Những con số làm nên vũ trụ - Phần 33

Điện tích

Để nghiên cứu lực điện đòi hỏi các nhà khoa học phải có thể tạo ra nó với những lượng lớn hơn và đáng tin cậy hơn so với cái Gilbert đã làm – và phải có thể tích trữ nó. Khó khăn vừa nói đã được khắc phục – mặc dù không phải bởi con người – vì những loài chình và cá nhất định có khả năng phóng ra một cú sốc điện ác hiểm. Nguồn điện nhân tạo và đáng tin cậy đầu tiên có lượng điện đáng kể được phát minh ra vào thế kỉ thứ mười bảy bởi Otto von Guericke. Von Guericke cũng đáng được gọi là một nhân vật Phục hưng; sau khi nghiên cứu toán học, luật học và kĩ thuật, ông buộc phải rời bỏ thành phố quê hương Magdeburg trong Cuộc chiến Ba Mươi Năm. Lúc trở lại, ông đã giúp tái thiết thành phố, và sau này được bầu làm thị trưởng – và khi đó ông đã tiến hành hai thí nghiệm khoa học đáng chú ý. Ông đã phát minh ra một dụng cụ, gọi là bán cầu Magdeburg, để chứng minh sự tồn tại và sức mạnh của chân không, và còn nghĩ ra máy phát tĩnh điện cỡ lớn đầu tiên. Máy này gồm một quả cầu sulfur lớn với một cái que làm trục chính giữa, bao xung quanh nó là một dây curoa. Quả cầu sulfur có thể xoay với một tay quay và cọ xát với những cái cần khô, tạo ra điện tích trên quả cầu sulfur, điện tích này sau đó có thể lấy đi bất kì đâu và nghiên cứu.

Bất kể công sức của von Guericke, chỉ sang thế kỉ thứ mười tám thì tốc độ thí nghiệm điện và sự phát triển mới tăng nhanh. Phát minh quan trọng đầu tiên là chai Leyden, một dụng cụ tích trữ điện. Chai Leyden có thể tích trữ những lượng lớn điện tích, đủ để giết chết những con vật nhỏ. Các chai Leyden có thể nối với nhau – ngày nay chúng ta gọi là “ghép nối tiếp” – để tăng lượng điện tích có thể truyền ra khi điện được giải phóng. Chai Leyden cũng có thể dùng, như Franklin đã trình diễn hết sức nổi tiếng, để chứng minh sét là một dạng điện. Hiển nhiên sức mạnh của tia sét thì người ta đã biết, nhưng một khi biết rõ dứt khoát nó là một dạng điện, thì người ta có thể nghĩ tới cách dùng tia sét làm nguồn điện để tích điện nhiều bằng năm mươi chai Leyden đồng thời.

Một phát triển lớn nữa là một cách khác thu được điện – dễ hơn cọ xát vật này lên vật kia, và ít nguy hiểm hơn nhiều so với việc thu sét vào trong chai (phép ẩn dụ đối với chúng ta, một nỗ lực thực sự đối với Benjamin Franklin và những người khác). Các tiến bộ khoa học thỉnh thoảng là kết quả của những sự may rủi tình cờ, và một sự xuất hiện tình cờ như thế đã xảy ra khi một cái dao mổ tiếp xúc với một máy phát tĩnh điện trong phòng thí nghiệm của Luigi Galvani tình cờ chạm vào cơ chân của một con ếch nằm gần đó. Cơ ếch bị co giật và Galvani bắt đầu nghiên cứu sâu rộng cái ông gọi là điện động vật, cái ông tin là một ứng cử viên cho “hoạt lực” vốn hay lãng tránh mà các nhà triết học lẫn các nhà khoa học đang săn tìm. Sự tình cờ xảy ra lần nữa khi ông nối chân ếch với dây đồng và gắn chúng với lan can sắt xung quanh sân hiên nhà ông. Chân ếch bị co giật – giống như trước đó khi tiếp xúc với dao mổ nhiễm điện – nhưng lần này không có một nguồn điện rõ ràng nào hết. Sau đó, Galvani tìm thấy rằng sự co giật không xảy ra nếu như dây nối làm bằng cùng kim loại với lan can, và vì thế ông đã phát hiện rằng bằng cách mang những chất liệu khác nhau cho tiếp xúc, người ta có thể tạo ra điện.

Phát triển này đã mang đến thành tựu nhờ một trong những tên tuổi vĩ đại trong lịch sử ngành điện: Alessandro Volta. Volta đã bắt đầu khảo sát có hệ thống quan điểm cho rằng có thể tạo ra điện qua sự tiếp xúc vật lí của những kim loại khác nhau. Là một nhà thực nghiệm thận trọng, Volta đã kiểm tra nhiều kim loại, tạo ra một danh sách có trật tự sao cho mỗi kim loại sẽ tạo ra một điện tích dương khi ghép với một kim loại phía trên nó trong danh sách đó. Ông cũng để ý thấy, khi ông đặt hai kim loại khác nhau vào trong miệng, lưỡi của ông bị tê do sự đi qua của dòng điện và ông nghĩ rằng những chất thấm nước muối có thể giúp dòng điện chạy từ kim loại sang kim loại. Rồi ông cho xếp chồng một dãy những kim loại khác nhau ngăn cách nhau bởi những tấm bìa cứng tẩm nước muối để khuếch đại dòng điện nhỏ tạo ra bởi từng cặp kim loại. Kết quả là cột Volta, và nó không khác bao nhiêu với những loại pin ngày nay bạn có thể mua tại cửa hàng bách hóa gần nhà bạn.

Rốt cuộc lúc này khoa học đã có một nguồn điện vừa đáng tin cậy vừa liên tục. Vấn đề với chai Leyden là, giống như một đội bóng rỗ thua ngay vòng loại của giải NCAA, chúng “đánh một trận là xong”; chúng phóng toàn bộ điện tích dự trữ của chúng cùng một lúc. Trong khi sự phóng điện như vậy có thể dùng cho những thủ thuật trình diễn và đồng thời kích nổ (một chức năng mà sự phóng điện vẫn làm việc rất hiệu quả), nhưng nó hạn chế nhiều những ứng dụng tiềm năng cho năng lượng điện. Vì thế, mặc dù điện tích có từ cột Volta ban đầu là nhỏ so với lượng điện có thể dự trữ trong một chai Leyden, nhưng nó mở ra một phao cứu hộ cho cuộc đua sản xuất và sử dụng điện năng.

Volta đã viết một bức thư cho ngài Joseph Banks ở Hội Hoàng gia, trong đó ông nêu ra sự phát triển của cột Volta, và những kết luận của ông về nó. Bức thư này được đọc trước Hội Hoàng gia vào ngày 26 tháng 6, 1800 – ngày đánh dấu sự ra đời chính thức của sự phát triển điện năng có thể sử dụng. Tuy nhiên, nguồn gốc năng lượng điện của cột Volta thì Volta không hiểu, và không được đánh giá đầy đủ trong hàng thập kỉ. Pin hoạt động là kết quả của sự giải phóng electron qua tác dụng hóa học, và là một ví dụ của định luật bảo toàn năng lượng lẫn các định luật của nhiệt động lực học. Định luật bảo toàn năng lượng – sau này được sửa đổi để hợp nhất sự tương đương giữa khối lượng và năng lượng trong công thức nổi tiếng E = mc² do Einstein khám phá ra – phát biểu rằng năng lượng không thể tự sinh ra hay mất đi. Hệ quả là năng lượng xuất hiện ở cột Volta dưới dạng điện năng phải có nguồn gốc từ đâu đó. Các định luật nhiệt động lực học giải thích rằng năng lượng có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác, nhưng khi chuyển hóa như thế thì một lượng năng lượng nhất định bị tiêu hao. Giống như nhà thu mua ngoại tệ sẽ đổi đồng đô la của bạn thành đồng euro nhưng sẽ yêu cầu bạn đóng phí đổi tiền, vũ trụ - như mô tả bởi định luật thứ hai của nhiệt động lực học – thu phí (đo dưới dạng năng lượng bị mất) chuyển đổi hóa năng thành điện năng.