TT&HĐ V - 47/m

 

Vũ Trụ Thực Chất Rộng Đến Mức Nào | 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)

Hoàn toàn là do ngẫu nhiên nhưng không hẳn là tình cờ mà chúng ta phát hiện được mối quan hệ giữa lượng tử bức xạ và nhiệt độ tồn tại ngay trong phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử. Dù sao đi nữa thì chúng ta không thể không có chút ít vui mừng và tự hào nào về sự phát hiện ấy. Chính vì vậy mà chúng ta đã tự thưởng cho mình bài thơ tự sáng tác ở trên, và bây giờ, để tự nịnh mình một cách… khách quan(?!), chúng ta nhắc lại lời của nhà nghiên cứu lịch sử khoa học tên là Norwood Russell Hanson: “Người quan sát mẫu mực không phải là người thấy và thông báo lại cái những người quan sát bình thường đã thấy và thông báo lại, mà là người thấy trong các sự vật quen thuộc cái chưa ai từng thấy”.

Không phải sau bất cứ sự hoan hỉ, vui thú tưng bừng nào cũng đều có tâm trạng mãn nguyện hoàn toàn. Đúng là như vậy! Lúc này, sau khi đã tự nịnh, tự sướng, tự tung hô vang trời rồi, chúng ta bỗng cảm thấy hời hợt dạ: biết đâu chừng cái biểu thức:

thực ra chỉ là sự trùng hợp ngẫu nhiên mà thôi và cũng chỉ đúng trong điều kiện tiêu chuẩn? Dễ thấy rằng vế trái của biểu thức là một bất biến, R là hằng số, vậy T làm sao biến đổi được?

Trước một câu hỏi như thế mà không chột dạ mới lạ!

Tuy nhiên, sự chột dạ của chúng ta tồn tại không lâu lắm. Bởi vì chính câu hỏi về sự biến đổi nhiệt độ ấy lại gợi ý ra một cách giải thích khả dĩ.

Làm sao mà thay đổi được nhiệt độ của một hệ khi hệ đó đã ở trạng thái cân bằng nhiệt động và nhất là đã bị cô lập một cách lý tưởng? Nên nhớ rằng, phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử ở dạng nguyên thủy chỉ biểu diễn mối quan hệ nhân quả giữa ba đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ cô lập là động năng trung bình của phân tử khí , áp suất P và thể tích V mà không hề đả động gì đến nhiệt độ T_o. Nghĩa là phương trình cơ bản chỉ nêu ra rằng, nếu cho trước một hệ cô lập có thì này không đổi, do đó tích PV của hệ cũng không đổi. Nếu cho V (hay P) tăng (hay giảm) thì P (hay V) buộc phải giảm (tăng theo) một cách tương ứng, sao cho không đổi. Như vậy, T không đổi mặc nhiên là điều kiện tất nhiên của phương trình cơ bản.

Chỉ khi đặt mối liên hệ giữa phương trình cơ bản của nhiệt động học và phương trình trạng thái khí lý tưởng và kết hợp chúng lại với nhau thì từ đó mới rút ra được biểu thức biểu diễn mối quan hệ giữa và T. Vì hay tích PV không đổi nên T cũng không thể biến đổi được. Như vậy, biểu diễn ấy không phải là cảnh được trích ra từ một bộ phim sống động về sự biến đổi của T mà chỉ là bức ảnh chụp trạng thái của một hệ cô lập chứa một mol vào bất cứ lúc nào, với bất cứ trạng thái cân bằng nhiệt động nào của hệ, và bức ảnh đó bao giờ cũng cho thấy duy nhất một giá trị T không đổi.

Giả sử chúng ta làm giảm V, do đó làm tăng P của một hệ nhiệt động có  (không đổi), và quá trình đó tuân theo phương trình cơ bản của nhiệt động học (nghĩa là T không đổi trong suốt quá trình). Thể tích giảm làm áp suất tăng là báo hiệu mật độ phân tử khí của hệ tăng. Có thể nói ngược lại: mật độ phân tử khí tăng (trong khi số lượng phân tử khí không tăng và cả của hệ cũng không tăng) là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự tăng áp suất P của hệ. Theo chúng ta thì hiện tượng này được giải thích như sau: mật độ tăng sẽ làm cho mức hỗn loạn của chuyển động phân tử tăng lên, dẫn đến số lần các va chạm trong đơn vị thời gian của các phân tử khí tăng lên theo, từ đó mà xuất hiện một số phận phân tử khí có động năng cao hơn mức động năng cao nhất khi chưa tăng mật độ, đến đập vào vách ngăn giữa hệ cô lập với môi trường ngoài gây tăng P; tuy nhiên sự tăng động năng ấy phải tuân theo điều kiện (qui luật nào đó) vẫn không đổi.

Chúng ta cho rằng sự giải thích định tính về hiện tượng V giảm, P tăng tuân theo phương trình cơ bản của nhiệt động học như trên là thỏa đáng. Nếu vậy, phải xét lại quan niệm của nhiệt học ngày nay: sự vận động hỗn loạn của phân tử, nguyên tử khí là nguyên nhân làm xuất hiện nhiệt độ (sự nóng – lạnh). Trên cơ sở quan niệm đó không thể giải thích được vì sao trong trường hợp ở trên, rõ ràng là mức độ hỗn loạn trong chuyển động của các phân tử khí tăng lên mà nhiệt độ T không tăng.

Bây giờ, chúng ta chuyển sang giả tưởng khác. Cho một hệ thỏa mãn hệ thức , trong đó chứa một mol khí lý tưởng cô lập về mặt trao đổi vật chất nhưng không cô lập về mặt truyền nhiệt với môi trường ngoài, và đang ở trạng thái có nhiệt độ T. Muốn tăng (hay giảm) T, chúng ta chỉ có cách làm tăng (hay giảm) nhiệt độ của môi trường chứa hệ sao cho nhiệt độ đó cao hơn (hoặc thấp hơn) T. Theo quan điểm của nhiệt học, do có sự truyền nhiệt từ ngoài vào (hoặc từ trong hệ ra) làm cho mức độ hỗn loạn của chuyển động các phân tử khí trong hệ tăng lên (hoặc giảm xuống) mà dẫn đến nhiệt độ T của hệ tăng (hoặc giảm đi).

Quan điểm đó đã vi phạm đến thuyết động học phân tử do chính nhiệt học xây dựng nên. Chỉ cần xét trường hợp T tăng cũng thấy điều đó. Khi T của hệ tăng thì theo phương trình trạng thái khí lý tưởng, tích P.V phải tăng. Nhưng theo phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử thì khi P.V tăng, phải tăng lên một cách tương ứng. Nhưng tăng đồng nghĩa với mức độ hỗn loạn của chuyển động các phân tử khí trong hệ tăng lên, và sự tăng mức độ hỗn loạn này phải liên quan tới sự tăng mật độ phân tử khí. Làm sao tăng mật độ phân tử khí khi không có sự trao đổi chất với bên ngoài trong khi V không giảm mà thậm chí còn tăng? Hơn nữa nhiệt truyền từ môi trường vào hệ bằng cách nào nếu không thông qua sự va chạm giữa các phân tử của vách ngăn và của hệ? Nếu trong quá trình truyền nhiệt vào hệ, bằng cách nào đó cho P không đổi, nghĩa là cho V tăng lên một cách tương ứng, thì quá trình đó chỉ dừng lại khi nhiệt độ môi trường và nhiệt độ của hệ bằng nhau. Khi P không đổi thì có nghĩa lực va chạm tạo ra áp suất của các phân tử trên vách ngăn không đổi nhưng diện tích vách ngăn tăng lên nên số lượng các lực ấy phải tăng lên. Nhưng làm sao mà số lượng lực gây áp suất trên vách ngăn tăng lên được khi mật độ phân tử khí giảm xuống có nguyên nhân từ sự tăng V? Ngoài ra, mật độ phân tử khí giảm xuống thì mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí giảm theo, làm xuất hiện một quá trình tự giảm nhiệt độ của hệ “bên cạnh” sự làm tăng nhiệt độ hệ của môi trường bên ngoài…

Bức tranh với nhiều cảnh mâu thuẫn nhau đến kỳ dị như thế có phù hợp với thực tại không? Chúng ta không tin nó phù hợp với thực tại, và ngay cả thế giới hoang đường cũng không dung túng nó. Bởi vì nó là đứa con ảo tưởng được sinh ra từ sự hôn phối giữa thực chứng cực đoan và suy tưởng mê lầm. Nói toạc ra: tại chính bản thân chúng ta đây còn… dốt, chứ chẳng tại ai cả.

Chúng ta viết lại phương trình trạng thái khí lý tưởng dưới dạng tổng quát của nó:

Với m là tổng khối lượng của các phân tử khí

        là khối lượng của một mol phân tử khí

         

                       là thể tích của một mol phân tử khí

Xét trường hợp cho tích PV tăng trong điều kiện m không đổi. Rõ ràng PV tăng sẽ làm mật độ phân tử khí trong hệ tăng dẫn đến mức độ hỗn loạn của chuyển động phân tử tăng và do đó làm tăng nhiệt độ T. Để tránh tăng nhiệt độ do ma sát, chúng ta tăng PV một cách từ từ chậm rãi, trong điều kiện hệ đã được cách nhiệt (cô lập về mặt truyền nhiệt) với môi trường ngoài. Hỏi: trong “thực tế” nhiệt độ của hệ có tăng theo đúng qui luật mà phương trình tổng quát ở trên chỉ ra không, hay tốc độ tăng không đáng kể, thậm chí là không tăng? Trong đời sống hàng ngày chúng ta thấy rất rõ điều này: hai bình khí áp chứa lượng khí bằng nhau, dù có tích PV khác nhau, vẫn có thể bằng nhau về nhiệt độ. Vậy thì nhiệt độ có liên quan như thế nào đến sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí?

Trong thực tế còn có hiện tượng: khi tăng PV của một bình chứa khí kín, và được cách nhiệt (hệ cô lập về mặt truyền nhiệt và trao đổi vật chất), không thể làm tăng nhiệt độ trong bình lên đến nhiệt độ cần có để tạo ra được lượng PV ấy. Nghĩa là quá trình ấy không tuân theo, ít ra là một cách định lượng, phương trình tổng quát về trạng thái khí. Nói nôm na: quá trình chuyển nhiệt thành công hiệu quả hơn quá trình chuyển công thành nhiệt.

Đến đây, chúng ta xét lại trường hợp tăng nhiệt độ của hệ (bình khí) nhưng không làm tăng PV của nó. Quá trình nung nóng bình không cho phép nó truyền nhiệt ra bên ngoài và nó cũng đang bị cô lập về mặt trao đổi vật chất với bên ngoài. Vậy thì nhiệt “đi đâu” để đảm bảo cho phương trình trạng thái nghiệm đúng? Tuân theo phương trình trạng thái thì chỉ có câu trả lời duy nhất: cho dù có nung nóng lâu bao nhiêu thời gian đi nữa, nhiệt độ trong bình vẫn giữ nguyên số đo như trước khi bị nung nóng. Rất lạ?! Hay là khi tăng T, không thể giữ được PV không đổi?

Nếu đem bình đó đặt vào môi trường có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ T trong bình rất nhiều và nếu bình không cách nhiệt thì nó có truyền nhiệt ra môi trường không? Tất nhiên là có rồi! Khi nhiệt từ trong bình truyền ra ngoài thì mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí trong đó giảm. Nhưng chuyển động hỗn loạn giảm mức độ chỉ khi mật độ phân tử khí trong bình giảm, và vì khối lượng m không đổi nên V phải tăng. Nhưng nếu không cho V tăng? Thì mật độ phân tử khí trong bình không đổi làm cho mức độ hỗn loạn chuyển động của các phân tử khí được bảo toàn và không thể xảy ra sự truyền nhiệt từ trong bình ra môi trường.

Thật là tệ hại! Tất cả mọi ngả đường đi tìm lời biện minh để bảo vệ sự đúng đắn của phương trình trạng thái khí lý tưởng và phương trình cơ bản của thuyết nhiệt động phân tử đều dẫn đến bế tắc! Tương tự như trường hợp của Planck khi ông trong nỗi tuyệt vọng cùng cực, đã phải bám víu vào cái mà ông không muốn bám vì theo quan niệm truyền thống của ông là không thể tưởng tượng nổi, ở đây cũng vậy, tình huống đã đặt ra: là tư duy tỉnh táo cấm lựa chọn cái không thể chọn nhưng vẫn phải “cắm đầu” chọn vì chỉ còn duy nhất cái đó.

Đó là cái tỷ số  hiện diện trong hai phương trình cơ bản của nhiệt động học. Để cứu vãn hai phương trình cơ bản đó vượt thoát khỏi sự “chà đạp” của “trái núi” mâu thuẫn thì phải cho rằng có sự biến đổi khối lượng m trong các quá trình biến đổi nhiệt động của một hệ dù có cô lập hay không cô lập. Chẳng hạn khi nung nóng một hệ trong khi từ bên ngoài tác động sao cho PV không tăng thì nhiệt độ trong hệ vẫn tăng dù có thể là chậm. Nhiệt độ trong hệ tăng kèm theo với sự giảm của m làm cho tỷ số giảm một cách tương ứng, sao cho thỏa mãn hai phương trình cơ bản của nhiệt động học. Hay, chẳng hạn dùng tác động từ bên ngoài làm tăng PV của một hệ để tăng nhiệt độ hệ. Tuy nhiên, quá trình tăng PV đó cũng đồng thời làm giảm , dẫn đến tăng tỷ số , do đó nhiệt độ trong hệ tăng ít.

Theo quan niệm của triết học duy tồn thì trong Vũ Trụ thực tại không thể cách ly tuyệt đối được một thực thể KG bất kỳ với môi trường chứa nó. Trên cơ sở quan niệm đó, xét riêng về phương diện nhiệt động, chúng ta có thể nêu ra nội dung có ý nghĩa như là một nguyên lý cơ bản. Không thể cô lập triệt để được về mặt trao đổi vật chất với môi trường ngoài đối với mọi quá trình xảy ra trong các hệ nhiệt động.

Tuân theo nguyên lý đó, buộc tỷ số phải tăng, giảm phù hợp trong một quá trình nhiệt động, nghĩa là m hay phải biến đổi. Nhưng biến đổi bằng cách nào khi về mặt trực giác cũng thấy rằng các phân tử khí đã bị “nhốt” trong hệ cô lập không thể vượt thoát qua vách ngăn ra ngoài và các phân tử khí ở môi trường ngoài không thể đi xuyên qua vách ngăn xâm nhập vào hệ được?

Nếu suy ngẫm kỹ, chúng ta thấy điều tế nhị này: tỷ số có, tính phổ biến, áp dụng cho mọi chất khí được chọn làm khí lý tưởng. Nó không cần “đếm xỉa” đến khối lượng của một phân tử khí của chất khí được chọn làm khí lý tưởng trong hệ cô lập và chỉ “quan tâm” tới vấn đề có bao nhiêu mol khí trong hệ cô lập đang xét, nghĩa là có bao nhiêu hạt phân tử khí trong đó. Xét cho đến cùng thì một phân tử khí lý tưởng cũng chỉ là sự hợp thành của một lượng hạt nào đó, và lượng này là không đổi ở mọi phân tử khí lý tưởng trong hệ cô lập đang xét. Do đó, có thể thay thế một phân tử khí lý tưởng bằng một bức xạ điện từ  và bỏ thuật ngữ “khí lý tưởng” đi thì hai phương trình cơ bản của nhiệt động học vẫn giữ nguyên dạng nhưng mang một ý nghĩa hoàn toàn mới, thật sự sâu sắc.

Trên cơ sở phân tích đó và kết hợp với hai phương trình cơ bản của nhiệt động học, chúng ta nêu ra biểu diễn tổng quát:

Với: N là tổng số bức xạ điện từ (hay hạt) , nó được xác định:

N=n.a

Với n là số Avôgadrô

                  a là số chỉ lượng mol hạt  có trong hệ nhiệt động

được gọi là động năng trung bình của hạt (lớn hơn kết quả tính toán vì khối lượng của va đập tăng lên)

P, V, T là áp suất, thể tích và nhiệt độ của hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động nào đó.

Chúng ta biến đổi vế đầu của biểu diễn:

Nếu không chú ý đến thứ nguyên thì:

Do đó:

                      

Khi a=1 và hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong điều kiện tiêu chuẩn thì:

Thành phần  dễ gây ngộ nhận về mặt thứ nguyên của biểu diễn (năng lượng bình phương). Do vậy, chúng ta triển khai  dưới dạng hơi khác:

Đặt

Nghĩa là b=a.1,8432.10¹⁸ và là số tự nhiên.

Vậy:

Ở đây, có thể hiểu: b là tổng số bức xạ  có trong hệ.

Chắc rằng, sự hình thành các bức xạ điện từ “nặng” hơn bức xạ có liên quan mật thiết đến mật độ bức xạ trong hệ nhiệt động. Khi mật độ bức xạ tăng cao, trước yêu cầu nghiêm ngặt về chuyển hóa KG, xu hướng lan truyền thoát ra ngoài hệ (nơi có mật độ bức xạ thấp hơn) trở nên rõ rệt. Khi hướng ưu tiên lan truyền ấy bị cản trở, sẽ nảy sinh xu thế các bức xạ kết hợp nhau lại thành những bức xạ có tần số thấp hơn nhưng “nặng” hơn. Đó là sự chuyển biến làm giảm động năng tịnh tiến, tăng cường động năng xoáy, nhằm mục đích chống lại sự nhiễu loạn bức xạ có nguy cơ đạt mức thái quá. Mật độ càng cao thì hiện tượng kết hợp đó càng xảy ra nhiều trong một khoảng thời gian nhất định, và qui mô của một kết hợp cũng tăng. Có lẽ đó là cách làm hình thành nên các hạt cơ bản ở tầng hạ nguyên tử, những tiền đề làm xuất hiện các thực thể KG ở tầng vĩ mô, từ các nguyên tố vật chất đến các hành tinh, thiên hà.

(Còn tiếp)

-------------------------------------------------------------------------