Những con số có ý nghĩa quan trọng trong sự sống và vũ trụ (Phần I)

Có những con số rất đơn giản nhưng lại mang tầm “vũ trụ” – chúng đại diện cho những quan niệm nền tảng của vũ trụ, cho sự sống, và cho tương lai của vũ trụ.

Tóm tắt bài viết:

- Bài viết nhằm khám phá những con số đơn giản nhưng lại mang tầm vóc vũ trụ, có tầm quan trọng rất lớn của nền tảng vũ trụ, cho sự sống, và cho tương lai của vũ trụ.

- Trong đó có những con số có thể khá quen thuộc như hằng số hấp dẫn, vận tốc ánh sáng, cũng có những khái niệm khá xa lạ như hằng số khí lý tưởng hay độ ) tuyệt đối.

Đối với mỗi người, có một vài con số được coi là quan trọng, ví dụ như số điện thoại, số chứng minh thư, ngày sinh... Có những con số rất đơn giản nhưng lại mang tầm “vũ trụ” – chúng đại diện cho những quan niệm nền tảng của vũ trụ, cho sự sống, và cho tương lai của vũ trụ.

Giáo sư Toán học James D.Stein cho biết thêm, những con số này không chỉ ảnh hưởng đến cuộc sống của chúng ta, mà nó còn ảnh hưởng đến câu chuyện của những người đã khám phá ra chúng. Dưới đây, là 13 con số quan trọng nhất của vũ trụ, được sắp xếp theo thứ tự thời gian con người bắt đầu chú ý đến chúng.

1. Hằng 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. Bắt đầu bằng giả thiết giữa hai vật bất kì luôn có một lực hấp dẫn kéo chúng lại với nhau, lực có độ lớn tỉ lệ thuận với trọng lượng hai vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

Newton đã hình dung được quỹ đạo của Trái đất có hình elip, 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 tính toán mà ông tự sáng tạo ra.

Thật thú vị, khi hằng số hấp dẫn G là hằng số được tìm ra đầu tiên, nhưng lại là hằng 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 Trái đất là khoảng 6x10^24 kilogram, loài người đã có thể thoát ra khỏi lực hấp dẫn của Trái đất khi phóng thành công vệ tinh nhân tạo Sputnik lên quỹ đạo.

2. Tốc độ ánh sáng

Việc chế tạo thành công súng cannon vào thời kì Trung 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 chiếu 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 kỉ 17, mà thí nghiệm này đã không đạt được kết quả mong đợi.

Vào cuối thế kỉ 19, công nghệ và độ tinh xảo 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 thuyết tương đối của Einstein, một thành tựu mang ý nghĩa biểu tượng của thế kỉ 20 và có thể là của mọi thời đại.

Người ta thường nói không có gì nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Thực tế, không có vật nào trong vũ trụ có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, tuy nhiên các máy tính hiện nay có thể xử lý thông tin với tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng.

3. Hằng số khí lí tưởng

Vào thế kỉ 17, các nhà khoa học đã biết được ba dạng vật chất: rắn, lỏng và khí (dạng plasma được khám phá vào những thế kỉ sau đó). Người ta nhận thấy làm việc với chất rắn và lỏng khó khăn hơn nhiều so với chất khí, do việc đo đạc rất khó khăn khi vật chất chuyển từ thể rắn sang lỏng 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 Boyle 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 kì, 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 kỉ tiếp theo, nhà khoa học người Pháp Jacques Charles và Joseph Gay-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, Gay-Lussac đã đưa một bong bóng chứa khí nóng lên độ cao 23.000 feet, có thể nói là độ cao kỉ 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 tỉ lệ thuận với áp suất và thể tích. Người ta gọi hằng số của tỉ lệ này là hằng số khí lí tưởng.

4. Độ 0 tuyệt đối

Thật dễ dàng để tạo ra nhiệt. Loài người đã biết cách tạo ra lửa từ thời tiền sử. 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 trùm: nhiệt độ trung bình trong vũ trụ chỉ cao hơn vài độ so với độ 0 tuyệt đối. Loài người đã sử dụng cơ chế làm lạnh của vũ trụ để áp dụng trong các loại tủ lạnh – sự giãn nở của không khí.

Michael Faraday, nhà vật lý học nổi tiếng về điện học, lại là người đầu tiên đưa ra giả thiết về khả năng tạo ra cái lạnh bằng cách làm không khí giãn nở. Faraday đã tạo một ít dung dịch clo trong một ống kín, và khi ông đập vỡ nó, clo liền chuyển thành thể khí ngay lập tức. Faraday đã chú ý rằng, khi ta giảm áp suất thì có thể chuyển vật chất từ thể lỏng sang thể khí, vậy thì, có lẽ tăng áp suất sẽ giúp chuyển khí thành thể lỏng chăng? Và đó chính xác là những gì xảy ra bên trong chiếc 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, và vào đầu thế kỉ 20, là khí heli. Điều này đã giúp chúng ta tiến đến gần độ 0 tuyệt đối. Nhưng nhiệt độ của vật luôn luôn thay đổi, và kĩ thuật mới sử dụng tia laser để làm chậm tốc độ các nguyên tử đã cho phép chúng ta đạt được nhiệt độ một phần triệu trên độ 0 tuyệt đối. Độ 0 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.

5. Số Avogadro.

Mở khóa bí mật của hóa học không hề đơn giản. Nó cần có hai chìa khóa để mở ra:

Một chiếc, theo thuyết nguyên tử, được khám phá ra bởi John Dalton vào thế kỉ 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 huỷ, 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 rất nhỏ chuyển động không ngừng.”

Có tất cả 92 nguyên tố (con số này vẫn đang tiếp tục tăng lên) 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. Do đó, chìa khóa thứ hai để đến hóa 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 tương đương 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 tích 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 6x10^23. Đây cũng là số nguyên tử trong một mol chất, là đơn vị dùng để đo số lượng chất.

6. 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 phản ứng hóa học và điện học phức tạp, nhưng dù đó là các phản 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 phản 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 truyền tín hiệu đến cơ, làm chúng ta có thể cử động, di chuyển, hay tín hiệu được truyền về não giúp cho ta có được sử cảm nhận về cảm giác.

Nếu điện trường lại yếu hơn trọng lực thì sao? Vấn đề này thì nan giải hơn đấy, có thể sẽ có cách tiến hóa khác cho sự sống, nhưng chúng ta sẽ kiểm chứng điều này ở một vũ trụ khác, khi có điều kiện.

[Còn tiếp]

GenK