Những con số làm nên vũ trụ - Phần 63

Làm thế nào Mặt trời cứ mãi tỏa sáng

Mặc dù Thomson đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của những hạt tích điện âm bên trong nguyên tử, nhưng chính các nguyên tử lại trung hòa điện. Như vậy, phải có những hạt tích điện dương ẩn náu bên trong nguyên tử để trung hòa các electron tích điện âm. Mặc dù lúc đầu người ta nghĩ rằng các hạt tích điện dương và âm phân bố đồng đều trong toàn nguyên tử, giống hệt như những hạt nho và dâu rải đều trong một mẩu bánh bông lan có nhân, nhưng các thí nghiệm do Ernest Rutherford thực hiện cho thấy những hạt tích điện dương này, gọi tên là proton, tập trung sít nhau trong cái ngày nay gọi là hạt nhân của nguyên tử.

Vào cái năm Eddington thuyết giảng về năng lượng dưới nguyên tử cần thiết để cấp nguồn cho Mặt trời, Rutherford phỏng đoán rằng có lẽ có khả năng cho một electron và một proton kết hợp thành một hạt trung hòa điện. Mười hai năm sau đó, neutron, một hạt không có điện tích, được phát hiện ra. Hạt này giúp giải thích cấu trúc của nguyên tử helium, hạt được biết có số nguyên tử 2 nhưng có khối lượng nguyên tử 4; hạt nhân của nó phải chứa 2 proton, để có số nguyên tử 2, và 2 neutron, để mang khối lượng nguyên tử của nó lên bằng 4.

Vào lúc Eddington có bài nói chuyện này, người ta đã biết rằng hai thành phần chính của Mặt trời là hydrogen, chiếm 71% khối lượng Mặt trời, và helium, chiếm 27% khối lượng của nó. Eddington phỏng đoán rằng nguồn năng lượng dưới nguyên tử có thể có mà ông trình bày có thể thu được bởi sự nén các hạt nhân hydrogen với nhau.

Có một số trở ngại lí thuyết cần phải vượt qua. Khối lượng nguyên tử của bốn nguyên tử hydrogen là 4 – bằng khối lượng nguyên tử của một nguyên tử helium – nhưng bốn nguyên tử hydrogen đó chứa bốn proton và nguyên tử helium thì chứa hai proton và hai neutron. Cần có một cách để định hình bốn proton thành hai proton và hai neutron. Ngoài ra, khả năng va chạm đồng thời của bốn nguyên tử dường như là không thể - giống như sự va chạm đồng thời của bốn xe ô tô là khó xảy ra. Nhưng mặc dù những vụ tông nhau bốn-xe đồng thời hầu như chưa từng xảy ra, những vụ đâm nhau bốn-xe thì xảy ra khá thường xuyên, khi hai xe tông nhau và những xe kia không thể tránh được vật cản và lao vào đám xe đang mắc kẹt.

Một vấn đề nữa là lực đẩy điện của các proton, lực có độ lớn như chúng ta đã biết từ chương trước là lớn hơn lực hấp dẫn giữa chúng nhiều bậc độ lớn. Tuy nhiên, có khả năng dưới nhiệt độ cao (tương đương với vận tốc lớn), các proton sẽ có đủ năng lượng để vượt qua lực đẩy điện giữa chúng. Vấn đề là nhiệt độ của Mặt trời dường như không đủ cho điều này xảy ra.

Giải pháp được tìm ra trong một sự tổng hợp khéo léo các quan niệm từ cơ học lượng tử và cơ học thống kê, kết hợp với dòng lũ số liệu thực nghiệm mới. Mặc dù nhiệt độ trung bình của Mặt trời không đủ cao để cho phép hai proton va chạm, nhưng cơ học thống kê mang lại một sự phân bố cho nhiệt độ của các phân tử cho thấy một phần không nhỏ có nhiệt độ vừa đủ cao để trải qua một hiện tượng kì lạ gọi là sự chui hầm lượng tử. Quá trình này cho phép các proton lao vào nhau và rơi rụng mất một điện tích khi một trong các proton biến đổi thành neutron. Tương tự như sự đâm nhau bốn-xe vừa nói, có một chuỗi phản ứng hạt nhân, gọi là dây chuyền proton-proton, tạo ra hạt nhân của nguyên tử helium từ hạt nhân của bốn nguyên tử hydrogen.

Khi xảy ra như vậy, một phần nhỏ khối lượng của các nguyên tử hydrogen bị biến đổi thành năng lượng. Khối lượng nguyên tử của hydrogen vào khoảng 1,00794, và khối lượng nguyên tử của helium là 4,0026. Khối lượng của một electron là khoảng 0,00055, nên khối lượng nguyên tử của hạt nhân của một nguyên tử hydrogen là 1,00794 – 0,00055 = 1,00739, và khối lượng nguyên tử của hạt nhân của một nguyên tử helium là 4,0026 – 2 × 0,00055 = 4,0015. Do đó, khối lượng bị mất khi bốn hạt nhân hydrogen trở thành một hạt nhân helium là 4 × 1,00739 – 4,0015 = 0,02806, và tỉ lệ hụt khối lượng tính trên các hạt nhân là 0,02806 / (4 × 1,00739) = xấp xỉ 0,007.

Dây chuyền proton-proton không phải là phương tiện duy nhất nhờ đó sự hợp nhân xảy ra, mặc dù nó giải thích cho phần lớn sự nhiệt hạch xảy ra trong Mặt trời. Có một phương thức khác gọi là chu trình CNO, trong đó các nguyên tố carbon, nitrogen, và oxygen đều được tạo ra và tác dụng như những bà mối để tạo ra helium từ hydrogen. Quá trình này xảy ra ở những nhiệt độ cao hơn dây chuyền proton-proton, và vì thế xảy ra hiếm hơn ở Mặt trời, nhưng trở nên quan trọng hơn ở những ngôi sao nóng hơn.