Chương 11
Giới hạn Chandrasekhar
Vào năm 1835, nhà triết học Auguste Comte đã cố gắng tiến đến nơi không nhà triết học nào từng đạt tới. Cho đến khi ấy, các nhà triết học đã cố gắng phân định những giới hạn hiểu biết của con người, nhưng họ thường làm việc ấy bằng cách khảo sát những câu hỏi luân thường, đạo lí và đức tin mà họ cảm thấy sẽ không bao giờ giải quyết được. Comte đã biên soạn một danh sách những câu hỏi ông cảm thấy khoa học sẽ không bao giờ có thể trả lời được. Một trong những câu hỏi đó là xác định thành phần của các ngôi sao. Niềm tin của Comte – rằng đây là một câu hỏi mà khoa học sẽ không bao giờ có thể trả lời được – không phải là không có lí. Xét cho cùng thì vào năm 1838, Friedrich Bessel sẽ chứng minh rằng khoảng cách đến ngôi sao 61 Cygni là 6 năm ánh sáng, một khoảng cách gấp gần 400.000 lần khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời, và lớn hơn nhiều so với bất kì con số nào mà trước đó người ta từng nghĩ tới. Tìm kiếm cái gì đó ở một vật thể xa xôi như vậy dường như là một thách thức kinh khủng.
May thay, các nhà triết học và nhà khoa học thường không đọc chung sách vở và báo chí, nên dự đoán của Comte hoàn toàn không được Robert Bunsen chú ý tới. Là một nhà hóa học người Đức, Bunsen đã hấp thu kiến thức về những hợp chất hữu cơ chứa arsen vào lúc có danh sách của Comte. Việc tìm hiểu những hợp chất như thế tỏ ra là một mốc quan trọng trong lịch sử khoa học, nhưng nó không có ý nghĩa như thế trong chừng 75 năm, cho đến khi Paul Ehrlich sử dụng chúng để phát triển thuốc chữa bệnh giang mai. Vào thời của Bunsen, những hợp chất như thế đơn thuần là rất nguy hiểm: Bunsen đã hỏng một mắt và suýt chết hai lần vì nhiễm độc arsen. Lúc hồi phục, ông mới nghĩ rằng sự thận trọng là một phần quan trọng của lòng dũng cảm và từ bỏ hóa học hữu cơ chuyển sang một lĩnh vực an toàn hơn, nghiên cứu vai trò của nhiệt trong các phản ứng hóa học. Ngoài những thành công lớn khác, nghiên cứu này sẽ đưa đến sự phát triển đèn Bunsen, một dụng cụ mà mọi sinh viên từng đặt chân vào phòng thí nghiệm hóa học đều biết.
Một trong những người học trò thế hệ đầu của Bunsen là Gustav Kirchhoff; họ đã cùng hợp tác nghiên cứu các phản ứng hóa học hấp thụ và phát xạ ánh sáng. Hai người kết hợp quan điểm của Thomas Young cho ánh sáng đi qua một khe hẹp với quan điểm của Newton cho ánh sáng đi qua một lăng kính. Thế là ra đời máy quang phổ, một trong những công cụ quan trọng nhất trong khoa học. Đèn Bunsen được sử dụng để đun nóng chất liệu đến phát sáng, và ánh sáng do chất liệu nóng sáng đó phát ra được cho đi qua một máy quang phổ để lại một hệ vạch màu trên màn ảnh. Người ta sớm phát hiện ra rằng hệ vạch màu này là một dấu vân tay hóa học, và mỗi nguyên tố có hệ vạch, hay phổ, đặc trưng riêng của nó.
Máy quang phổ hóa ra là một công cụ tuyệt vời. Sử dụng máy quang phổ phân tích ánh sáng của Mặt trời, Kirchhoff đã phát hiện ra một vạch phổ đặc trưng của nguyên tố natri. Vì không có natri trong khí quyển của Trái đất, và chắc chắn không có natri trong chân không giữa Mặt trời và Trái đất, nên kết luận không thể tránh khỏi là: natri tồn tại trong Mặt trời. Sau này người ta sử dụng kĩ thuật giống như vậy cho ánh sáng đến từ các ngôi sao, cho phép thành phần hóa học của chúng được xác định, nhưng chuyện đó không diễn ra trong 30 năm sau dự đoán u ám của Comte. Tuy nhiên, công trình nghiên cứu của Kirchhoff khiến ông bị hoài nghi không ít. Ông chủ của Kirchhoff, thuộc loại thực dụng, đã hỏi Kirchhoff “Vàng trên Mặt trời dùng làm gì được nếu như tôi không thể mang nó xuống Trái đất?” Không bao lâu sau nhận xét này, Kirchhoff nhận được một giải thưởng của nước Anh cho nghiên cứu của ông, thưởng bằng tiền vàng. Kirchhoff cầm chúng đến gặp ông chủ của mình, chộp thời cơ nhận xét “Đây chính là vàng từ Mặt trời.”
Comte qua đời hai năm trước khi có sự phát triển của máy quang phổ. Comte sai khi nói về thành phần của các ngôi sao, nhưng trên nguyên tắc thì ông đúng: có một số phương diện của vũ trụ khoa học sẽ không bao giờ có thể xác định được. Một số hệ, ví dụ như thời tiết toàn cầu, hết sức nhạy với những biến thiên nhỏ nên chúng ta không dễ gì có thể dự báo thời tiết với độ chính xác lớn hơn vài ngày sắp tới. Vấn đề với những phát biểu như phát biểu của Comte là ảnh hưởng chính của việc gán cho một cái gì đó là không thể biết để khiến có ít người cố gắng tìm hiểu nó hơn. Tốt hơn hết, giống như Albert Einstein, là giả sử rằng nếu chúng ta có một câu hỏi, ta có thể tìm ra một câu trả lời, và rồi bắt đầu nêu ra những câu hỏi. Nếu tôi phải đoán, thì phần đông bọn trẻ, nếu không nói là tất cả, sẽ nêu ba câu hỏi đơn giản sau đây. Thứ nhất là “Con đã từ đâu đến?”, một câu hỏi mà đa số trẻ em thường bật ra quá sớm đối với cha mẹ của chúng. (Cha mẹ của tôi, giống như phần đông cha mẹ khác, lóng nga lóng ngóng không thật sự mang lại một câu trả lời thỏa mãn cho đến khi tôi lên 10 hoặc 11 tuổi, khi đó họ ném cho tôi một quyển sách cực kì nhàm chán nói về hệ sinh sản ở người. Có lẽ họ muốn tôi đủ chán với vấn đề đó thì tôi sẽ không làm phiền họ nữa. Họ nghĩ đúng – giống như nhiều đứa trẻ cùng thời, tôi đã học từng phần câu chuyện thật sự từ nhiều nguồn thông tin khác nhau.) Câu hỏi thứ hai và thứ ba là những biến thể trên nền câu hỏi câu thứ nhất, đó là vấn đề nguồn gốc. Bọn trẻ quan tâm đến thế giới riêng của chúng đến mức những câu hỏi đầu tiên là hỏi về cội nguồn ra đời của chúng. Khi quả cầu nhận thức của chúng mở rộng ra, hai câu hỏi khác xuất hiện một cách tự nhiên, câu hỏi thứ hai là “Thế giới từ đâu mà có?” và câu hỏi thứ ba là “Mọi thứ từ đâu mà có?” Einstein nói đúng: ba câu hỏi đơn giản này thật sự nổi cộm, và chúng đã kích thích nhiều tiến bộ quan trọng nhất trong nghiên cứu khoa học.
Tất nhiên, khi đánh giá những công cụ dùng trong nghiên cứu để trả lời những câu hỏi lớn trong khoa học, thật khó bỏ qua máy quang phổ của Bunsen và Kirchhoff. Nếu tôi phải lập một danh sách 10 công cụ khoa học hàng đầu, tôi khó lòng không đặt nó lên hàng top, mặc dù kính hiển vi, với tác động to lớn của nó đối với sức khỏe nhân loại, được đề cao hơn. Có rất nhiều những danh sách top 10 như vậy: tôi không có hứng thú với kiến trúc, nhưng nếu rảnh tôi có thể duyệt web xem top 10 công trình kiến trúc quan trọng nhất (hoặc lớn nhất, hoặc đẹp nhất), có lẽ tôi sẽ click chuột để xem. Thật vậy, có một danh sách top 10 có tầm quan trọng hết sức to lớn trong việc trả lời câu hỏi thứ hai và thứ ba của tôi ở trên, và đó là danh sách mười nguyên tố phổ biến nhất trong hệ mặt trời. Chúng ta đã có một danh sách như vậy nhờ máy quang phổ, thiết bị ngày nay cho phép chúng ta không những xác định cái có trong Mặt trời, hay hệ mặt trời, hay vũ trụ, mà còn xác định nó có bao nhiêu nữa.
Nguyên tố % nguyên tử
Hydrogen 92,295
Helium 7,548
Oxygen 0,082
Carbon 0,048
Nitrogen 0,009
Neon 0,008
Magnesium 0,003
Silicon 0,003
Sắt 0,002
Sulfur 0,002
Cái được làm cho rõ ràng từ danh sách trên là hành tinh của chúng ta hết sức đặc biệt. Thật vậy, mọi sự tập trung vật chất là rất không có khả năng; xét cho cùng, bản thân vũ trụ là hết sức trống rỗng, với mật độ trung bình chỉ một nguyên tử trong mỗi năm mét khối không gian. Tất nhiên, lực hấp dẫn và lực điện từ giúp vật chất bám lại với nhau, nhưng cái khiến Trái đất trông còn đặc biệt hơn là nó không phải là sự kết tập của hydrogen và helium với một chút vật chất khác. Thay vậy, trong khi vũ trụ có rất ít nguyên tố nặng trong nó, thì hành tinh của chúng ta có khá nhiều, với oxygen, nhôm, silicon, natri, kali, calci và sắt đều phổ biến ít nhất ngang ngửa với hydrogen trên Trái đất.
Một cái người ta có thể thấy là sự phân bố của những loại vật chất khác nhau trên hành tinh chúng ta và trong vũ trụ quy mô lớn khác nhau như thế nào. Cơ thể con người gồm khoảng 65% oxygen và 19% carbon tính theo trọng lượng. Tôi cân nặng 140 pound, nên cơ thể của tôi chiếm khoảng 91 pound oxygen và 26 pound carbon (nhiều hoặc ít hơn một chút). Một mol oxygen cân nặng 16 gram, và vì có 454 gram trong một pound, nên cơ thể của tôi chứa 2582 mol mol oxygen, hay 1,56 x 1027 nguyên tử oxygen. Nếu vật chất trong vũ trụ được phân bố đồng đều, thì chỉ có một nguyên tử oxygen trong 6250 mét khối không gian, nghĩa là bạn cần 9,75 x 1030 mét khối không gian mới có lượng oxygen bằng như trong cơ thể bạn. Đó là một hình lập phương mỗi cạnh 2,14 x 1010 mét – 13 triệu dặm, gấp khoảng 57 lần khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trăng.
Vâng, vì thế vũ trụ đã trải qua rất nhiều biến cố để tập trung đủ oxygen và carbon trên Trái đất để cho quyển sách này ra đời: cung cấp carbon và oxygen tạo nên tác giả, độc giả và giấy in. Việc làm sáng tỏ câu chuyện này đã xảy ra như thế nào bắt đầu với sự phát minh ra máy quang phổ, và mất gần một thế kỉ mới đi tới kết luận nổi tiếng của Carl Sagan, “Chúng ta là bụi sao”. Cái ẩn sau kết luận đó nằm trong cái gọi là giới hạn Chandrasekhar.
Những con số làm nên vũ trụ
James D. Stein
Bản dịch của Thuvienvatly.com
