TT&HĐ V - 47/f

 

Tia vũ trụ là gì ? Sự nguy hiểm cực độ của tia vũ trụ với trái đất

Tia vũ trụ - Nghiên cứu mới của các nhà thiên văn học chỉ ra Trái Đất thường xuyên chịu sự công phá của những hạt năng lượng cao trong tia vũ trụ, do hố đen siêu lớn ở trung tâm dải Ngân Hà sinh ra.

 

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 VIII (XXXXVII): NÓNG – LẠNH

“Nhiệt thể hiện ở chuyển động của các hạt vật chất.”

M.V. Lômônôxốp

 

“Tính chất kỳ lạ nhất của năng lượng là khả năng biến đổi của nó. Một trong những dạng phổ biến nhất của năng lượng trong tự nhiên là năng lượng chuyển động hay động năng. Năng lượng nhiệt là nguồn dự trữ động năng của các phân tử hoặc nguyên tử chuyển động hỗn loạn và liên tục.”

K.A Gladkov

 

"Tôi thích sự ngu dốt nhiệt tình hơn là sự thông thái thờ ơ".

Anatole France

 

"Trong sâu thẳm mùa đông, cuối cùng tôi cũng hiểu được trong tôi có mùa hè bất diệt".

Albert Camus

 

" Phần lớn con người sống cuộc đời tuyệt vọng trong im lặng, và rồi xuống mồ khi trong mình vẫn còn vang điệu nhạc".

Henry David Thoreau

 

"Không có đam mê, bạn không có năng lượng; không có năng lượng, bạn không có cái gì. Không có gì tuyệt vời trên thế giới được làm xong mà không có đam mê trong đó".

Donald Trump

 

"Hãy nuôi dưỡng hy vọng vì không có hy vọng sẽ không có nhiệt huyết. Nhiều khi chỉ cần một tia hy vọng cũng làm rực sáng cả bầu nhiệt huyết trong lòng người, soi rọi những thành quả lớn lao".

NTT

 

"Không thể tưởng tượng ra một Vũ Trụ vô tỉ! Chỉ khi nào vật lý học thừa nhận rằng các hằng số Vũ Trụ phải là những con số xác định (không vô tỉ), thì lúc đó nó mới có khả năng nhận thức được chân xác Vũ Trụ".

NTT 

 

 

(Còn tiếp)

Hãy xét một trường hợp cụ thể là tăng nhiệt độ (khối lượng khí là không đổi). Lúc đó tích p.v của vế trái tăng lên. Nếu giữ cho p không đổi thì v phải tăng và ngược lại, nếu giữ cho v không đổi thì p phải tăng. Bằng cách nào thể tích v tăng lên được khi khối lượng của khí không tăng (cũng có nghĩa là năng lượng toàn phần của nó không tăng)? Có thể thấy trong trường hợp giữ nguyên v và p tăng, thì sự tăng ấy chỉ có thể là do vận tốc trung bình của các phân tử tăng lên, nghĩa là xảy ra sự chuyển hóa năng lượng toàn phần trung bình của phân tử theo chiều làm tăng động năng trung bình của chúng. Chỉ có nguyên nhân duy nhất làm cho động năng trung bình tăng là số lần va chạm trung bình trong một đơn vị thời gian giữa các phân tử với nhau tăng lên, hay nói cách khác là mức độ hỗn loạn của chuyển động nhiệt tăng lên. Nhiệt học nói rằng sự tăng này biểu hiện ra là sự tăng nhiệt độ, hay: nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho mức độ hỗn loạn của chuyển động nhiệt.

Chúng ta không thể phủ nhận được nhiệt độ của khối khí tăng là do có sự nung nóng từ bên ngoài, nhưng vẫn không thể hiểu được cách thức cụ thể làm tăng nhiệt độ khối khí của sự nung nóng thông qua thành bình chứa không khí. Dễ hình dung: vì thành bình có cấu trúc chặt chẽ hơn nên mức độ hỗn loạn của chuyển động của các phân tử, nguyên tử cấu thành nên nó khó hỗn loạn hơn mức độ hỗn loạn của chuyển động nhiệt trong khối khí, dẫn đến nhiệt độ của bình thấp hơn nhiệt độ của khí. Vậy làm thế nào thành bình làm tăng nhiệt độ của khối khí được?

Bây giờ, chúng ta xét trường hợp giữ p không đổi và v tăng khi T tăng. Muốn thế, phải tạo điều kiện cho khối khí giãn nở một cách tương ứng với sự tăng nhiệt độ, sao cho phương trình cơ bản của khí lý tưởng luôn nghiệm đúng. Tuy nhiên, thể tích tăng lên sẽ làm cho xác xuất va chạm giữa các phân tử giảm xuống dẫn đến mức hỗn loạn của chuyển động nhiệt, nghĩa là nhiệt độ của khối khí giảm theo. Điều suy lý đó cho thấy hình như sự tăng nhiệt độ đã không tương xứng với sự tăng thể tích của khối khí và quá trình đó không thỏa mãn phương trình cơ bản của khí lý tưởng. Thế nhưng thực nghiệm chứng tỏ rằng trường hợp này vẫn xảy ra và không xâm phạm đến phương trình cơ bản của khí lý tưởng (định luật Gay-lussac). Vậy thì có nên nghi ngờ quan niệm của nhiệt học, cho rằng nhiệt độ là biểu hiện mức độ hỗn loạn của chuyển động nhiệt?

Thuyết động họcphân tử khí là bộ phận không thể thiếu được trong nội dung của nhiệt học.

Dựa vào các sự kiện thực nghiệm và quan niệm theo thuyết động học phân tử khí, người ta đã thiết lập được một phương trình đối với khí lý tưởng, đóng vai trò là linh hồn của thuyết đó và được gọi là “phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử các chất khí”.

Dạng tổng quát của nó là:

với: p là áp suất

        n_o là mật độ phân tử khí

        là động năng tịnh tiến trung bình của một phân tử

Vì theo vật lý học:

(với m là khối lượng của phân tử khí)

Nên phương trình tổng quát trên còn có thể viết:

Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng có thể rút ra:

với M ở đây là khối lượng của khối khí.

Kết hợp với phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử, chúng ta sẽ có biểu diễn:

Từ đó suy ra:

Nhân và chia vế cuối của biểu diễn cho thì sẽ có biểu diễn áp dụng cho một mol khí:

với N là số Avôgadrô

Có lẽ hai biểu diễn trên đã hướng người ta đến quan niệm: nhiệt độ là thước đo động năng trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử, hay: nhiệt độ là thước đo mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử.

Amedeo Avogadro
Sinh	9 tháng 8, 1776 Turin, Ý
Mất	9 tháng 7, 1856 (79 tuổi) Turin, Ý
Ngành	Vật lý

Chúng ta cho rằng quan niệm đó về nhiệt độ là một ngộ nhận hoặc nếu có đúng thì chỉ đúng ở góc độ hình thức nào đó và cũng chỉ trong một phạm vi hạn hẹp. Bởi vì trong quá trình thiết lập phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử, người ta đã “vô tình” làm cho đại lượng thể tích mất đi (chỉ còn tiềm ẩn trong mật độ n_o) và mặc nhiên cho n_o là không đổi. Và khi kết hợp phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử với phương trình trạng thái khí lý tưởng, để đi đến hai biểu thức áp dụng cho một mol khí, người ta không những triệt tiêu luôn sự hiện diện của n_o mà cả áp suất p - hai đại lượng mà nếu không có chúng thì sẽ không tạo ra các điều kiện làm xuất hiện hiện tượng dẫn đến việc thiết lập các biểu diễn toán học ấy. Làm như thế, rõ ràng đã khỏa lấp trường hợp biến đổi trạng thái đẳng áp của khối khí và phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử chỉ áp dụng đúng riêng cho trường hợp biến đổi trạng thái đẳng tích của khối khí mà thôi.

Đối chiếu hai phương trình (phương trình trạng thái và phương trình cơ bản) viết cho một mol khí lý tưởng, chúng ta còn rút ra biểu diễn:

Có thể diễn dịch biểu diễn đó như sau: trong một không gian cô lập hoàn toàn với bên ngoài, nhưng thỏa mãn điều kiện các giá trị tuyệt đối của các phân tử khí phải được bảo toàn (kể cũng lạ!!!) có thể tích v (v không phải là tổng thể tích của các phân tử!) và nhiệt độ T, tồn tại một động năng bằng tổng động năng của N phân tử khí mà hai phần ba lượng động năng đó tạo ra một áp suất là p. Cũng có thể diễn dịch theo cách thứ hai: tích pv là một hàm của nhiệt độ T và nó luôn bằng hai phần ba tổng động năng của N phân tử khí mà mỗi phân tử khí có động năng coi như bằng . Diễn dịch này dẫn chúng ta đến một hình dung. Giả sử vùng không gian có thể tích v không đổi đó không bị cô lập với bên ngoài về mặt truyền nhiệt và do ảnh hưởng về nhiệt của môi trường bên ngoài mà mol khí chuyển hóa trạng thái, có nhiệt độ chuyển từ T₁ sang T₂ . Theo biểu diễn vừa nêu, chúng ta viết:

Vế đầu diễn tả sự va chạm của các phân tử với vách ngăn cách vùng không gian có thể tích v và môi trường ngoài. Đó là những va chạm đàn hồi hoàn toàn theo điều kiện đã cho nên có thể biểu diễn vế đầu tiên dưới dạng “công” A (với A=F.s). Vế cuối biểu diễn lượng động năng có mối quan hệ nhân - quả với công A, và để cho đơn giản có thể ký hiệu nó là w. Vế giữa không biết là cái gì nhưng chắc chắn phải là biểu diễn về một lượng gì đó có thứ nguyên năng lượng, tương đương với công A và động năng w. Hơn nữa sự xuất hiện của nó có nguyên nhân từ sự biến đổi nhiệt độ. Vậy, chúng ta gọi nó là “nhiệt lượng” (người ta gọi là năng lượng nhiệt!) và ký hiệu là Q. Từ những qui ước đó, chúng ta có một biểu diễn hình thức:

A=Q=w

Theo nhiệt học, nếu T₂>T₁, thì có sự truyền từ môi trường vào vùng không gian cô lập một nhiệt lượng là Q. Lượng Q tác động đến các phân tử khí làm sinh ra lượng động năng w. Lượng động năng này chuyển hóa thành công A khi các phân tử khí va chạm với vách ngăn, tác động đến các phần tử của vách ngăn làm động năng của các phần tử này tăng lên, đồng thời theo nguyên lý tác động tương hỗ thì các phần tử này cũng lại tốn một công đúng bằng A làm phục hồi lại động năng của các phân tử khí tham gia va chạm. Ở đây, một câu hỏi được đặt ra: thực chất thì lượng Q được truyền từ môi trường ngoài vào vùng không gian cô lập như thế nào?

Nếu đặt nhiệt kế vào vùng không gian cô lập thì sẽ thấy sự tăng nhiệt độ. Nhưng điều cần biết ở đây là lượng nhiệt truyền vào vùng không gian trực tiếp làm tăng nhiệt độ hay trước hết nó làm cho mức chuyển động hỗn loạn tăng lên (số phân tử khí va đập vào nhiệt kế trong một đơn vị thời gian) và chính mức chuyển động hỗn loạn tăng lên mới trực tiếp làm tăng nhiệt độ? Nhiệt mà phải thông qua sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí để thể hiện nhiệt độ chứ không trực tiếp thể hiện được thì thật là quá ư khôi hài! Vậy, chỉ còn một cách nghĩ: nhiệt lượng Q của môi trường ngoài, khi vào vùng không gian cô lập đã chuyển hóa thành lượng động năng w. Nhưng thực chất, lượng động năng w xuất hiện lại hoàn toàn có nguyên nhân từ sự biến dạng năng lượng toàn phần của mol khí. Nghĩa là trong không gian cô lập không hề tồn tại lượng Q một cách độc lập và phi vật chất.

Thế thì nguyên nhân nào làm cho năng lượng toàn phần của mol khí bị biến dạng theo hướng làm tăng động năng của các phân tử khí? Chỉ có thể là vách ngăn cách vùng không gian cô lập với môi trường ngoài nếu trong vùng không gian cô lập không còn gì khác ngoài các phân tử khí. Sự biến dạng năng lượng toàn phần của vách ngăn theo hướng động năng của các phân tử, nguyên tử cấu thành nên nó tăng lên, và từ đó tác động mạnh hơn đến các phân tử của mol khí. Tương tự như vậy, đến lượt nguyên nhân làm biến dạng năng lượng toàn phần của vách ngăn theo lượng làm tăng động động năng của các vi hạt của nó là do biến dạng năng lượng của vùng không gian lân cận bao quanh vách ngăn của môi trường ngoài theo hướng tăng động năng của các vi hạt của môi trường.

Suy luận đến đây, chúng ta cho rằng bản chất của các đại lượng: nhiệt độ, nhiệt lượng, cũng như của cái gọi là sự truyền nhiệt có vẻ như đã bắt đầu hé lộ.

Bằng bất cứ cách nào, miễn làm tăng động năng trung bình (vận tốc trung bình) các vi hạt của một khối khí, khối nước hay một vật của khối khí, khối nước hay của vật sẽ tăng lên. Như vậy, nhiệt độ là sự thể hiện mức độ chuyển động hỗn loạn của các vi hạt, nhiệt độ càng cao thì mức độ hỗn loạn đó càng cao và ngược lại. Do cấu trúc phi Ơclit của Vũ Trụ ở tầng vi mô mà nhiệt độ tuyệt đối bằng 0 (T=0 ^oK) chỉ khi động năng trung bình của các vi hạt trong khối khí, khối nước hay vật tuyệt đối bằng 0, và đó là hiện tượng không bao giờ có thể xảy ra được trong Vũ Trụ thực tại. Một cách hình thức, có thể nói nhiệt được truyền đi nhưng cần hiểu rằng thực chất là động năng được truyền đi nhờ va chạm giữa các vi hạt. Cái gọi là nhiệt lượng hay nhiệt năng thực chất là hai phần ba tổng lượng động năng của các phân tử khí đối với chất khí, hay theo những tỷ lệ nào đó đối với chất lỏng cũng như chất rắn. Sự tồn tại và lan truyền của “chất nhiệt phi khối lượng” là ảo tưởng bao nhiêu thì sự tồn tại và lan truyền của nhiệt năng phi vật chất cũng ảo tưởng bấy nhiêu.

Quan niệm về nhiệt và nhiệt độ như trên có thể đúng nhưng chưa “hoàn hảo”. Không ít hiện tượng về nhiệt rất khó hiểu nếu dựa trên quan niệm đó. Chẳng hạn nung nóng một cục sắt rồi đặt vào một chỗ kín gió và không có nắng. Tất nhiên nhiệt độ của cục sắt hạ dần xuống do nó truyền nhiệt ra xung quanh. Nhưng hình như khi nhiệt độ của cục sắt bằng với nhiệt độ môi trường rồi thì nó vẫn tiếp tục hạ nhiệt độ và trở thành lạnh hơn so với không khí xung quanh nó. Có xảy ra như vậy không và nếu có vậy thì phải chăng nguyên nhân là do hiện tượng thu - phát bức xạ điện từ? Để cục sắt đó ngoài nắng (không khí) thì dần dần cục sắt đó sẽ nóng hơn môi trường không khí xung quanh nó, thậm chí là nóng bỏng tay. Có thể giải thích là vì cục sắt đó nhận được nhiều bức xạ Mặt Trời. Vậy thì mức độ hỗn loạn trong vận động của các phân tử, nguyên tử của cục sắt có lớn hơn mức độ hỗn loạn của các phân tử khí xung quanh cục sắt ấy không? Đây có lẽ là câu hỏi hay nhất về nhiệt: ở tầng cấu trúc vi mô nào của vật chất thì một thực thể vật chất không còn cảm nhận được nhiệt nữa?

Phải chăng cần phải tìm nguyên nhân làm xuất hiện nhiệt độ và sự tăng giảm nhiệt độ ở tầng vi mô sâu hơn nữa, dưới phân tử, nguyên tử và thậm chí là dưới cả điện tử: tầng hiện hữu các bức xạ điện từ?

Vào cuối thế kỷ XIX, các nhà vật lý quan niệm rằng vật chất và bức xạ điện từ (một dạng năng lượng) có thể tồn tại độc lập với nhau. Quan niệm đó tất yếu dẫn đến phải cho rằng chúng không thể tương tác với nhau được. Tuy nhiên, mọi hiện tượng vật lý diễn ra trong thiên nhiên lại chỉ ra rằng vật chất và bức xạ gắn bó mật thiết với nhau và giữa chúng thường xuyên xảy ra tương tác. Để hiểu thấu đáo bản chất vật chất và bức xạ, các nhà vật lý buộc phải đi sâu nghiên cứu cơ chế tương tác giữa chúng.

Điện động lực học Mắcxoen, quang học cũng như quang phổ học lúc đó dù có phát hiện và tìm cách giải thích được một số biểu hiện thuộc tầng sâu vi mô trong nội tại vật chất và mối quan hệ giữa vật chất và bức xạ, nhưng còn rất hạn chế, nhất là trong trong việc tìm hiểu qui luật của hiện tượng thu - phát bức xạ. Hơn nữa, những lý thuyết ấy đã tỏ ra bất lực trong việc giải quyết những hiện tượng khác lạ, mới nảy sinh liên quan đến cấu trúc vi mô của vật chất.

Trong tình hình đó, các nhà vật lý đã chuyển hướng tập trung nghiên cứu đến nhiệt động lực học, một lý thuyết đáng tin cậy vì đã kinh qua thử thách trong nhiều năm, và họ cũng thấy ở đó một tiềm năng giúp tiến sâu vào thế giới vi mô.

Sau đây, chúng ta sẽ kể tóm tắt quá trình các nhà vật lý đi khám phá bản chất của hiện tượng mà họ gọi là “bức xạ nhiệt” để rồi từ đó làm bùng phát một cuộc cách mạng long trời lở đất về nhận thức tự nhiên. Nhưng trước hết chúng ta sẽ liệt kê một số khái niệm, qui ước đóng vai trò mở đường.

Mức độ bức xạ (hay phát xạ) của một vật được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là “công suất bức xạ”, ký hiệu: , tức là năng lượng toàn phần mà vật bức xạ theo mọi phương ra môi trường xung quanh trong một đơn vị thời gian. Nếu gọi là công suất bức xạ ra bức xạ có bước sóng thì:

Nếu kích thước của 2 nguồn bức xạ nào đó khác nhau thì dù công suất bức xạ của chúng có bằng nhau, cũng không được coi là tương đương nhau. Nghĩa là chỉ với thôi, vẫn chưa đủ đặc trưng cho nguồn bức xạ. Do đó, để so sánh các nguồn, người ta xây dựng thêm khái niệm “năng suất bức xạ” (hay độ trưng năng lượng và độ chói năng lượng). Theo định nghĩa, năng suất bức xạ toàn phần E của một nguồn là công suất bức xạ từ đơn vị diện tích mặt ngoài của nguồn phát theo mọi phương. Nếu d là công suất bức xạ từ diện tích nguyên tố d thì:

(Ký hiệu T biểu thị E phụ thuộc nhiệt độ)
(Còn tiếp)
--------------------------------------------------------------------