TT&HĐ V - 48/e
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
Gorky
"Cái khó hiểu nhất chính là hiểu được thế giới"
"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”.
CHƯƠNG IX(XXXXVIII): TƯƠNG LAI VŨ TRỤ
“Có
một vật hỗn độn mà thành trước cả trời đất. Nó yên lặng, vô hình, đứng
một mình mà không thay đổi vĩnh cửu, vân hành khắp vũ trụ không ngừng,
có thể coi nó là mẹ của vạn vật trong thiên hạ. Ta không biết tên nó là
gì, tạm đặt tên cho nó là đạo. Đạo mà diễn tả được thì đó không còn là
đạo bất biến nữa, tên mà gọi ra được thì đó không còn là tên bất biến
nữa."
Lão Tử
“…
Chúng ta vẫn còn là những người mới bắt đầu hết sức lúng túng với những
hình ảnh trí tuệ đúng – sai lầm và thực tại tối hậu vẫn còn nằm ngoài
xa tầm nắm bắt của chúng ta”
Susskind
"Ngôn
ngữ của vật lí là toán học, và không thể hiểu được vật lí nếu không có
toán học. Đây là cái khiến nó khó nuốt. Ngôn ngữ của văn học là tiếng
Anh hay tiếng Trung hay thứ tiếng nào đó, và đó là cái khiến nó dễ tiêu
hóa. Và văn học thì nói về con người. Vật lí học thì nói về cái phi con
người. Nó không phải là một hương vị mà mọi con người đều nếm được".
Susskind
"Thay đổi là bản chất của Vũ Trụ chúng ta"
Frank Herbert
"Người
thuận theo đất, đất thuận theo trời, trời thuận theo Đạo, Đạo thuận
theo tự nhiên".
Lão Tử
"Các hằng số Vũ Trụ là hữu hạn (không vô tỷ!). Chỉ khi nào thừa nhận điều đó, vật lý học mới có khả năng hiểu thấu đáo Vũ Trụ.
NTT
(Tiếp theo)
***
Ngay
sau khi người ta buộc phải loại bỏ giả thuyết về “chất nhiệt” thì các
nhà vật lý đã nhất trí công nhận rằng nhiệt là một dạng năng lượng nào
đó, tuy nhiên các nhà vật lý cũng đã tách thành hai trường phái khoa học
chính. Trường phái thứ nhất là trường phái “các nhà năng lượng học”
(gồm: Mayer, Ostwald, Duhen…) đã đặt năng lượng đối lập với vật chất. Họ
xem năng lượng không phụ thuộc vào vật chất, song họ cho năng lượng là
hiện thực và không thể bị hủy diệt cũng như vật chất. Trong một số
trường hợp nào đó, các nhà năng lượng học thậm chí đi tới chỗ tuyên bố
không cần thiết mọi phần tử vật chất mang năng lượng, do đó năng lượng
là biểu hiện duy nhất của thực tại vật lý. Dẫu cho ý nghĩa triết học của
quan niệm này có như thế nào đi nữa thì theo quan điểm khoa học nó vẫn
hoàn toàn bất lợi, bởi vì khi nâng năng lượng (và nhiệt năng, nói riêng)
tới mức một thực thể luôn như siêu hình, quan niệm này làm cho con
đường nghiên cứu tiếp tục bị bế tắc và do vậy làm cản trở sự phát triển
của khoa học.
Trường
phái thứ hai, đối lập với “các nhà năng lượng học” là “các nhà cơ học”
hay “các nhà nguyên tử học” (Joule, Boltzmann, Clausius). Họ bác bỏ việc
phân biệt năng lượng và vật chất, cố gắng tìm cách giải thích khái niệm
này từ khái niệm kia. Do đó họ đã thấy ở nhiệt sự chuyển động khó nhận
thấy của những thành phần nhỏ nhất của vật chất, nghĩa là theo các quan
niệm của thời đó, của các phân tử hay nguyên tử. Thời bấy giờ, vật lý cơ
học cổ điển đang thống trị nhận thức con người. Số đông các nhà khoa
học đều tin rằng Vũ Trụ này vận hành theo những qui luật, nguyên lý mà
Niutơn đã chỉ ra. Do đó có những ý đồ đưa các định luật của tự nhiên về
những định luật của cơ học cổ điển, nhưng nói chung vẫn chưa thành công.
Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực hoàn toàn xác định nào đó, những ý đồ
giải thích các hiện tượng tự nhiên nhờ các định luật cơ học đã đem lại
những kết quả xuất sắc, và một trong những lĩnh vực như vậy là lý thuyết
các hiện tượng nhiệt.
Ngày
nay, chúng ta có cảm nhận rằng đó là hướng đi đúng. Dù chưa gặt hái
được thành công hoàn toàn như mong ước, có lẽ là vì chưa đạt đến “độ
sâu” cần thiết của sự nhận thức. Chẳng hạn, bản chất của nhiệt được giải
thích theo “động học phân tử chất khí” là chưa rốt ráo. Giải thích xác
đáng nhất, theo ý chúng ta, phải là: nhiệt là sự phản ánh mức độ rối
loạn trong vận động số đông của bức xạ điện từ hay hạt KG mà đến một
giới hạn nào đó của thế giới vi mô, những đại lượng có thể cảm nhận được
trong thế giới vĩ mô như áp suất, nhiệt độ… không tồn tại nữa. Không thể hình dung được thứ sinh ra sự nóng-lạnh lại nóng lạnh!
Đến đây, chúng ta mạnh dạn phỏng đoán: vì năng lượng xét cho cùng là tích số giữa khối lượng và vận tốc bình phương, cho nên nó phải được hình thành nên từ chuyển hóa không gian, nghĩa là đồng thời hình thành cùng với khối lượng và vận tốc chuyển động bình phương. Suy ra năng lượng là một đặc trưng không thể loại trừ của vật chất. Từ đó có thể thấy quan niệm thứ hai về nhiệt đúng đắn hơn
Chính vì vậy, phải xem những giả thuyết cơ sở của lý thuyết động học chất khí chỉ là sự gần đúng và có tính xác suất.
Mối
liên hệ giữa entrôpi và xác suất được Ludwig Boltzmann thiết lập, và
được biểu diễn dưới dạng mà chúng ta đã trình bày. Việc chứng minh công
thức này do chính Boltzmann đưa ra, dù rằng hoàn toàn chặt chẽ nhưng
không được rõ ràng lắm. Vai trò công thức của Boltzmann đối với sự phát
triển của khoa học hiện đại là rất lớn. Ở đây chúng ta nên đưa ra một
cách chứng minh đơn giản nhất.
Tuy
nhiên tính đơn giản này là do sự tồn tại mối quan hệ giữa entrôpi và
xác suất được chấp nhận một cách tiên nghiệm, bởi vì hai đại lượng này
luôn luôn biến thiên theo một hướng. Một mặt, theo nguyên lý Clausius,
mọi hệ đều tiến triển sao cho entrôpi của nó tăng. Và mặt khác, sự tiến
triển này luôn luôn hướng một cách tự nhiên đến những trạng thái có xác
suất cao hơn. Nói cách khác, xác suất của các trạng thái liên tiếp của
hệ tăng cùng với entrôpi của những trạng thái đó. Ta có thể biểu diễn
tình huống này bằng toán học khi đặt:
S=f(W)
trong đó, W là xác suất, f là một hàm tăng nào đó
Có
thể dễ dàng xác định dạng của hàm này nếu xuất phát từ thực tế là
entrôpi của một hệ bằng tổng các entrôpi của các thành phần của hệ, còn
xác suất của một trạng thái nào đó của hệ bằng tích xác suất các trạng
thái của các thành phần của hệ. Nếu chẳng hạn số thành phần của hệ bằng
hai thì một mặt:
S=S1+S2
Còn mặt khác:
W=W1.W2 (ở đây (1) và (2) là chỉ tên các thành phần)
Từ đó suy ra:
f(W1.W2)=f(W1)+f(W2)
Để giải phương trình phiếm hàm này ta chỉ cần lấy đạo hàm nó lần lượt theo W1 và W2. Lấy đạo hàm lần thứ nhất dẫn đến phương trình:
W2.f’(W1.W2)=f’(W1)
Còn lấy đạo hàm lần thứ hai dẫn đến phương trình:
f’(W1.W2)+W1.W2.f’’(W1.W2)=0
hay: f’(W)+W.f’(W)=0
Nghiệm tổng quát của phương trình này có dạng:
f(W)=a.lnW+c
trong đó, a và c là các hằng số tính phân
Bỏ hằng số cộng c đi và chú ý đến hệ thức f(W)=S, ta thu được công thức Boltzmann:
S=a.lnW
Nghĩa là: entrôpi của hệ ở trong một trạng thái nào đó tỉ lệ với lôga xác suất của trạng thái đó:
Người ta đã chứng minh được hằng số a bằng:
với j: là hệ số phụ thuộc việc chọn đơn vị đo, R: hằng số khí lý tưởng, N: là số Avôgadrô.
Từ đó suy ra: 
với 
là hằng số Boltzmann và (khi thay hệ đơn vị):
với là hằng số Boltzmann và (khi thay hệ đơn vị):
S=k.lnW
Hay
đọc thành văn: entrôpi ứng với một trạng thái cho trước bằng tích hằng
số Boltzmann và lôga tự nhiên của xác suất nhiệt động học của trạng thái
đó.
Lý
thuyết có tính “Cơ học” của Boltzmann về nhiệt không phải không có ý
kiến phản đối. Đối thủ chính của ông là Loschmidt, người đã dành bốn
công trình để bác bỏ lý thuyết động học chất khí và các áp dụng của nó
cho nguyên lý thứ hai của nhiệt động học, mà ý kiến phản đối nổi tiếng
nhất là ý kiến dưới cái tên “nghịch lý Loschmidt” hay “nghịch lý tính
thuận nghịch”.
Trong cơ học người ta phân biệt những trạng thái cân bằng là:
- bền
- không bền
- phiếm định
(Xem hình 1)
Hình 1: Các dạng cân bằng cơ học
1) bền 2) không bền 3) phiếm định
Tùy
theo khi bị đẩy nhẹ ra khỏi vị trí cân bằng bởi ngoại lực nào đó thì hệ
cơ học có xu hướng trở về trạng thái ban đầu, rời xa khỏi trạng thái
đó, hoặc vẫn ở vào trạng thái đó khi ngoại lực ngừng tác động. Tương tự,
trạng thái cân bằng nhiệt động
có nhiều dạng. Dạng đáng chú ý nhất là cân bằng bền. Trong cân bằng
bền, bất cứ trạng thái nào khác gần nó cũng đều là những trạng thái kém
bền hơn. Muốn đi từ trạng thái cân bằng bền sang trạng thái khác gần nó,
bao giờ cũng phải tiêu thụ công từ bên ngoài. Cân bằng bền còn gọi là
cân bằng thực.
Đối
với cân bằng bền, mỗi tác dụng vô cùng nhỏ chỉ có thể gây ra những biến
thiên vô cùng nhỏ trong trạng thái của hệ. Nó không thể gây ra những
quá trình bất thuận nghịch. Khi tác dụng ấy chấm dứt, hệ có xu hướng trở
về trạng thái cũ. Cân bằng bền đặc trưng ở chỗ, là về nguyên tắc, có
thể đi tới nó từ hai chiều ngược nhau.
Theo quan điểm thống kê, trạng thái cân bằng bền là trạng thái có nhiều xác suất nhất.
Về
ý nghĩa vật lý cân bằng bền là cân bằng động. Cân bằng được thiết lập
không phải vì không có quá trình hoặc vì quá trình dừng lại mà là do quá
trình diễn ra đồng thời theo cả hai chiều ngược nhau với tốc độ bằng
nhau. Ví dụ trong sự bay hơi của chất lỏng trong một bình kín, cân bằng
bền được thiết lập khi số phân tử từ chất lỏng bay thành hơi bằng số
phân tử từ hơi ngưng tụ thành chất lỏng trong cùng đơn vị thời gian. Đó
chính là hiện tượng bão hòa. Cân bằng trong các phản ứng hóa học cũng có
tính chất động như thế.
Với
khái niệm cân bằng như vậy, Lơ Satơliê (Le Chatelier, 1884) và Bơrôn
(Braun, 1886) nêu ra nguyên lý chuyển dịch cân bằng như sau (áp dụng cho
mọi cân bằng lý, hóa bất kỳ. Dĩ nhiên chỉ đối với cân bằng thực). Một
hệ ở trạng thái cân bằng bền nếu chịu một tác động từ bên ngoài làm thay
đổi một điều kiện nào đó trong các điều kiện qui định vị trí của cân
bằng thì hệ sẽ chuyển sang trạng thái nào làm yếu ảnh hưởng của tác động
gây ra và vị trí của cân bằng sẽ chuyển dịch sang phía đó.
| Johann Josef Loschmidt | |
|---|---|
Johann Josef Loschmidt
| |
| Sinh ra | 15 tháng 3 năm 1821 Putschirn, đế chế Áo (nay là Počerny, Karlovy Vary , Cộng hòa Séc ) |
| Chết | 8 tháng 7 năm 1895 (74 tuổi) Vienna , Áo-Hungary |
| Quốc tịch | Người Áo |
| Được biết đến với | |
| Sự nghiệp khoa học | |
| Lĩnh vực | hóa học , vật lý |
| Henri Louis le Chatelier | |
|---|---|
|
|
| Sinh | 8 tháng 10 năm 1850 Pháp |
| Mất | 17 tháng 9, 1936 (85 tuổi) Pháp |
| Ngành | Hóa học |
| Nổi tiếng vì | Nguyên lý chuyển dịch cân bằng le Chatelier |
| Giải thưởng | ForMenRS |
Theo
lý thuyết Boltzmann, nếu khối khí ở thời điểm ban đầu do nằm trong
trạng thái khác với trạng thái cân bằng nhiệt động học thì sự tiến triển
tiếp theo của hệ này sẽ diễn ra sao cho entrôpi của hệ tăng. Điều này
sẽ xảy ra, chẳng hạn nếu tất cả các phần tử chỉ chiếm một phần bình hay
tất cả chúng đều có một tốc độ nào đó… Nhưng các định luật cơ học không
ngăn cản chúng ta giả thiết là ở một thời điểm nào đó các tốc độ của tất
cả các phân tử sẽ biến đổi hướng thành hướng ngược lại, bởi vì các hiện
tượng cơ học là thuận nghịch. Lúc đó sự tiến triển của chất khí phải
đổi hướng ngược lại, nghĩa là entrôpi sẽ giảm. Từ đó Loschmidt rút ra
kết luận entrôpi có khả năng tăng giống khả năng giảm, do đó, sự tiến
triển của chất khí không nhất thiết phải diễn ra theo một hướng xác định
như lý thuyết của Boltzmann khẳng định. Nói cách khác, tính thuận
nghịch của các hiện tượng cơ học không cho phép áp dụng chúng để giải
thích các quá trình nhiệt động học không thuận nghịch.
Lập
luận này của Loschmidt đã gây ra nhiều cuộc tranh luận, và sự đa dạng
của các lý lẽ được đưa ra để bác bỏ “nghịch lý thuận nghịch” rõ ràng cho
thấy rằng người ta không thể có thái độ thiếu nghiêm túc đối với vấn đề
này. Một số tác giả cho rằng sự đảo ngược quá trình tiến hóa của chất
khí chỉ có thể xảy ra nếu đồng thời tất cả các quá trình trong toàn Vũ
Trụ đều đảo ngược: “chỉ cần sao cho một phân tử ở sao Thiên Lang thay
đổi chuyển động của mình là hầu như ngay lập tức chất khí của chúng ta
rời khỏi trình tự các trạng thái mà nó tuân theo cho đến lúc đó. Do đó,
sự đảo ngược quá trình tiến hóa tự nhiên thực tế không thể thực hiện
được…” Chúng ta không thể tin vào lập luận này bởi vì các kết luận của
lý thuyết động học chất khí được rút ra trên cơ sở giả thiết cho rằng
khối khí đang xét hoàn toàn cô lập với thế giới xung quanh và không chịu
bất kỳ một tác động bên ngoài nào. Do đó những sự kiện xảy ra trên sao
Thiên Lang không thể được đưa ra để ủng hộ nghịch lý Loschmidt. Nhưng
điều phản đối này là không có cơ sở bởi vì cơ học cổ điển, và nói riêng,
lý thuyết động học chất khí khảo sát những trạng thái đã lý tưởng hóa,
và trong phạm vi những lý thuyết này ta phải chấp nhận là có thể diễn ra
sự đảo ngược chặt chẽ quá trình tiến hóa.
(Còn tiếp)
--------------------------------------------------------------
(Còn tiếp)
--------------------------------------------------------------
Nhận xét
Đăng nhận xét