TT&HĐ V - 47/n

 

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 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 trong một hệ cô lập có b bức xạ và đang ở trạng thái cân bằng nhiệt động nào đó, mở ra điều kiện kết hợp hoàn toàn, k bức xạ thành một bức xạ thì số lượng bức xạ trong hệ lúc này (thay thế số lượng bức xạ ) là:  và năng lượng bức xạ  (thay thế cho năng lượng bức xạ ) là:

Như vậy:
              

Thực tại chỉ ra rằng trong một trạng thái cân bằng nhiệt động không phải chỉ có một loại mà có nhiều loại bức xạ cùng tồn tại (dù có thể trong số đó có một loại có số lượng lớn nhất đóng vai trò đặc trưng), cho nên có thể gọi  là lượng bức xạ trung bình, đại diện chung cho các loại bức xạ có thể có ở trạng thái cân bằng nhiệt động nào đó của một hệ cô lập tương đối.

(Trên cơ sở giả thuyết về sóng vật chất của Broglie, chúng ta dễ dàng diễn giải biểu diễn nêu trên trở về biểu diễn theo quan niệm của nhiệt động học truyền thống!)

Kết luận quan trọng rút ra được ở đây: chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí không phải là nguyên nhân đích thực (hay nguyên nhân chính yếu) tạo ra hiện tượng nhiệt và nhiệt độ. Chuyển động đó chỉ là kết quả và đồng thời là sự thể hiện ra của vận động vật chất ở tầng vi mô sâu hơn nữa – tầng nền tảng. Đó là sự vận động nhiễu loạn của (số đông) bức xạ điện từ. Chính sự vận động nhiễu loạn của các bức xạ điện từ mới là “thủ phạm” trực tiếp gây ra hiện tượng nhiệt độ và sự truyền nhiệt. Tác nhân cơ bản và chủ yếu quyết định đến xu hướng của quá trình nhiệt động trong một hệ chính là mật độ bức xạ điện từ trong đó. Do yêu cầu nghiêm ngặt phải chuyển hóa KG để đảm bảo Tồn Tại mà mức độ vận động nhiễu loạn của các bức xạ điện từ tăng, giảm tùy thuộc vào sự tăng, giảm mật độ của chúng. Cũng chính vì yêu cầu tuyệt đối nghiêm ngặt về chuyển hóa KG mà không thể ngăn chặn tuyệt đối được sự thu, phát bức xạ điện từ giữa một hệ (gọi là) cô lập và môi trường chứa hệ ấy.

Với quan niệm về bản chất của nhiệt và nhiệt độ như trên, hơn nữa, nếu quan niệm đó là đích đáng thì cần phải xây dựng lại lý thuyết nhiệt động học, đưa nó lên tầm mức khái quát hơn, trong đó nhiệt động học chất khí, chất lỏng, chất rắn… cũng như bức xạ nhiệt, đều chỉ là bộ phận của nó, là những hệ quả được suy ra từ nội dung cơ sở gọi là “Nhiệt động học bức xạ” và biểu diễn toán học tổng quát nhất có thể là:

với: b=1,84321.10¹⁸a, là tổng số bức xạ

        , cũng là số bức xạ hợp thành

            là tần số dao động của bức xạ

Biểu diễn ấy có xác đáng không? Chúng ta không khẳng định dứt khoát, song vô cùng tin tưởng vì đã thấy được trong Vũ Trụ hoang tưởng có một dẫn dắt khác.

Trước hết chúng ta viết lại biểu thức cơ bản (6) áp dụng cho :

với: m₁ là khối lượng của

      d₁ là đường kính danh nghĩa của

         t₁ là chu kỳ vận động của

         là thể tích danh nghĩa của

Tiếp theo, chúng ta viết:

với V là thể tích một mol

         n là số Avôgadrô

Nên:
              

Có thể thay biểu diễn đó bằng:

Nên:

Ở vế trái của biểu diễn, coi như đã biết các giá trị bằng số của , R, T, n. Tính ra:

Vậy, không cần tính cũng biết:

Tuy nhiên nếu tính ra thì thật ngạc nhiên vì nó bằng:

1,6276……10³¹

Thì ra, vì sai lầm trong nhận định, chúng ta đã bỏ sót “ông tướng”: 0,06144.10^-4. Khi đưa “ông tướng” vào thì lúc đó:

Biết  và thực hiện vài thao tác, chúng ta sẽ trở về biểu diễn:

với

Khi a=1 thì một cách tự nhiên, trạng thái của hệ cân bằng nhiệt động ở điều kiện chuẩn. Khi a=0, trong hệ không hiện diện một bức xạ điện từ nào, nghĩa là môi trường kg trong hệ trống rỗng năng lượng, do đó T= ^oK . Chúng ta gọi trạng thái T=^oK, là trạng thái cực hạn dưới. Thế thì có trạng thái cực hạn trên không? Chúng ta có một hình dung vui! Giả sử có thể giữ nguyên giá trị V_o của hệ, đồng thời có thể phát đến cùng khả năng bức xạ vào hệ trong khi hệ không thể phát bức xạ trả lại môi trường ngoài. Quá trình đó sẽ làm cho mật độ bức xạ trong hệ tăng lên đến cực hạn.

Chúng ta cho rằng, mật độ năng lượng khi đạt đến mức cực đại tuyệt đối cũng là khi các bức xạ điện từ “nặng” hơn bức xạ , được hợp thành từ quá trình tăng mật độ trước đó lại phân rã thành các bức xạ điện từ “nhẹ” hơn để rồi phân rã hoàn toàn thành bức xạ . Lúc này, vì động năng tịnh tiến của mỗi bức xạ đều chuyển hóa hoàn toàn thành động năng xoáy nội tại nên các đều định xứ và biểu hiện như một hạt có nội tại xoáy. Phải coi đó là tình trạng nhiễu loại ở mức cao nhất của bức xạ điện từ mà trong thực tại khách quan may ra chỉ có thể xảy ra trong lòng các ngôi sao một cách hi hữu. Tuy nhiên cần phải hoang tưởng ra tình trạng đó để tìm nhiệt độ cực hạn trên của Vũ Trụ.

Trước đây, chúng ta đã từng suy đoán: để đảm bảo chuyển hóa KG thì khi định xứ và xoáy tột độ, nội tại phải gồm 3 hạt kg (hạt không gian thông thường) và 2 hạt KG  trái dấu (hạt không gian bị kích thích tột độ). Nếu quan sát ở trên cùng một bình diện (loại bỏ sự tương phản âm – dương và nghịch đảo) thì thể tích của 3 hạt , , có giá trị như nhau, bằng và:

Tuy nhiên, vì đơn vị độ dài trong hệ nhiệt động đang xét, so với chân không đã tăng lên 10²⁰10²⁰ lần (như đã trình bày khi bàn về hằng số Planck) nên chỉ còn:

Do có hiện tượng trội lặn, một nửa thể tích “lẩn khuất” vào môi trường kg mà lượng thể tích của được coi là “có thực” chỉ còn:

Từ những suy diễn tương đối “trơ tráo” đó, chúng ta thấy rằng khi hệ đạt mật độ hạt  cực đại tới hạn thì số hạt  là:

Vậy nhiệt độ tới hạn trên có thể có trong Vũ Trụ là:

Có thể vượt qua, cao hơn nhiệt độ đó không? Hãy tưởng tượng rằng khi nội tại một hệ cô lập (một vùng nhỏ nào đó trong những ngôi sao nóng nhất) “lăm le” vượt qua mật độ tới hạn, lập tức nhiều hạt sẽ phải phân ra thành hai hạt trái dấu. Những hạt trái dấu trong đó trước sau gì cũng tương tác nhau để thành 2 hạt kg (hiện tượng hủy cặp, hòa nhập về môi trường kg). Khi trong hệ xuất hiện một sự hủy cặp như vậy, thì vì lực lượng KG là tuyệt đối bảo toàn nên sẽ đồng thời xuất hiện một cặp hạt trái dấu trong môi trường kg bên ngoài hệ.

Kể ra cũng vui đấy chứ!...

***

Tiếp tục “vui đùa” với nhiệt động học, chúng ta lại giả sử có một hệ dạng cầu bị cô lập với môi trường ngoài và trong môi trường kg của hệ không có gì khác ngoài số đông các bức xạ . Hệ này được minh họa dưới dạng mặt cắt ở hình 1 và được gọi là H_o.

Trạng thái của hệ là cân bằng nhiệt động tại:

Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, có hiện tượng phân bố đều trong hệ về mặt năng lượng nói chung (hay về số lượng bức xạ điện từ ) với mật độ:

Hình 1: Hệ nhiệt động bức xạ

Gọi áp suất tại mặt vách ngăn là P_o thì:

P_o được hiểu là áp lực theo hướng kính tác động từ trong ra lên một đơn vị thể tích của vách ngăn hệ H_o với môi trường ngoài. Câu hỏi đặt ra là vào lúc đó áp suất tại điểm A trong hệ H_o (xem hình 1) có đúng bằng P_o không?

Đó là câu hỏi thuộc hàng ngớ ngẩn nhất trên đời, nhưng hóa ra vì thế mà lại… quá hay!

Dễ thấy, tuân theo nguyên lý tác dụng tương hỗ, khi hệ H_o gây ra áp suất P_o lên mặt cầu phân cách (có diện tích S_o) của môi trường ngoài thì coi như đồng thời môi trường ngoài cũng gây ra một áp suất lên hệ H_o, có giá trị P_o, đồng phương nhưng ngược chiều với P_o (nghĩa là hướng về tâm O).

Nguyên lý Pascal phát biểu: áp suất đặt lên chất lỏng chứa trong một bình kín được truyền hoàn toàn lên mọi điểm của chất lỏng và lên thành bình chứa. Nếu hệ H_o là một khối chất lỏng thì đó là một khối chất lỏng tĩnh (vì ở trạng thái cân bằng nhiệt động) và do đó áp suất tại điểm A phải bằng P_o (nhớ rằng tổng áp lực tác dụng lên A bằng 0).

Nhận định đó dẫn đến phải coi điểm A, dù có thể là rất nhỏ, như một thực thể có diện tích bề mặt hẳn hoi, hiện hữu trong thế giới vĩ mô (không gian nổi trôi tính Ơclít). Bởi vì áp suất là sự thể hiện ra trong thế giới vĩ mô quá trình vận động và tương tác tổng hợp của số đông các thực thể vi mô và chỉ hiện hữu trong thế giới vi mô. Nói nôm na, chỉ khi tại A xuất hiện một phần tử thực thể thuộc thế giới vĩ mô, làm hiện hữu một phần tử diện tích thì ở đó mới tồn tại một áp suất và trong trường hợp khối chất lỏng H_o có trạng thái cân bằng nhiệt động thì giá trị đại số của áp suất ấy là không đổi tại bất cứ điểm nào có phần tử diện tích trong nội tại H_o. Còn nếu không, không hề tồn tại áp suất trong lòng hệ H_o.

Đối với một nhà vật lý thực chứng cổ điển thì hình dung đó là không thể tin được. Nhưng dù là không thể tin được thì cũng không có cách nào để xác minh được. Từ trước đây rất lâu và cho đến tận ngày nay, có lẽ chưa có nhà vật lý thực nghiệm nào đặt vấn đề nghi ngờ về sự tồn tại của một đại lượng vật lý nào đó trước và sau khi thiết bị đo xác nhận chắc chắn về sự tồn tại của nó. Muốn xác định tại A có tồn tại áp suất P_o hay không, nhà vật lý thực nghiệm phải đưa vật thử, đầu dò hay nói chung là thiết bị đo trực tiếp đến đó. Sau khi thiết bị đo chỉ ra chắc chắn rằng thực sự tồn tại một áp suất P_o ở đó thì nhà vật lý thực nghiệm tin tưởng P_o thực sự tồn tại ở đó cho dù có hiện diện thiết bị đo ở đó hay không.

Sự mặc nhiên thừa nhận sự tồn tại độc lập, của một đại lượng vật lý tại nơi mà thiết bị đo chỉ ra chính là điểm xuất phát dẫn đến ngộ nhận “vĩ đại” về sự tồn tại trường hấp dẫn, trường điện từ…, nói chung là trường lực, như một thực thể có cấu trúc vật chất và tương đối độc lập với môi trường chân không. Không khó chỉ ra cái sai lầm về quan điểm trong sự ngộ nhận ấy. Rõ ràng là lực chỉ xuất hiện trong tương tác (cơ học). Một khi không xảy ra tương tác thì lực cũng không thể hiện. Một vật chuyển động với vận tốc không bao giờ phát tác ra lực mà như chúng ta vẫn quen thừa nhận, nó chỉ hàm chứa một (xung) lực, hay nói chính xác hơn là hàm chứa một tiềm xung lực (dưới dạng động lượng).

Tuy nhiên cái quan niệm về lực đã trở thành truyền thống ấy (tiềm xung lực là động lượng) vẫn chưa hoàn hảo, thậm chí là còn có phần sai lạc. Bởi vì chính nguyên lý tác dụng tương hỗ đã chỉ ra, một vật đứng yên (=0) trước quan sát, nghĩa là lúc đó nó không hề có động lượng, vẫn hàm chứa xung lực và lập tức phát tác lực nếu bị tác động. Nhưng nếu vật đứng yên chưa phát tác lực thì xung lực của nó ẩn dấu dưới dạng tiềm xung lực nào khi mà nó không hề có động lượng? Đến đây, có thể rút ra kết luận: không có bất kỳ cách nào xác định được (xung) lực của một vật khi nó không tương tác (cơ học) với môi trường bởi vì lúc đó lực của nó không hề tồn tại; chỉ khi một vật bị cản trở chuyển động (va chạm với một vật khác), hay bị biến đổi trạng thái chuyển động (đứng yên là trạng thái chuyển động đặc biệt), nghĩa là năng lượng toàn phần của nó bị chuyển hóa, thì khi đó nó mới phát tác lực để chống lại sự cản trở, sự biến đổi ấy. Tùy theo mục đích nghiên cứu, hoặc đôi khi thuần túy chỉ là theo ý thích chủ quan của quan sát mà trong thực tế tiềm lực được triển khai theo hai dạng, hoặc là xung lực (F.t, khi đánh giá theo động lượng m.) hoặc là động lực (F.S, khi đánh giá theo động năng ).

Quay lại khối chất lỏng H_o. Vì không xuất hiện một thực thể nào tại A trong thế giới vĩ mô nên ở đó không xảy ra tương tác nào và do đó cũng không tồn tại áp suất mà tương tự như trường hợp vật chuyển động và va chạm cơ học nêu ra ở trên, thay cho sự tồn tại áp suất tại A là sự tồn tại cái tạm gọi là “áp suất ảo” hay “tiềm áp suất”.

Đối với hệ nhiệt động bức xạ H_o, tình hình cũng hoàn toàn giống như thế. Dù quan sát ở góc độ nào trong tầng nấc vĩ mô thì đều chỉ thấy sự hiện diện áp suất P_o tại vách ngăn cách ly S_o: hệ H_o tác động lên mặt S_o của môi trường ngoài một áp suất P_o, đồng thời môi trường ngoài cũng tác động lên mặt S_o của hệ H_o một áp suất có giá trị đúng bằng P_o. Ngoài ra, tại điểm A hay tại bất cứ một điểm nào khác trong H_o đều không hề hiện diện bất cứ một áp suất nào, và chỉ có thể hình dung rằng tại những điểm ấy tồn tại một thứ gì đó đóng vai trò như là “mầm mống” làm xuất hiện áp suất, hay còn có thể gọi là “áp suất ảo”, “tiền áp suất”. Chỉ khi tại A hay tại bất cứ vị trí nào khác xuất hiện một thực thể có diện tích bề mặt “ổn định” và nhận biết được trong thế giới vĩ mô thì lúc đó, áp suất ảo hay tiền áp suất mới chuyển hóa thành áp suất thực sự với giá trị P_o. (Cần chú ý: khi xuất hiện một thực thể ngoại lai trong H_o thì lập tức nó ít nhiều gì cũng gây ảnh hưởng đến mọi thông số trạng thái của H_o. Như vậy, có thể suy ra, không thể xác định chính xác một giá trị thông số trạng thái nhiệt động bằng đo đạc thực nghiệm! Ở đây, chúng ta coi thực thể ngoại lai ở A đủ lớn để làm xuất hiện áp suất và đủ nhỏ để bỏ qua sự ảnh hưởng của nó đến trạng thái nhiệt động của hệ H_o).

Như vậy, khi hệ H_o ở trạng thái cân bằng nhiệt động thì không những năng lượng bức xạ mà cả tiền áp suất đều được phân bố đều khắp trong hệ. Nếu cho xuất hiện một thực thể có kích cỡ phù hợp tại A thì trên bề mặt thực thể sẽ xuất hiện một áp suất P_o, và dưới tác động nhiễu loạn của số đông bức xạ trong điều kiện cân bằng nhiệt động, thực thể đó dao động quanh một điểm cân bằng nhất định mà dưới góc độ quan sát ở tầng nấc vĩ mô nào đó, có thể cho rằng thực thể đứng yên một chỗ, nghĩa là có thể cho rằng lúc đó, hệ H_o đang ở trong trạng thái cân bằng tồn tại tương đối.

Có thể lấy biên độ dao động quanh điểm cân bằng của một thực thể hiện diện trong một hệ cân bằng nhiệt động để đánh giá “mức độ tĩnh tại” của hệ ấy: biên độ dao động càng lớn thì “mức độ tĩnh tại” càng giảm, nghĩa là mức độ “động” càng cao, và ngược lại.

Cần nhắc lại và nhấn mạnh rằng, không những bản thân Vũ Trụ là một thực thể cân bằng động vĩ đại, mà nội tại của mọi thực thể tồn tại trong Vũ Trụ luôn ở trạng thái cân bằng động. Nghĩa là ngay cả trong quá trình đang chuyển hóa từ trạng thái cân bằng động này sang trạng thái cân bằng động khác thì sự cân bằng trong vận động của nội tại mọi thực thể vẫn được duy trì. Chỉ tùy thuộc vào nhận định chủ quan, vào mục đích nghiên cứu của quan sát về một mặt nào đó, một bộ phận nào đó trong vận động nội tại của thực thể và đã thông qua qui ước, mà lúc đó mới có thể nói đến sự mất cân bằng nội tại (về mặt đó, bộ phận đó).

Khi nói vận động nội tại của một thực thể luôn ở trong tình thế cân bằng động thì không có nghĩa là đối với thực thể đó chỉ có duy nhất một tình thế cân bằng động nội tại. Có rất nhiều tình thế cân bằng động đối với vận động nội tại của một thực thể. Tùy thuộc vào sự vận động của môi trường ngoài và sự tương tác giữa môi trường ngoài với thực thể mà vận động nội tại của thực thể ở tình thế cân bằng động nào hoặc phải chuyển biến từ tình thế này sang tình thế khác. Một tình thế cân bằng động tương đối ổn định và được duy trì ở mức độ lâu, mau nào đó theo thời gian thì được gọi là trạng thái cân bằng động của nội tại thực thể. Có thể phân biệt các trạng thái cân bằng động của nội tại một thực thể với nhau dựa vào mức độ “động” hay “mức độ tĩnh tại” của chúng. Một trạng thái có mức độ “động” cao hơn được gọi là bị kích thích hơn.

Vận động nội tại của một thực thể, do một nguyên nhân nào đó bị kích thích lên trạng thái cân bằng động có mức độ “động” cao nào đó, thì khi không còn bị kích thích nữa, nó luôn có xu hướng chuyển hóa về trạng thái cân bằng động có “mức độ động” thấp nhất hay “mức độ tĩnh tại” cao nhất mà điều kiện cho phép (thường là trạng thái tương hợp với môi trường ngoài). Suy rộng ra, có thể nâng lên thành nguyên lý tổng quát: Vận động nội tại của mọi thực thể, một cách tự nhiên, luôn có xu hướng chuyển biến về trạng thái cân bằng động có mức độ tĩnh tại thấp nhất trong điều kiện cho phép. Phát biểu cách khác, vận động nội tại của một thực thể luôn có xu hướng chống lại sự kích thích vận động từ bên ngoài và do đó luôn cố gắng đạt tới trạng thái tĩnh tại tuyệt đối, nhưng yêu cầu nghiêm ngặt về chuyển hóa KG lại không cho phép trạng thái đó xuất hiện, cho nên chỉ có thể xuất hiện trạng thái tĩnh tại tương đối.

(Còn tiếp)

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