Chương 10
Hiệu suất nhiệt hạch hydrogen
Khi tôi học đại học năm thứ nhất, một ca sĩ nhạc đồng quê tên là Skeeter Davis đã đưa bài hát “Tận cùng thế giới” lên thứ hạng hai trên các bảng xếp hạng bởi việc nêu ra một câu hỏi ai oán “Tại sao ánh dương kia cứ mãi tỏa sáng?” Bài hát thể hiện sự xót xa của một con tim vỡ nát hơn là những câu hỏi lớn. Nhưng nó cũng cho thấy rằng bạn không thể tin vào các ca sĩ nhạc đồng quê – hay những người viết nhạc đồng quê – có thể nêu lên những câu hỏi lớn. Câu hỏi lớn không phải là tại sao Mặt trời cứ luôn tỏa sáng – mà là nó tỏa sáng như thế nào. Tôi tưởng tượng người ta đã hỏi như thế kể từ thời hồng hoang, nhưng phải đến thế kỉ 19 thì vật lí học mới có được những công cụ tính toán cần thiết để trả lời câu hỏi đó. Câu trả lời mà các nhà vật lí thế kỉ 19 thu được cuối cùng sẽ đưa đến con số 0,007 mà xét theo một số phương diện nào đó thì đây là con số quan trọng nhất trong quyển sách này. Như chúng ta sẽ thấy, chỉ cần con số này nhỏ hơn chút ít hay lớn hơn chút ít, thì quyển sách này – và bài hát “Tận cùng thế giới”, và tất cả những bài hát và những quyển sách khác – sẽ không bao giờ được viết ra.
Năng lượng mặt trời
Huân tước Kelvin có lẽ là người đầu tiên đi giải bài toán làm thế nào Mặt trời tiếp tục tỏa sáng từ một quan điểm khoa học. Ông bắt đầu bằng cách tính công suất do Mặt trời phát ra. Đo ánh sáng mặt trời tới tại chóp đỉnh khí quyển, chúng ta tìm thấy mỗi mét vuông nhận 1,3 kilowatt. (Ta phải đo ở đấy, thay vì trên mặt đất, vì bầu khí quyển – may mắn thay – đã hấp thụ một phần công suất đó trước khi nó đi tới mặt đất, nếu không có lẽ chúng ta đã mặc đồ bơi ở Bắc Cực rồi.) Mặt trời rõ ràng đang phát ra năng lượng đồng đều theo mọi hướng, vì thế lúc này ta đang tính năng lượng đi tới bề mặt của một quả cầu có bán kính bằng khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời. Khoảng cách xuyên tâm đó là 1,5 x 1011mét, và vì diện tích của một mặt cầu bán kính R là 4pR2, nên ta thấy một lớp vỏ cầu có bán kính 1,5 x 1011 mét nhận được 4p (1,5 x 1011)2 = 3,7 x 1023 kilowatt năng lượng từ Mặt trời. Công suất là tốc độ sản sinh năng lượng; một kilowatt là có một kilojoule năng lượng được tạo ra trong một giây. Nếu Mặt trời sản sinh năng lượng bằng cách đốt cháy một nhiên liệu hóa học như octan, thì nó sẽ tạo ra cỡ 300 kilojoule trên mỗi mol nhiên liệu. Khối lượng Mặt trời là khoảng 2 x 1030 kilogram, và octan, chất có công thức hóa học là C8H18, có trọng lượng phân tử 114. Cho nên một mol octan cân nặng 114 gram, hay 0,114 kilogram, và Mặt trời, nếu được cấu tạo bởi octan, sẽ chứa khoảng 2 x 1030 / 0, 114 = 1,75 x 1031 mol. Cho đốt cháy toàn bộ Mặt trời sẽ tạo ra khoảng 1,75 x 1031 x 300 = 5,3 x 1033 kilojoule, như thế Mặt trời sẽ tỏa sáng trong 5,3 x 1033 / (3,7 x 1023) = 1,4 x 1010 giây. Đó là khoảng 500 năm. Cho dù giả sử Mặt trời đang đốt cháy hydrogen theo kiểu hóa học, thì Mặt trời sẽ chỉ cháy trong 50.000 năm, lập luận dựa trên những con số trên. Ngay trước thế kỉ 20, đã có bằng chứng rằng Trái đất đã tồn tại trong hàng trăm triệu năm, tuy nhiên Mặt trời vẫn cứ tỏa sáng, nên nó không tỏa sáng bằng sự cháy bình thường.
Sau khi chỉ rõ điều này (mặc dù Kelvin đã sử dụng than đá làm nhiên liệu thay vì octan hay hydrogen), Kelvin đã tìm kiếm một nguồn năng lượng khác. Ông tìm thấy nó trong năng lượng thu từ thế năng của khối lượng Mặt trời đang biến đổi thành động năng khi nó rơi vào tâm của Mặt trời. Năng lượng này sẽ làm nóng Mặt trời trong hàng chục triệu năm – nhưng như thế vẫn chưa đủ tốt.
Vậy làm thế nào Mặt trời tiếp tục tỏa sáng? Phần lớn nghiên cứu nền tảng đã được thiết lập trong một trong những thời kì hào hứng nhất trong lịch sử vật lí, thập niên giữa 1895 và 1905, với ba khám phá mang tính cách mạng sẽ mở ra thế giới bên trong nguyên tử. Những mảnh cuối cùng của câu đố ghép hình sẽ không rơi đúng chỗ cho đến ngay trước lúc Thế chiến thứ hai bùng nổ.
Những con số làm nên vũ trụ
James D. Stein
Bản dịch của Thuvienvatly.com
