Những con số làm nên vũ trụ - Phần 67

Sự tổng hợp hạt nhân

Câu trả lời cho câu hỏi sâu sắc đầu tiên của một đứa trẻ – “Tôi từ đâu mà có?” – thường bắt đầu với chút ấp a ấp úng về cái diễn ra chín tháng trước khi đứa trẻ ra đời, nhưng không có nguyên tố carbon thì toàn bộ vấn đề sẽ không có gì để nói. Carbon, giống như đa số các nguyên tố khác ngoài hydrogen và helium (chúng được tạo ra không bao lâu sau vụ nổ lớn), là kết quả của sự tổng hợp hạt nhân, một quá trình sản sinh nguyên tố xảy ra thường xuyên nhất ở các ngôi sao. Phản ứng đặc biệt tạo ra carbon được gọi là quá trình bộ ba alpha, và nó không những tương tự với sự tông nhau gần như đồng thời của ba chiếc xe hơi, mà ba xe đó còn y hệt nhau, ví dụ như ba chiếc Toyota Corollas 2006 màu xanh. Khi cân bằng các phản ứng hạt nhân, người ta không cân bằng các chỉ số theo nguyên tố như trong phản ứng hóa học, mà theo số nguyên tử (số proton có trong hạt nhân) và tổng số proton và neutron trong hạt nhân. Nguyên tố helium-4, có hạt nhân gồm hai proton và hai neutron, được kí hiệu là ₂⁴He. Quá trình bộ ba alpha gồm một phản ứng thu nhiệt, trong đó hai nguyên tử helium hợp nhất tạo ra một nguyên tử beryllium, sau đó là một phản ứng tỏa nhiệt, trong đó nguyên tử beryllium hợp nhất với một nguyên tử helium tạo thành một nguyên tử carbon. Hai phương trình đó là

Ngoài nguyên tử carbon, phản ứng thứ hai còn tạo ra một positron (số hạng thứ hai ở vế phải) và một electron (số hạng cuối). Hai phản ứng trên còn tạo ra tổng cộng chừng 1,16 ´ 10^-12 joule. Năng lượng đó không nhiều – và quá trình bộ ba alpha còn hiếm xảy ra hơn cả trường hợp ba chiếc Toyota Corollas tông nhau (mặc dù ví dụ đối chiếu ở đây không bị ảnh hưởng bởi vấn đề máy gia tốc, thiết bị chắc chắn sẽ làm tăng xác suất của một va chạm như thế). Cái còn khó hơn nữa là thật ra nó cần nhiệt độ vượt quá 100 triệu độ kelvin để phản ứng, và những nhiệt độ này chỉ có thể có được tại tâm của những ngôi sao thật sự lớn. Tuy nhiên, trong quá trình vũ trụ có đủ những ngôi sao như vậy nên carbon là nguyên tố dồi dào thứ tư trong vũ trụ.

Hàm lượng cao đáng kể của oxygen và carbon, cộng với khả năng va chạm ba hạt nhân hiếm gặp, làm phát sinh một câu hỏi khác đơn giản, nhưng rất lớn. Đó là một trong những câu hỏi lớn từng tái đi tái lại nhiều lần trong khoa học và triết học, và người ta không thể nói dối lũ trẻ nữa: ấy là tại sao vũ trụ dường như được bố trí chính xác để cho phép sự tiến hóa của giống người Homo sapiens. Thật vậy, chúng ta đã thấy một ví dụ khác của một sự bố trí tinh vi như thế - hiệu suất nhiệt hạch hydrogen. Trước năm 1952, quá trình bộ ba alpha không được biết là tồn tại hay có thể không, nhưng nhà thiên văn vật lí Fred Hoyle đã có thể tranh luận thuyết phục – qua một loại kĩ thuật chứng minh phản chứng – rằng nó không những phải có thể, mà nó phải tồn tại nữa. Ông cho rằng chúng ta tồn tại, và để tồn tại như chúng ta, chúng ta dựa trên sự dồi dào carbon. Do đó, mọi quá trình tổng hợp hạt nhân phải bao gồm một phương tiện tạo ra nó, và như thế cần đến quá trình bộ ba alpha, cho dù hiếm như thế nào đi nữa thì nó vẫn thật sự đã xảy ra.

Nhưng còn một câu chuyện nữa. Giống hệt như hiệu suất nhiệt hạch hydrogen đã được bố trí đẹp đẽ cho sự xuất hiện của giống người Homo sapiens (hay ít nhất là sự sống trên Trái đất), với carbon nguyên tử cũng thế. Các tính chất hóa học của nguyên tử carbon cho phép hoạt động sinh hóa của dạng sống của chúng ta, và các tính chất hạt nhân của nguyên tử carbon cho phép carbon tồn tại với hàm lượng đủ phong phú để sự sống có thể khởi sinh. Những tính chất hạt nhân đó không những cho phép quá trình bộ ba alpha tạo carbon xảy ra, mà chúng còn ngăn chặn một quá trình “bộ tứ alpha”, trong đó carbon hợp nhất với helium tạo ra oxygen, xảy ra với tần suất đủ để đốt cháy carbon. Vâng, chúng ta cần oxygen, nhưng chúng ta cần carbon trước đã – các dạng sống đã tiến hóa trên Trái đất từ lâu trước khi oxygen có mặt trong khí quyển với hàm lượng đáng kể. Nếu phản ứng tạo oxygen từ carbon xảy ra thường xuyên hơn, thì sẽ có nhiều oxygen hơn để thở, nhưng chẳng có cái gì ở xung quanh ta để mà thở oxygen.

Việc khám phá ra danh sách gồm những phản ứng tạo nên câu chuyện tổng hợp hạt nhân là một trong những thành tựu vĩ đại của nền khoa học thế kỉ hai mươi, mặc dù nó thường không được công chúng biết đến rộng rãi. Cái lảng tránh chúng ta từ trước đến nay là khả năng tái tạo sự tổng hợp hạt nhân ở trên Trái đất này. Ngay với sự kết hợp hydrogen thành helium, dạng đơn giản nhất của phản ứng tổng hợp hạt nhân, cũng đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ. Chúng ta đã có thể tái tạo nó theo kiểu không kiểm soát trong sự nổ của bom khinh khí, nhưng nó chỉ xảy ra khi trước tiên chúng ta kích nổ một quả bom nguyên tử để tạo ra nhiệt độ và áp suất cần thiết. Nó thuộc loại dự án khó kêu gọi đầu tư cho các ứng dụng công nghiệp. Chúng ta đã thu được sự nhiệt hạch dưới các điều kiện có điều khiển trong phòng thí nghiệm, nhưng ta chưa làm chủ được việc điều khiển nó với chi phí hiệu quả. Nếu chúng ta có thể hoàn thiện nó, thì chúng ta sẽ có một nguồn năng lượng sạch sẽ có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng của nhân loại trong hàng thiên niên kỉ. Nhưng những phản ứng nhiệt hạch cần thiết để tạo ra những phức hợp nguyên tố nặng thì năm ngoài khả năng của chúng ta – chúng đòi hỏi những nhiệt độ và áp suất hết sức cao nên chúng chỉ có thể được tạo ra trong những ngôi sao thật sự to lớn.