Những con số làm nên vũ trụ - Phần 62

E = mc²

Công thức liên hệ năng lượng và khối lượng nổi tiếng của Einstein có lẽ là thành tựu trí tuệ mang tính biểu trưng của nhân loại. Thật ra, tôi chưa từng thấy bất kì khảo sát nào về chỉ số Q (số đo độ công nhận) của nó, nhưng tôi đoán rằng hầu như mọi học sinh tốt nghiệp phổ thông ít nhất đã từng thấy E = mc² và nhận ra rằng nó có liên quan gì đó với năng lượng, với Einstein, hoặc cả hai. Biểu thức này được công nhận là một thành tựu siêu hạng của “năm thần kì” của Einstein và, cùng với sự khám phá ra các hạt dưới nguyên tử, nó đưa đến sự giải thích làm thế nào Mặt trời tiếp tục tỏa sáng.

Phương trình trên phát biểu đơn giản rằng nếu một vật khối lượng m biến đổi hoàn toàn thành năng lượng, thì năng lượng E thu được là tích của khối lượng đó với bình phương của tốc độ ánh sáng. Để hình dung đúng lượng năng lượng khổng lồ dự trữ trong một khối lượng nhỏ xíu, ta hãy thử tính toán một chút.

Joule, đơn vị cơ bản của năng lượng ở dạng hiện đại của hệ mét, có thể định nghĩa là năng lượng cần thiết để gia tốc một khối lượng 1 kg đến tốc độ 1 m/s, trên quãng đường 1 m, và trong 1 s – nghĩa là 1 J = 1 kg x m/s². Cần hơn 4.000 J để đun nóng 1 kg nước lên thêm 1 kelvin (hoặc 1 độ C), nên 1 J, tự nó, là một năng lượng không lớn lắm. Lượng năng lượng giải phóng bởi quả bom nguyên tử đầu tiên vào cỡ 80 terajoule, hay 8 x 10¹³ J. Thật bất ngờ, như công thức khối lượng-năng lượng của Einstein cho thấy, chỉ cần một đồng xu đôla, dưới những trường hợp nhất định, có thể là một vũ khi nguy hiểm không kém. Tốc độ ánh sáng là 300.000 km/s, nên c = 3 x 10⁸ m/s, và một đồng xu có khối lượng khoảng 1 gram, hay 0,001 kg. Do đó, nếu một đồng xu đôla hoàn toàn biến đổi thành năng lượng, thì nó sẽ mang lại tổng cộng 0,001 x (3 x 10⁸)² = 9 x 10¹³ J, hơi lớn hơn năng lượng giải phóng bởi vụ nổ của quả bom nguyên tử đầu tiên một chút.

Hơn một thập kỉ sau khi công bố E = mc² trong cái trở nên nổi tiếng là thuyết tương đối hẹp, Einstein cho công bố thuyết tương đối rộng, lí thuyết mở rộng thuyết tương đối hẹp để hoàn thiện lí thuyết hấp dẫn của Newton. Sự khác biệt chủ yếu giữa lí thuyết của Newton và của Einstein là sự bẻ cong của ánh sáng ở gần một vật thể khối lượng lớn như Mặt trời; nhật thực toàn phần năm 1919 đã mang lại cơ hội cho các nhà khoa học xác nhận thuyết tương đối rộng của Einstein có bao quát hơn lí thuyết của Newton hay không. Cuộc thám hiểm tiến hành những phép đo xác nhận thuyết tương đối rộng được tổ chức dưới sự chỉ đạo của nhà thiên văn vật lí nổi tiếng người Anh, ngài Arthur Eddington.

Vào năm sau đó, Eddington đã có một bài nói chuyện trước Liên hiệp Anh vì Sự tiến bộ của Khoa học. Chủ đề của ông là làm thế nào Mặt trời, và những ngôi sao khác, tiếp tục tỏa sáng. Eddington quan sát thấy “một ngôi sao đang trích xuất một nguồn năng lượng khổng lồ nào đó bằng những phương tiện mà chúng ta chưa biết. Kho dự trữ này có thể không gì khác ngoài năng lượng dưới nguyên tử mà, như ta biết, có nhiều trong toàn bộ vật chất; thỉnh thoảng chúng ta mơ ước rằng một ngày nào đó người ta sẽ biết cách giải phóng nó và sử dụng nó cho mục đích của mình.” Ông kết luận bài giảng của ông với sự tuyên bố mang tính dự báo khoa học rằng “thật vậy, nếu năng lượng nguyên tử đang được sử dụng tự do để duy trì những lò lửa lớn của chúng, thì nó có thể mang chúng ta tiến gần hơn với ước mơ của chúng ta muốn điều khiển sức mạnh tiềm tàng này cho sự thịnh vượng của nhân loại – hoặc cho sự tự hủy diệt của nó.”