Các Con Số Mở Khóa Bí Ẩn Của Sự Sống Và Vũ Trụ | Thiên Hà TV

Con số nào quan trọng với bạn? Số điện thoại, số căn cước hay ngày tháng nam sinh? Có những con số tưởng rất đơn giản nhưng lại mang tầm vũ trụ. Chúng đại diện cho những quan niệm nền tẳng của vũ trụ, cho sự sống và cho tương lai của vũ trụ. Dưới đây là tổng hợp những con số quan trọng nhất của vũ trụ, không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của chúng ta mà còn cả số phần của vũ trụ. Hàng số Omega Chúng ta đã biết được cách vũ trụ hình thành và tuổi của vũ trụ. Tuy nhiên, chúng ta không thể biết được nó sẽ kết thúc như thế nào. Tuy nhiên, có một cách để xác định được tương lai của vũ trụ nếu chúng ta tập trung các thông tin để tính toán giá trị của hàng số Omega. Nếu bạn phóng một tên lửa từ một hành tinh và bạn biết vận tốc tên lửa đó, thì bạn sẽ biết được nó có thoát ra khỏi hành tinh được hay không dựa vào trọng lượng của hành tinh đó. Một tên lửa với vận tốc đủ để thoát khỏi mặt trăng, trời chất đã đủ để thoát khỏi trọng lực của trái đất. Số mệnh của vũ trụ cũng được tính toán kiểu như vậy. Nếu vụ nổ Big Bang cung cấp vận tốc ban đầu đủ lớn cho các thiên hà, chúng sẽ bay ra xa nhau mãi mãi. Nhưng nếu không, chúng sẽ rơi xuống giống như những tên lửa không đủ khả năng thoát ra khỏi trọng lực của hành tinh. Các thiên hà sẽ bị kéo trở lại, và đó là hiện tượng đảo ngược lại của vụ nổ Big Bang. Điều này thì phụ thuộc hoàn toàn vào khối lượng của toàn bộ vũ trụ. Chúng ta đã biết rằng nếu trung bình mỗi mét vuông trong vũ trụ chứa khoảng 5 nguyên tử Hydro, thì sẽ đủ để một lúc nào đó kéo toàn bộ thiên hà về trung tâm vũ trụ. Thời điểm ấy người ta gọi là ômega. Nó là tỷ số giữa toàn bộ lượng vật chất trong vũ trụ chia cho lượng vật chất nhỏ nhất để xảy ra hiện tượng Big Bang đảo ngược. Nếu ômega nhỏ hơn 1, các thiên hà sẽ bay ra xa nhau mãi mãi. Nếu ômega lớn hơn 1, một lúc nào đó trong tương lai Big Bang đảo ngược sẽ xảy ra. Với khả năng hiện tại, chúng ta ước tính được giá trị ômega nằm trong khoảng từ 0,98 đến 1,1. Vậy nên, tương lai của vũ trụ hiện vẫn là một bí ẩn. Phần lớn, các nhà khoa học là một nhóm những người khiêm tốn. Họ biết rằng thiên nhiên sẽ là người thẩm phán cuối cùng cho tất cả những gì họ tìm ra được và đôi khi phải mất một khoảng thời gian để thiên nhiên đưa ra lời phán quyết cuối cùng. Một ngày, Max Planck đưa ra một nhận định về vũ trụ. Nó thúc ép ông nói với con trai mình trong bữa trưa Chà vừa có một quan niệm mới hình thành trong đầu. Nó sẽ khởi đầu một cuộc cách mạng mới và sẽ hoành trắng không khác gì những thứ Newton mang tới đâu. Những lời nói rất cứng và rồi thời gian đã chứng minh những gì ông nói là hoàn toàn chính xác. Ông đã khám phá ra rằng năng lượng của một khối bất kỳ trong vũ trụ luôn là một số hiệu hạn lần của năng lượng của một hạt. Cũng giống như việc bất kỳ một khối nào trong vũ trụ cũng được cấu tạo bởi một số hiệu hạn các miên tử vậy. Những hạt nhỏ đó được gọi là quanta, lượng tử và hàng số Planck, viết tắt là hạt, cho ta biết được kích thước của hạt đó. Thuyết lượng tử của Planck đã chứng minh không chỉ cách giải thích cho sự hình thành của vũ trụ, mà còn là một tiết sáng trong cuộc cách mạng công nghệ của thế kỷ 20 và 21. Gần như tất cả những cải tiến trong lĩnh vực điện tử, từ laser đến máy vi tính và rồi là cộng hưởng từ, đều bắt nguồn từ những gì thuyết lượng tử nói về vũ trụ. Hơn nữa, thuyết lượng tử cung cấp cho chúng ta những bức tranh xốm động về sự thật. Những quan niệm về vũ trụ song song, một trong những quan niệm của khoa học viễn tường. Nhờ thuyết lượng tử mà nó trở thành một cách giải thích hợp lý cho cách mọi thứ diễn ra, hoặc ít nhất là cách mọi thứ có thể xảy ra. Hiệu suất kết hợp khí hịt rô Carl Sagan từng nói, We are all star stuff. Tạm dịch là chúng ta đều bắt nguồn từ các vị sao. Điều này là chính xác. Nhờ về hiệu suất kết hợp khí hịt rô, phần lớn vũ trụ chứa hịt rô, để tạo nên các nguyên tố phức tạp hơn, ví dụ như các nguyên tố giúp hình thành sự sống, chúng đều bắt nguồn từ nguyên tố hịt rô. Vũ trụ tạo ra các nguyên tố đó bằng các vị sao, vốn bản chất là một quả cầu khổng lồ chứa đầy khí hịt rô. Chúng gắn kết với nhau bởi lực hấp dẫn. Áp lực của lực hấp dẫn này mạnh đến nỗi, phản ứng hạn nhân xảy ra. Bốn nguyên tử hịt rô kết hợp với nhau tạo thành một nguyên tử heli. Năng lượng sinh ra bởi phản ứng này được tính theo công thức của Einstein, E bằng mc bình phương, nhưng chỉ có 0,7% lượng hịt rô ban đầu sinh ra năng lượng. Chuyển sang hệ thập phân, con số này là 0,007. Đây là hiệu suất kết hợp hịt rô và sự hình thành sự sống gắn liền với con số này. Một trong những bước phản ứng đầu tiên trong quá trình kết hợp hịt rô là sự hình thành deuterium, hay còn gọi là hịt rô nặng, và nó sẽ không xảy ra nếu hiệu suất kết hợp hịt rô dưới 0,006. Các ngôi sao vẫn hình thành, nhưng chúng sẽ chỉ đơn thuần là những quả cầu khí cực lớn. Nếu hiệu suất kết hợp hịt rô cao từ 0,008 trở lên, quá trình kết hợp sẽ đạt hiệu quả quá mức. Hịt rô sẽ chuyển thành heli nhanh đến mức, mà lượng hịt rô trong vũ trụ sẽ bị sử dụng hết sạch. Và như ta đã biết, phân tử nước được hình thành từ hai nguyên tử hịt rô và việc sử dụng cạn kiệt hịt rô sẽ làm nước không thể hình thành được, kéo theo sự sống sẽ không thể tồn tại. Vì vậy, con số 0,007 này rất quan trọng với sự sống. Giới hạn Chandrasekhar Sự sống như chúng ta đã biết phụ thuộc chủ yếu vào nguyên tố carbon, tuy nhiên cũng cần có cả các nguyên tố khác nữa. Chỉ có duy nhất một quá trình trong vũ trụ giúp hình thành nên các nguyên tố nặng hơn, đó là Supernova, sao siêu mới, là vụ nổ của một ngôi sao khổng lồ. Một vụ nổ sao siêu mới sẽ giúp hình thành tất cả các nguyên tố nặng và phân tán chúng vào vũ trụ, cho phép sự sống hình thành và phát triển trên các hành tinh. Sao siêu mới rất hiếm khi xảy ra, nhưng cực kỳ đẹp. Vụ nổ sao siêu mới xuất hiện trên bầu trời năm 1987, thực tế cách chúng ta 150.000 năm ánh sáng, nhưng chúng ta hoàn toàn có thể quan sát được bằng mắt thường. Kích thước của một ngôi sao quyết định số phận của nó. Những ngôi sao có kích thước bằng mặt trời có thể tồn tại rất lâu, hàng tỷ năm trước khi nó phình to xa và nuốt trầng các hành tinh xung quanh nó. Những ngôi sao lớn hơn mặt trời một chút sẽ trở thành sao luồn trắng. Những ngôi sao nhỏ hơn, ngay cả khi rất nóng, nhưng cũng sẽ ngụy đi nhanh chóng và chết. Tuy nhiên, nếu một ngôi sao vượt qua được một khối lượng nhất định nào đó, giới hạn Chandrasekhar, nó sẽ trở thành một sao siêu mới. Giới hạn Chandrasekhar được tính bằng khoảng 1,4 lần khối lượng mặt trời. Và thật bất ngờ Subratmanian Chandrasekhar đã khám phá ra điều này khi ông mới chỉ là một cậu sinh viên 20 tuổi bằng cách kết hợp các thuyết về cấu trúc ngôi sao và cư học lượng tử khi đang trong chiến tàu chạy từ Ấn Độ đến Anh. Quan niệm về hố đen, một vật thể trong vũ trụ có sức hút lớn đến nỗi, ngay cả ảnh sáng cũng không thể thoát khỏi nó, đã được các nhà khoa học đưa ra vào những năm của thế kỷ 18. Nhưng vào thời đó, nó giống như một giả thiết hơn là một hiện tượng thực tế. Tuy nhiên, nó lại nổi lên sau khi xuất hiện thuyết tương đối của Einstein đã đưa ra lời giải thích rõ ràng hơn về sự tinh tế của trọng lực mà Newton đã bỏ qua. Một bản sao của thuyết này đã được đưa đến Nga, đến Karl Schwarzschild, một nhà vật lý học và nhà thiên phân học phục vụ cho quân đội Đức. Einstein đã đưa ra thuyết của mình bằng một hệ thống các công thức, nhưng Schwarzschild đã tìm ra lời giải cho chúng ngay giữa cuộc chiến tranh. Không chỉ vậy, ông còn đưa ra thuyết rằng với mỗi một lượng vật chất nhất định sẽ có một hình cầu tương ứng sao cho nếu tất cả lượng vật chất này đặt trọn vào trong khối cầu đó thì nó sẽ trở thành một hố đen. Người ta gọi bàn kính khối cầu này là bàn kính Schwarzschild. Những nghiên cứu thường thường cho thấy những hố đen thường rất nhỏ, đậm đặc và đen. Ví dụ, đường kính Schwarzschild của trái đất chỉ vào khoảng 1cm. Tuy nhiên, những hố đen to hơn thì có thể khuếch tán hơn. Nếu toàn bộ khối lượng của thiên hà được đặt trong một khối cầu có đường kính Schwarzschild của nó, thì mật độ của hố đen này chỉ vào khoảng 0,0002 mật độ của khí quyển trái đất. Hàng số Hopper Có hai khả năng để giải thích sự tồn tại của vũ trụ. Một là nó vẫn vốn dĩ ở đó rồi. Hai là nó có điểm khởi đầu. Câu hỏi này được giải đáp vào cuối những năm 1960 khi bằng chứng kết luận cho thấy vũ trụ sinh ra từ một vụ nổ cực lớn. Sự khác biệt của vụ nổ Big Bang gần như không thể lĩnh hội được. Tất cả các vật chất trong vũ trụ, tất cả các vị sao và thiên hà đều bắt nguồn từ một thứ có thể tích cực nhỏ. Nếu vũ trụ bắt đầu bằng một vụ nổ, vậy thì vụ nổ đó xảy ra cách đây bao nhiêu năm? Và đến ngày hôm nay thì vũ trụ đã lớn đến nhường nào rồi? Thực tế hay vấn đề này có liên quan chặt chẽ với nhau được Edwin Hopper trùy đến vào những năm 1920 tại đải thiên văn Mount Wilson ở ngoài ô Los Angeles. Hopper đã sử dụng công nghệ tương tự như súng radar khám phá ra rằng các thiên hà đang đi xa dần khỏi trái đất. Vị trí của trái đất trong vũ trụ thì không có gì đặc biệt. Tuy nhiên, khám phá trên lại rất có ý nghĩa. Nó cho thấy các thiên hà đang đi ra xa nhau. Mối quan hệ giữa vận tốc thiên hà và khoảng cách giữa chúng với trái đất được đặt là hàng số Hopper. Và từ khám phá này, người ta ước tính được thời gian từ vụ nổ Big Bang đến hiện nay là vào khoảng 13,7 tỷ năm. Độ không tuyệt đối Thật dễ dàng để tạo ra nhiệt. Loài người đã biết cách tạo ra lửa từ thời tiền sự. Ngược lại, tạo ra cái lạnh thì lại là một công việc khó nhằn. Nhưng đó là trên trái đất. Còn trong vũ trụ thì cái lạnh luôn bao trùng. Nhiệt độ trung bình trong vũ trụ chỉ cao hơn vài độ so với độ không tuyệt đối. Loài người đã sử dụng cơ chế làm lạnh của vũ trụ để áp dụng trong các loại tủ lạnh, sự dã nở của không khí. Michael Faraday, nhà vật lý học nổi tiếng về điện học lại là người đầu tiên đưa ra giải thiết về khả năng tạo ra cái lạnh bằng cách làm không khí dã nở. Faraday đã tạo ra một ít dung dịch glow trong một ống kín. Và khi ông đập vỡ nó, glow liền chuyển thể thành khí ngay lập tức. Faraday đã chú ý rằng khi ta giảm áp suất thì có thể chuyển vật chất từ thể lòng sang thể khí. Vậy thì có lẽ tăng áp suất sẽ giúp chuyển khí thành thể lòng trăng. Và đó chính xác là những gì xảy ra bên trong chức tủ lạnh nhà bạn. Không khí được nén lại và rồi nở ra, làm lạnh các thứ bên trong đó. Bằng phương pháp tạo áp lực, người ta đã có thể hóa lỏng khí oxy, khí hydro vào đầu thế kỷ 20 là khí heli. Điều này đã giúp chúng ta tiến đến gần độ không tuyệt đối. Nhưng nhiệt độ của vật luôn luôn thay đổi và kỹ thuật mới sử dụng tiền laser để làm chấm tốc độ của các nguyên tử đã cho phép chúng ta đạt được nhiệt độ một phần triệu trên không độ tuyệt đối. Độ không tuyệt đối cũng giống như tốc độ ánh sáng. Chúng ta chỉ có thể tiến gần tới mức ấy, chứ không thể đạt được chính xác. Hàng số hấp dẫn Chúng ta đang sống trong thời đại công nghệ. Cái gì cũng phải chính xác và cụ thể. Nhưng sẽ không thể đạt được ngày hôm nay nếu không có những lý thuyết mang tính định lượng. Và một trong những ví dụ điển hình đó là định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Ban đầu, bằng giải thiết, giữa hai vật bất kỳ luôn có một lực hấp dẫn kéo chúng lại với nhau. Lực có độ lớn tỷ lệ thuật với trọng lượng hai vật và tỷ lệ nghịch với bỉnh phương khoảng cách giữa chúng. Newton đã hình dung được quỹ đạo cháy đất có hình ellipse, trong đó mặt trời nằm ở một trong hai tiêu điểm. Johannes Kepler cũng đã đi đến kết luận đó qua rất nhiều năm quan sát tỉ mỉ. Nhưng Newton đã có thể đưa ra kết luận như vậy chỉ dựa vào lực vạn vật hấp dẫn. Và những công cụ tình toán mà ông tự sáng tạo ra. Thật thú vị khi hàng số hấp dẫn cờ là hàng số được tìm ra đầu tiên. Nhưng lại là hàng số kém chính xác nhất trong số này. Bởi vì lực hấp dẫn là một lực quá nhỏ so với các lực cơ bản khác. Và đến năm 1957, coi trọng lượng cháy đất là khoảng 10 x 10 mũ 24 kg. Loài người đã có thể thoát ra khỏi lực hấp dẫn của cháy đất khi phóng thành công vệ tinh nhân tạo Sputnik lên quỹ đạo. Việc chế tạo súng thành công vào thời kỳ trông cổ đã cho thấy vận tốc của âm thanh là hữu hạn. Bạn có thể nhìn thấy khẩu súng bắn ra trước khi nghe thấy âm thanh súng nổ. Một khoảng thời gian ngắn sau, nhiều nhà khoa học bao gồm cả Galileo đã nhận ra rằng vận tốc của ánh sáng cũng là một số hữu hạn giống như vậy. Galileo đã lên kế hoạch thực hiện một thí nghiệm để ủng hộ giả thiết trên. Sử dụng ống nhòm và hai nguồn sáng chiều đến nhau với một khoảng cách khá xa. Tuy nhiên, do vận tốc ánh sáng quá lớn, cộng thêm sự hạn chế về mặt công nghệ của những năm thuộc thế kỷ 17 mà thí nghiệm này đã không đạt được kết quả mong đợi. Vào cuối thế kỷ 19, công nghệ và độ tinh sào được đẩy lên một tầm cao mới. Người ta đã có thể đo được vận tốc ánh sáng với sai số chỉ khoảng 0,02%. Albert Michelson và Edward Morley đã chứng minh được vận tốc ánh sáng không phụ thuộc vào phương truyền sáng. Kết quả này cuối cùng dẫn đến thiết tường đối của Einstein, một thành tiệu mang ý nghĩa biểu tượng của thế kỷ 20 và có thể là của mọi thời đại. Mối liên quan giữa độ lớn của điện thế và trọng lực Nếu bạn bước qua một tấm thảm trong thời tiết lạnh giá, bạn sẽ làm hình thành tĩnh điện đủ để dính một số thứ nhỏ vào quần áo hoặc làm tóc bạn dựng đứng lên. Đây là một ví dụ sinh động chứng tỏ rằng có mối liên quan giữa điện thế và trọng lực. Toàn bộ khối lượng của trái đất dùng để hình thành lực hấp dẫn kéo mọi vật xuống dưới. Vậy mà chỉ với một lượng điện thế tĩnh mà bạn tạo ra đó đã đủ để thắng được trọng lực kia rồi. Thực tế là điện thế mạnh hơn nhiều so với trọng lực nên đã giúp cho sự sống tồn tại. Sự sống là một chuỗi các phần ứng hóa học và điện học phức tạp. Nhưng dù đó là các phần ứng hóa học giúp co cơ hay giúp cho sự tiêu hóa thức ăn thì bản chất chúng lại là phụ thuộc vào điện thế. Các phần ứng hóa học là sự di chuyển electron ở lớp ngoài cùng giữa các nguyên tử tham gia phản ứng. Từ đó, nhiều hợp chất khác nhau được tạo thành. Nó giúp các tế bào thần kinh chuyển tín hiệu đến cơ, làm chúng ta có thể cử động, di chuyển hay tín hiệu được chuyển về não, giúp cho ta có được sự cảm nhận về cảm giác. Nếu điện trường lại yếu hơn trọng lực thì sao? Vấn đề này thì nan dài hơn đấy. Có thể sẽ có cách tiến hóa khác cho sự sống. Nhưng chúng ta sẽ kiểm trứng điều này ở một vũ trụ khác khi có điều kiện. Hàng số khí lý tưởng Vào thế kỷ 17, các nhà khoa học đã biết được 3 dạng vật chất, rắn, lòng và khí. Người ta nhận thấy làm việc với chất rắn và lòng khó khăn hơn nhiều so với chất khí. Do việc đo đạt rất khó khăn khi vật chất chuyển từ thể rắn sang lòng và ngược lại. Và còn do sự hạn chế của công nghệ thời bấy giờ. Vậy nên nhiều nhà khoa học đã thực hiện các nghiên cứu về chất khí để tìm ra những định luật vật lý cơ bản. Robert Boyer có thể được coi là một trong những nhà nghiên cứu xuất sắc nhất người đã đưa ra bản chất của việc nghiên cứu. Hãy thay đổi một thông số bất kỳ và xem các thông số khác thay đổi như thế nào. Ông đã tìm ra được mối liên hệ giữa áp suất và thể tích của một chất khí. Và thế kỷ tiếp theo, nhà khoa học người Pháp Charles Douglas và Joseph Cay-Lussac đã khám phá ra mối liên quan giữa thể tích và nhiệt độ để đưa ra được kết luận này không chỉ đơn giản là ngồi phòng thí nghiệm và làm những thí nghiệm đơn giản. Để có được những dữ liệu cần thiết, Cay-Lussac đã đưa một bong bóng trước khi nóng lên độ cao 23.000 feet, có thể nói là độ cao kỷ lục thời bấy giờ. Kết hợp hai thí nghiệm này, ta có thể đưa ra kết luận rằng với một lượng khí nhất định, nhiệt độ tỷ lệ thuận với áp suất và thể tích, người ta gọi hàng số của tỷ lệ này là hàng số khí lý tưởng. Số Avogadro Mở khóa bí mật của hóa học không hề đơn giản. Nó cần có hai chìa khóa để mở ra. Một là theo thuyết nguyên tử được khám phá ra bởi John Danton vào thế kỷ 19. Nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman đã nhấn mạnh tầm quan trọng của thuyết nguyên tử. Nếu trong một biến động, tất cả các kiến thức khoa học đều bị phá hủy và chỉ còn duy nhất một câu nói có thể đến được với thế hệ sau đó, thì cái gì, trạng thái gì có thể lưu trữ lượng lớn thông tin với số từ ngữ ít nhất? Tôi tin rằng đó phải là giả thiết nguyên tử, rằng tất cả mọi vật đều cấu tạo bởi các nguyên tử, các hạt giấc nhỏ chuyển động không ngừng. Có tất cả 92 nguyên tố cấu thành nên mọi thứ vật chất trong vũ trụ. Tuy nhiên, hầu hết mọi thứ trong vũ trụ đều ở dạng hợp chất, đó là sự kết hợp giữa các nguyên tố khác nhau với nhau. Sau đó, chiều khóa thứ hai để đến khoa học hiện đại chính là sự phát hiện ra hợp chất là tổ hợp của rất nhiều nguyên tử của các nguyên tố. Ví dụ, phân tử nước được cấu tạo bởi nguyên tử hydro và nguyên tử oxy, đó là trong một phân tử. Vậy thì với một lượng vật chất sẽ từng đường với bao nhiêu phân tử? Nhà hóa học người Ý Amadeo Avogadro đã đưa ra ý kiến rằng ở cùng một nhiệt độ và áp suất, cùng một thể thích khí sẽ chứa số lượng nguyên tử như nhau. Giả thiết này ban đầu không được đánh giá cao, tuy nhiên nó cho phép các nhà hóa học suy luận cấu trúc của các phân tử bằng cách đo các thông số trước và sau khi phản ứng hóa học xảy ra. Số Avogadro được định nghĩa bằng số nguyên tử carbon có trong 12 gam carbon và gần bằng 6 nhân 10 mũ 23. Đây cũng là số nguyên tử trong một mon chất, là đơn vị dùng để đo số lượng chất. Hàng số Boltzmann Đi uống trà đá, chúng ta đã quen với hình ảnh cục nước đá tan chảy trong cốc nước nóng và tạo thành một cốc nước nguội mát giúp giải nhiệt mùa hè. Tuy nhiên, chúng ta lại không bao giờ thấy được cục nước đá hình thành một cách tự nhiên trong cốc nước nguội cả và nước cũng chẳng thể nào tự nóng lên được. Điều này liên quan đến các năng lượng nhiệt phân bố và cách giải thích cho hiện tượng này là một câu đổ lớn của vật lý học những năm thuộc thế kỷ 19 và người tìm ra câu trả lời là nhà vật lý học người Úc Ludwig Boltzmann người đã tìm ra được rằng trong một cốc nước nguội thì có nhiều cách phân bố năng lượng hơn so với một cốc nước nóng có chứa một viên nước đá. Trong tự nhiên, mọi thứ thường xảy ra theo hướng đơn giản và dễ dàng nhất và hàng số Boltzmann giúp định lượng mối quan hệ này. Sự dối luận thì thường dễ xảy ra hơn những thứ theo quy luật. Có nhiều cách để giới tung một căn phòng lên so với việc sắp xếp nó ngăn nắp. Phương trình Entropi của Boltzmann, sự kết hợp chặt chẽ với hàng số Boltzmann cũng giúp giải thích được quy luật mưu phai. Nếu một thứ nào đó có thể đi sai hướng thì nó sẽ đi sai hướng. Không phải là có một ma lực nào đó khiến nó đi sai hướng chỉ là số cách đi sai hướng thì nhiều hơn rất nhiều so với số cách đi đúng hướng mà thôi.