TT&HĐ V - 47/o

 

 

Top 10 Hiện Tượng Kỳ Lạ Trên Bầu Trời Được Camera ghi lại - Không ai lý giải nổi

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)

Cân bằng nhiệt động là sự thể hiện ra trong thế giới vĩ mô của tình thế hay trạng thái cân bằng động của vận động tổng hợp hình thành nên từ số đông bức xạ điện từ vận động và tương tác lẫn nhau. Do đó cân bằng nhiệt động không thể không tuân thủ những qui luật, nguyên lý thao túng, chi phối đến quá trình vận động cân bằng. Cụ thể, chẳng hạn khi nung nóng một hệ nhiệt động (chứa toàn bức xạ ) thì cũng có nghĩa là đã “nạp” cho hệ đó một lượng bức xạ từ môi trường ngoài. Lượng bức xạ đó làm cho mật độ năng lượng bức xạ trong hệ tăng lên, kéo theo mức độ nhiễu loạn bức xạ tăng lên. Thể hiện sự tăng mức độ nhiễu loạn chính là sự tăng nhiệt độ và áp suất.

Giả sử nung nóng hệ nhiệt động bức xạ H_o từ nhiệt độ T₁ lên nhiệt độ T₂ rồi ngưng không nung nóng nữa và cô lập nó, không cho xảy ra sự trao đổi bức xạ giữa nó với môi trường ngoài. Có thể thấy do bị nung nóng (kích thích) mà trạng thái cân bằng nhiệt động của H_o đang ở mức độ tĩnh tại cao (T₁) biến chuyển lên mức độ tĩnh tại thấp hơn (T₂). Khi không còn bị kích thích nữa (điều kiện môi trường ngoài trở về như trước khi có sự nung nóng), vận động nội tại của hệ H_o có xu hướng trở về với trạng thái cân bằng nhiệt động ban đầu. Tuy nhiên, do mật độ bức xạ trong hệ H_o đã tăng lên so với trước khi nung nóng nên hệ H_o không thể trở về trạng thái cân bằng nhiệt động ban đầu (có nhiệt độ T₁) được nữa, mà chỉ đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt động T'₁ (với T₁<T'₁<T₂), có mức độ tĩnh lặng thấp hơn của trạng thái T₁ nhưng cao hơn của trạng thái T₂.

Cái mà các nhà nhiệt học thời trung cổ và cận đại gọi là chất nhiệt hay các nhà nhiệt học thời hiện đại gọi là nhiệt lượng thực ra chính là năng lượng bức xạ điện từ chứ không có gì huyền bí cả. Giá trị mật độ năng lượng bức xạ của một hệ nhiệt động cũng là một chỉ thị về sự hàm chứa nhiệt lượng của hệ đó. Vậy thì nguyên nhân trực tiếp nào làm xảy ra hiện tượng giảm nhiệt độ dẫn đến áp suất giảm trong khi giá trị mật độ năng lượng bức xạ (nghĩa là nhiệt lượng) của hệ không đổi? Nhiều khả năng có như thế là vì khi nung nóng hệ, nhiều bức xạ có tần số thấp hơn tần số của phần lớn bức xạ trong hệ trước khi bị nung nóng, thâm nhập vào hệ và đồng thời cũng xảy ra sự hợp thành các bức xạ có tần số thấp hơn từ một số bức xạ có tần số cao hơn của bản thân hệ. Khi không còn sự nung nóng nữa (sự kích thích bị triệt tiêu) thì các bức xạ có tần số thấp ấy phân rã đến mức nhất định thành các bức xạ có tần số cao hơn cho phù hợp với điều kiện mới. Quá trình này đồng thời cũng làm cho mức độ nhiễu loạn trong lan truyền bức xạ - nguyên nhân của hiện tượng nóng – lạnh và sự tăng giảm nhiệt độ xuất hiện trong thế giới vĩ mô - giảm xuống. Khi mức độ nhiễu loạn trong vận động nội tại của hệ cô lập H_o giảm xuống đến nhiệt độ T₁ như đã nói thì quá trình giảm đó dừng lại. Lúc đó, vận động nội tại của H_o cũng đạt được trạng thái cân bằng nhiệt động tĩnh lặng nhất, bình ổn nhất trong điều kiện mới và vì vậy mà trạng thái ấy cũng có tính duy trì lâu dài.

Sự biến chuyển vận động nội tại của hệ cô lập H_o từ tình thế cân bằng nhiệt động có mức tĩnh lặng thấp nhất về tình thế cân bằng nhiệt động có mức tĩnh lặng cao nhất và tồn tại ổn định lâu dài một cách tự nhiên ở tình thế ấy đã làm nảy ra suy lý dẫn chúng ta đến nhận định: vận động nội tại của một hệ cô lập ở trạng thái cân bằng nhiệt động, nếu xét trên bình diện một tổng thể, một hợp thành từ vận động và tương tác lẫn nhau của số đông bức xạ, thì phải có tính điều hòa, tính chu kỳ, tính trật tự, nghĩa là vận động ấy phải có tính qui luật hay phải chịu sự chi phối chủ yếu của những yếu tố mang tính tất định, còn nếu xét trên bình diện là một “hỗn tạp” của đông đúc các bức xạ cụ thể vận động và tương tác lẫn nhau, thì ít nhiều gì cũng đồng thời có tính ngẫu nhiên, xác suất. Như vậy, trong số các trạng thái cân bằng nhiệt động có thể có trong một điều kiện nhất định của một hệ cô lập, trạng thái cân bằng nhiệt động có mức độ tĩnh tại cao nhất cũng là trạng thái có mức độ vận động nhiễu loạn thấp nhất.

Để hiểu được vì sao sau khi không còn bị kích thích (bị nung nóng) và lập tức bị cô lập thì hệ H_o, dù trong tình trạng đã có sự phân bố đồng đều trong hệ về mặt năng lượng bức xạ cũng như giá trị mật độ năng lượng bức xạ của nó không đổi theo thời gian (nghĩa là có sự bảo toàn về mặt nhiệt lượng mà hệ hàm chứa), vẫn tự điều chỉnh được vận động nội tại từ trạng thái cân bằng nhiệt động có mức nhiễu loạn cao hơn xuống trạng thái cân bằng nhiệt động có mức nhiễu loạn thấp nhất trong điều kiện mới và hơn nữa, duy trì được vận động tự nhiên một cách bình ổn, lâu dài trong trạng thái tĩnh lặng tương đối ấy, chúng ta cần phải thừa nhận rằng có hai loại nhiễu loạn bức xạ: một loại có tính tất yếu, mặc định, vốn dĩ, là kết quả của sự phải lan truyền đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về chuyển hóa KG trong phạm vi môi trường kg đã bị hạn định của hệ cô lập, loại thứ hai có tính ngẫu nhiên, tạm thời, là kết quả của sự đột biến vận động của hệ cô lập. Mặt khác, cũng cần phải thừa nhận rằng, hệ cô lập H_o vận động nội tại được ngay cả khi ở trạng thái cân bằng nhiệt động có mức tĩnh lặng cao nhất, là do về mặt năng lượng bức xạ nói chung thì có sự phân bố đều đặn, đồng nhất trong toàn hệ, nhưng về mặt động năng tịnh tiến (hay là về mặt động năng xoáy) lại phân bố có sự chênh lệch tương đối theo phân vùng và sự phân vùng đó theo hoạch định sao cho khi bức xạ lan truyền theo một hướng ưu tiên nào đó lần lượt qua các phân vùng kế tiếp theo đó, thì động năng tịnh tiến (hay động năng xoáy) của bức xạ chuyển hóa tăng hay giảm một cách đều đặn, và đặc biệt quan trọng là nhờ có sự hiện diện và tác dụng của vách ngăn của môi trường ngoài mà tổng động năng tịnh tiến (hay là tổng động năng xoáy) của hệ H_o luôn được bảo toàn và bằng một nửa năng lượng bức xạ toàn phần của nó.

Từ quan niệm đó, chúng ta đi đến hình dung: khi số đông bức xạ điện từ lan truyền tự nhiên trong môi trường chân không, nghĩa là sự lan truyền của từng bức xạ không ảnh hưởng đến nhau cũng như luồng lan truyền của tập hợp các bức xạ không bị cản trở, ngăn chặn bởi ngoại vật, thì sự vận động ấy coi như hoàn toàn không bị nhiễu loạn, nghĩa là không thể hiện nhiệt độ (T = 0 ^oK). Điều tế nhị là bằng thực nghiệm, không thể xác nhận được nhận định đó, bởi vì không thể dùng bất cứ thứ gì “thò” vào luồng bức xạ đang lan truyền ấy để đo nhiệt độ mà không gây ra sự nhiễu loạn cho sự lan truyền ấy. Rõ ràng là không thể đo được nhiệt độ 0 tuyệt đối (0 ^oK), và quan trọng hơn: không thể triệt tiêu được nhiệt độ (hay sự nhiễu loạn vận động) nội tại của bất cứ hệ nhiệt động nào, của bất cứ thực thể nào tồn tại trong Vũ Trụ.

Như vậy, khi hệ cô lập H_o bị kích thích (bị nung nóng) đến nhiệt độ T₂, nghĩa là nó đã nhận thêm một lượng bức xạ nhất định từ môi trường ngoài, làm mật độ năng lượng bức xạ của nó tăng lên do đó mà mức độ nhiễu loạn vận động ở cả hai dạng tất yếu và ngẫu nhiên tăng lên. Khi triệt tiêu kích thích của môi trường ngoài thì lập tức mức độ nhiễu loạn dưới dạng ngẫu nhiên cũng nhanh chóng giảm xuống, kéo theo sự giảm mức độ nhiễu xạ nói chung và thể hiện ra chủ yếu dưới dạng nhiễu loạn tất yếu, có tính bình ổn lâu dài. Khi mức nhiễu loạn đã đạt đến tối thiểu trong điều kiện mới thì cũng là lúc vận động nội tại của hệ H_o đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt động có mức tĩnh lặng cao nhất, nghĩa là “êm đềm” nhất, hài hòa nhất và do đó mà cũng có tính “bền” nhất.

Rõ ràng là nếu không có vách ngăn cách ly của môi trường ngoài thì hệ cô lập H_o không thể duy trì được sự vận động điều hòa trong trạng thái tĩnh lặng nhất của nó. Nhờ có vách ngăn đó (xét trong trường hợp lý tưởng), không những năng lượng bức xạ toàn phần của hệ H_o được bảo toàn mà tổng động năng tịnh tiến cũng như tổng động năng xoáy cũng được bảo toàn. Có thể tưởng tượng mặt ngăn cách (nhờ có nguyên lý tác dụng tương hỗ) đóng vai trò như một mặt thu phát cân bằng bức xạ của môi trường ngoài đối với hệ H_o, nghĩa là nó thu bao nhiêu bức xạ của hệ H_o thì cũng phát ra bấy nhiêu bức xạ “trả lại” cho hệ H_o. Nếu hình dung ở góc độ ngược lại, cũng có thể cho rằng hệ H_o là một nguồn thu phát cân bằng bức xạ đối với môi trường ngoài, nghĩa là tại mặt tiếp xúc của H_o với mặt ngăn cách S_o, hệ H_o thu được bao nhiêu bức xạ từ môi trường ngoài thì cũng phát “trả lại” đúng bằng ngần ấy bức xạ cho môi trường ngoài.

Nếu chỉ chú ý tới sự phát bức xạ của hệ H_o thôi thì hệ H_o đã gây ra áp suất P_o lên mặt cầu ngăn cách S_o và về mặt định lượng thì:

với  là mật độ năng lượng bức xạ trong H_o

Bây giờ, giả sử rằng có một mặt cầu ảo (không thực sự tồn tại mà chỉ hiện hữu trong tư duy thôi!) đi qua điểm A và đồng tâm với mặt S_o, gọi là S_A. Có thể hình dung được mặt S_A làm hình thành nên một hệ cô lập ảo dạng cầu có tâm là điểm O, gọi là H_A. Quá trình phát bức xạ của hệ H_A cũng phải gây ra một áp suất ảo (tiềm áp suất) là P_A. Về mặt giá trị:
               

Kết quả đó xác nhận nguyên lý Pascal và ám chỉ về sự tồn tại của trạng thái cân bằng tĩnh tại tuyệt đối. Nhưng “rất may”, đó là một kết quả ảo, không thực, vì P_A chỉ là khả năng chứ không phải hiện thực. Muốn cho p_A là một hiện thực thì thực nghiệm phải “nhúng mũi” vào đó. Nhưng đã “nhúng mũi” vào đó thì hệ H_o không thoát khỏi bị lũng đoạn vận động nội tại và lúc đó, kết quả sẽ phải là:

Nếu sự lũng đoạn ấy là nhỏ, không đáng kể, thì:

Nghĩa là nguyên lý Pascal, nếu có đúng thì chỉ đúng trong thế giới vĩ mô và mang tính tương đối nên cũng chỉ có khả năng ám chỉ về một trạng thái cân bằng tĩnh tại tương đối mà thôi.

Như chúng ta đã quan niệm, tiềm xung lực là một tồn tại ảo “ẩn chứa” trong động năng của một vật chuyển động. Khi động năng của vật đó chuyển biến thì xung lực tương tác mới xuất hiện. Đó chính là quá trình từ khả năng biến thành hiện thực. Tương tự như vậy, trong hệ H_o, tiềm áp lực của bức xạ ẩn tàng trong động năng tịnh tiến của nó. Xét trên một đơn vị diện tích thì tiềm áp lực ấy cũng chính là tiềm áp suất.

Quan niệm trên đã được “toán học hóa” bằng biểu diễn:

với

và n là số Avôgadrô

Nếu V là thể tích của hệ thực thì p là áp suất thực, nếu V là thể tích của hệ ảo thì p là áp suất ảo (tiềm áp suất).

Đại lượng m₁c² chính là năng lượng toàn phần của bức xạ  và nó còn được viết:

với d₁ là đường kính của giả hạt (khi bức xạ định xứ)

      t₁ là chu kỳ xoáy của giả hạt

Vận tốc c là một cực đại bất biến nên khi bức xạ lan truyền trên đường tròn tâm O với đường kính D thuộc mặt cầu của hệ thực (hoặc ảo) có thể tích V thì thời gian lan truyền hết chu vi đường tròn đó phải là T sao cho:

Trong khi đó, thể tích V của hệ đang xét được tính ra:

với S là diện tích mặt cầu ngăn cách của hệ

Như vậy, có thể viết:

với a_ht là gia tốc hướng tâm (hoặc ly tâm) của bức xạ và có thể cho rằng m₁a chính là xung lực (hoặc tiềm xung lực) tạo nên áp lực (hay tiềm áp lực) lên bề mặt phân cách của hệ thực (hoặc hệ ảo) đó. Nhưng có lẽ biểu diễn sau đây mới xác đáng hơn chăng:

với a là gia tốc tịnh tiến có phương xuyên tâm hệ của hạt .

Áp dụng biểu diễn đó cho trường hợp hệ thực H_o và hệ ảo H_A thì:

Và:

Với quan niệm số lượng bức xạ phân bố đều trong hệ cô lập và cân bằng nhiệt động, đồng thời thấy rằng a_o = a_A thì rõ ràng P_{o =} p_A.

Nếu chỉ chú ý về mặt phát bức xạ theo hướng kính từ trong ra thì lượng bức xạ phát ra từ mặt cầu S_A của hệ H_A trong một đơn vị thời gian phải bằng lượng bức xạ  gây ra áp suất P_o trên bề mặt S_o của hệ H_o trong đơn vị thời gian đó. Điều này mâu thuẫn với quan niệm mật độ bức xạ phân bố đồng đều, nghĩa là mâu thuẫn với kết quả P_{o =} p_A.

Điều cần giải quyết ở đây là phải dung hòa cho được mâu thuẫn chứ không phải tìm cách loại bỏ kết quả nào trong hai kết quả  và .

Để làm được điều đó, trước hết chúng ta viết lại phương trình trạng thái khí lý tưởng trong trường hợp tổng quát:

với T^* là nhiệt độ được xác định theo phương trình đó và T là nhiệt độ được tính theo biểu diễn ngoại suy của chúng ta. Dễ thấy:

Biết m là tổng khối lượng của lực lượng bức xạ có trong hệ H_o, là khối lượng của một mol bức xạ , có thể viết:

và trong trường hợp đang xét ở đây:

m = N’.m­₁

Vậy:   

Hay:   

Từ đó sẽ có:

Và:

Quan sát ở góc độ p_A = P_o, có thể viết:

Và từ đó có thể trở về với phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử viết cho một mol hạt.

Muốn cho biểu diễn trên cũng đúng trong trường hợp thì phải biện luận rằng mật độ bức xạ  (cũng có nghĩa là mật độ năng lượng toàn phần của lực lượng bức xạ ) đúng là được phân bố đều đặn trong hệ cân bằng nhiệt động cô lập, nhưng xét riêng về mặt động năng tịnh tiến của chúng thì có sự phân bố tăng (hoặc giảm) đều theo một hướng xác định, tuân theo một qui luật nhất định.

Trên cơ sở suy đoán đó, đồng thời trên cơ sở suy đoán về hướng ưu tiên thu - phát bức xạ trong hệ cầu cô lập và cân bằng nhiệt động H_o, chúng ta cho rằng có sự phân bố tăng dần về mặt động năng tịnh tiến từ tâm hệ ra ngoài theo hướng kính, nghĩa là động năng tịnh tiến của bức xạ tại mặt cầu ảo S_A phải nhỏ hơn của bức xạ  tại mặt cầu S_o. Muốn thế, chỉ còn một khả năng duy nhất là tốc độ lan truyền theo hướng kính và từ tâm ra của một bức xạ tại mặt cầu ảo S_A (có D_A<D_o) phải nhỏ hơn tốc độ lan truyền theo hướng ấy khi nó đạt tới S_o. Gọi tốc độ lan truyền của bức xạ đang xét tại S_o là C_o và tại S_A là C_A thì có thể biểu diễn:

C_o>C_A

Cần thấy rằng khi môi trường không gian của một hệ cô lập có mức năng lượng lớn hơn môi trường kg chân không (được qui ước bằng 0) thì bao giờ tốc độ lan truyền bức xạ trong đó cũng phải nhỏ hơn tốc độ lan truyền trong chân không, nghĩa là trong trường hợp ở đây:

C>C_o>C_A

với: C là tốc độ lan truyền cực đại tuyệt đối trong Vũ Trụ thực tại.

Mặt khác, theo như chúng ta đã dẫn dắt bằng lập luận, rõ ràng phải có:

Nghĩa là, nếu “qui đổi” D_o, D_A và T_o, T_A về thang đo khoảng cách và thời gian của hệ quan sát trong chân không (ngoài hệ H_o) thì hai đường kính đó cũng như hai thời gian đó bằng nhau.

Tuy nhiên, nếu xét kỹ quá trình qui đổi về thang đo khoảng cách và thời gian của hệ quan sát trong môi trường kg chân không, sẽ phát hiện ra một “tế nhị” tuyệt vời. Đó là D_o và D_A đều được xác định hay cho trước bởi hệ quan sát trong môi trường kg chân không (ngoài hệ H_o) theo thang đo khoảng cách của hệ ấy chứ không phải là các giá trị được xác định bởi hệ quan sát ở trong hệ H_o. Do đó, trong quá trình chuyển đổi các giá trị khoảng cách và thời gian đang xét, chỉ cần chuyển đổi T_o và T_A sang theo thang đo thời gian của hệ quan sát trong chân không, và như vậy, sau khi chuyển đổi chúng ta có:

D_o, D_A, T

với: T là giá trị thời gian đã qui đổi của T_o và của cả T_A.

Đến đây, dù vẫn còn một “đống tổ chảng” hoài nghi thì chúng ta cũng cứ viết:

Và:

Biểu diễn cho thấy và qua đó còn có thể rút ra được: là giá trị cực đại trong hệ H_o; mọi giá trị tiềm áp suất trong đó đều nhỏ hơn nó, hơn nữa, bắt đầu từ , giá trị tiềm áp suất giảm dần theo hướng kính từ mặt S_o đến tâm O của hệ, và tại tâm O, tiềm áp suất bằng cực tiểu. Có thể thiết lập được biểu diễn toán học nêu ra qui luật giảm ấy. Trước hết, chúng ta hãy xác định sự chênh lệch giá trị giữa và P_A:

Giả sử rằng mức chênh lệch ấy vô cùng nhỏ, nghĩa là , lúc đó có thể viết:

với dR là khoảng cách giữa hai mặt cầu S_o và S_A.

Có thể tưởng tượng trong hệ H_o, mặt cầu S_o như là “mặt đất”, mặt có “mức thế năng” (động năng xoáy của bức xạ ) thấp nhất và điểm O là điểm “cao nhất” có thể lan truyền tới của một bức xạ . Để diễn tả ý niệm ấy chúng ta đổi ký hiệu dR thành dh với h=R_o là độ cao cực đại tính từ “mặt đất” S_o.

Nhớ rằng tiềm áp suất giảm tỉ lệ nghịch với sự tăng độ cao thì từ biểu diễn và thay ký hiệu P_o bằng P, chúng ta sẽ có biểu diễn dưới dạng tích phân:

Sau khi lấy tích phân và biến đổi về dạng hàm mũ sẽ được:

                                  

                                     (***)

(Hết chương XXXXVII)

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