Những con số làm nên vũ trụ - Phần 20

Sự phát triển của nhiệt biểu học và các thí nghiệm của Guillaume Amontons

Hero xứ Alexandria, nhà phát minh của động cơ hơi nước (mặc dù không phải là động cơ được thương mại hóa, nếu không Cách mạng Công nghiệp đã xảy ra sớm hơn hai thiên niên kỉ rồi), nhận thức rằng không khí giãn nở khi nóng lên, và đã chế tạo ra một nhiệt kế nguyên thủy bằng cách nhúng đầu hở của một ống không khí trong một bình nước. Khi không khí giãn ra hay co lại, thì đường ranh giới không khí-nước dịch chuyển. Vấn đề là thiết bị này cũng nhạy với những sự biến thiên áp suất không khí. Một cách khắc phục vấn đề này đã được tìm thấy vào giữa thế kỉ mười bảy, khi Fernando II de’ Medici, đại công tước xứ Tuscany, sử dụng một ống hàn kín đựng rượu thay cho không khí; đã tách biệt với áp suất không khí, nên thể tích rượu chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ở xung quanh. Việc thêm vào một thang đo tỉ lệ ở gần bên ống làm cho chiếc nhiệt kế thật sự hữu ích, và khi rượu nhường chỗ cho thủy ngân làm vật chỉ thị được chọn cho các nhà khoa học, sự phát triển của chiếc nhiệt kế hiện đại là hoàn thiện hơn nhiều. Thủy ngân cho phép chế tạo những cái nhiệt kế nhỏ gọn hơn. Chính với một cái nhiệt kế không khí-thủy ngân như thế mà Guillaume Amontons lần đầu tiên đã đề xuất khả năng của một giá trị bằng số cho nhiệt độ thấp nhất có thể có.

Amontons là một nhà khoa học người Pháp bị điếc từ nhỏ, vì vậy mà ông không thể vào học đại học. Ông tự mình nghiên cứu toán học và khoa học, thực hiện những cải tiến cho nhiệt kế, khí áp kế, ẩm kế, và đã chuyển từ nghiên cứu ma sát sang nghiên cứu mối liên hệ trong chất khí giữa nhiệt độ và áp suất. Ông nhúng một bình không khí nối với một cột thủy ngân vào trong nước. Amontons để ý thấy nhiệt độ tương ứng với điểm tan chảy của băng là 51 trên thang đo của ông, và nhiệt độ tương ứng với điểm sôi của nước là 73. Amontons cho rằng khi áp suất (và thể tích tương ứng) của không khí bằng không, thì không thể nào làm lạnh đi được nữa, mặc dù ông không “làm toán” cần thiết để xác định nhiệt độ của độ không tuyệt đối.

Tuy nhiên, chúng ta có thể làm phép toán mà Amontons đã không làm. Một đơn vị trên thang đo của Amontons là bằng 8 ²/₁₁ độ Fahrenheit. Từ số liệu của ông, cần có sự giảm 51 đơn vị, hay 417 độ Fahrenheit, từ điểm đóng băng của nước để làm giảm áp suất xuống bằng không; như vậy tương ứng với ước tính – 385^oF cho không độ tuyệt đối. Con số này không tệ (giá trị thực tế là – 459,67^oF), nhất là khi biết rằng Antoine Lavoisier, Pierre-Simon Laplace, và John Dalton, ba nhà khoa học lỗi lạc, sẽ kết luận vào cuối thế kỉ mười tám rằng độ không tuyệt đối nằm giữa – 1500^oF và – 3000^oF. Giá trị thực tế, cũng như tên gọi, của độ không tuyệt đối cuối cùng sẽ có từ ngài Kelvin, người đã phát triển một thang đo bắt đầu tại không độ tuyệt đối, đặt điểm đóng băng của nước là 273,15 độ - đúng ngay chỗ mà hệ thống đo hiện đại, đo nhiệt độ theo kelvin, thiết lập ngày nay.

Bất chấp sự thành công trên lí thuyết, không ai xét đến việc nghiên cứu độ không tuyệt đối; vào lúc này trông nó xa xăm như Mặt trăng hay các vì sao vậy. Chắc chắn đây là vì thực tế không có cách nào tạo ra sự lạnh. Tạo ra nhiệt thì dễ - tìm cái gì đó có thể cháy và đốt nó. Nhưng chỉ có tự nhiên mới có thể tạo ra sự lạnh, mãi sau này mới có một thí nghiệm do một nhà khoa học tiến hành, nhưng nhà khoa học lại được biết đến nhiều hơn với những việc thực tiễn khác mà ông đã làm.