TT&HĐ V - 47/k

 

Lịch Sử và Cấu Trúc Của Vũ Trụ | 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 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)

Giả sử có một mol hạt bị nhốt trong một quả cầu rỗng. Theo qui ước của nhiệt học, mol hạt và dung tích của quả cầu hợp thành một hệ nhiệt động. Mặt trong của quả cầu có tính cách ly lý tưởng (không thấu nhiệt, không co giãn, nhưng hoàn toàn đàn hồi). Như vậy hệ nhiệt động trong quả cầu trở thành hệ cô lập lý tưởng như chúng ta mong muốn. Hơn nữa, chúng ta qui ước hệ cô lập ấy đang ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong điều kiện:

PV = RT

(với P, V , T là các tham số áp suất, thể tích, nhiệt độ của trạng thái ấy

          R là hằng số khí lý tưởng)

Ở đây, cần nói lại lần nữa rằng, không thể có cách nào ngăn chặn được tương tác cơ học giữa hệ nhiệt động đã bị cô lập đến mức tối đa với môi trường bên ngoài, bởi vì đó là một hiện tượng tất yếu đảm bảo cho hệ cô lập đó tồn tại và bảo toàn. Nói cách khác, không thể loại trừ được nguyên nhân làm xảy ra hiện tượng tương tác cơ học giữa hệ nhiệt động cô lập tối đa và môi trường ngoài, bởi vì nguyên nhân đó chính là yêu cầu nghiêm ngặt về chuyển hóa KG làm cho các hạt  phải vận động đến tận cùng khả năng của chúng, đứng yên (và xoáy cực đều) là tạm thời, lan truyền trong kg là thường xuyên.

Suy ra từ qui ước, kg của hệ cân bằng nhiệt động cô lập đang xét được coi là thuần túy Ơclít, các trong đó coi  như chuyển động thẳng, va chạm nhau tạo nên một chuyển động hỗn loạn đến mức độ nào đó và ổn định ở mức đó. Tuy nhiên, xét về mặt năng lượng thì khi hệ cô lập ổn định ở trạng thái cân bằng nhiệt động, mật độ năng lượng phải đồng nhất trong toàn kg của hệ.

Bỏ qua năng lượng của môi trường kg (cho bằng 0) thì năng lượng toàn phần của hệ là:
   MC²=nm₁c2

với m₁ là khối lượng của hạt

      n là tổng số hạt   có trong hệ (số Avôgadrô)

Như chúng ta đã quan niệm, môi trường kg có cấu trúc mạng khối (nghĩa là cũng mang tính lượng tử). Vì vậy thể tích kg của hệ cô lập đang xét được biểu diễn:

V*=Na₁

với a₁ bằng 2^{V lần} lượng tử thể tích của hệ cô lập, tương đương với thể tích của hạt kg . N là tổng số các lượng tử a₁. Đương nhiên N>n.

Nếu ký hiệu  (đọc là “rô”) là mật độ năng lượng của hệ cô lập cân bằng nhiệt động thì:

Về mặt vật chất, rõ ràng là có sự phân bố đồng nhất trong hệ cô lập cân bằng nhiệt động. Tuy nhiên, đó không phải là một cảnh tĩnh tại. Vận động vật chất trong hệ đâu đâu cũng xảy ra và xảy ra thường xuyên.

Hạt lan truyền tự do trong chân không bao giờ cũng với vận tốc c. Nhưng trong một hệ có kg bị cô lập và khống chế bởi các hạt khác, chúng phải lan truyền với những vận tốc có giá trị khác nhau và thường xuyên đổi hướng do có va chạm giữa chúng với nhau và với mặt cầu cách ly hệ. Như vậy, khi vận tốc trong hệ cô lập, năng lượng toàn phần của một hạt vẫn là một bất biến, nhưng sự chuyển hóa giữa hai thành phần năng lượng: nội năng (năng lượng xoáy) và động năng của nó, thường xuyên chuyển hóa qua lại nhau. Có thể viết mối quan hệ giữa các năng lượng ấy bằng biểu diễn quen thuộc:

m₁c²=m₀₁c²+m₁v²

với v là vận tốc tịnh tiến của hạt , có giá trị nào đó trong khoảng từ 0 đến c.

Khi v=0, hạt  “đứng” một chỗ và xoáy nội tại mạnh nhất có thể (không nên nghĩ khi va chạm, hạt mới có v=0, cần phải hiểu thuật ngữ “va chạm” một cách linh động bởi vì hai hạt  trong thực tại không thể tiếp xúc với nhau được như hai vật vĩ mô do nguyên lý ưu tiên lan truyền trong chuyển hóa KG làm xuất hiện một hiệu ứng đẩy “từ xa” giữa chúng). Khi v=c, sự xoáy nội tại của hạt  bằng 0 (tạm thời không thể hiện nội tại!).

Chính vì thế mà dù có sự phân bố đều đặn năng lượng toàn phần trong hệ cô lập thì vận động vật chất trong đó vẫn được bảo toàn.

Khi hệ cô lập trong trạng thái cân bằng nhiệt động thì tổng hòa các tương tác xảy ra trong đó mang tính đối xứng (đúng hơn, gọi là tương phản đối ứng). Tính đối xứng tương tác ấy thể hiện rõ nhất ở hệ cô lập dạng cầu. Chẳng hạn, có thể hình dung rằng trên bất cứ phương nào qua tâm hệ cũng đều có một cặp động năng tác động trái chiều nhau, tạo nên một cặp lực cùng độ lớn nhưng ngược chiều, cùng lúc gây áp lực lên mặt cầu. Hay có thể thấy, tổng véctơ các áp lực lên mặt cầu bằng 0. Chúng ta cho rằng đặc tính này đã tác động đến giá trị động năng trung bình cũng như giá trị nội năng trung bình của các hạt trong hệ phải bằng nhau. Nếu gọi động năng trung bình là  và nội năng trung bình là  thì:

Vì

Nên:

Gọi mật độ động năng trung bình trong hệ là  thì có thể viết:

Phân tích kết quả của quá trình triển khai thành nhóm theo ý chúng ta:

Có thể viết lại nhóm thứ ba thành một biểu diễn có hai vế:

Ở vế đầu, thành phần  chính là lượng tử diện tích của mặt cầu, thành phần còn lại không khác lực ly tâm của một hạt quay quanh tâm cầu, tác động lên lượng tử diện tích mặt cầu. Lực đó tương đương với tiềm lực của một hạt đang lan truyền tự do trong chân không, nhân với . Có thể kết luận rằng, nhóm thứ ba biểu diễn một “lượng tử” áp lực của hệ cô lập tác dụng lên một lượng tử diện tích của mặt cầu. Còn nhóm thứ hai đóng vai trò như một hệ số điều chỉnh theo hướng giảm độ lớn của lượng tử áp suất ấy.

Chung qui lại, nếu gọi P là áp suất của hệ tác động lên mặt cầu và nhớ lại những ký hiệu ở trên thì sẽ viết được một biểu diễn ngắn gọn hơn:

Chuyển đổi lại một chút sẽ có được phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử viết cho một mol khí:

(với  trong trường hợp mol hạt đóng vai trò khí lý tưởng)

Vì PV=RT (phương trình trạng thái khí lý tưởng) nên cách viết thứ hai của phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử là:

với k là hằng số Bônzơman.

Để tìm lại các giá trị R, n, k… chúng ta đưa phương trình cơ bản viết cho 1 mol về điều kiện tiêu chuẩn:

         

Biết khối lượng của một hạt  là:

m₁=0,2048.10^-28

Với số Avôgadrô là n thì khối lượng thực của một mol hạt  bằng:

n.m₁=n.0,2048.10^-28

Biết khối lượng thực của nguyên tử cácbon là 20.10^-24 g thì xác định được khối lượng thực của một đơn vị khối lượng tính theo thang đơn vị cácbon (dvc) bằng:

Vậy khối lượng thực của một mol hạt  là:

Từ đó số Avôgadrô được xác định là:

Có một ngộ nhận “chết người”! Thể tích Na₁ là lượng thể tích thực, với a₁ (thể tích chiếm chỗ của đóng vai trò lượng tử đơn vị của nó). Phải cho rằng lượng tử thể tích thật sự trong thực tại phải là a_o với a₁=2a_o. Theo qui ước về đơn vị thể tích thì a_o phải có số trị 1. Muốn thế, cần phải có biểu diễn:

với V là thể tích thực của hệ cô lập đang xét, viết theo thang đo thể tích có đơn vị đo qui ước là 1cm³.

(Đó là kết quả suy đoán bắt chước theo cách Planck: “Hành động của sự tuyệt vọng”!!!)

Từ biểu diễn suy đoán đó, sẽ có:

Hay:

Nếu ở điều kiện tiêu chuẩn, V_o=22,4.10³ cm³, thì P_o sẽ bằng:

Chúng ta có quyền chọn điều kiện tiêu chuẩn mới, nếu không đúng hơn thì cũng… để cho tiện hơn:

P_o=10⁶ g/cms²

V_o=22,6492416.10³ cm³

Bước đột phá ngoạn mục của Planck là trong điều kiện quan niệm vật chất liên tục, năng lượng liên tục đã trở thành truyền thống và đang ở thế hoàn toàn áp đảo trong vật lý học, và chính ông cũng đang tin tưởng sâu sắc vào điều đó, đã đưa ra được khái niệm về lượng tử năng lượng.

Triết học duy tồn, bằng con đường suy lý thuần túy đã đi đến khẳng định: lượng tử vật chất là một thực tại khách quan, và như vậy, năng lượng cũng dứt khoát không thể liên tục. Hơn nữa năng lượng không thể tồn tại ngoài vật chất, vì nó thực ra chỉ là hình ảnh khác của vật chất, là vật chất trong tình trạng vận động.

Như chúng ta đã quan niệm, lượng vật chất nhỏ nhất có thể tồn tại độc lập (xét trong dạng thể hiện là KG của không gian) chính là hạt . Nếu Planck đưa ra biểu diễn:

Thì chúng ta cũng học đòi, đưa ra biểu diễn:

Một cách hoàn toàn hình thức và hú họa, chúng ta biến đổi đại lượng m_ec² để dò tìm giá trị của h và :

Phân ra như thế để thành phần đầu có được thứ nguyên của hằng số h (là ) và thành phần sau có được thứ nguyên của tần số (là ).

Đưa giá trị bằng số của d_e và t_e vào, rồi tiếp tục biến đổi:

       

Từ đó, có thể viết:

Trong các tài liệu vật lý học ngày nay, hằng số Planck được xác định:

Để cho phù hợp, chúng ta lấy 0,64.10^-26 () làm hằng số đó, và có:

Với:

(Hz đọc là “hec”, bằng )

Cứ cho là chúng ta đã thành công khi qua được năng lượng toàn phần của từ dạng m­_ec² về dạng, tương tự như dạng mà Planck đã đưa ra, nhưng đó là tự nhiên hay giả tạo, và hơn nữa khi viết dưới dạng thì ta nói về môi trường, khi viết dưới dạng m­_ec² thì ta nói về thực thể, nếu đó là một thực tại khách quan thì duyên cớ nào đã làm cho h* phải tăng lên 10²⁰ lần và phải giảm xuống 10^-20 để về với dạng mà vật lý hiện đại đã hoàn toàn công nhận sự đúng đắn của nó?

Theo quan niệm của chúng ta, tốc độ lan truyền của bằng c - vận tốc cực đại tuyệt đối trong Vũ Trụ thực tại – và:

        

Từ đó có thể hình dung: bước sóng ngắn nhất có thể tồn tại trong Vũ Trụ là 3.10^-28 và tần số cao nhất có thể tồn tại trong Vũ Trụ là 10³⁸ dao động trong 1s.

Đối với các bức xạ điện từ, do vận tốc lan truyền của chúng xấp xỉ bằng c hoặc đúng bằng c, nên tồn tại mối quan hệ giữa bước sóng (biểu hiện của chuyển động di dời) và tần số (biểu hiện của vận động xoáy nội tại): tăng thì giảm một cách tương ứng, và ngược lại, sao cho c không đổi, hay năng lượng toàn phần không đổi. Tuy nhiên có thể suy đoán rằng, mỗi loại bức xạ điện từ đều có một tần số cực đại, do đó có một bước sóng cực tiểu đặc trưng cho nó, và khi lan truyền tự do trong chân không thì sự lan truyền đó luôn mang giá trị tần số và bước sóng đó. Khi một bức xạ điện từ lan truyền từ môi trường chân không sang môi trường khác (gọi là chiết quang hơn) thì tùy thuộc vào điều kiện của môi trường ấy, không những vận tốc lan truyền của bức xạ phải nhỏ hơn c mà bước sóng và tần số lan truyền cũng phải biến đổi giá trị cho phù hợp. Có thể suy rộng: một bức xạ điện từ lan truyền “tự do” trong bất cứ môi trường thuần nhất và “mở” (không cô lập) nào cũng được đặc trưng bởi một tần số và bước sóng xác định. Khi lan truyền trong môi trường chiết quang hơn, bức xạ điện từ phải giảm xuống tốc độ c'<c (đo theo đơn vị thời gian của hệ quan sát đặt trong chân không), và nếu năng lượng toàn phần của nó không đổi (nó vẫn là nó) thì cường độ vận động nội tại của nó phải tăng lên một cách tương ứng. Có thể gán cho vận động (chính là sự xoáy) nội tại của một bức xạ điện từ một vận tốc chu vi biểu kiến nào đó, và khi cường độ xoáy nội tại của bức xạ điện từ tăng lên thì chỉ có thể là vận tốc chu vi đó tăng lên về giá trị (đây chính là nguyên nhân sâu xa nhất của hiện tượng khúc xạ). Rõ ràng, theo góc độ nhìn nhận này thì tần số của bức xạ không tăng. Tuy nhiên nếu đo theo đơn vị thời gian của môi trường mà bức xạ đang lan truyền trong đó thì khi bước sóng lan truyền của bức xạ thay đổi so với giá trị của nó trong chân không, tần số lan truyền cũng phải thay đổi theo sao cho vận tốc của bức xạ cũng được thấy là bằng C.

(Còn tiếp)
----------------------------------------------------------------