Những con số làm nên vũ trụ - Phần 13

Chương 4
Hằng số khí lí tưởng

Khoa học ngày nay là quan sát, thực nghiệm và lí thuyết hóa, nhưng không phải luôn luôn như vậy. Ở Hi Lạp cổ đại, chẳng hạn, có ít hoặc chẳng có phương tiện thực nghiệm, và vì thế các nhà khoa học thuộc thời đại ấy, những người tự gọi mình là nhà triết học, chỉ hạn chế với việc quan sát và lí thuyết hóa để trả lời câu hỏi vũ trụ và vạn vật đã xuất hiện như thế nào. Một trong những người tiên phong nhất là Thales xứ Miletus đã đưa ra dự đoán thành công đầu tiên của một kì nhật thực và có lẽ cũng đã nêu ra phép chứng minh đầu tiên trong hình học khi ông chỉ ra rằng những góc thẳng đứng là bằng nhau. Thales đã lí thuyết hóa rằng vạn vật có nguồn gốc từ nước và phụ thuộc vào nước. Một thế kỉ tranh luận sôi nổi đã lên đến đỉnh điểm sau đó với tuyên bố của Empedocles rằng vạn vật thật ra được sinh ra bởi sự hòa nhập và phân tách bốn nguyên tố đất, không khí, lửa, và nước; sự hòa nhập và phân tách đó xảy ra dưới tác dụng của hai lực mà Empedocles mô tả là “yêu” và “xung đột”.

Từ điểm nhìn của thế kỉ 21, quan niệm như thế trông có vẻ quá cổ xưa, nhưng chưa hẳn tệ như vậy đâu! Có bốn pha của vật chất – rắn (tương ứng với đất), lỏng (nước), khí (không khí) và plasma (lửa). Tôi không muốn đưa vấn đề này đi quá xa, nhưng lực điện từ mà nền hóa học xây dựng trên đó có thể xem là “yêu” (điện tích và cực từ trái dấu hút nhau) và “xung đột” (như điện tích và cực từ đẩy nhau). Thuyết nguyên tử đã được Leucippus và Democritus làm sáng tỏ trước Chúa giáng sinh hơn bốn thế kỉ, và bạn vẫn có thể mô tả vũ trụ và vạn vật trên nó một cách tốt đẹp. Sự tiến bộ của khoa học đã vứt bỏ rất nhiều dự đoán sai lầm và giữ lại những cái tốt đẹp, chúng thật sự là tốt đẹp, biết rằng chúng chẳng biến đổi gì nhiều nữa.

Hai thiên niên kỉ sau, ở châu Âu thế kỉ 17, hậu duệ của những nhà triết học – khi ấy gọi là nhà triết học tự nhiên – đã không từ bỏ quan sát và lí thuyết hóa, nhưng họ đã phát triển một số phương tiện thực nghiệm, và đã đi tới sử dụng búa và kẹp, hai dụng cụ cần thiết để xây dựng các phương tiện thí nghiệm. Đã đến lúc chinh phục và khuất phục tự nhiên.

Theo tôi, đa số các nhà khoa học sẽ đồng ý với định nghĩa sau đây của thí nghiệm: hoạt động tiến hành một kiểm tra hay khảo sát có điều khiển. Loại công việc này đã ra đời khi nào là vấn đề gây tranh cãi. Galileo đã sử dụng các thí nghiệm để kết luận rằng quãng đường một vật rơi dưới tác dụng của trọng lực tỉ lệ với bình phương thời gian vật đó rơi, và đã làm thí nghiệm cho lăn những quả cầu xuống mặt phẳng nghiêng, hồi đầu thế kỉ 17. Vài thập niên sau đó, Anton von Leeuwenhoek đã đặt mọi vật dưới kính hiển vi – không phải nói ẩn dụ mà là thực tế. Nhưng chính Robert Boyle, một người đương thời của Leeuwenhoek, đã phát triển phương pháp luận mà chúng ta nghĩ là tinh hoa của thực nghiệm: cho một thông số thay đổi và nhìn xem những thông số thay đổi theo như thế nào. Ông lưu giữ một quyển nhật kí trong đó ông ghi lại thiết bị đã sử dụng, các thao tác có liên quan, và những phép đo đã quan sát, nhờ đó thiết lập nền tảng cho khoa học thực nghiệm.

Một định luật vật lí thường được hệ thống hóa thành một quan hệ toán học (thường là một phương trình, thỉnh thoảng là một bất đẳng thức) mô tả sự thay đổi của các biến liên hệ với nhau như thế nào. Để thu được một định luật như thế, điều cần thiết là có những sự thay đổi để mà quan sát. Trong bốn pha của vật chất, chất khí là dễ quan sát và đo những thay đổi như thế nhất; chất lỏng và chất rắn không thay đổi nhiều (ít nhất là với độ nhạy của thiết bị đo lường hồi thế kỉ 17), và plasma là một dạng vật chất chưa được biết tới trong thời kì đó. Vì thế, thật tự nhiên là định luật đầu tiên suy luận về vật chất lại liên quan đến chất khí. Và công trạng ấy thuộc về Boyle.

Ông đã không đơn độc trong nghiên cứu đó. Vào năm 1643, nhà vật lí người Italy Evangelista Torricelli phát hiện thấy một cột không khí đủ để chống đỡ một cột thủy ngân mà chúng ta sẽ mô tả là có độ cao 760 mm, và áp suất khí quyển có thể thay đổi. Phát hiện này đã truyền cảm hứng cho nhà khoa học người Đức Otto von Guericke, khi ấy là thị trưởng của thành phố Magdeburg, chế tạo ra máy bơm chân không đầu tiên. Để chứng minh sức mạnh của áp suất khí quyển, ông đã nghĩ ra cái ngày nay gọi là bán cầu Magdeburg: hai bán cầu bằng đồng đường kính xấp xỉ 20 inch gắn lại sao cho có thể hút chân không bên trong bằng máy bơm. Khi hút chân không xong, một bầy ngựa cũng không thể kéo tách hai bán cầu đó ra; hai bán cầu tự tách nhau ra khi không khí được phép tràn vào bên trong.

Không khó gì việc tính cần bao nhiêu lực để tách hai bán cầu ra. Một cột không khí có tiết diện 1 inch vuông nặng xấp xỉ 14,7 pound, và diện tích bề mặt của một quả cầu bán kính R là 4pR². Tổng lực cần thiết để tách hai bán cầu, cho biết đường kính 10 inch, là 4 × 3,14 × 10² × 14,7 = 18.463 pound. Thành ra đây là lực của khí quyển tác dụng lên hai bán cầu ghép lại.

Có lẽ bạn có chút hoài nghi về tính toán trên, nhưng có một thí nghiệm đơn giản bạn có thể thực hiện sẽ thuyết phục bạn rằng lực tổng hợp là áp suất khí quyển nhân với diện tích bề mặt. Đổ đầy nước vào một cái ly, và tìm một cái nắp nhựa (không dùng giấy, vì nó sẽ bị ướt) đậy vừa lên cái ly. Hãy đảm bảo rằng cái nắp hoàn toàn khô và đậy hết cái ly, sau đó lật ngược cái ly xuống. Áp suất khí quyển lớn hơn trọng lượng của cột nước, và cái nắp vẫn ở yên chỗ của nó! Hãy thử làm thí nghiệm này tại nhà nhé!

Khi tin tức về thí nghiệm von Guericke đến tai Boyle, ông đã quyết tâm chế tạo một máy bơm chân không đơn giản hơn. Máy bơm của von Guericke cần hai người để điều khiển; phiên bản cải tiến của Boyle có thể điều khiển dễ dàng chỉ bởi một người. Những nghiên cứu của Boyle về bản chất của chất khí lần đầu tiên được công bố trong tác phẩm “Sự đàn hồi và Trọng lượng của Chất khí”. Trong bản in lần thứ nhất, xuất bản năm 1660, Boyle trình bày rằng âm thanh không thể truyền đi trong chân không bằng cách thử rung một cái chuông trong một buồng chất khí loãng dần, và không khí cần thiết cho cả sự sống lẫn sự cháy của ngọn nến. Trong bản in lần thứ hai, xuất bản năm 1662, có nêu mối liên hệ giữa áp suất và thể tích mà mọi sinh viên vật lí hay hóa học vỡ lòng đều được học là định luật Boyle. Định luật Boyle phát biểu rằng miễn là nhiệt độ được giữ nguyên không đổi, thì áp suất và thể tích biến thiên tỉ lệ nghịch với nhau, có một hằng số k sao cho PV = k, trong đó P là áp suất chất khí và V là thể tích của nó.

Boyle may mắn có Robert Hooke làm trợ lí trong phòng thí nghiệm của ông. Hooke là người đầu tiên trong số nhiều trợ lí phòng thí nghiệm tiếp tục có công trình nghiên cứu khoa học đáng kể của riêng mình. Làm việc trong phòng thí nghiệm của Boyle đã cho phép Hooke học được phương pháp luận của Boyle, ông đã sử dụng nó để thiết lập định luật Hooke (lực hồi phục tác dụng lên lò xo tỉ lệ với đoạn lò xo bị giãn quá chiều dài tự nhiên của nó). Có lẽ ông bị ảnh hưởng nên đã tiến hành những nghiên cứu này vì niềm tin của Boyle vào sự đàn hồi của không khí. Hooke còn là một trong những người có những đóng góp quan sát quan trọng nhất trong lịch sử khoa học. Vào năm 1665, trong khi khảo sát những miếng phao bần mỏng dưới kính hiển vi, ông phát hiện thấy chúng có cấu tạo từ những tế bào (tên gọi “tế bào” xuất phát từ sự so sánh của Hooke giữa những gian có thể nhìn thấy trong lát phao bần và những gian phòng nhỏ mà các thầy tu ở trong các tu viện).

Có một số bất đồng giữa các nhà sử học về vai trò của Hooke trong sự khám phá ra định luật Boyle. Hooke dường như đã tiến hành một số thí nghiệm, và một nhà sử học đề xuất rằng Hooke, (không giống như Boyle) là một nhà toán học thành tựu, có thể đã phát triển cơ sở toán học của định luật Boyle. Dẫu sao thì Boyle và Hooke đều tôn trọng lẫn nhau, và Boyle không phải là người ngáng đường tiến thân của Hooke. Khi Hội Hoàng gia mới thành lập cần một người phụ trách các thí nghiệm của hội, Hooke đều được mọi thành viên biết đến, và nhất trí bổ nhiệm vào vị trí đó.

Cho dù định luật Boyle có bị phân chia công trạng, thì Boyle vẫn là một trong những nhà khoa học hàng đầu của thời đại của ông. Tầm ảnh hưởng của ông vươn rộng ra khỏi cơ sở vật lí của định luật Boyle, những khám phá ông thực hiện trong nghiên cứu không khí, và những đóng góp đáng kể của ông cho hóa học. Chính Boyle là người đầu tiên đã thiết lập phương pháp cơ bản đặc trưng cho nền khoa học theo lối kinh nghiệm, và một trong những cá nhân công nhận phương pháp của ông là Isaac Newton.