Chương 1
Vật chất là gì?
Vật chất là chất liệu cấu tạo nên bạn và vạn vật trong thế giới xung quanh bạn. Giá như bạn có trong tay một chiếc kính hiển vi siêu mạnh, hãy hình dung bạn có thể soi vào bên trong cơ thể mình và nhìn thấy bạn được làm bằng các nguyên tử. Bên trong mỗi nguyên tử là một hạt nhân bé xíu, và quay xung quanh hạt nhân là một đám mây electron. Hạt nhân được làm bằng proton và neutron, và khi phóng to một hạt cấu thành hạt nhân bạn sẽ thấy bên trong nó có những hạt còn nhỏ hơn nữa – đó là các quark. Quark là những hạt nhỏ nhất mà chúng ta từng thấy, và nằm tại giới hạn phân giải của những chiếc kính hiển vi vật chất mạnh nhất. Trong chừng mực mà chúng ta biết, các electron và quark không được cấu tạo bởi thứ gì nhỏ hơn nữa và vì thế chúng được gọi là các hạt sơ cấp. Toàn bộ vật chất đều được làm bằng đúng những hạt này.
Các nguyên tử nhỏ bé đến mức một triệu nguyên tử có thể lắp khít vào bề rộng của một sợi tóc người. Nếu một quả táo được phóng to lên bằng kích cỡ Trái Đất, thì các nguyên tử của nó sẽ bằng cỡ với quả táo. Đường kính của một nguyên tử vào cỡ 10 – 10 m. (Khi các con số định lượng được cho theo số mũ của 10, ví dụ 106 là số 1 cùng với 6 số 0 theo sau, trong trường hợp này là 1.000.000 hay một triệu; khi các con số được biểu diễn theo lũy thừa âm của 10, ví dụ 10– 6 là số 1 ở vị trí thứ 6 sau dấu phân cách thập phân, tức là 0,000001 hay một phần triệu.) Cơ thể bạn chứa đại khái 1029 nguyên tử; kích cỡ chừng 2 mét xác định thang bậc con người.
Vật chất tồn tại ở những hình thức vô cùng đa dạng và phức tạp. Những thứ quen thuộc xung quanh chúng ta – sách vở, bàn ghế, nước, con mèo – đều có cấu trúc và thành phần tinh vi. Chúng được làm bằng vô số nguyên tử, bám dính với nhau thành các cụm có hình dạng và kích thước đa dạng. ‘Hồ dán’ kết nối các cụm nguyên tử với nhau và kết nối các electron với hạt nhân nguyên tử là lực hút điện giữa các điện tích trái dấu. Mọi cấu trúc khác của vật chất là do nhiều cách trong đó các hạt tương tác tạo ra các hình thức và sắp xếp khác nhau trong không gian. Lực điện, dưới nhiều lớp vỏ khác nhau, còn tạo ra các liên kết liên nguyên tử đa dạng giữa các nguyên tử, kết nối chúng với nhau thành phân tử, và vì thế tạo nên cơ sở cho hóa học. Các phân tử có thể đơn giản như nước (hai nguyên tử hydrogen và một nguyên tử oxygen, hay H2O), hoặc chúng có thể phức tạp như hàng triệu nguyên tử trong một đại phân tử protein trong cơ thể bạn.
Một chất là một nguyên tố nếu nó không thể chia nhỏ thành hai hoặc nhiều chất khác bởi các quá trình vật lí hay hóa học thông dụng. Có chín mươi hai loại nguyên tố hóa học có mặt trong thiên nhiên, và mỗi loại có những đặc tính độc đáo của riêng nó. Vào năm 1867, chỉ có sáu mươi ba nguyên tố được khám phá. Khi ấy người ta biết các nguyên tử khác nhau có trọng lượng nguyên tử khác nhau từ nhẹ nhất, hydrogen, với trọng lượng nguyên tử bằng 1, lên tới nguyên tố nặng nhất lúc ấy, chì, với trọng lượng 207. (Đơn vị hóa học cơ bản là trọng lượng của một nguyên tử hydrogen, 1,67 ´ 10 – 27 kg, được định nghĩa là đơn vị khối lượng nguyên tử.) Vào thời ấy, các nhà hóa học đang tìm kiếm các kiểu đặc tính của chúng nhằm có thể làm rõ một cấu trúc sâu sắc hơn. Tính chất của các nguyên tố được biết rõ đối với nhà hóa học Nga Dmitri Mendeleev, ông đã viết tên và tính chất của các nguyên tố lên các tấm card rồi sắp xếp chúng theo trật tự trọng lượng nguyên tử của chúng. Ông để ý thấy các tính chất hóa học có một khuôn mẫu: chúng lặp lại sau những quãng đều đặn, một quy luật tuần hoàn. Mendeleev mô tả khám phá của ông như sau: “Tôi nằm mơ thấy tất cả các nguyên tố đều sắp vào đúng chỗ theo yêu cầu. Tỉnh dậy, tôi lập tức viết nó ra một tờ giấy, sau này chỉ hiệu chỉnh thêm có một chỗ cần thiết thôi.” Kiểu khuôn mẫu ấy cho thấy có một số nguyên tố còn thiếu trên bảng tuần hoàn. Ông chừa lại ô trống cho các nguyên tố này, tự tin dự đoán các nguyên tố germanium, gallium, và scandium; chúng được khám phá sau đó không bao lâu.
Bảng tuần hoàn hiện đại (Hình 1) được sắp xếp không phải theo trọng lượng nguyên tử, mà theo số nguyên tử, số lượng proton trong một hạt nhân, xếp từ 1 (hydrogen) lên tới 92 (uranium). Số nguyên tử bằng với số lượng electron trong nguyên tử. Các nguyên tố nặng hơn uranium được điều chế nhân tạo. Henry Moseley đã phát triển một kĩ thuật tia X để đo số lượng proton trong hạt nhân, và nhờ có ông mà về cơ bản chúng ta có được phiên bản hiện đại của bảng tuần hoàn. Vì số nguyên tử tăng dọc theo các hàng ngang liên tiếp, nên hóa tính lặp lại theo một chu kì bằng hai (hydrogen và helium), rồi hai chu kì bằng tám (lithium đến neon, sodium đến argon), và rồi ba chu kì bằng mười tám. Bảng tuần hoàn không đơn giản chỉ là một bảng phân loại; nó làm bộc lộ một mô hình ẩn sâu trong tự nhiên và trong cấu trúc của các nguyên tử.
Hình 1. Bảng tuần hoàn các nguyên tố.
Bảng tuần hoàn được chi phối bởi các quy luật lượng tử. Các electron trong nguyên tử phân tán xung quanh hạt nhân trong cái gọi là các orbital nguyên tử, chúng tạo nên những cấu trúc giống-lớp vỏ vây xung quanh hạt nhân. Các nguyên tử tìm cách tối thiểu hóa năng lượng của chúng, đó là cái xảy ra khi các lớp vỏ electron của chúng được lấp đầy hoàn toàn. Ví dụ, nguyên tử đầu tiên có lớp vỏ lấp đầy là helium (số nguyên tử 2), thứ hai là neon (số nguyên tử 2 + 8 = 10), và thứ ba là argon (số nguyên tử 2 + 8 + 8 = 20), và vân vân. Các nguyên tử có lớp vỏ lấp đầy bền vững này là các khí hiếm trơ về mặt hóa học, chúng nằm ở cột cuối cùng của bảng tuần hoàn.
Các nguyên tử khác nhau tựa như các chữ cái của một bảng chữ cái, chúng kết hợp lại tạo thành các phân tử, tương tự như các từ của một ngôn ngữ. Có bao nhiêu loại phân tử? Ngôn ngữ Anh có khoảng một phần tư triệu từ được sử dụng hiện nay, toàn bộ được xây dựng trên bảng chữ cái hai mươi sáu kí tự. Chữ cái a luôn luôn là a, dù nó xuất hiện trong từ ‘cat’ hay trong những từ khác với những ý nghĩa hoàn toàn khác, ví dụ như ‘bat’. Tương tự như vậy, mỗi nguyên tử hydrogen trong một phân tử nước là giống hệt với các nguyên tử hydrogen kết hợp với carbon tạo thành methane (CH4), một phân tử có những tính chất hoàn toàn khác. Trên lí thuyết có thể tạo ra hàng tỉ hợp chất hóa học bền bằng cách kết hợp các nguyên tố của bảng chữ cái nguyên tử theo những cách khác nhau.
Cấp độ của vật chất
Để hoàn thiện các ý tưởng, điều quan trọng là đánh giá cho đúng phạm vi rất rộng của các cấp độ dài của vật chất, như chỉ rõ trên Hình 2. Từ những cấu trúc nhỏ nhất mà chúng ta tin là có thể tồn tại, cho đến cấu trúc lớn nhất (vũ trụ khả kiến), chúng ta bao quát một phạm vi mênh mông đến sáu mươi hai bậc độ lớn, hay 1062, về kích cỡ. Con số này đưa chúng ta đi từ thế giới lượng tử của những thực thể nhỏ nhất, cho đến thế giới của những cấu trúc vĩ mô nhất vốn bị thống lĩnh bởi lực hấp dẫn. Cấp độ dài con người nằm ở đáy vòng tròn, đại khái nằm lưng chừng giữa hai cánh tay của sơ đồ. Những cấu trúc lớn nhất bao gồm từ những vật thể kích cỡ bằng Trái Đất, cho đến các đám và siêu đám thiên hà. Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein mô tả những cấu trúc khổng lồ này và không gian mà chúng chiếm giữ. Ở đầu vô cùng nhỏ của phổ kích cỡ, các định luật cơ học lượng tử mô tả vật chất. Hiện nay chưa có lí thuyết hoàn chỉnh nào kết nối thế giới lượng tử và thế giới bị thống trị bởi lực hấp dẫn, vì thế có nhiều lí thuyết hấp dẫn lượng tử đã được đề xuất, chúng có thể bắt cầu nối khe trống phía trên, và chúng không được mô tả ở đây.
Hình 2. Các cấp độ dài của vật chất (tính theo mét) sắp theo hình tròn.
Hãy lấy một thấu kính zoom tưởng tượng và, bắt đầu từ cấp con người, phóng to dần vào những cấp nhỏ hơn. Để nhìn thấy các tế bào trong cơ thể bạn, bạn sẽ phải tăng độ phóng đại 100.000 lần từ cấp con người. Điều này có thể được bằng cách sử dụng các bước sóng ánh sáng khả kiến. Tuy nhiên, ánh sáng không thể phân giải những cấu trúc nhỏ hơn bước sóng của nó. Các bước sóng ánh sáng là vào khoảng 500 nano mét (một nano mét, hay nm, là 10– 9 mét, và có 20.000 bước sóng trong một centi mét), và để nhìn thấy những thứ nhỏ hơn ta phải dùng những bước sóng ngắn hơn. Các electron gia tốc trong kính hiển vi điện tử có bước sóng đủ nhỏ để cho phép chúng ta nhìn thấy các cấu trúc nhỏ cỡ một nguyên tử. Khi phóng to từ tế bào đến nguyên tử, độ phóng đại tăng lên khoảng 100.000 lần. Tiếp tục tăng độ phóng đại thêm 100.000 lần sẽ cho chúng ta thấy cấp độ hạt nhân nguyên tử. Với độ phóng đại toàn phần lúc này vào khoảng một nghìn tỉ lần, chúng ta đã tới cấp độ của thế giới lượng tử, nơi bản chất sóng của vật chất khiến mọi thứ xuất hiện rất nhòe nhoẹt. Để phóng to quá cấp độ này, và nhìn vào bên trong proton, ta phải gia tốc các electron lên năng lượng và tốc độ cao vượt quá 99,9 phần trăm tốc độ ánh sáng và cho chúng lao vào các hạt nhân để nhìn thấy các cấu trúc con bên trong proton, tức là các quark. (Tốc độ ánh sáng trong chân không là c = 300.000 km/s.) Không có chiếc kính hiển vi nào đưa chúng ta tiến xa hơn trên hành trình này nữa, và kể từ đây người ta phải dựa vào lí thuyết. Những khoảng chia nhỏ nhất của không gian được người ta tin là tồn tại và có ý nghĩa xét theo các định luật vật lí là các thăng giáng lượng tử bé xíu vào cỡ 10– 35 mét. Cần một bước nhảy vọt về độ phóng đại đến 1017 lần mới nhìn thấy bất kì cấu trúc nào ở cấp độ này.
Nếu chúng ta bắt đầu trở lại với cấp con người và thu nhỏ mười triệu lần, thì vùng nhìn bị choán đầy bởi Trái Đất. Từ đây trở đi, những cấu trúc lớn được định hình bởi lực hấp dẫn. Tiếp tục thu nhỏ 100 lần thì khung cảnh trước mắt chúng ta sẽ là ngôi sao của chúng ta, tức Mặt Trời. Cấu trúc lớn tiếp theo, hệ Mặt Trời, có đường kính 300 nghìn tỉ km và, để mang cấu trúc này vào tầm nhìn, ta phải thu nhỏ 10.000 lần nữa. Ánh sáng mất khoảng năm giờ để đi tới Pluto ở góc ngoài hệ Mặt Trời. Chúng ta phải chờ 4,2 năm thì ánh sáng lúc này đang rời khỏi bề mặt ngôi sao láng giềng nhất với Mặt Trời, Proxima Centauri, mới đi tới chúng ta – ngôi sao ấy ở xa 4,2 năm ánh sáng. Khi chúng ta tiếp tục thu nhỏ nữa thì một quang cảnh đẹp ngoạn mục xuất hiện trước tầm mắt: thiên hà quê hương của chúng ta, Dải Ngân Hà. Ngân Hà là một thiên hà xoắn ốc hình đĩa chứa 100 tỉ sao và có đường kính 100.000 năm ánh sáng. Để đưa khung cảnh này vào khung kính ngắm, ta phải tiếp tục thu nhỏ 10.000 lần.
Thế nhưng, không giống như chúng ta từng tin tưởng hồi một thế kỉ trước, Ngân Hà chưa phải là toàn bộ vũ trụ. Thiên hà của chúng ta chỉ là một trong ba mươi thành viên của nhóm thiên hà địa phương; để đưa toàn bộ nhóm địa phương vào khung nhìn, ta sẽ phải thu nhỏ thêm chừng mười lần nữa. Vượt quá cấp độ này, còn có những cấu trúc lớn hơn nữa, ví dụ như đám thiên hà Coma có đường kính hơn 300 triệu năm ánh sáng và chứa 1.000 thiên hà, được liên kết hấp dẫn thành một cụm đại khái có hình cầu. Để nhìn thấy cụm này, ta sẽ phải thu nhỏ thêm 100 lần. Những cấu trúc lớn nhất được biết trong vũ trụ là những siêu đám thiên hà khổng lồ, và những sợi thiên hà khổng lồ vây xung quanh những khoảng không mênh mông trong không gian, còn vượt ngoài đó nữa, khoảng cách xa nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy qua kính thiên văn, đó là ranh giới của vũ trụ khả kiến, đường kính của nó chừng 100 tỉ năm ánh sáng. Toàn bộ vật chất có thể quan sát được chứa trong quả cầu này, bao gồm 100 tỉ thiên hà, với khối lượng toàn phần bằng 1080 nguyên tử hydrogen. Chúng ta sẽ xét kĩ những cấu trúc rất lớn này ở Chương 9, nhưng điều đáng lưu ý là mật độ vật chất trung bình trong vũ trụ khả kiến là khoảng vài nguyên tử hydrogen trong mỗi mét khối. Để so sánh, Trái Đất có mật độ lớn hơn con số đó gần 1030 lần, khiến hành tinh chúng ta là một vùng rất không tiêu biểu của vũ trụ. Phần lớn vũ trụ là không gian trống rỗng.
Trong quyển sách này chúng ta sẽ, trong Chương 3, xem các trạng thái quen thuộc rắn, lỏng, và khí của vật chất phát sinh như thế nào, và xét một số trạng thái khác của vật chất. Nếu, giống như Isaac Newton, chúng ta xem vật chất là khối lượng, thì tương đương của khối lượng và năng lượng, được mô tả trong Chương 4, đưa hiểu biết của chúng ta về vật chất tiến thêm một mức sâu sắc hơn, và làm rõ nguồn gốc của sự giải phóng năng lượng khỏi hạt nhân nguyên tử. Trong Chương 5 chúng ta sẽ đi vào thế giới lượng tử kì lạ và nhạt nhòa và xem cách nó giải thích cấu trúc của các nguyên tử và bảng tuần hoàn. Khi số lượng lớn hạt kết tập với nhau, dưới những điều kiện nhất định, chúng có thể biểu hiện hành trạng lượng tử kết hợp và kịch tính ở cấp vĩ mô. Điều này được mô tả trong Chương 6, và nó đưa đến sự phát triển các dụng cụ đo lường lượng tử cho phép đơn vị cơ bản của khối lượng, kilogram, được định nghĩa theo các hằng số cơ bản của tự nhiên đến một độ chính xác chưa có tiền lệ. Các viên gạch cấu trúc tối hậu của vật chất, bao gồm cả phản vật chất, được giới thiệu trong Chương 7, nó mô tả cách lí giải thế giới theo khoảng hai mươi trường lượng tử khác nhau. Phần lớn khối lượng của vật chất bình thường có thể giải thích được theo năng lượng trong các trường lượng tử này. Để tìm hiểu nguồn gốc của các nguyên tố, trong Chương 8 chúng ta xét lịch sử của vũ trụ, từ những thời khắc xa xưa nhất của nó, và lần theo cách các nguyên tố được tôi luyện trong các sao cũng như trong các sự kiện dữ dội nhất trong vũ trụ. Vật chất là năng lượng và năng lượng bẻ cong không gian. Tính chất này được các nhà thiên văn học khai thác để lập bản đồ lượng vật chất có chứa trong vũ trụ, và nơi nó được chứa. Cuối cùng, trong Chương 9, chúng ta đi tới nhận thức nhún nhường rằng vật chất bình thường, các nguyên tử và phân tử của sự sống quen thuộc hằng ngày, chỉ đại diện cho 5 phần trăm tổng loại vật chất ‘ở ngoài kia’. Phần còn lại của vật chất trong vũ trụ có vẻ gồm hai chất liệu hoàn toàn bí ẩn: năng lượng tối, và vật chất tối. Tuy nhiên, trước tiên chúng ta nên yên trí rằng các thành phần cơ bản của vật chất, các nguyên tử, thật sự có tồn tại. Đây là chủ đề của Chương 2.
TÌM HIỂU NHANH VỀ VẬT CHẤT
Geoff Cottrell (Oxford University Press 2019)
Bản dịch của Thuvienvatly.com
MỤC LỤC
4 Năng lượng, khối lượng, và ánh sáng
5 Thế giới lượng tử của nguyên tử
9 Vật chất tối và năng lượng tối
