Tóm tắt bài viết:

- Bài viết nhằm khám phá những con số đơn giản nhưng lại mang tầm vóc vũ trụ, có tầm quan trọng rất lớn của nền tảng vũ trụ, cho sự sống, và cho tương lai của vũ trụ.

- Trong phần II này, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu những con số đơn giản nhưng mang ý nghĩa rất lớn như hằng số Boltzmann, hằng số Hubble hay số Omega ...

Đối với mỗi người, có một vài con số được coi là quan trọng, ví dụ như số điện thoại, số chứng minh thư, ngày sinh... Có những con số rất đơn giản nhưng lại mang tầm “vũ trụ” – chúng đại diện cho những quan niệm nền tảng của vũ trụ , cho sự sống, và cho tương lai của vũ trụ.

Giáo sư Toán học James D.Stein cho biết thêm, những con số này không chỉ ảnh hưởng đến cuộc sống của chúng ta, mà nó còn ảnh hưởng đến câu chuyện của những người đã khám phá ra chúng. Dưới đây, là 13 con số quan trọng nhất của vũ trụ, được sắp xếp theo thứ tự thời gian con người bắt đầu chú ý đến chúng.

7. Hằng số Boltzmann

Đi uống trà đá, chúng ta đã quen với hình ảnh, cục nước đá tan chảy trong cốc nước nóng, và tạo thành một cốc nước nguội mát giúp giải nhiệt mùa hè. Tuy nhiên, chúng ta lại không bao giờ thấy được cục nước đá hình thành một cách tự nhiên trong cốc nước nguội cả, và nước cũng chả thể nào tự nóng lên được. Điều này liên quan đến các năng lượng nhiệt phân bố, và cách giải thích cho hiện tượng này là một câu đố lớn của Vật lý học những năm thuộc thế kỉ 19.

Và người tìm ra câu trả lời là nhà vật lý học người Úc Ludwig Boltzmann, người đã tìm ra được rằng trong một cốc nước nguội thì có nhiều cách phân bố năng lượng hơn so với một cốc nước nóng có chứa một viên nước đá. Trong tự nhiên, mọi thứ thường xảy ra theo hướng đơn giản và dễ dàng nhất, và hằng số Boltzmann giúp định lượng mối quan hệ này. Sự rối loạn thì thường dễ xảy ra hơn những thứ theo quy luật – có nhiều cách để xới tung một căn phòng lên so với việc sắp xếp nó ngăn nắp (và viên nước đá sẽ dễ dàng tan chảy thành một dung dịch hỗn loạn hơn là ngược lại, từ một dung dịch hỗn loạn trở thành một thứ có trật tự như viên nước đá).

Phương trình entropi của Boltzmann, sự kết hợp chặt chẽ với hằng số Boltzmann, cũng giúp giải thích được luật Murphy: Nếu một thứ nào đó có thể đi sai hướng, thì nó sẽ đi sai hướng. Không phải là có một ma lực nào đó khiến nó đi sai hướng, chỉ là số cách đi sai hướng thì nhiều hơn rất nhiều so với số cách đi đúng hướng mà thôi.

8. Hằng số Planck

Phần lớn, các nhà khoa học là một nhóm những người khiêm tốn. Họ biết rằng, Thiên nhiên sẽ là người thẩm phán cuối cùng cho tất cả những gì họ tìm ra được, và đôi khi phải mất một khoảng thời gian để Thiên nhiên đưa ra lời phán quyết cuối cùng. Một ngày, Max Planck đưa ra một nhận định về vũ trụ, nó thúc ép ông nói với con trai mình trong bữa trưa “Cha vừa có một quan niệm mới hình thành trong đầu, nó sẽ khởi đầu một cuộc cách mạng mới, và sẽ hoành tráng không khác gì những thứ Newton mang tới đâu”.

Những lời nói rất cứng, và rồi, thời gian đã chứng minh những gì ông nói là hoàn toàn chính xác. Ông đã khám phá ra rằng, năng lượng của một khối bất kì trong vũ trụ luôn là một số hữu hạn lần của năng lượng của một hạt, cũng giống như việc bất kì một khối nào trong vũ trụ cũng được cấu tạo bởi một số hữu hạn các nguyên tử vậy. Những hạt nhỏ đó được gọi là quanta – lượng tử, và hằng số Planck – viết tắt là h – cho ta biết được kích thước của hạt đó.

Thuyết lượng tử của Planck đã chứng minh không chỉ cách giải thích cho sự hình thành của vũ trụ, mà còn là một tia sáng trong cuộc cách mạng công nghệ của thế kỉ 20 và 21. Gần như tất cả những cải tiến trong lĩnh vực điện tử, từ laser đến máy vi tính và rồi là cộng hưởng từ, đều bắt nguồn từ những gì thuyết lượng tử nói về vũ trụ. Hơn nữa, thuyết lượng tử cung cấp cho chúng ta những bức tranh sống động về sự thật. Những quan niệm về vũ trụ song song, một trong những quan niệm của khoa học viễn tưởng, nhờ thuyết lượng tử mà nó trở thành một cách giải thích hợp lý cho cách mọi thứ diễn ra – hoặc ít nhất là cách mọi thứ có thể xảy ra.

9. Bán kính Schwarzschild

Quan niệm về hố đen, một vật thể trong vũ trụ có lực hút lớn đến nỗi ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát khỏi nó, đã được các nhà khoa học đưa ra vào những năm của thế kỉ 18, nhưng vào thời đó, nó giống như là một giả thiết hơn là một hiện tượng thực tế. Tuy nhiên, nó lại nổi lên, sau khi xuất hiện thuyết tương đối của Einstein, đã đưa ra lời giải thích rõ ràng hơn về sự tinh tế của trọng lực mà Newton đã bỏ qua. Một bản sao của thuyết này đã được đưa đến Nga, đến Karl Schwarzschild, một nhà vật lý học và nhà thiên văn học phục vụ cho quân đội Đức.

Einstein đã đưa ra thuyết của mình bằng một hệ thống các công thức. Những công thức này quả thực quá phức tạp, nhưng Schwarzschild đã tìm ra lời giải cho chúng ngay giữa cuộc chiến tranh. Không chỉ vậy, ông còn đưa ra thuyết rằng, với mỗi một lượng vật chất nhất định, sẽ có một hình cầu tương ứng sao cho nếu tất cả lượng vật chất này đặt trọn vào trong khối cầu đó, thì nó sẽ trở thành một hố đen. Người ta gọi bán kính khối cầu này là bán kính Schwarzschild (không có một hằng số cụ thể cho bán kính Schwarzschild, nó thay đổi tương ứng với mỗi một lượng vật chất khác nhau).

Những nghiên cứu thông thường cho thấy những hố đen thường rất nhỏ, đậm đặc và đen. Ví dụ, đường kính Schwarzschild của Trái đất chỉ vào khoảng 1cm. Tuy nhiên, những hố đen to hơn thì có thể khuếch tán hơn. Nếu toàn bộ khối lượng của thiên hà được đặt trong một khối cầu có đường kính Schwarzschild của nó, thì mật độ của hố đen này chỉ vào khoảng 0.0002 mật độ của khí quyển Trái đất.

10. Hiệu suất kết hợp khí Hydro

Carl Sagan đã từng nói “We are all star-stuff” – có thể hiểu nôm na là chúng ta đều bắt nguồn từ các vì sao. Điều này là chính xác, nhờ vào hiệu suất kết hợp khí hydro.

Phần lớn vũ trụ chứa hydro. Để tạo nên các nguyên tố phức tạp hơn, ví dụ như các nguyên tố giúp hình thành sự sống, chúng đều bắt nguồn từ nguyên tố hydro. Vũ trụ tạo ra các nguyên tố đó bằng các vì sao, vốn bản chất là một quả cầu khổng lồ chứa đầy khí hydro, chúng gắn kết với nhau bởi lực hấp dẫn. Áp lực của lực hấp dẫn này mạnh đến nỗi phản ứng hạt nhân xảy ra, 4 nguyên tử hydro kết hợp với nhau tạo thành 1 nguyên tử heli.

Năng lượng sinh ra bởi phản ứng này được tính theo công thức của Einstein E=mc^2. Nhưng chỉ có 0,7% lượng hydro ban đầu sinh ra năng lượng. Chuyển sang hệ thập phân, con số này là 0,007. Đây là hiệu suất kết hợp hydro, và sự hình thành sự sống gắn liền với con số này.

Một trong những bước phản ứng đầu tiên trong quá trình kết hợp hydro là sự hình thành deuterium (hydro nặng), và nó sẽ không xảy ra nếu hiệu suất kết hợp hydro dưới 0,006. Các ngôi sao vẫn hình thành, nhưng chúng sẽ chỉ đơn thuần là những quả cầu khí cực lớn. Nếu hiệu suất kết hợp hydro cao từ 0.008 trở lên, quá trình kết hợp sẽ đạt “hiệu quả quá mức”. Hydro sẽ chuyển thành heli nhanh đến mức mà lượng hydro trong vũ trụ sẽ bị sử dụng hết sạch. Và như ta đã biết, phân tử nước được hình thành từ hai nguyên tử hydro, và việc sử dụng cạn kiệt hydro sẽ làm nước không thể hình thành được, kéo theo sự sống sẽ không thể tồn tại. Vì vậy, con số 0,007 này rất quan trọng với sự sống.

11. Giới hạn Chandrasekhar

Sự sống như chúng ta đã biết phụ thuộc chủ vào nguyên tố carbon, tuy nhiên cũng cần có cả các nguyên tố khác nữa. Chỉ có duy nhất một quá trình trong vũ trụ giúp hình thành nên các nguyên tố nặng hơn, đó là supernova – sao siêu mới – là vụ nổ của một ngôi sao khổng lồ. Một vụ nổ sao siêu mới sẽ giúp hình thành tất cả các nguyên tố nặng và phân tán chúng vào vũ trụ, cho phép sự sống hình thành và phát triển trên các hành tinh. Sao siêu mới rất hiếm khi xảy ra, nhưng cực kì đẹp. Vụ nổ sao siêu mới xuất hiện trên bầu trời năm 1987 thực tế cách chúng ta 150.000 năm ánh sáng, nhưng chúng ta hoàn toàn có thể quan sát được bằng mắt thường.

Kích thước của một ngôi sao quyết định số phận của nó. Những ngôi sao có kích thước bằng Mặt trời có thể tồn tại rất lâu, hàng tỉ năm trước khi nó phình to ra và nuốt chửng các hành tinh xung quanh nó. Những ngôi sao lớn hơn mặt trời một chút sẽ trở thành sao lùn trắng, những ngôi sao nhỏ hơn ngay cả khi rất nóng nhưng cũng sẽ nguội đi nhanh chóng và “chết”. Tuy nhiên, nếu một ngôi sao vượt qua được một khối lượng nhất định nào đó – giới hạn Chandrasekhar – nó sẽ trở thành một sao siêu mới.

Giới hạn Chandrasekhar được tính bằng khoảng 1,4 lần khối lượng mặt trời. Và thật bất ngờ, Subrahmanyan Chandrasekhar đã khám phá ra điều này khi ông chỉ là một cậu sinh viên 20 tuổi bằng cách kết hợp các thuyết về cấu trúc ngôi sao và cơ học lượng tử, khi đang trong chuyến tàu chạy từ Ấn Độ đến Anh.

12. Hằng số Hubble

Có hai khả năng để giải thích sự tồn tại của vũ trụ: một là nó vẫn vốn dĩ ở đó rồi, hai là nó có điểm khởi đầu. Câu hỏi này được giải đáp vào cuối những năm 1960, khi bằng chứng kết luận cho thấy vũ trụ sinh ra từ một vụ nổ cực lớn. Sự đặc biệt của vụ nổ Big Bang gần như không thể lĩnh hội được. Tất cả các vật chất trong vũ trụ, tất cả các vì sao và các thiên hà, đều bắt nguồn từ một thứ có thể tích cực nhỏ.

Nếu vũ trụ bắt đầu bằng một vụ nổ, vậy thì vụ nổ đó xảy ra cách đây bao nhiêu năm, và đến ngày hôm nay thì vũ trụ đã lớn đến nhường nào rồi? Thực tế, hai vấn đề này có liên quan chặt chẽ với nhau, được Edwin Hubble chú ý đến vào những năm 1920 tại đài thiên văn Mount Wilson ở ngoại ô Los Angeles.

Hubble đã sử dụng công nghệ tương tự như súng radar, khám phá ra rằng các thiên hà đang đi xa dần khỏi Trái đất. Vị trí của Trái đất trong vũ trụ thì không có gì đặc biệt, tuy nhiên khám phá trên lại rất có ý nghĩa: nó cho thấy các thiên hà đang đi ra xa nhau. Mối quan hệ giữa vận tốc thiên hà và khoảng cách giữa chúng với Trái đất được đặt là hằng số Hubble. Và từ khám phá này, người ta ước tính được thời gian từ vụ nổ Big Bang đến hiện nay là vào khoảng 13,7 tỉ năm.

13. Omega

Chúng ta đã biết được cách vũ trụ hình thành, và tuổi của vũ trụ. Tuy nhiên chúng ta không thể biết được nó sẽ kết thúc như thế nào. Tuy nhiên, có một cách để xác định được tương lai của vũ trụ, nếu chúng ta tập trung các thông tin để tính toán giá trị của hằng số Omega.

Nếu bạn phóng một tên lửa từ một hành tinh, và bạn biết vận tốc tên lửa đó, thì bạn sẽ biết được nó có thoát ra khỏi hành tinh được hay không, dựa vào trọng lượng của hành tinh đó. Một tên lửa với vận tốc đủ để thoát khỏi mặt trăng chưa chắc đã đủ để thoát khỏi trọng lực của trái đất.

Số mệnh của vũ trụ cũng được tính toán kiểu như vậy. Nếu vụ nổ Big Bang cung cấp vận tốc ban đầu đủ lớn cho các thiên hà, chúng sẽ bay ra xa nhau mãi mãi. Nhưng nếu không, chúng sẽ rơi xuống giống như những tên lửa không đủ khả năng thoát ra khỏi trọng lực của hành tinh: các thiên hà sẽ bị kéo trở lại và đó là hiện tượng đảo ngược lại của vụ nổ Big Bang.

Điều này thì phụ thuộc hoàn toàn vào khối lượng của toàn bộ vũ trụ. Chúng ta đã biết rằng nếu trung bình mỗi mét vuông trong vũ trụ chứa khoảng 5 nguyên tử hydro, thì sẽ đủ để một lúc nào đó kéo toàn bộ thiên hà về trung tâm vũ trụ. Thời điểm ấy, người ta gọi là Omega, nó là tỉ số giữa toàn bộ lượng vật chất trong vũ trụ chia cho lượng vật chất nhỏ nhất để xảy ra hiện tượng Big Bang đảo ngược. Nếu Omega nhỏ hơn 1, các thiên hà sẽ bay ra xa nhau mãi mãi. Nếu Omega lớn hơn 1, một lúc nào đó trong tương lai, Big Bang đảo ngược sẽ xảy ra. Với khả năng hiện tại, chúng ta ước tính được giá trị Omega nằm trong khoảng từ 0,98 đến 1,1. Vậy nên, tương lai của vũ trụ hiện vẫn là một bí ẩn.

Tham khảo: popularmechanics

>>Những con số có ý nghĩa quan trọng trong sự sống và vũ trụ (Phần I)