Thiên văn vật lí cho người bận rộn – Neil DeGrasse Tyson (Phần 8)

Chương 8

VỀ SỰ TRÒN TRỊA

Ngoài các tinh thể và đá vỡ, chẳng có nhiều thứ khác trong vũ trụ xuất hiện tự nhiên với các góc sắc nhọn. Trong khi nhiều vật thể có hình thù kì dị, thì danh sách những thứ tròn trịa trên thực tế là bất tận và đa dạng từ những bong bóng xà phòng đơn giản cho đến toàn bộ vũ trụ quan sát được. Trong số mọi hình dạng, hình cầu được ưa chuộng bởi tác dụng của các quy luật vật lí đơn giản. Ấy thế mà thịnh hành theo xu thế này chúng ta thường giả định vật có hình cầu trên tinh thần chỉ để gạn lọc kiến thức cơ bản ngay cả khi chúng ta biết rằng vật chắc chắn không có hình cầu. Tóm lại, nếu bạn không hiểu trường hợp hình cầu, thì bạn đừng hòng hiểu được vật lí cơ sở của vật đó.

Hình cầu xuất hiện trong tự nhiên do tác dụng của các lực, ví dụ lực căng bề mặt, muốn làm cho vật nhỏ lại theo mọi hướng. Lực căng bề mặt của chất lỏng làm bong bóng xà phòng nén không khí theo mọi hướng. Trong khoảnh khắc hình thành, nó sẽ bao bọc thể tích không khí bằng diện tích bề mặt nhỏ nhất có thể. Điều này làm cho bong bóng tồn tại lâu nhất bởi vì màng xà phòng sẽ không phải phân mỏng ra nữa. Sử dụng giải tích cao cấp, bạn có thể chứng minh rằng chỉ có một và duy nhất một hình dạng có diện tích bề mặt nhỏ nhất cho một thể tích khép kín, đó là hình cầu hoàn hảo. Thật vậy, mỗi năm người ta có thể tiết kiệm hàng tỉ đô la vào việc đóng gói hàng hóa nếu toàn bộ hộp đựng giày và hộp đựng thức ăn ở siêu thị đều có hình cầu. Ví dụ, toàn bộ lượng Cheerios hộp siêu khủng sẽ dễ dàng chứa vừa vào một hộp giấy hình cầu với bán kính bốn inch rưỡi. Thế nhưng vấn đề thực tiễn mới là ưu tiên hàng đầu – chẳng ai muốn đuổi theo hộp thức ăn lăn lông lốc trên lối đi sau khi chẳng may nó rớt khỏi kệ trưng bày.

Trên Trái Đất, một cách làm ra các vật hình cầu là sản xuất bằng máy, hay nhỏ kim loại nấu lỏng theo lượng định trước lên trên một cái ống dài. Thông thường viên chất lỏng sẽ dập dờn cho đến khi nó chuyển sang hình cầu, nhưng nó cần có đủ thời gian để đông đặc trước khi rơi tới đáy ống. Trên các trạm không gian quay xung quanh Trái Đất, nơi mọi thứ đều không trọng lượng, bạn nhẹ nhàng xịt ra những lượng chính xác của kim loại lỏng và bạn phải có đủ thời gian cần thiết – các viên chất lỏng ấy sẽ bồng bềnh trong khi đang nguội đi, cho đến khi chúng cứng lại thành những quả cầu hoàn hảo, với lực căng bề mặt làm toàn bộ công việc dùm cho bạn.

Đối với những vật thể vũ trụ lớn, năng lượng và lực hấp dẫn thông đồng biến các vật thành hình cầu. Lực hấp dẫn là lực có tác dụng làm co sụp vật chất theo mọi hướng, song lực hấp dẫn không phải lúc nào cũng thắng – liên kết hóa học của các vật thể rắn là không hề yếu. Dãy Himalaya trồi lên thắng lực hấp dẫn của Trái Đất là do tính đàn hồi của đá vỏ Trái Đất. Nhưng trước khi bạn thấy hào hứng với những ngọi núi mù sương trên Trái Đất, bạn nên biết rằng chênh lệch độ cao giữa vực biển sâu nhất đến ngọn núi cao nhất là khoảng một tá dặm, trong khi đường kính Trái Đất là gần tám nghìn dặm. Vì thế, trái với những gì đập vào mắt những con người bé nhỏ đi lại trên mặt đất, Trái Đất, với vai trò một vật thể vũ trụ, khá mượt mà. Nếu bạn có một ngón tay siêu khổng lồ, và bạn rê nó trên bề mặt Trái Đất (gồm cả đại dương và đất liền), bạn sẽ cảm thấy Trái Đất trơn mượt như một quả bi-a. Những quả địa cầu đắt tiền khắc họa những phần nâng lên của đất liền Trái Đất để ám chỉ những dãy núi là những cường điệu quá mức về thực tại. Đây là lí do vì sao, bất chấp núi non và thung lũng trên Trái Đất, đồng thời ép dẹt từ cực này đến cực kia, nhưng khi nhìn từ không gian, ta không thể phân biệt Trái Đất với một quả cầu hoàn hảo.

Núi non trên Trái Đất cũng chẳng là gì so với một số ngọn núi khác trong hệ Mặt Trời. Ngọn núi lớn nhất trên sao Hỏa, Olympus Mons, cao 65.000 foot và rộng gần 300 dặm tại chân núi. So với nó thì Đỉnh McKinley ở Alaska trông như một ụ chuột đùn.

Công thức làm núi của vũ trụ thật đơn giản: lực hấp dẫn trên bề mặt một vật thể càng yếu, thì núi non trên đó càng vươn cao. Đỉnh Everest cao ngang với một ngọn núi có thể trồi lên trên Trái Đất trước khi các lớp đá bên dưới không trụ nổi sức đàn hồi riêng của chúng dưới sức nặng của ngọn núi.

Nếu một vật thể rắn có lực hấp dẫn bề mặt đủ thấp, thì các liên kết hóa học trong đá của nó sẽ kháng nổi lực ép của trọng lực của nó. Khi điều này xảy ra, hầu như mọi hình dạng đều là có thể. Hai thiên thể không có hình cầu nổi tiếng là Phobos và Deimos, các vệ tinh hình củ khoai tây Idaho của Hỏa tinh. Phobos là vệ tinh lớn trong hai vệ tinh, với chiều dài mười ba dặm. Trên Phobos, một người 150 pound [trên Trái Đất] sẽ cân nặng chỉ bốn ounce.

Trong không gian, lực căng bề mặt luôn ép viên chất lỏng nhỏ thành hình cầu. Hễ khi nào bạn trông thấy một vật thể rắn nhỏ có dạng cầu đến đáng ngờ, bạn có thể giả định rằng nó đã được hình thành ở trạng thái nóng chảy. Nếu viên chất có khối lượng rất cao, thì nó có thể được làm bằng bất cứ thứ gì và lực hấp dẫn đảm bảo sẽ nắn nó thành hình cầu.

Những vệt chất khí to và khối lượng lớn trong thiên hà có thể kết tụ thành các quả cầu khí gần như hoàn hảo gọi là sao. Song nếu một ngôi sao quay quá gần một vật thể khác có lực hấp dẫn đáng kể, thì hình dạng cầu có thể bị biến dạng khi vật chất của nó bị tuồn ra ngoài. Với “quá gần”, ý tôi muốn nói quá gần thùy Roche của vật thể — đặt theo tên nhà toán học giữa thế kỉ mười chín Édouard Roche, người đã tiến hành những nghiên cứu chi tiết về trường hấp dẫn trong vùng phụ cận của các sao đôi. Thùy Roche là một lớp vỏ kép, hình quả tạ, trên lí thuyết, vây xung quanh hai vật thể trong quỹ đạo tương hỗ. Nếu vật liệu khí từ một vật thể tuồn ra khỏi lớp vỏ của nó, thì vật liệu đó sẽ rơi về phía vật thể thứ hai. Hiện tượng này thường xảy ra giữa các hệ sao đôi, khi một trong hai sao phồng lên thành sao kềnh đỏ và tràn qua thùy Roche của nó. Sao kềnh đỏ biến dạng thành một hình phi cầu đặc trưng na ná như cục kẹo sô cô la Kisses của hãng Hershey kéo thuôn ra. Hơn nữa, lúc nào cũng vậy, một trong hai sao là một lỗ đen, vật thể có vị trí của nó được xác định qua việc bóc lột bạn đồng hành của nó. Chất khí chuyển động xoắn ốc, sau khi đi từ sao kềnh vượt qua thùy Roche của nó, nóng lên đến nhiệt độ cực cao và sáng rực lên trước khi khuất khỏi tầm nhìn vào chính lỗ đen đó.

Các sao trong thiên hà Ngân Hà đi theo một vòng tròn lớn, phẳng. Với tỉ số đường-kính-trên-bề-dày bằng một nghìn trên một, thiên hà của chúng ta phẳng hơn những miếng bánh rán phẳng nhất từng được làm. Thật ra, các tỉ lệ của nó tốt hơn nên miêu tả bởi bánh kếp đen hay bánh mì ngô. Không, cái đĩa của Ngân hà không có hình cầu, nhưng có khả năng lúc ra đời nó là hình cầu. Chúng ta có thể hiểu tính phẳng ấy bằng cách giả sử thiên hà từng là một quả bóng to, hình cầu, quay chậm, chứa chất khí đang co lại. Trong khi co lại, quả cầu ấy quay càng lúc càng nhanh, y hệt như nghệ sĩ trượt băng xoay tít người khi họ thu tay về để tăng tốc độ quay của mình. Thiên hà phẳng tự nhiên từ cực này đến cực kia trong khi lực li tâm ở giữa ngăn sự co lại ở mặt phẳng giữa. Vâng, giá như Pillsbury Doughboy là một nghệ sĩ trượt băng, thì chuyển động quay nhanh sẽ là một hoạt động rủi ro cao.

Mọi ngôi sao từng hình thành bên trong đám mây Ngân Hà trước khi co lại vẫn giữ được quỹ đạo lớn, nhận chìm. Phần chất khí còn lại, dễ dàng dính với chính nó, tựa như một va chạm giữa không trung của hai viên kẹo dẻo nóng, bị ghim vào mặt phẳng ở giữa và là nơi sản sinh mọi thế hệ sao về sau, bao gồm cả Mặt Trời. Ngân Hà hiện nay, không co lại cũng chẳng dãn ra, là một hệ tương hỗ hấp dẫn trong đó người ta có thể nghĩ các sao đang quay phía trên và phía dưới đĩa thiên hà là bộ xương tàn của đám mây khí hình cầu ban đầu.

Sự ép dẹt nói chung này của các vật thể quay tròn là lí do vì sao đường kính cực-nối-cực của Trái Đất nhỏ hơn đường kính của nó tại xích đạo. Nhỏ hơn không nhiều: ba phần mười của một phần trăm thôi – khoảng hai mươi sáu dặm. Nhưng Trái Đất là nhỏ, chủ yếu ở dạng rắn, và không quay nhanh như thế. Hai mươi tư giờ mỗi ngày, Trái Đất mang mọi thứ trên xích đạo của nó đi ở tốc độ có 1.000 dặm trên giờ. Hãy xét hành tinh khí khổng lồ và quay nhanh: Thổ tinh. Hoàn tất một ngày chỉ trong mười giờ rưỡi, xích đạo của nó quay ở tốc độ 22.000 dặm mỗi giờ và kích thước cực-nối-cực của nó dẹt hơn bụng giữa của nó tròn mười phần trăm, một chênh lệch có thể thấy được dù nhìn qua một kính thiên văn nghiệp dư cỡ nhỏ. Những hình cầu ép dẹt thường được gọi chung là spheroid dẹt, còn những hình cầu có cực-nối-cực kéo dãn được gọi là hình phỏng cầu. Trong cuộc sống thường ngày, hamburger và hot dog là những ví dụ tuyệt vời (mặc dù có phần thái quá) cho mỗi trường hợp. Tôi không biết với bạn thì sao, nhưng hành tinh Thổ hiện ra trong đầu tôi với mỗi miếng hamburger mà tôi ngoạm vào.

Chúng ta sử dụng tác dụng của lực li tâm lên vật chất để tìm hiểu tốc độ quay của các vật thể vũ trụ cực độ. Hãy xét các pulsar. Với một số pulsar quay nhanh đến một nghìn vòng mỗi giây, chúng ta biết rằng chúng không thể được là bằng những thành phần thường gặp, bằng không chúng sẽ tự xé toạc ra. Thật vậy, nếu một pulsar quay nhanh hơn, ví dụ 4.500 vòng mỗi giây, thì xích đạo của nó sẽ chuyển động ở tốc độ ánh sáng, điều này cho bạn biết rằng chất liệu này không giống bất kì chất liệu nào khác. Để hình dung một pulsar, hãy tưởng tượng khối lượng của Mặt Trời được ép thành một quả cầu kích cỡ bằng Manhattan. Nếu làm như thế là khó, thì có lẽ bạn hãy tưởng tượng việc nhồi một trăm triệu con voi vào một thỏi son Chapstick. Để đạt tới mật độ này, bạn phải nén toàn bộ không gian trống rỗng mà các nguyên tử thưởng ngoạn xung quanh hạt nhân của chúng và ở giữa các electron quay xung quanh của chúng. Làm thế sẽ nén gần như toàn bộ các electron (tích điện âm) vào các proton (tích điện dương), tạo thành một quả cầu gồm các neutron (trung hòa điện) với lực hấp dẫn bề mặt cao kinh khủng. Dưới những điều kiện như thế, vùng núi của một sao neutron không cần phải cao hơn bề dày của một tờ giấy, ấy thế mà để leo lên nó bạn phải tiêu hao nhiều năng lượng hơn so với việc trèo lên một vách đá cao ba nghìn dặm trên Trái Đất. Tóm lại, nơi nào lực hấp dẫn lớn, thì ở đó những chỗ cao có xu hướng hạ xuống, lấp vào những chỗ thấp – một hiện tượng nghe na ná như trong kinh thánh, lúc chuẩn bị đường cho Đức Chúa trời: “Mọi thung lũng sẽ phải nâng lên, mọi ngọn núi và ngọn đồi sẽ làm cho thấp xuống; mặt đất gồ ghề sẽ trở nên bằng phẳng, những nơi lởm chởm hóa thành bình nguyên” (Isaiah 40:4). Đó là một công thức cho một quả cầu nếu có. Vì tất cả những lí do này, chúng ta kì vọng các pulsar sẽ là những quả cầu được định hình hoàn hảo nhất trong vũ trụ.

Đối với những đám thiên hà đông đúc, hình dạng tổng thể có thể mang lại kiến thức thiên văn vật lí sâu sắc. Một số đám rách tả tơi. Một số khác thì kéo mỏng thành sợi. Còn những đám khác hình thành những tấm rộng mênh mông. Không đám nào trong số này thiết lập được một hình dạng hấp dẫn ổn định – tức là hình cầu. Một số đám trải rộng đến mức mười bốn tỉ năm tuổi của vũ trụ cũng chẳng đủ thời gian cho các thiên hà thành phần của chúng băng qua đám. Chúng ta kết luận rằng đám thiên hà ấy ra đời như thế bởi vì các chạm trán hấp dẫn tương hỗ giữa các thiên hà đã không có đủ thời gian để ảnh hưởng đến hình dạng của đám.

Thế nhưng những hệ khác, ví dụ đám thiên hà Coma xinh đẹp mà chúng ta đã gặp trong chương nói về vật chất tối, cho chúng ta biết ngay rằng lực hấp dẫn đã định hình đám thành một quả cầu. Vì thế, khả năng bạn tìm thấy một thiên hà đang chuyển động theo hướng này là bằng với theo bất kì hướng nào khác. Hễ khi nào điều này đúng, thì đám thiên hà không thể quay nhanh như thế được; nếu không, chúng ta sẽ thấy một sự phẳng phiu nào đó, như chúng ta thấy trong Ngân Hà của chúng ta.

Đám Coma, một lần nữa giống như Ngân Hà, cũng đã thành thực hấp dẫn. Theo tiếng lóng thiên văn vật lí, những hệ như thế được cho là “đã thư giãn”, nghĩa là nhiều thứ, bao gồm cả thực tế ngẫu nhiên rằng vận tốc trung bình của các thiên hà trong đám giữ vai trò là một chỉ dấu tuyệt vời của khối lượng tổng cộng, cho dù khối lượng tổng cộng của hệ có được cung cấp bởi các vật thể dùng để tính vận tốc trung bình ấy hay không. Chính vì những lí do này mà các hệ thư giãn hấp dẫn đem lại những khảo sát tuyệt vời về vật chất “tối” không phát sáng. Cho phép tôi đưa ra một nhận định còn mạnh mẽ hơn: cho dù các hệ có thư giãn hay không, thì sự phổ biến của vật chất tối có lẽ vẫn chưa được khám phá cho đến ngày nay.

Hình cầu kết thúc mọi hình cầu – lớn nhất và hoàn hảo nhất trong toàn bộ chúng – là toàn bộ vũ trụ quan sát thấy. Theo mỗi hướng chúng ta nhìn, các thiên hà lùi ra xa chúng ta ở tốc độ tỉ lệ với khoảng cách đến chúng. Như chúng ta đã thấy ở vài chương đầu, đây là dấu hiệu nổi tiếng của một vũ trụ đang dãn nở, do Edwin Hubble khám phá vào năm 1929. Khi bạn kết hợp thuyết tương đối của Einstein với vận tốc ánh sáng và vũ trụ dãn nở và với sự pha loãng không gian của khối lượng và năng lượng do sự dãn nở đó gây ra, có một khoảng cách theo mỗi hướng tính từ chúng ta trong đó vận tốc lùi ra xa cho một thiên hà bằng với tốc độ ánh sáng. Ở khoảng cách này và xa hơn nữa, ánh sáng từ mọi vật thể phát sáng đều mất hết toàn bộ năng lượng của nó trước khi đi tới chúng ta. Vũ trụ nằm ngoài “cái rìa” hình cầu này được xem là không thể nhìn thấy và, trong chừng mực mà chúng ta biết, không thể biết được.

Có một biến thể của ý tưởng đa vũ trụ nổi tiếng trong đó nhiều vũ trụ không phải là những vũ trụ hoàn toàn tách biệt, mà là những túi không gian cô lập, phi tương tác bên trong một kết cấu liên tục của không-thời gian – giống như nhiều con tàu ở trên biển, ở đủ xa nhau để các đường chân trời tròn của chúng không giao nhau. Trong chừng mực mà một con tàu quan tâm (không hề có dữ liệu tham khảo khác), nó là con tàu duy nhất trên đại dương, mặc dù chúng thảy đều chia sẻ chung một đại dương nước.

Các quả cầu thật sự là những công cụ lí thuyết màu mỡ giúp chúng ta hiểu sâu sắc về mọi kiểu bài toán thiên văn vật lí. Thế nhưng ta không nên quá cuồng tín hình cầu. Tôi nhớ tới câu chuyện nửa đùa nửa thật về cách tăng sản lượng sữa trên nông trại: Một chuyên gia quản lí thú nuôi có thể nói, “Xét vai trò của khẩu phần ăn của con bò…” Một kĩ sư có thể nói, “Xét thiết kế của máy vắt sữa…” Nhưng chính nhà thiên văn vật lí là người nói, “Xét một con bò hình cầu…”

Thiên văn vật lí cho người bận rộn
Neil DeGrasse Tyson - Bản dịch của Thuvienvatly.com
Phần tiếp theo >>