tùy theo khi bị đẩy nhẹ ra khỏi vị trí cân bằng bởi ngoại lực nào đó thì hệ cơ học có xu hướng trở về trạng thái ban đầu, rời xa khỏi trạng thái đó, hoặc vẫn ở vào trạng thái đó khi ngoại lực ngừng tác động. Tương tự, trạng thái cân bằng  nhiệt động có nhiều dạng. Dạng đáng chú ý nhất là cân bằng bền. Trong cân bằng bền, bất cứ trạng thái nào khác gần nó cũng đều là những trạng thái kém bền hơn. Muốn đi từ trạng thái cân bằng bền sang trạng thái khác gần nó, bao giờ cũng phải tiêu thụ công từ bên ngoài. Cân bằng bền còn gọi là cân bằng thực.
Đối với cân bằng bền, mỗi tác dụng vô cùng nhỏ chỉ có thể gây ra những biến thiên vô cùng nhỏ trong trạng thái của hệ. Nó không thể gây ra những quá trình bất thuận nghịch. Khi tác dụng ấy chấm dứt, hệ có xu hướng trở về trạng thái cũ. Cân bằng bền đặc trưng ở chỗ, là về nguyên tắc, có thể đi tới nó từ hai chiều ngược nhau.
Theo quan điểm thống kê, trạng thái cân bằng bền là trạng thái có nhiều xác suất nhất.
Về ý nghĩa vật lý cân bằng bền là cân bằng động. Cân bằng được thiết lập không phải vì không có quá trình hoặc vì quá trình dừng lại mà là do quá trình diễn ra đồng thời theo cả hai chiều ngược nhau với tốc độ bằng nhau. Ví dụ trong sự bay hơi của chất lỏng trong một bình kín, cân bằng bền được thiết lập khi số phân tử từ chất lỏng bay thành hơi bằng số phân tử từ hơi ngưng tụ thành chất lỏng trong cùng đơn vị thời gian. Đó chính là hiện tượng bão hòa. Cân bằng trong các phản ứng hóa học cũng có tính chất động như thế.
Với khái niệm cân bằng như vậy, Lơ Satơliê (Le Chatelier, 1884) và Bơrôn (Braun, 1886) nêu ra nguyên lý chuyển dịch cân bằng như sau (áp dụng cho mọi cân bằng lý, hóa bất kỳ. Dĩ nhiên chỉ đối với cân bằng thực). Một hệ ở trạng thái cân bằng bền nếu chịu một tác động từ bên ngoài làm thay đổi một điều kiện nào đó trong các điều kiện qui định vị trí của cân bằng thì hệ sẽ chuyển sang trạng thái nào làm yếu ảnh hưởng của tác động gây ra và vị trí của cân bằng sẽ chuyển dịch sang phía đó.

Johann Josef Loschmidt
Johann Josef Loschmidt.jpg
Johann Josef Loschmidt
Sinh ra 15 tháng 3 năm 1821
Putschirn, đế chế Áo (nay là Počerny, Karlovy Vary , Cộng hòa Séc )
Chết 8 tháng 7 năm 1895 (74 tuổi)
Vienna , Áo-Hungary
Quốc tịch Người Áo
Được biết đến với
Sự nghiệp khoa học
Lĩnh vực hóa học , vật lý
Henri Louis le Chatelier
Sinh 8 tháng 10 năm 1850
Pháp
Mất 17 tháng 9, 1936 (85 tuổi)
Pháp
Ngành Hóa học
 
Nổi tiếng vì Nguyên lý chuyển dịch cân bằng le Chatelier
Giải thưởng ForMenRS
Theo lý thuyết Boltzmann, nếu khối khí ở thời điểm ban đầu do nằm trong trạng thái khác với trạng thái cân bằng nhiệt động học thì sự tiến triển tiếp theo của hệ này sẽ diễn ra sao cho entrôpi của hệ tăng. Điều này sẽ xảy ra, chẳng hạn nếu tất cả các phần tử chỉ chiếm một phần bình hay tất cả chúng đều có một tốc độ nào đó… Nhưng các định luật cơ học không ngăn cản chúng ta giả thiết là ở một thời điểm nào đó các tốc độ của tất cả các phân tử sẽ biến đổi hướng thành hướng ngược lại, bởi vì các hiện tượng cơ học là thuận nghịch. Lúc đó sự tiến triển của chất khí phải đổi hướng ngược lại, nghĩa là entrôpi sẽ giảm. Từ đó Loschmidt rút ra kết luận entrôpi có khả năng tăng giống khả năng giảm, do đó, sự tiến triển của chất khí không nhất thiết phải diễn ra theo một hướng xác định như lý thuyết của Boltzmann khẳng định. Nói cách khác, tính thuận nghịch của các hiện tượng cơ học không cho phép áp dụng chúng để giải thích các quá trình nhiệt động học không thuận nghịch.
Lập luận này của Loschmidt đã gây ra nhiều cuộc tranh luận, và sự đa dạng của các lý lẽ được đưa ra để bác bỏ “nghịch lý thuận nghịch” rõ ràng cho thấy rằng người ta không thể có thái độ thiếu nghiêm túc đối với vấn đề này. Một số tác giả cho rằng sự đảo ngược quá trình tiến hóa của chất khí chỉ có thể xảy ra nếu đồng thời tất cả các quá trình trong toàn Vũ Trụ đều đảo ngược: “chỉ cần sao cho một phân tử ở sao Thiên Lang thay đổi chuyển động của mình là hầu như ngay lập tức chất khí của chúng ta rời khỏi trình tự các trạng thái mà nó tuân theo cho đến lúc đó. Do đó, sự đảo ngược quá trình tiến hóa tự nhiên thực tế không thể thực hiện được…” Chúng ta không thể tin vào lập luận này bởi vì các kết luận của lý thuyết động học chất khí được rút ra trên cơ sở giả thiết cho rằng khối khí đang xét hoàn toàn cô lập với thế giới xung quanh và không chịu bất kỳ một tác động bên ngoài nào. Do đó những sự kiện xảy ra trên sao Thiên Lang không thể được đưa ra để ủng hộ nghịch lý Loschmidt. Nhưng điều phản đối này là không có cơ sở bởi vì cơ học cổ điển, và nói riêng, lý thuyết động học chất khí khảo sát những trạng thái đã lý tưởng hóa, và trong phạm vi những lý thuyết này ta phải chấp nhận là có thể diễn ra sự đảo ngược chặt chẽ quá trình tiến hóa.
(Còn tiếp)
--------------------------------------------------------------
vào lúc
Nhãn:

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét

Đăng ký: Đăng Nhận xét (Atom)