Những con số làm nên vũ trụ - Phần 21

Michael Faraday và Sự hóa lỏng của các chất khí

Michael Faraday là một cậu bé làm nghề đóng sách khi ông nghe một loạt bài giảng trước công chúng của nhà hóa học lỗi lạc Humphrey Davy. Faraday làm gan viết thư cho Davy hỏi ông có cần trợ lí không. Davy thấy ấn tượng và đã thuê Faraday. Từ đó đã bắt đầu sự nghiệp của một trong những nhà thực nghiệm vĩ đại nhất trong lịch sử khoa học.

Faraday nổi tiếng nhất với những thí nghiệm của ông về điện học, nhưng ông cũng có những đóng góp đáng kể cho ngành hóa học. Một ngày nọ, ông đã tạo chlorine lỏng từ chlorine hydrate. Chlorine ở trong cái ống hàn kín, và Faraday quyết định khảo sát nó kĩ lưỡng hơn. Ông đập vỡ cái ống – và cái ống nổ thành những mảnh thủy tinh, chúng bay khắp phòng thí nghiệm. Chlorine lập tức chuyển từ chất lỏng thành chất khí. Faraday, từng là một người quan sát khéo léo, để ý rằng nếu sự bay hơi của một chất lỏng mang lại một sự nổ, thì có lẽ cái ngược lại – tác dụng áp suất lên một chất khí – sẽ tạo ra sự hóa lỏng. Thật thú vị, mặc dù Faraday quan tâm khoa học thuần túy chứ không phải những ứng dụng thương mại của các khám phá khoa học, nhưng ông thật sự lưu ý rằng một ngày nào đó có thể tìm thấy những ứng dụng thương mại cho hiện tượng đặc biệt này. Tất nhiên, điều đó đã xảy ra – và cái tủ lạnh trong nhà bếp của bạn là một ví dụ căn bản. Một chất lỏng luân chuyển trong hệ thống cuộn dây trong cái tủ lạnh nhà bạn. Nó bay hơi trong một buồng bên trong tủ lạnh, làm cho nhiệt chảy từ môi trường xung quanh vào chất lỏng đang bay hơi, làm môi trường đó lạnh đi. Sau đó, hơi chất lỏng được nén ở bên ngoài tủ lạnh bằng một máy bơm điện; sự nén này làm hơi hóa lỏng và giải phóng lượng nhiệt mà chất lỏng đã hấp thụ trong tủ lạnh. Chu trình tiếp tục hoạt động cho đến khi đạt tới một nhiệt độ cân bằng. Thật đơn giản, nhưng khám phá trên đã làm cách mạng hóa toàn thế giới.

Các nhà hóa học trình bày thông tin về nơi những chất khác nhau hóa lỏng và hóa rắn qua một giản đồ pha. Một trục biểu diễn áp suất P, trục kia biểu diễn nhiệt độ T, và mặt phẳng P-T chia thành hai vùng, mỗi vùng biểu diễn một pha của chất đó. Giản đồ pha đối với nhiều chất lỏng, ví dụ như carbon dioxide và các chất khí dùng trong tủ lạnh của bạn, cho thấy áp suất vừa đủ có thể làm cho chúng hóa lỏng ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, những chất khí nhất định, gọi là chất khí vĩnh cửu, không hề chịu hóa lỏng nếu chỉ tác dụng áp suất thôi. Hiện tượng này được giải thích bởi nhà vật lí người Hà Lan Johannes van der Waals, ông nhận ra rằng các lực nội phân tử có thể làm cho sự hóa lỏng chỉ bằng cách tác dụng áp suất là cực kì khó khăn; cần hạ nhiệt độ xuống thì áp suất mới tạo ra sự hóa lỏng.

Việc đạt tới những nhiệt độ thấp hơn này đòi hỏi cái gọi là phương pháp hóa lỏng phân tầng, và nó mang lại một sự đột phá trong việc tìm kiếm những nhiệt độ thấp nhất. Phương pháp phân tầng là hóa lỏng một chất khí và sử dụng chất khí đó để hạ nhiệt độ của một chất khí khác, sau đó nén chất khí thứ hai để hóa lỏng nó. Chất khí vĩnh cửu đầu tiên hóa lỏng theo kĩ thuật này là oxygen, tiếp sau đó là nitrogen. Cuối cùng, nhà vật lí lỗi lạc người Scotland James Dewar đã đột kích thành công cái ông gọi là “Đỉnh Hydrogen”, thu được sự hóa lỏng của chất khí đó ở nhiệt độ khoảng – 420^oF.

Mặc dù Dewar mất hơn một thập kỉ mới hoàn thành mục tiêu của ông, nhưng ông không nhận được sự tán thưởng từ phía cộng đồng khoa học cho cái ông tin là ông đáng được hưởng. Thật không may cho Dewar, trong khi ông đang chinh phục Đỉnh Hydrogen, thì ngài William Ramsay đã làm chủ được cái còn lí thú hơn nữa – ông đã tách được helium, một chất khí được cho là chỉ tồn tại trên Mặt trời. Hãy tưởng tượng ngài Edmund Hillary sẽ cảm thấy thế nào nếu như, sau khi trèo tới Đỉnh Everest, ông nhìn thấy một đỉnh núi khác còn cao hơn nữa thấp thoáng trêu ngươi ở đằng xa, và sau đó mới biết rằng có ai đó khác đã trèo lên nó rồi.

Nhân vật đã đánh bại Dewar trong cuộc chạy đua hóa lỏng helium, ở nhiệt độ chỉ có 2 độ trên không độ tuyệt đối, là nhà vật lí người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes. Onnes và nhà vật lí người Anh Ernest Rutherford, mặc dù làm việc ở những đất nước khác nhau, nghiên cứu những vấn đề khác nhau, đã đồng thời phát triển cái ngày nay gọi là “nền khoa học lớn”. Các thế hệ nhà khoa học hoặc làm việc như những con sói độc hành hoặc hợp thành những nhóm nhỏ, nhưng Onnes và Rutherford đã lập ra những phòng thí nghiệm có cả đội nhà khoa học và kĩ sư. Cuộc đua, như Damon Runyon gọi như vậy, không nhất thiết diễn ra nhanh và chiến đấu cũng chẳng mạnh, mà đó là sự đánh cược. Kamerlingh Onnes sử dụng một dạng kĩ thuật phân tầng, dùng oxygen để hóa lỏng nitrogen, dùng nitrogen để hóa lỏng hydrogen, và dùng hydrogen để hóa lỏng helium – Dewar sử dụng phương pháp tương tự, nhưng với tài nguyên lớn hơn. Thành công đạt được vào tháng 6 năm 1908.

Thành tựu này có những hệ quả bất ngờ và lí thú. Trong khi phân loại các tính chất của helium lỏng, Kamerlingh Onnes quyết định đo điện trở của nó. Mỗi chất khác đã nghiên cứu trước đó có một điện trở nhất định, nhưng, ở nhiệt độ đủ thấp, helium lỏng không có điện trở; một dòng điện sinh ra trong helium lỏng sẽ chạy mãi mãi. Đây chính là chất siêu dẫn đầu tiên được biết. (Cuộc tìm kiếm những chất siêu dẫn nhiệt độ cao ngày nay là một trong những hướng tìm kiếm chính của nền vật lí đương đại; một chất liệu siêu dẫn và dễ tạo hình ở nhiệt độ phòng sẽ có những lợi ích kinh tế hết sức lớn.) Cũng thú vị không kém là helium lỏng không có độ nhớt – tính chất tự dính khiến mật ong và mật đường khó rót. Helium lỏng chứa trong một cái bình hở dường như chẳng coi lực hấp dẫn ra gì, nó tự trèo lên và chảy ra khỏi bình chứa.

Một trong những dấu hiệu phân biệt của sự tiến bộ khoa học và công nghệ là làm thế nào những chất từng có thời hiếm hoi trở nên sẵn có để dùng rộng rãi; cái là đề tài của một cuộc truy tìm mang tính anh hùng ca hồi một thế kỉ trước nay là chuyện buôn bán thường ngày. Giá bán một lít helium lỏng chừng bằng giá một bịch bánh bán ở cửa hàng bách hóa nơi bạn sống. Tuy nhiên, giữ được nó là một vấn đề khác – có lẽ bạn phải đựng nó trong một cái bình Dewar đặc biệt, và những cái bình này có giá hàng nghìn đô la. Tóm lại, điều hợp lí là cả Dewar và Kamerlingh Onnes đều đáng được nhớ đến vì những thành tựu của họ trong việc theo đuổi cái lạnh tối hậu, cho dù họ được nhớ đến theo những kiểu khác nhau.