Trong phần này, chúng ta khẽ chạm đến một số câu hỏi nặng kí
Có lẽ bạn từng nghe nói – bởi những nhà khoa học mặc áo khoác phòng lab hoặc, nếu họ là nhà vật lí, mặc quần short, áo T-shirt – rằng cơ thể bạn chủ yếu là không gian trống rỗng. Bạn đừng ác cảm với họ làm gì. Cái họ muốn nói là rằng các nguyên tử tạo nên mọi người chúng ta có phần lớn chất liệu của chúng tập trung vào một hạt nhân nhỏ xíu, với rất nhiều không gian trống rỗng vây xung quanh, thành ra nghe cứ ngỡ như là bạn có thể đi xuyên qua tường vậy.
Điều này đúng phần nào thôi. Nhưng toàn bộ câu chuyện còn lạ hơn thế, và nó liên quan đến nhiều bí ẩn của “khối lượng”. Bạn thấy đấy, không phải mọi bí ẩn lớn của vũ trụ đều nằm ở ngoài kia, giữa các sao và thiên hà, hay ở những hạt lạ. Một số bí ẩn hiện diện xung quanh bạn, thậm chí bên trong bạn.
Chúng ta đã có nhiều mô tả về khối lượng nhưng hiểu rất ít về nó là cái gì và tại sao chúng ta lại có nó. Mọi người chúng ta đều cảm nhận được khối lượng. Từ thời còn bé, bạn đã phát triển cảm giác rằng có những thứ khó đẩy đi hơn những thứ khác. Nhưng dẫu cảm giác này quen thuộc ra sao, các nhà vật lí vẫn phải vật vã trước việc giải thích các chi tiết kĩ thuật cơ sở của nó. Như bạn sẽ thấy trong chương này, phần lớn khối lượng của bạn không được làm bằng khối lượng của tất cả các hạt bên trong bạn. Chúng ta thậm chí chẳng biết vì sao một số thứ có khối lượng trong khi những thứ khác thì không, hay tại sao quán tính cân bằng hoàn hảo với trọng lực. Khối lượng là bí ẩn, và bạn không thể đổ thừa cho món tráng miệng bữa tối hôm qua đâu nhé.
Vì thế hãy tiếp tục đọc để tìm hiểu thêm nhiều câu hỏi chưa có lời đáp về khối lượng. Sẽ là một sai lầm lớn nếu bạn không làm thế.
Chất liệu của chất liệu
Khi bạn nghĩ về những thứ có khối lượng, có lẽ bạn nghĩ tới có bao nhiêu chất liệu đối với chúng. Cách nghĩ như thế đa phần hoạt động được là bởi vì bạn có thể nghĩ khối lượng của một thứ gì đó tiêu biểu, ví dụ một con lạc đà bình thường, hay gặp mỗi ngày, là tổng khối lượng của tất cả các hạt bên trong nó. Nghĩa là, nếu bạn xẻ con lạc đà ra làm đôi, thì khối lượng con lạc đà sẽ bằng tổng khối lượng của hai nửa đó. Nếu bạn xẻ con lạc đà làm bốn mảnh, thì khối lượng của nó sẽ bằng tổng khối lượng của bốn mảnh. Và cứ thế. Nếu bạn xẻ con lạc đà thành n mảnh, thì bạn có thể đo khối lượng của nó bằng cách cộng khối lượng của n mảnh đó. Đúng không?
Sai! Vâng, đa số trường hợp là đúng. Đối với n = 2, 4, 8… cho đến 2023 hoặc tương đương, nó sẽ đúng vậy. Nhưng rồi nó không đúng nữa. Lí do sắp trình bày nghe rất lạ tai: khối lượng toàn phần của con lạc đà không đúng bằng tổng khối lượng của chất liệu bên trong nó. Nó còn bao gồm năng lượng liên kết chất liệu ấy với nhau nữa. Đó là một ý tưởng khá lạ lùng; thế nên ta hãy dành chút thời gian bàn luận thêm.
Nếu bạn chưa từng nghe nói tới khái niệm này trước đây, thì có lẽ bạn đang hi vọng rằng đó chỉ là một trò chơi chữ, rằng chúng tôi đang dùng từ “khối lượng” theo một ngữ nghĩa chuyên môn nào đó để ám chỉ một cái gì đó khác với cách hiểu thông thường về khối lượng. Câu trả lời ngắn gọn là: không, chúng tôi ám chỉ chính xác cái bạn nghĩ rằng chúng tôi ám chỉ, nhưng khối lượng không hẳn là cái mà bạn từng nghĩ về nó đâu.
Câu trả lời đầy đủ hơn đòi hỏi chúng ta phải làm thật sáng tỏ cái chúng ta ám chỉ bởi từ khối lượng. Khối lượng là tính chất của các vật khiến chúng kháng lại sự biến thiên vận tốc. Nói đơn giản, nếu bạn đẩy một cái gì đó, thì nó sẽ tăng tốc (biến thiên vận tốc). Nhưng nếu bạn đẩy những thứ khác nhau với một lực bằng nhau, thì bạn sẽ để ý thấy một số thứ tăng tốc nhiều còn một số thứ khó mà tăng tốc được chút nào. Hãy thử làm việc này ở nhà bằng cách bắn súng Nerf vào những thứ bạn tìm thấy xung quanh nhà mình xem, ví dụ miếng vải mỏng và con voi đang ngủ. Mỗi viên đạn Nerf tác dụng một lực gần như bằng nhau, nhưng kết quả trên miếng vải mềm thì rõ nét hơn trên con voi đang ngủ. Đây là cái chúng ta gọi là khối lượng.
Đây cũng là kinh nghiệm của bạn về khối lượng trong thế giới hằng ngày. Chẳng có xảo thuật nào ở đây hết. Một con voi có khối lượng lớn hơn một miếng vải mềm; đó không phải lí do nó khó nhúc nhích hơn; mà khối lượng lớn hơn có nghĩa là: với một lực như cũ, bạn cấp cho nó gia tốc nhỏ hơn. Khối lượng này thỉnh thoảng được gọi là “khối lượng quán tính” bởi vì mức kháng lại gia tốc như vậy còn được gọi là quán tính. Chúng ta có thể đo khối lượng quán tính khá dễ dàng bằng cách tác dụng một lượng lực đã biết và đo gia tốc. (Lưu ý rằng có một định nghĩa thứ hai về khối lượng, “khối lượng hấp dẫn”, chúng ta sẽ bàn luận ở phần sau.)
Đến đây thì chúng ta vừa cẩn thận định nghĩa xong cái chúng ta ám chỉ với từ khối lượng, ta có thể sử dụng định nghĩa đó để đo khối lượng con lạc đà vào bất cứ lúc nào với một bộ súng Nerf hợp pháp do các kĩ sư NASA chế tạo. Với định nghĩa này trong tay, ta có thể trở lại với con lạc đà-giả tưởng của mình, nó vừa được nguyên tử hoá để thúc đẩy sự nghiệp khoa học.
Khi bạn phá vỡ các liên kết giữ các nguyên tử lạc đà lại với nhau, bạn làm giải phóng năng lượng trong những liên kết đó và khối lượng toàn phần của con lạc đà xẻ lác giảm đi. Đối với n = 2 mảnh lạc đà, thật ra bạn không thể nhận thấy gì. Nhưng nếu bạn hoàn toàn nguyên tử hoá con lạc đà, thì phần liên kết đó bắt đầu góp phần vào. Năng lượng dự trữ trong các liên kết giữa các miếng lạc đà thật sự làm tăng khối lượng cho con lạc đà. Đây không phải một phỏng đoán lí thuyết, mà là một quan sát thực nghiệm.
Trong trường hợp con lạc đà, hiệu ứng không có gì lớn. Ví dụ, nếu bạn phá vỡ mọi liên kết hoá học trói buộc các nguyên tử lạc đà lại với nhau, thì chẳng có khác biệt gì lớn giữa khối lượng con lạc đà và tổng khối lượng tất cả các nguyên tử của con lạc đà. Và dẫu cho bạn phá vỡ mọi nguyên tử thành các proton, neutron, và electron cấu thành của chúng, thì vẫn chẳng có khác biệt gì lớn về khối lượng (nó vào cỡ 0,005 phần trăm mà thôi).
Đối với những hạt nhỏ hơn thì câu chuyện khác hẳn. Nếu chúng ta chia tách từng proton và neutron của con lạc đà thành các quark cấu thành của chúng (nên nhớ rằng mỗi proton và mỗi neutron được làm bằng ba quark), ta sẽ thấy một sự khác biệt khổng lồ về khối lượng. Thật vậy, phần lớn khối lượng proton hay neutron có từ năng lượng liên kết ba quark của chúng lại với nhau.
Nói cách khác, nếu bạn cộng khối lượng của ba quark (đo bằng cách bắn súng Nerf vào từng hạt) và so sánh với tổng khối lượng ba quark đó liên kết với nhau trong một proton hoặc neutron (đo bằng cách bắn súng Nerf vào proton hoặc neutron), thì bạn sẽ thấy một sự khác biệt rất lớn về khối lượng. Khối lượng của từng quark chỉ chiếm khoảng 1 phần trăm khối lượng proton hoặc neutron. Phần còn lại nằm ở năng lượng giữ các quark đó lại với nhau.
Những ví dụ này cho bạn thấy cái xảy ra khi có năng lượng dự trữ trong các liên kết giữa các hạt: nó khiến cho vật kết hợp có khối lượng lớn hơn so với tổng khối lượng các bộ phận của nó.
Để hình dung cái như thế lạ lẫm như thế nào đối với trực giác của bạn, hãy tưởng tượng bạn có ba hạt đậu và tiến hành đo khối lượng của từng hạt. Khối lượng của ba hạt đậu là bao nhiêu? Nó bằng tổng ba khối lượng. Dễ ẹc. Giờ hãy tưởng tượng bạn cho ba hạt đậu vào trong một túi nhỏ giữ các hạt đậu ép chặt với nhau với rất nhiều năng lượng. Bạn sẽ thấy hết sức bất ngờ rằng cái túi sẽ nặng hơn nhiều so với khối lượng của riêng các hạt đậu bên trong nó. Nó sẽ cân nặng hơn, và sẽ rất khó để nó dịch chuyển từ chỗ này sang chỗ khác. Cái đang xảy ra là phần lớn khối lượng của cái túi không phải có từ tổng khối lượng các hạt đậu bên trong mà từ năng lượng cần thiết để giữ các hạt đậu lại với nhau.
Cái điên rồ là phần lớn cơ thể bạn được làm bằng những túi đậu này (proton và neutron), nghĩa là phần lớn khối lượng của bạn không phải từ “chất liệu” làm nên bạn (electron, quark) mà từ năng lượng để giữ “chất liệu” của bạn lại với nhau. Trong vũ trụ của chúng ta, khối lượng của cái gì đó là bao gồm cả năng lượng cần thiết để giữ chất liệu đó lại với nhau.
Và cái lùng bùng đầu óc là chúng ta thật sự chẳng biết vì sao lại như vậy.
Cái chúng tôi muốn nói là rằng chúng ta thật sự chẳng biết vì sao năng lượng liên kết các hạt đậu với nhau ảnh hưởng đến mức nhanh hay chậm mà một vật gia tốc theo lực tác dụng. Nếu bạn tác dụng lực đẩy lên túi đậu nhỏ của mình thì chẳng có lí do thực tế nào cho biết bạn phải có thể cảm nhận năng lượng ấy ở bên trong. Đối với bạn, chẳng quan trọng chuyện các hạt đậu được giữ với nhau bằng xiên lụi hay keo dán Super Glue. Và nó là như vậy. Đó là một trong những bí ẩn lớn về khối lượng. Mặc dù chúng ta có thể đo nó, nhưng thật ra chúng ta chẳng hề biết quán tính là cái quái gì hay vì sao nó trói buộc với khối lượng các hạt lẫn năng lượng liên kết các hạt với nhau. Bạn có thể nói kiến thức của chúng ta về vấn đề này chừng bằng một nhúm hạt đậu mà thôi.
>> Xem tiếp Phần 3
Trích từ We Have No Idea (Jorge Cham & Daniel Whiteson)
