10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

161. Vì sao nói tinh thể lỏng vừa không phải là tinh thể cũng không phải là chất lỏng?

Người ta thường chia chất rắn ra làm hai loại lớn: tinh thể và phi tinh thể (vô định hình), như thạch anh, mica, nước đá, kim loại v.v. thuộc về tinh thể. Tinh thể có ngoại hình hình học quy củ. Khi bị tăng nhiệt đến một nhiệt độ nhất định, tinh thể sẽ bắt đầu hoá lỏng ở điểm nóng chảy, cho đến khi cuối cùng biến thành chất lỏng. Ngoài ra, tinh thể còn có một số tính chất đặc biệt, ví dụ như graphit khi bị tăng nhiệt, nó sẽ dãn nở ở một số chỗ nào đó, nhưng lại co nhỏ lại ở một số chỗ khác; khi bóc tấm mica mỏng ra, chúng ta thường có thể nhận thấy như thế này: ở hướng song song với mặt phẳng tấm mica mỏng dễ bóc tách nó ra, còn ở hướng thẳng góc thì phải dùng lực tác động rất lớn mới có thể chặt đôi tấm mi ca mỏng. Đặc tính đó của tinh thể gọi là tính dị hướng. Còn như thuỷ tinh, parafin, cao su v.v. thì thuộc về phi tinh thể. Phi tinh thể không có hình dáng rõ ràng, cũng không có điểm nóng chảy, càng không có tính dị hướng.

Ngay từ năm 1881, người ta đã phát hiện, trong quá trình hoá lỏng thành chất lỏng, một số tinh thể không phải biến thành chất lỏng bình thường, có tính đồng hướng, chỉ có một điểm nóng chảy, mà có thể xuất hiện hai điểm nóng chảy. Ở hai điểm nóng chảy, trạng thái của tinh thể không giống nhau. Khi nhiệt độ đạt đến điểm nóng chảy thứ nhất, tinh thể hoá lỏng thành một loại chất lỏng sền sệt hỗn độn. Còn khi nhiệt độ tăng cao đến điểm nóng chảy thứ hai, chất lỏng trở nên sáng trong rõ ràng hẳn. Chúng ta gọi điểm nóng chảy thứ nhất là điểm nóng chảy của tinh thể, điểm nóng chảy thứ hai là điểm trong suốt của tinh thể. Khi nhiệt độ nằm trong giới hạn điểm nóng chảy và điểm trong suốt, trạng thái ấy của tinh thể gọi là trạng thái tinh thể lỏng. Vật thể ở vào trạng thái tinh thể lỏng vừa có tính chảy của chất lỏng và cũng có các hướng dị tính của tinh thể. Song chất lỏng thông thường là các hướng đồng tính, vì vậy tinh thể lỏng không phải là chất lỏng. Còn tinh thể hoàn toàn lại có hình dạng hình học nhất định, vì vậy cũng không thể coi tinh thể lỏng là tinh thể.

Có rất nhiều chủng loại tinh thể lỏng, trong đó một loại kết cấu phân tử của tinh thể lỏng thể hiện hình xoắn ốc, gọi là tinh thể lỏng kiểu cholesteric. Dưới chiếu xạ của ánh Mặt Trời, theo đà nhiệt độ lên cao, loại tinh thể lỏng này sẽ hiện ra các màu sắc khác nhau lần lượt theo thứ tự: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím như có phép ma quỷ vậy. Khi nhiệt độ hạ xuống, nó lại sẽ biến đổi trở về theo thứ tự ngược lại. Một số tinh thể lỏng có độ nhạy rất cao, khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi chưa đến 1°C thì đã nhanh chóng xuất hiện sự đổi màu. Lợi dụng đặc điểm này của tinh thể lỏng, người ta đã chế tạo các loại máy thám trắc và máy chỉ thị bằng tinh thể lỏng để kiểm tra nhiệt độ. Khi bạn đeo đồng hồ điện tử trên tay, những con số nhấp nháy không ngừng và lần lượt thay đổi ấy chính là biểu hiện đặc tính của tinh thể lỏng đấy.

Từ khoá: Tinh thể; Phi tinh thể (vô định hình); Điểm nóng chảy; Điểm trong suốt; Các hướng dị tính; Tinh thể lỏng.

162. Vì sao nói mô hình kết cấu phân tử của C60 giống quả bóng đá?

Trong bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học Menđêlêep, nguyên tố cacbon (kí hiệu hoá học là C) là một nguyên tố hết sức sinh động. Các nhà khoa học, sau khi dùng tia X tiến hành "kiểm tra toàn bộ" đối với cấu tạo cacbon, đã phát hiện, do phương thức sắp xếp kết hợp của nguyên tử bên trong phân tử khác nhau, từng thành viên trong cấu tạo cacbon lại cách nhau rất xa về mặt "thuộc tính tính nết" (tính chất vật lí). Ở graphit (nguyên liệu làm ruột bút chì), sự sắp xếp nguyên tử cacbon của nó theo cách từng tầng từng tầng. Ở bên trong mỗi tầng, nguyên tử sắp xếp thành dạng tổ ong sáu cạnh. Loại kết cấu dạng tầng này làm cho tác động lẫn nhau giữa mỗi tầng rất yếu, vì vậy graphit thể hiện ra cá tính mềm mại. Đá kim cương đẹp đẽ quý giá cũng do nguyên tử cacbon cấu thành thì sự sắp xếp của cacbon nguyên tử khác hẳn với graphit, kết cấu ô tinh thể của nó thuộc hệ lập phương, Chính là loại kết cấu này làm cho kim cương có tính cứng chắc vô cùng.

Nghiên cứu kĩ các kết cấu này của nguyên tử cacbon, chúng ta có thể phát hiện sự sắp xếp của những nguyên tử này đều có tính chất đối xứng nào đó, nghĩa là sau khi quay những kết cấu này một góc nào đó quanh một trục nhất định hoặc dịch chuyển ngang theo một hướng nào đó, kết cấu nhận được không hề khác biệt gì so với kết cấu ban đầu.

Tính bất biến trong loại biến đổi này tức là tính đối xứng. Xét về mặt hình học, hình đa diện đều tức là hình có tính đối xứng, và hiện nay đã chứng minh, tất cả chỉ có năm loại hình đa diện đều: hình tứ diện đều (1), hình lập phương – sáu mặt đều (2), hình tám mặt đều (3), hình 12 mặt đều (4) và hình 20 mặt đều (5) (xem hình vẽ ).

Mô hình lập thể có tính đối xứng cao nhất là hình cầu, vì nó có thể quay quanh một trục đi qua tâm hình cầu ở bất kì hướng nào với bất kì góc nào, hình cầu nhận được không hề thay đổi chút nào. Triết gia cổ Hy Lạp Pythagoras đã từng ca ngợi rằng: "Mọi hình trên mặt phẳng đẹp nhất là hình tròn, còn mọi hình lập thể đẹp nhất là hình cầu". Có một nhà kiến trúc tên là Buckminster Fuller, ông được gợi ý từ kết cấu nguyên tử, phân tử, đã đưa ra ý tưởng kiến trúc mái nhà kiểu cung tròn lớn mặt cầu, mà hình đa diện thích hợp nhất, có thể mô phỏng mặt cầu chính là hình 20 mặt đều. Fuller cho rằng, sau khi cắt đi toàn bộ các góc đỉnh của hình 20 mặt đều, phần hình đa diện đều còn lại vừa đúng phủ sát lên mặt cầu. Song khi ấy, nói một cách nghiêm túc thì phần hình đa diện đều còn lại ấy không còn là hình đa diện đều nữa, mà là hình 20 mặt bị cắt góc đỉnh. Hình 20 mặt bị cắt góc đỉnh này thành ra có 12 hình 5 cạnh đều và 20 hình 6 cạnh đều tổ thành, có tất cả 60 điểm đỉnh, 90 đường gồ. Hình dáng hình học loại này vừa khéo xuất hiện trên mặt quả bóng đá mà chúng ta thường gặp.

Khi ý tưởng kiến trúc của Fuller vừa mới ra đời, đã từng gặp phải sự chê bai và phản ứng của nhiều người. Tuy nhiên, những nhà vật lí say mê với công việc nghiên cứu tính đối xứng của nguyên tử cacbon lại rất hứng thú đối với vấn đề này. Nguyên nhân là năm 1985, các nhà vật lí đã điều chế được từ trong thực nghiệm một chất kí hiệu là C60 có 60 nguyên tử cacbon. Vì sao có 60 nguyên tử cacbon nhỉ? Mô hình sắp xếp của chúng có tính đối xứng gì? Để trả lời những vấn đề này, các nhà vật lí nghĩ đến ý tưởng có phần nào "hơi kì quặc" của Fuller, 60 điểm đỉnh sắp đầy nguyên tử, chẳng phải là 60 nguyên tử ư? Thế là liền hình thành lên một mô hình quả bóng đá C60. Về sau có nhiều thực nghiệm hoàn toàn chứng thực mô bình đó. Thế là C60 lại được gọi là quả bóng Fuller hoặc quả bóng Buckminster. Sự xuất hiện của mô hình C60 là một sự kiện lớn trong tiến trình phát triển của khoa học vật liệu. Nó sẽ sinh ra ảnh hưởng lớn lao đối với việc con người khám phá một cách sâu sắc đặc tính của vật chất.

Từ khoá: Cacbon; Đá kim cương; Graphit; Tính đối xứng; Hình đa diện đều; Quả bóng Fuller.

163. Vì sao laze có thể làm cho nguyên tử "nguội" đi?

Năm 1997, một người Mĩ gốc Hoa nhận được giải thưởng cao nhất của vật lí học - giải Nobel về vật lí. Ông là giáo sư vật lí Chu Đệ Văn, năm ấy 50 tuổi, thuộc Trường đại học Stanford của Mĩ. Thành tựu đột xuất của ông trên lĩnh vực vật lí là dùng laze làm cho nguyên tử "nguội" đi, sau đó tóm bắt chúng và để cho nguyên tử chuyển động theo ý muốn của con người.

Vì sao laze có thể làm cho nguyên tử "nguội" đi? Con người thao túng nguyên tử có ích lợi gì?

Hoá ra là vật chất đều do phân tử, nguyên tử cấu thành, mà phân tử, nguyên tử luôn ở trong trạng thái chuyển động hoàn toàn vô quy tắc. Trong điều kiện nhiệt độ trong phòng, tốc độ chuyển động của phân tử, nguyên tử trong chất khí là tốc độ siêu âm¹, còn nhanh hơn máy bay phản lực nói chung. Để tóm bắt những nguyên tử biến đổi liên tục trong phút chốc này, trước hết phải làm cho tốc độ chuyển động của chúng chậm lại, mà chậm lại có nghĩa là hạ thấp nhiệt độ chất khí. Chỉ có làm cho nguyên tử "nguội" đi đến nhiệt độ rất thấp, con người mới có khả năng tóm bắt và điều khiển chúng.

Ánh sáng do laze phát ra khác với của nguồn sáng thông thường. Nó có thể chiếu xạ tập trung năng lượng rất cao vào một phạm vi rất nhỏ. Lợi dụng đặc tính này, người ta đã chế tạo nhiều khí cụ dùng vào việc tăng nhiệt bằng laze và giải phẫu bằng laze. Khi dùng laze làm "nguội" nguyên tử, trước hết để một chùm tia laze chiếu xạ lên nguyên tử ở hướng đón đầu chuyển động của nguyên tử. Sau khi va chạm với mỗi một photon, nguyên tử sẽ giảm tốc độ một ít. Qua những va chạm nhiều vô kể với các photon, tốc độ nguyên tử liền chậm lại rất nhiều, từ đó làm cho nhiệt độ xuống thấp. Khi nhiệt độ vô cùng thấp, dùng lực lượng vô cùng yếu là có thể tóm bắt được nguyên tử.

Lợi dụng laze làm "nguội" nguyên tử, có thể chế tạo ra đồng hồ nguyên tử hết sức chính xác. Giả sử khi một con người chào đời, đồng hồ nguyên tử bắt đầu chạy, thế thì khi người ấy 80 tuổi, thời gian mà đồng hồ ấy chỉ ra chênh nhau với thời gian tiêu chuẩn còn chưa đến một phần năm triệu của một giây. Hiện nay, trên các vệ tinh dùng để định vị toàn cầu đều có lắp đồng hồ nguyên tử. Có những đồng hồ nguyên tử đó rồi, người ta có thể thông qua vệ tinh xác định vị trí hiện thời của bất kì địa phương nào trên thế giới với độ chính xác trong vòng 1 mét. Khi người ta dùng sợi quang để truyền số liệu cũng cần dùng đồng hồ nguyên tử, vì tốc độ truyền tín hiệu của sợi quang rất nhanh, ở hai nơi cách xa nhau hàng vạn dặm, chỉ có đồng hồ nguyên tử mới bảo đảm cho sự vận hành đồng bộ của máy tính điện tử.

Từ khoá: Nguyên tử; Làm nguội bằng laze; Đồng hồ nguyên tử.

164. "Hiệu ứng cánh bướm" của giới tự nhiên là gì?

Nhà thiên văn, nhà toán học và nhà vật lí người Pháp của thế kỉ XVIII, Laplace, đã nói: nếu có một vị thiên tài biết được tất cả các quan hệ của mọi sự vật trong Vũ Trụ thì người đó ắt có thể nói ra "quá khứ" và "tương lai" của những sự vật ấy. Ông tin rằng, sự biến đổi phát triển của vạn sự vạn vật trong giới tự nhiên đều có thể dự đoán được. Thật vậy, rất nhiều nhà khoa học đang tiến hành công tác nghiên cứu dự đoán các loại các dạng. Ví dụ như các nhà thiên văn có thể tính trước sự xuất hiện của nhật thực và nguyệt thực vài chục, thậm chí vài trăm năm từ nay về sau. Còn trong cuộc sống hàng ngày, người ta dựa vào kinh nghiệm và trực giác nhiều hơn để dự đoán. Một vận động viên bóng rổ lão luyện, hầu như ném rổ trăm lần trăm trúng; một cầu thủ bóng bàn giỏi có thể đỡ một cách chuẩn xác quả bóng vòng cung mà đối phương đánh sang, thậm chí còn phản kích nữa. Những cái đó đều phải dựa vào năng lực dự đoán của họ cả.

Từ "hiện tại" dự đoán "tương lai" quen thuộc nhất đối với con người có lẽ là dự báo thời tiết. Theo đà phát triển của máy tính điện tử và kĩ thuật vệ tinh không gian, người ta hi vọng rằng, xã hội con người sẽ được giải thoát khỏi sự tàn phá bừa bãi bất thường của thời tiết, chẳng những có thể dự báo thời tiết, mà còn phải điều khiển và thay đổi thời tiết. Giá như các nhà khoa học có thể tạo mưa và phá mưa, có thể điều động giông bão nhiệt đới, chế ngự giá rét, nóng bức, thế thì hay biết bao nhiêu!

Tuy nhiên, không bao lâu người ta nhận thấy, dự báo thời tiết thường thường chỉ là một loại suy đoán, dự báo trong hai ba ngày có thể cơ bản phù hợp với tình hình thời tiết thực tế, dự báo dài hơn một tuần có khả năng cách nhau khá xa với thực tế, hoàn toàn mất đi giá trị dự báo. Nhà khí tượng Lorenz người Mĩ lập ra một mô hình thời tiết chơi vui trên máy tính, nghiên cứu tỉ mỉ hai nhóm tình hình thời tiết, ông kinh ngạc nhận thấy, một sai số nhỏ tí trong kết quả đầu vào lại sinh ra kết quả "sai một li, đi một dặm". Qua đó, ông cho rằng, chỉ cần trong số liệu khí tượng thu thập được cho dù có một sai số chút xíu thôi (đó là điều không thể tránh khỏi), hậu quả của nó gây ra trong kết quả nhận được từ máy tính sẽ làm cho người ta không sao lường được. Năm 1979, trong một lần diễn giảng, Lorenz dùng ví dụ hình tượng đặt câu hỏi: "một con bươm bướm ở Braxin đập đập cánh, liệu có thể gây ra vòi rồng ở bang Texas nước Mĩ hay không?". Về sau, người ta liền gọi hiện tượng đó là "hiệu ứng cánh bướm" của giới tự nhiên để nói về độ nhạy cảm của một hệ đối với điều kiện gốc.

Hiệu ứng cánh bướm không những tồn tại trong dự báo thời tiết, mà trong cuộc sống thường ngày cũng không hiếm những ví dụ như vậy. Hãy tưởng tượng xem, một trò chơi bi-a hoàn toàn lí tưởng, sau khi người chơi bi-a từ một góc nào đó đánh trúng một quả cầu, các quả cầu trên bàn cái này tiếp cái kia xảy ra va đập, rồi chúng lại tản ra mỗi quả một hướng khác nhau. Giả dụ người chơi bi-a khống chế nghiêm ngặt mức độ dùng sức và hướng, người ấy có thể làm xuất hiện lại kết quả của lần thứ nhất một lần nữa không? Người ấy có thể dựa vào kinh nghiệm dự đoán ra một quả cầu nào đó sẽ chạy tới nơi nào sau một đoạn thời gian không? Không thể. Đó là vì chỉ cần anh ta khi chọc quả cầu mà không chú ý tới một sự sai sót rất nhỏ nhặt có thể xuất hiện, ví dụ như mặt bàn rung động nhẹ, thậm chí người chọc bi-a khi thở ra gây ảnh hưởng yếu ớt lên quả cầu thì sự dự đoán của anh ta cũng trở nên vô nghĩa.

Từ khoá: Dự đoán; Dự báo thời tiết; Hiệu ứng cánh bướm.

165. Vì sao độ dài đường bờ biển không thể đo chính xác được?

Trên bản đồ, Trung Quốc có đường bờ biển khá dài, còn trong sách giáo khoa địa lí lại thường viết đường bờ biển Trung Quốc dài cụ thể bao nhiêu. Độ dài đường bờ biển được đo như thế nào nhỉ? Một phương pháp nguyên thuỷ nhất là xác định trước một khoảng đo độ dài, ví dụ là d, rồi từ một đầu của đường bờ biển tuần tự đo cho đến đầu kia. Nếu số lần đo là N, thế thì về trực quan cho rằng, độ dài của cả đường bờ biển phải là Nd. Hiển nhiên, do hình dạng của đường bờ biển hết sức vô quy tắc, có bãi cát bằng phẳng, cũng có khe núi dựng đứng; có cửa sông cuồn cuộn, cũng có vịnh biển trườn dài liên miên. Trong quãng cách thẳng của một khoảng đo d, chắc chắn có nhiều độ dài chi tiết cong cong gập gập bị bỏ qua. Do đó có thể suy nghĩ một cách hợp lí rằng, độ dài khoảng đo d càng nhỏ, kết quả đo độ dài đường bờ biển phải càng chính xác. Nếu d càng nhỏ, số lần đo N càng lớn, bộ phận vô quy tắc đo được càng nhiều, vì vậy độ dài tổng đường bờ biển đo bằng thước đo ngắn sẽ dài hơn kết quả đo bằng thước đo dài. Thế thì, một khi chọn d rất nhỏ, thậm chí gần bằng không, có phải độ dài tổng Nd là độ dài thực tế của đường bờ biển hay chưa? Kết quả đo đạc của các nhà khoa học đối với đường bờ biển của nhiều quốc gia trên thế giới cho thấy, khi người ta dùng d rất nhỏ nhằm đo một cách chính xác độ dài đường bờ biển, độ dài Nd đó không đến gần độ dài thực tế, mà là theo đà d ngày càng nhỏ, độ dài đường bờ biển đo được ngày càng lớn. Điều đó có nghĩa là độ dài đường bờ biển không thể đo một cách chính xác được.

Nguyên nhân xuất hiện tình hình kể trên ở chỗ, đường bờ biển được hình thành bởi các lực thiên nhiên (biến thiên của vỏ Trái Đất, xói mòn của mưa gió v.v.). Nó không phải là đường cong theo ý nghĩa hình học thông thường - đường cong hình học Eucle. Đặc trưng chủ yếu của đường bờ biển là có tính gần giống nhau cục bộ và tổng thể, cũng có nghĩa là nếu lấy một đoạn tuỳ ý của đường bờ biển rồi phóng đại lên gấp nhiều lần, chúng ta sẽ nhận được "đường bờ biển" về đại thể tương tự với hình dạng đường bờ biển chân thực tổng thể. Để phân biệt với hình dạng hình học thông thường, hiện nay người ta gọi hình dạng có đặc điểm về tính tự tương tự như kiểu đường bờ biển là phân hình (fractan). Quan sát tỉ mỉ giới tự nhiên xung quanh, chúng ta còn có thể tìm thấy rất nhiều ví dụ về phân hình, ví dụ như hình dạng của ánh chớp trên bầu trời đêm, của từng đám mây trắng lơ lửng trên trời, thậm chí của phổi và hệ thống nhánh khí quản bên trong cơ thể người v.v. đều là phân hình. Các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu chúng về mặt hình học phân hình, và đã thu được nhiều nhận thức mới đối với giới tự nhiên.

Từ khoá: Đường bờ biển; Hình học Eucle; Phân hình.

166. Phản vật chất là gì?

Năm 1928, nhà vật lí người Anh, Dirac, dự đoán sự tồn tại của phản vật chất. Ông cho rằng, đối với mỗi loại hạt vật chất thông thường, đều tồn tại một loại phản hạt tương ứng, khối lượng đôi bên như nhau, song lại mang điện tích ngược nhau. Những phản hạt này có thể kết hợp lại hình thành phản vật chất. Mọi thứ trong Vũ Trụ đều có vật đối ứng phản vật chất, như phản hằng tinh, phản hệ tinh v.v. Ngoài ra, nếu một hạt vật chất va đập với hạt phản vật chất đối ứng của nó, chúng sẽ huỷ nhau và sinh ra một tia γ năng lượng cao.

Bốn năm sau, lí thuyết này được chứng thực. Nhà vật lí người Mĩ, Edison, phát hiện được loại phản hạt thứ nhất. Khi dùng buồng tạo mây mù để nghiên cứu tia Vũ Trụ, ông quan sát thấy vệt hơi nước của một loại hạt. Khối lượng của nó bằng với khối lượng electron nhưng mang điện tích ngược lại. Loại hạt này được đặt tên là electron dương (pozitron). Nó là hạt đối ứng phản vật chất của electron. Năm 1955, các nhà vật lí của phòng thực nghiệm Lawrence Berkeley sử dụng một máy gia tốc hạt sinh ra phản proton. Cũng năm ấy, các nhà khoa học của phòng thực nghiệm vật lí hạt Châu Âu, gần Genève, thông qua máy gia tốc hạt sinh ra pozatron và phản proton, và còn làm cho chúng kết hợp với nhau sinh ra phản nguyên tử hiđro. Song cả quá trình chỉ ngắn ngủi trong nháy mắt.

Mấy năm gần đây, các nhà khoa học đã chế tạo các máy móc kiểm trắc tinh xảo để dò tìm phản vật chất trong Vũ Trụ. Máy thám trắc phản vật chất chỉ phát hiện được rất ít electron dương (pozitron) và phản proton trong tia Vũ Trụ, còn về phản hạt tương đối nặng thì ngay cả hình bóng cũng chưa hề phát hiện ra. Song các nhà khoa học tin rằng, phản hằng tinh và phản tinh hệ của nó có khả năng đang ẩn nấp nơi sâu thẳm trong Vũ Trụ.

Từ khoá: Phản vật chất; Huỷ nhau; Electron dương; Phản proton; Phản nguyên tử hiđro.

167. Vật chất tối là gì?

Một nhà vật lí thiên thể nghiên cứu phát hiện, trong không gian Vũ Trụ mênh mông, khối lượng của các thiên thể phát ánh sáng (bao gồm các thiên thể phát tia X, tia γ thuộc dòng điện từ) chỉ vẻn vẹn là một bộ phận nhỏ của tổng khối lượng vật chất trong không gian này. Còn có một bộ phận khối lượng rất lớn do một thứ gì đó, mà cho đến nay chúng ta chưa làm rõ được, mang theo. Cái thứ nhìn mà không thấy song đích thực tồn tại ấy, chúng ta gọi nó là "vật chất tối".

Nhận thức của các nhà khoa học đối với vật chất tối có thể lội ngược dòng thời gian đến đầu những năm 30 của thế kỉ XX. Năm 1933, nhà thiên văn Thụy Sĩ, Zweig khi ước tính tổng khối lượng của đoàn tinh hệ Hậu Phát, ông dùng hai loại phương pháp khác nhau: phương pháp độ sáng và phương pháp động lực học. Kết quả là khối lượng tính được bằng phương pháp động lực học lớn gấp 400 lần so với dùng phương pháp độ sáng! Sai số lớn lao đến như vậy chỉ có thể có một cách giải thích: khối lượng của các thiên thể phát sáng chỉ là một phần nhỏ khối lượng của toàn tinh hệ, còn có một phần rất lớn khối lượng không biết đi đằng nào rồi. Thế là ông gọi đó là "khối lượng còn thiếu".

Thời bấy giờ, phát hiện này chưa được coi trọng mấy. Mãi đến năm 1978, một số nhà thiên văn vô tuyến khi đo đạc một cách hệ thống đường cong chuyển động của tinh hệ xoáy, phát hiện các vật thể ở cách trung tâm tinh hệ với những khoảng cách khác nhau đều có tốc độ dài như nhau. Kết quả quan sát này hoàn toàn trái ngược với tình hình của hệ Mặt Trời mà người ta quen thuộc. Trong hệ Mặt Trời, hành tinh càng ở xa Mặt Trời thì tốc độ dài càng nhỏ. Đó là điều mà định luật Kepler nổi tiếng cho chúng ta biết. Chuyển động của các vật thể xung quanh tinh hệ, chịu tác động của lực vạn vật hấp dẫn giống nhau sinh ra, cũng phải tuân thủ định luật Kepler chứ! Về điều này, có nhà khoa học nêu ra, chỉ có giả thiết là xung quanh tinh hệ còn tồn tại vật chất tối nữa, có thế thì sự chuyển động của tinh hệ quan sát được mới ăn khớp với kết quả tính toán của định luật Kepler. Do vậy, ở bên ngoài vật thể phát ánh sáng của tinh hệ, chắc chắn còn có một lượng lớn vật chất tối không thấy được. Quan niệm này dần dần được người ta tiếp thu, và theo con đường đó, các nhà khoa học lại phát hiện ra nhiều chứng cứ về sự tồn tại của vật chất tối. Ví dụ như năm 1983 phát hiện ra ngôi sao R15 ở cách trung tâm Ngân Hà 200 nghìn năm ánh sáng, tốc độ theo hướng nhìn đạt 465 m/s. Muốn sinh ra một tốc độ lớn như vậy, tổng khối lượng của hệ Ngân Hà ít ra phải lớn gấp 10 lần của khối lượng khu vực phát ánh sáng mới được.

Ngoài ra, trong nghiên cứu lí thuyết về sự khởi nguồn của Vũ Trụ, các nhà khoa học cũng thực sự cảm thấy cần phải có sự tồn tại của vật chất tối mới có thể làm cho lí thuyết của họ vo tròn kín kẽ.

Thế thì vật chất tối rốt cuộc là gì vậy? Về vấn đề này, các nhà khoa học có nhiều suy đoán. Có người nói vật chất tối là chất khí toả khắp trong không gian Vũ Trụ, cũng có người nói nó là bụi trong Vũ Trụ, còn có người đoán nó là "sao chết" đã tối đi, thậm chí có thể là lỗ đen. Những suy đoán này tuy đều có lí, song thiếu chứng cứ thuyết phục, chưa có thể nhận được sự tán đồng của giới học thuật.

Trong số ứng cử viên đông đảo của vật chất tối, nơtrino được người ta chú ý và coi trọng nhất. Vì rằng nó là một loại hạt đã được biết chắc tồn tại trong Vũ Trụ, vả lại số lượng lại cực kì nhiều. Đặc biệt là năm 1980, sau khi Viện nghiên cứu vật lí lí thuyết và thực nghiệm của Liên Xô thông báo khối lượng nghỉ của nơtrino có thể không bằng không, đã mang lại cho các nhà khoa học một không gian tưởng tượng phong phú về mối quan hệ giữa nơtrino và vật chất tối. Do số lượng của nơtrino cực kì nhiều, cho dù khối lượng nghỉ của nó rất nhỏ nhoi, tổng khối lượng của chúng vẫn khá là đáng kể. Ngoài ra, đại đa số các nơtrino không phát sáng, chỉ có tác động điện tử rất yếu v.v., những tính chất này làm cho nó rất giống với vật chất tối.

Cố nhiên, các nhà vật lí hạt còn dự đoán tới một loạt hạt mới làm ứng cử viên của vật chất tối, như: nơtrino, axion, các hạt siêu đối xứng v.v. Tiếc thay, những hạt mới giả định đó cho đến nay vẫn chưa tìm thấy hạt nào cả. Xem ra muốn nói rõ bộ mặt thật của vật chất tối vẫn là một bài toán khó.

Từ khoá: Vật chất tối; Nơtrino.

168. Nơtrino là gì?

Cuối những năm 20 của thế kỉ XX, các nhà khoa học khi nghiên cứu sự phân rã β (tức là hạt nhân nguyên tử bức xạ ra electron chuyển biến thành một loại hạt nhân khác), phát hiện trong quá trình ấy một bộ phận năng lượng đi đâu không biết. Điều đó làm cho họ hết sức nghi hoặc: trong quá trình hạ nguyên tử, định luật bảo toàn năng lượng hiện có còn giá trị? Nhà vật lí áo, Pauli, năm ấy 30 tuổi, tin tưởng vững chắc vào định luật bảo toàn năng lượng, và với trực giác xuất chúng đã dự đoán: trong quá trình này chắc chắn còn có một loại hạt mới được phóng ra. Nó không mang điện, khối lượng cực nhỏ, tácđộng qua lại của nó với vật chất cực yếu, đến nỗi không sao đo đạc được. Chính nó đã mang đi bộ phận năng lượng đó. Ông gọi loại hạt chưa biết này là "tiểu trung tử", tức là nơtrino nói đến hiện nay.

Năm 1942, nhà vật lí Mĩ Iren theo phương pháp của nhà vật lí Trung Quốc Vương Kiềm Toàn đề ra, lần đầu tiên chứng thực sự tồn tại của nơtrrino một cách gián tiếp thông qua thực nghiệm.

Do tác động qua lại của nơtrino với vật chất rất yếu, muốn trực tiếp quan sát thấy nó là vô cùng khó khăn. Ngay cả bản thân Iren cũng cho rằng có lẽ vĩnh viễn không đo được nơtrino. Tuy nhiên, khó khăn không ngăn cản được sự tiến triển của khoa học. 26 năm sau khi Pauli đề ra giả thiết về nơtrino, giáo sư Reines và một số người thuộc Trường đại học Tổng hợp California đặt 400 lít dung dịch nước cađimi axetat làm bia vào trong lò phản ứng hạt nhân mới đưa vào sử dụng (làm nguồn nơtrino), mỗi giờ đo được 2,8 nơtrino, hoàn toàn thống nhất với dự đoán lí thuyết của ông. Cũng vì thế, Reines có vinh dự nhận được giải thưởng Nobel về vật lí năm 1995.

Nghiên cứu Vũ Trụ học hiện đại cho chúng ta biết, giới hạn trên của chủng loại nơtrino là 3, tức là có 3 loại nơtrino. Ngoài nơtrino electron đã phát hiện ở trên ra, còn có nơtrino μ (phát hiện năm 1962) và nơtrino dạng ι (phát hiện năm 1975). Mỗi một loại nơtrino đều có phản nơtrino như nhau.

Rốt cuộc nơtrino có khối lượng hay không, là chìa khoá khiến người ta quan tâm nhất trong lĩnh vực nghiên cứu này. Trước những năm 70 của thế kỉ XX, hầu hết ý kiến cho rằng khối lượng của nơtrino bằng không. Năm 1980, Viện nghiên cứu vật lí lí thuyết và thực nghiệm của Liên Xô thông báo, qua 10 năm đo đạc thử nghiệm, nhận được khối lượng của nơtrino ở trong khoảng 17 - 40 electrovon. Điều đó làm cho giới vật lí toàn cầu xôn xao. Về sau, nhiều phòng thực nghiệm nổi tiếng trên thế giới nhộn nhịp áp dụng các phương pháp khác nhau để đo đạc và kiểm nghiệm kết quả đó. Các chuyên gia của Viện Khoa học năng lượng nguyên tử Trung Quốc cũng triển khai hạng mục nghiên cứu này vào giữa những năm 80, và thu được thành quả nhất định. Hiện nay, các thực nghiệm về đo khối lượng của nơtrino trên thế giới vẫn đang tiếp tục tiến hành. Theo những báo cáo gần đây nhất thì vẫn không thể loại bỏ khả năng khối lượng của nó bằng không. Giới hạn trên về khối lượng của nó vào khoảng 10 electrovon.

Có lẽ độc giả sẽ hỏi, tác động qua lại của nơtrino với vật chất vô cùng yếu ớt, lại khó nắm bắt được, việc nghiên cứu nó có ý nghĩa gì nhỉ?

Cố nhiên, một nơtrino thì không đáng gì, song cái Vũ Trụ của chúng ta, số lượng của nơtrino cực nhiều, nó đầy rẫy ở mọi xó xỉnh của Vũ Trụ, bình quân mỗi cm3 có vào khoảng 300 nơtrino, xấp xỉ với photon, nhiều gấp vài tỉ lần so với tất cả các hạt khác! Cho nên, tổng thể nơtrino có tác dụng rất quan trọng đối với Vũ Trụ.

Ngoài ra, nơtrino còn có khả năng: nó có thể đi xuyên qua bên trong các ngôi sao một cách dễ dàng. Vì vậy, nó có thể mang đến cho chúng ta những thông tin nội bộ của các ngôi sao, của Mặt Trời. Các nhà khoa học còn giả thiết lợi dụng đặc điểm này của nơtrino để quét cắt lớp Trái Đất, làm cho những điều bí ẩn nằm sâu trong Trái Đất phơi bày ra không sót gì hết; họ còn muốn cho nơtrino truyền thông tin xuyên qua Trái Đất nữa, như vậy truyền thông đường dài có thể không cần phải qua vệ tinh và lượn vòng các trạm mặt đất. Khi người ta nhận thức rõ ràng về nơtrino, nó sẽ có được sự ứng dụng vô cùng rộng rãi.

Từ khoá: Nơtrino.

169. Quan sát thế giới nguyên tử nhỏ bé như thế nào?

Các loại vật chất trong đời sống hàng ngày đều do một lượng lớn các nguyên tử hoá hợp ngưng tụ lại mà thành. Trên cấp độ hoá học, nguyên tử là đơn vị cơ bản cấu thành thế giới vật chất. Vậy thì, như thế nào mới có thể quan sát thấy nguyên tử nhỏ bé trong vật liệu nhỉ? Cho đến nay, thông thường có hai cách:

Cách thứ nhất gọi là phương pháp nhiễu xạ, chủ yếu dùng để quan sát sự sắp xếp của nguyên tử trong tinh thể. Dùng một chùm tia chiếu lên tinh thể. Do nguyên tử trong tinh thể sắp xếp có trật tự, vì vậy, căn cứ vào nguyên lí vật lí, sự bố trí của nguyên tử tác động với chùm tia, làm cho những tia khi đi ra được tăng cường ở một hướng nào đó, còn ở các hướng khác lại yếu đi. Thế là trên phim chụp ảnh hoặc màn huỳnh quang thu được một cái gọi là "hình nhiễu xạ". Các nhà khoa học thông qua phân tích, tính toán đối với tác động giữa tinh thể và chùm tia, có thể căn cứ "bức tranh nhiễu xạ" hoàn nguyên một cách vô cùng chính xác phương thức sắp xếp của nguyên tử trong tinh thể, qua đó cấu tạo ra bức tranh vi mô của thế giới nguyên tử trong tinh thể. Trong nghiên cứu thực tế, chùm tia dùng đến có thể là chùm electron, cũng có thể là chùm tia X. Cái trước gọi là thuật hiển vi điện tử. Kính hiển vi điện tử có độ phân giải cao có thể phân giải nguyên tử được chế tạo ra dựa vào nguyên lí này.

Dùng phương pháp nhiễu xạ chỉ có thể quan sát thế giới nguyên tử trong tinh thể. Đối với tinh thể vô cơ và tinh thể hữu cơ đơn giản, do công việc hoàn nguyên của bức tranh nhiễu xạ tương đối đơn giản, thông thường có thể hoàn nguyên sơ đồ kết cấu sắp xếp nguyên tử của chúng một cách khá dễ dàng. Còn đối với tinh thể của phân tử lớn như protêin, axit nucleic v.v., việc tính toán liên quan tới công tác hoàn nguyên bức tranh nhiễu xạ vô cùng phức tạp, vì vậy tương đối khó đo đạc và xác định sơ đồ kết cấu sắp xếp nguyên tử của chúng. Đối với vật liệu vi tinh thể hoàn toàn không trật tự, hiện nay vẫn chưa thể dùng phương pháp nhiễu xạ quan sát kết cấu sắp xếp giữa nguyên tử với nguyên tử bên trong chúng.

Khác với phương pháp nhiễu xạ, một loại khí cụ kiểu mới khác gọi là kính hiển vi điện tử chui hầm quét lợi dụng hiệu ứng chui hầm lượng tử của electron giữa nguyên tử, làm cho người "nhìn" thấy nguyên tử của bề mặt vật liệu một cách tương đối trực quan, và có thể dịch chuyển, điều khiển những nguyên tử ấy. Trong hiệu ứng chui hầm lượng tử. dòng điện chui hầm và khoảng cách giữa các nguyên tử có mối quan hệ nương tựa hết sức nhạy cảm. Khi dùng mũi kim chỉ có một nguyên tử trên một đỉnh đầu xê dịch trên mặt vật liệu, dòng điện chui hầm giữa mũi kim và vật liệu gắn liền với quá trình thay đổi nhảy vọt của electron ở giữa nguyên tử đỉnh đầu mũi kim và một nguyên tử nào đó trên mặt vật liệu, qua đó có thể nhận ra nguyên tử đơn lẻ của bề mặt vật liệu.

Ưu điểm của kính hiển vi điện tử chui hầm quét là có thể quan sát kết cấu sắp xếp nguyên tử của bề mặt vật liệu một cách tương đối trực tiếp. Chẳng những nó dùng thích hợp với vật liệu tinh thể, cũng có thể dùng vào việc nghiên cứu bề mặt vật liệu đa tinh thể và vô định hình, song với tiền đề là vật liệu phải dẫn điện. Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử chui hầm quét không "nhìn" thấy nguyên tử ở sâu bên trong vật liệu.

Từ khoá: Kết cấu sắp xếp nguyên tử; Kính hiển vi điện tử; Kính hiển vi điện tử chui hầm quét; Hiệu ứng chui hầm điện tử.

170. Liệu loài người có thể thao tác nguyên tử?

Những năm 70 của thế kỉ XX, năng lực phóng đại của kính hiển vi điện tử đã đạt tới một triệu lần. Những năm 80 của thế kỉ XX, kính hiển vi chui hầm quét ra đời. Nó do các nhà vật lí người Đức, Gerd Binnig và Heinrich Rohrer, cùng thiết kế chế tạo ra. Họ còn dùng khí cụ này chụp ra bức tranh cảnh quan ba chiều của nguyên tử silic được phóng đại 100 triệu lần. Đó là lần đầu tiên con người thực sự quan sát thấy thế giới nguyên tử nhỏ bé. Lúc bấy giờ báo chí đăng tin có liên quan với hàng tít: "Nguyên tử giống như củ khoai tây". Vì vậy, giải Nobel vật lí năm 1986 được trao cho Ernst Ruska, người phát minh ra kính hiển vi điện tử nửa thế kỉ trước. cùng với các nhà sáng chế kính hiển vi chui hầm quét Binnig và Rohrer.

Trang bị của kính hiển vi chui hầm quét phức tạp hơn kính hiển vi điện tử. Nó được lắp thêm khí cụ điều khiển tự động để bám theo khu vực cần quan sát. Chẳng những nó có thể quan sát kết cấu nguyên tử bề mặt vật liệu, mà còn có thể thông qua tác động qua lại giữa mũi kim và bề mặt mẫu thử để tiến hành thao túng chuyển ra và cấy vào đối với nguyên tử bề mặt hoặc nguyên tử hấp thụ, làm cho chúng tổ hợp sắp xếp một cách có mục đích, hình thành hình vẽ mẫu, kích thước của nó nhỏ đến chỉ có vài nanomet. Nơi thực hiện thao túng nguyên tử sớm nhất là phòng thực nghiệm nghiên cứu IBM nước Mĩ vào năm 1990. Họ sắp 35 nguyên tử xênon lên bề mặt niken thành ba chữ cái "IBM", mỗi chữ cái có kích thước 5 nanomet, trở thành nhãn hiệu thương phẩm nhỏ nhất trên thế giới. Về sau, họ lại dịch chuyển phân tử cacbon oxit trên bề mặt platin xếp thành một đồ án người nhỏ, gọi là người phân tử. Mỗi một vết trắng trong đồ án đều là phân tử cacbon oxit, phân tử đứng thẳng, oxi ở mặt trên, người phân tử cao 5 nanomet. Năm 1995 có tin tức nói, trên tấm silic 2 cm x 2 cm đã chế tạo được một loạt 16 cái kính hiển vi chui hầm quét, có thể đồng thời vận hành.

Có thể tưởng tượng rằng, nếu kĩ thuật đó được hoàn thiện thêm một bước thì có hi vọng nghiên cứu chế tạo thành khí cụ lượng tử cấp nanomet, vật liệu mới cấp nanomet, tiến hành lưu trữ thông tin mật độ siêu cao và gia công cấp nanomet. Điều đó có ảnh hưởng lớn lao đối với việc hình thành kĩ thuật nanomet trong tương lai, cung cấp cơ sở vật chất cho lĩnh vực mới đầy tính thách thức.

Từ khoá: Kính hiển vi chui hầm quét; Nguyên tử; Kĩ thuật nanomet.