Những con số làm nên vũ trụ - Phần 46

Nhiệt và Ánh sáng

Nếu nhà bạn có lò sưởi điện, hẳn bạn từng để ý khi bạn bật một trong những bộ sưởi của nó, thì màu sắc biến đổi dần dần từ màu đỏ sậm sang màu cam sáng. Ít nhất đó là cái xảy ra ở cái lò sưởi nhà tôi; nếu lò sưởi của bạn có khả năng phát ra nhiều nhiệt hơn cái lò của tôi, bạn sẽ để ý thấy màu sắc dần dần biến đổi sang màu trắng vàng vàng, rồi màu trắng xanh. Tất nhiên, nếu điều đó xảy ra, bạn phải có một cái lò đặc biệt lắm. Nếu kim loại ngả sang màu trắng vàng, thì nó ở trong ngưỡng 1.600 kelvin (2.400 độ Fahrenheit). Một cuộn sưởi bình thường, làm bằng sắt, sẽ tan chảy, và phần trên lò cũng thế; và tất nhiên các nhà sản xuất phải có chế độ bảo vệ để đảm bảo điều này không xảy ra. Những điều tồi tệ có thể xảy ra khi bộ sưởi ở trên lò chạy quá lâu (Tôi thường kiểm tra vài lần xem lò đã tắt chưa khi tôi rời khỏi phòng, một trong những dấu hiệu của thời đại tiến bộ), nhưng không phải vì bộ sưởi bị nóng chảy.

Ngày nay, chúng ta biết màu sắc và nhiệt độ liên quan với nhau như thế nào, nhưng việc nghiên cứu nó thật khó. Kirchhoff, một trong những người đầu tiên nghiên cứu nó, đã có thể chứng minh cái có tầm quan trọng cơ bản: màu sắc không phụ thuộc vào chất liệu của vật bị nung hoặc hình dạng của nó. Cho dù bạn có một xoắn sắt, như bộ sưởi trong lò sưởi nhà tôi, hoặc một sợi dây tungsten, như Thomas Edison đã dùng trong bóng đèn điện thành công đầu tiên của ông, thì dải màu chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Màu sắc được đặc trưng bởi bước sóng của sóng điện từ mà một vật phát ra, những sóng nhìn thấy dài nhất là màu đỏ sậm, nhưng những sóng dài hơn nữa là hồng ngoại, ngoài đầu đỏ. Bạn không nghĩ chúng ta là những vật bức xạ, nhưng thật ra cơ thể chúng ta là vật bức xạ - nhiệt độ cơ thể của chúng ta thường trong ngưỡng 310 kelvin, và phần lớn năng lượng nhiệt do cơ thể của chúng ta phát ra nằm trong vùng hồng ngoại, đó là lí do chúng ta có thể bị phát hiện ra trong phòng tối bởi bộ cảm biến hồng ngoại. Tuy nhiên, không phải toàn bộ năng lượng phát ra bởi một vật nóng bức xạ ở một màu sắc nhất định. Màu sắc mà chúng ta thấy từ một vật nóng là bước sóng ưu thế của năng lượng bức xạ tập trung, nhưng trên thực tế mỗi vật từ helium lỏng cho đến những ngôi sao nóng nhất đều phát ra năng lượng của nó ở những bước sóng khác nhau.

Các nhà vật lí đã đi tới mối liên hệ giữa nhiệt độ và ánh sáng khi xét một vật gọi là vật đen ở trạng thái cân bằng nhiệt, nghĩa là nhiệt độ của nó là ổn định. Vật đen là cái hấp thụ hoàn toàn và phát ra bức xạ điện từ. Ví dụ kinh điển của vật đen là một hốc bức xạ: nó là một quả cầu rỗng với một miệng lỗ rất nhỏ; có ít không gian cho bức xạ quả cầu ló ra ngoài nên ít khi nó truyền ra ngoài – nó phản xạ vòng vòng bên trong, làm nóng đồng đều mọi chỗ ở bên trong. Một câu hỏi lớn của nền vật lí thế kỉ mười chín là xác định – trên lí thuyết nếu có thể, theo kinh nghiệm nếu cần thiết – đường cong biểu diễn sự phân bố bức xạ ló ra từ một vật đen ở những bước sóng khác nhau. Với mỗi nhiệt độ, các nhà vật lí dự đoán, sẽ có một đường cong khác nhau.

Những đường cong này chẳng gì hơn là mối bận tâm lí thuyết. Đèn điện rõ ràng là làn sóng của tương lai, và đèn điện tạo ra bức xạ qua sự nung nóng. Biết những đường cong này cho phép các kĩ sư thiết kế ra những loại đèn tạo ra ánh sáng đồng thời lãng phí nhiệt năng càng ít càng tốt. Thật vậy, gia đình Siemens đã chi tiền lập một viện nghiên cứu ở Berlin để kết hợp khoa học lí thuyết với những nhu cầu thực tiễn của công nghiệp. Wilhelm Wien, một trong những nhà khoa học của viện, đã có những bước xâm nhập đáng kể vào bài toán này.

Để hiểu những kết quả của Wien, điều cần thiết là hiểu một số thuật ngữ cơ bản của lí thuyết sóng. Tôi luôn thích sống ở gần những nguồn nước lớn, và tôi sống ở Nam California gần Thái Bình Dương. Có chút khoan khoái khi đứng bên bờ đại dương – hoặc, nếu nước không quá lạnh, ta ngâm mình trong đó – và nhìn những con sóng cuộn lên, vỗ vào bờ biển. Những con sóng đó có thể được đặc trưng bởi chúng cao bao nhiêu – biên độ của chúng – và chúng vỗ vào bờ biển bao nhiêu lần trong một khoảng thời gian cho trước – tần số của chúng. Tần số sóng được kí hiệu bằng chữ cái Hi Lạp n (đọc là “nuy”), và màu sắc của ánh sáng được xác định bởi tần số của nó theo đơn vị chu kì trên giây, còn gọi là hertz.

Có một ngưỡng hết sức lớn của tần số của sóng điện từ. Sóng vô tuyến và sóng truyền hình có giá trị tương đối thấp, cỡ hàng chục hoặc hàng trăm triệu chu kì mỗi giây. Ở đầu trên của ngưỡng đó là những tia gamma mạnh thường được tạo ra bởi những vụ nổ khổng lồ; những tia này có tần số vượt quá 10¹⁸ chu kì trên giây. Phần phổ điện từ chúng ta có thể nhìn thấy chỉ là một phần nhỏ của toàn bộ phổ, tần số của ánh sáng đỏ là vào cỡ 4 ´ 10¹⁴ chu kì trên giây, và tần số của ánh sáng xanh là khoảng 7,5 ´ 10¹⁴ chu kì trên giây. Ánh sáng hồng ngoại có tần số thấp hơn một chút so với ánh sáng đỏ; ánh sáng tử ngoại thì có tần số cao hơn một chút so với ánh sáng xanh.

Wien đã tiến hành những thí nghiệm của ông trong phần xanh của quang phổ. Ông phát hiện thấy nếu T là nhiệt độ đo theo kelvin và n là tần số của ánh sáng, thì biểu thức I(n, T) cho cường độ của ánh sáng phát ra ở tần số n bởi một vật đen được nung nóng đến nhiệt độ T có thể xấp xỉ là I(n, T) = An³e^-B^n/T, trong đó A và B là những hằng số dương có giá trị Wien có thể xác định bằng kinh nghiệm. Biểu thức đó đủ tốt cho những nhà công nghiệp tài trợ của ông; họ sẽ thỏa mãn khi có những giá trị bằng số mà họ có thể sử dụng, nhưng các nhà lí thuyết sẽ không bao giờ thỏa mãn cho đến khi họ biết tại sao giá trị của A và B lại bằng bao nhiêu đó. Cho nên, ví dụ, nếu một nhà lí thuyết thấy con số 186.000 (hay gần bằng thế) trong một biểu thức, hẳn anh ta sẽ tự hỏi tại sao tốc độ ánh sáng lại có mặt trong biểu thức đó, và sẽ cố phát triển một cội nguồn lí thuyết để giải thích nó. Công thức của Wien được gọi là định luật bức xạ Wien hay phép gần đúng Wien – nó hoạt động, nhưng nó thật sự chẳng làm lí thuyết bức xạ tiến bộ thêm bao nhiêu.