Giải mật phương trình E = mc² của Albert Einstein

Lê Tất Điều

Ten things you didn't know about Albert Einstein! – Science Vibe
Nguồn: Internet

Thủa nhỏ ham chuyện cổ tích lại mê kiếm hiệp Tầu nên cả đời vương vấn ước mơ một mái lều trên núi. Trẻ thì có chỗ luyện võ mà gặp khi sơn hà nguy biến lại thêm cái thú mài gươm dưới nguyệt, vừa hào hùng vừa thơ mộng hết biết! Rồi khi về già lụm cụm, có ngay “gióp” mới là tu thành tiên. Và đến ngày tận số, về trời, thì sẵn ở trên cao, chỉ bước lên mấy bước, cũng tiện.

Mộng” lớn nhưng “thực” bé nên chỉ kiếm được căn nhà trên sườn đồi. Lại bị tổ trác, ở cả năm mới biết toàn vùng đồi thấp, núi trọc này nằm trong một thung lũng. Đứng ở bãi đậu xe sân trường Grossmont buổi mai, nhìn về khu xóm nhà, chẳng thấy cái gì lơ lửng trong mây tràn trề thi vị mà nhà cửa, người vật, cỏ cây lại chìm hết trong một hồ sương. Đã thế, khí hậu còn khắc nghiệt, thung lũng luôn nóng hoặc lạnh hơn vùng đất bao quanh mười độ.

Nhưng cũng nhờ chút khắc nghiệt ấy, và nhiều năm lạc đường vào… vật lý, mà tìm ra nguyên nhân chính làm các tinh cầu nổ trong không gian, đồng thời hiểu được tường tận ý nghĩa cũng như giá trị thực của phương trình E= mc².

Một sáng mùa đông 2012, bước ra vườn sau, đụng cái lạnh làm cóng tay, vội xoa hai bàn tay cho ấm, vụt nhớ cậu bé trong sân trường tiểu học ở thị xã Hà Đông xa xưa, cũng dùng cái phép xoa tay để trị lạnh trước khi tham dự các trò chơi. Ông già hôm nay, cậu bé ngày ấy, như muôn triệu con người đông tây, kim cổ… được trực giác hướng dẫn, đã dùng đúng phương pháp tạo nhiệt xảy ra khắp nơi trong vũ trụ.

Như tia chớp chợt lóe lên soi sáng một bí mật của tạo hóa, nó đồng thời phơi bày ý nghĩa và giá trị thực của phương trình E= mc², không thiếu chi tiết nào.

NHIỀU NGƯỜI BIẾT, ÍT NGƯỜI HIỂU

Cả trăm năm nay, các khoa học gia khốn đốn vì cái phương trình kỳ bí này, đám đệ tử, từ đời này sang đời khác, vì thế, bị vạ lây, cũng bị hành te tua. Thầy không hiểu, đoán mò, nên trò học mửa mật cũng không làm sao tiêu hóa nổi những lời suy diễn… phi vật lý của sư phụ.

Sau nhiều thập niên nghiên cứu, các khoa học gia đành công nhận: đây là một phương trình lẫy lừng nhất nhưng cũng ít được hiểu nhất.

Nói rằng ít được hiểu hay ít người hiểu là còn chưa khiêm tốn, còn hơi khoác lác đấy. Không có vị nào hiểu đâu. Cứ xem những lời giảng giải được quý trọng, tin cậy nhất của các ngài in đầy trong sách giáo khoa, tạp chí khoa học, Wikipedia v.v… là biết liền.

E= mc² (E=Năng lượng, m= khối vật chất (matter), c= Tốc độ ánh sáng) có nghĩa là muốn tìm năng lượng của một khối vật chất thì nhân khối lượng đó với bình phương tốc độ ánh sáng.

Có vị giảng: phương trình này chứng tỏ rằng mọi khối vật chất đều hàm chứa năng lượng. Đúng rồi, nhưng chưa rõ, chưa hướng dẫn nhân loại ra khỏi cõi huyền hoặc, mù mờ. Vắt trái cam, trái chanh, thấy nước thì biết trong cam, chanh có nước, chuyện ấy dễ, chúng tôi tự tìm hiểu được, nhưng dùng cách nào, phương pháp  nào để “vắt” vật chất ra thành năng lượng mới là chuyện cần biết, cần học. Phương trình của Einstein có chứa đựng cái phương thức kỳ diệu đó không?

Vài vị khác đi xa hơn, diễn giải rằng phương trình ngoài chuyện chứng tỏ vật chất hàm chứa năng lượng còn xác quyết thêm là năng lượng ấy nằm sẵn trong lòng từng phân tử, nguyên tử của vật chất, và nó mạnh khủng khiếp. Khui, chọc một nguyên tử cho nó xì ra là vỡ mặt ngay vì nó nổ như bom… nguyên tử!

Các ngài dạy thế thì biết thế. Vị nào cũng bằng cấp to đùng, kiến thức bao la như trời biển, bố ai dám cãi. Đành chỉ xin rón rén, rụt rè nêu tí teo thắc mắc này thôi: Nếu năng lượng trong một nguyên tử mạnh khủng khiếp thế thì VỎ của nguyên tử ấy phải cứng đến thế nào để giữ cho năng lượng khỏi bung ra, xì ra? Mà nếu thực sự cái vỏ cứng tới cỡ đó thì làm sao đập cho nó vỡ ra để làm… bom đây?!

Thế vẫn chưa ghê. Một khoa học gia lẫy lừng còn phán – và được đông đảo đồng nghiệp tán thành – rằng: Phương trình đã chứng tỏ: khối lượng của vật chất tăng lên theo tốc độ… một vật thể chuyển động, khối lượng của nó lập tức tăng lênkhi gần đạt tốc độ ánh sáng khối lượng ấy tăng lên VÔ CÙNG TẬN. (This equation also shows that mass increases with speed, which effectively puts a speed limit on how fast things can move in the universe. Simply put, the speed of light (c) is the fastest velocity at which an object can travel in a vacuum. As an object moves, its mass also increases. Near the speed of light, the mass is so high that it reaches infinity, and would require infinite energy to move it, thus capping how fast an object can move. The only reason light moves at the speed it does is because photons, the quantum particles that make up light, have a mass of zero. – (Elizabeth Howell, Space.com| March 30, 2017).

Tăng lên tới “vô cùng tận” là tăng thế nào? Kích thước phồng lên to bằng cả vũ trụ chăng?

Thế thì tội nghiệp đám du khách của phi thuyền thám hiểm không gian trong tương lai quá đi thôi! Khi con tàu đạt tốc độ ánh sáng, ông bà nào cũng bị béo phì, phình ra to tướng, to “vô hạn định”! Vũ trụ chỉ chứa một vị là… hết chỗ!

Ngứa tai quá, lại phải thắc mắc: Thuyết Tương Đối Đặc Biệt của Einstein dạy rằng bay nhanh bằng ánh sáng thì thời gian ngừng trôi, con người trẻ đẹp muôn năm, nếu cân kí nhẹ nhàng thì trăm ngàn năm sau vẫn mảnh mai, tha thướt. Nhưng phương trình  E= mc², cũng của cụ, lại bảo rằng bay nhanh bằng ánh sáng là khối lượng thân thể sẽ phồng lên, mập thù lù, mập “vô hạn định”, đứng chật cả… vũ trụ! Cụ Einstein nào lập thuyết, viết phương trình linh tinh, tiền hậu bất nhất, cái sau đánh nhau túi bụi với cái trước, như thế? Quý ngài có chuyện gì bất như ý mà bịa chuyện để xuyên tạc, vu cáo, bêu riếu ông cụ dữ vậy?

Một vật lý gia lẫy lừng khác cãi – tưởng cụ được giải cứu, nhưng mừng hụt – vị này cũng diễn giải siêu không kém: Một vật thể di chuyển không tăng khối lượng mà tăng năng lượng, cũng tăng khiếp đảm, tới vô cùng tận luôn! Và vị này lại cũng được đông đảo đồng nghiệp tán thành, ủng hộ kịch liệt.

Các ngài căn cứ vào cái gì, chỗ nào trong phương trình để đưa ra những suy diễn kinh dị như vậy? Chớ dại dột chất vấn. Họ sẽ thẩy vào mặt ta cả đống bài toán rắc rối, hóc búa, khiến ta tối tăm mặt mũi, khiếp vía, câm họng luôn.

Vừa đáng buồn vừa đáng buồn… cười! Phương trình của Einstein tự nó đã làm rối trí nhân loại hơn một thế kỷ, làm những đứa trẻ yêu ngành vật lý học hoang mang, điêu đứng, đành học như vẹt mà không hiểu gì… Thế chưa đủ sao?  Bịa đặt, sáng chế ra những chuyện tào lao, phi vật lý, làm vấn đề rối mù, khó hiểu thêm như thế để làm gì!

MỘT PHƯƠNG TRÌNH BẤT TOÀN

Không hiểu, đoán mò, suy diễn lăng nhăng, nhảm nhí… nhưng nhân loại có cái hay là vẫn biết dùng phương trình ấy, ứng dụng vào khoa học thực hành, và thế là lò năng lượng nguyên tử, bom nguyên tử, khinh khí, hạch tâm… tuôn ra cả đống. Cụ Einstein thẩy cho cái xe, quân ta chả biết nó vận hành thế nào, cứ lái chạy vèo vèo cũng tới bến – đủ các kiểu bến!

Chạy miệt mài hơn trăm năm rồi, thử ráng tìm hiểu kỹ hơn một chút về máy móc chiếc xe – ý nghĩa thực của E= mc² – để hiểu thêm về vũ trụ, đồng thời dẹp bỏ những diễn giải sai lạc, huyền hoặc, làm vẩn đục kho tàng kiến thức chung.

Nhận xét đầu tiên: Đây không phải là một phương trình toán học, cung cấp những kết quả chính xác, nó giống những công thức hóa học mô tả một tiến trình chuyển hóa – ở đây là vật chất chuyển hóa, biến thành năng lượng.

Là một công thức hóa học, nó cũng chưa hoàn hảo, còn quá mơ hồ, khái quát, không bổ túc những chỗ thiếu xót thì vô dụng. Xin nêu vài thí dụ:

1) Ông A cho công thức: tinh lọc 1 ký mía thì được X gram đường.

2) Bà B cho công thức: tinh lọc 1 ký cam thì được Y gram đường.

3) Cụ C cho công thức: tinh lọc 1 ký TRÁI CÂY thì được Z gram đường.

Mía có cây ngọt, cây nhạt, cam có quả ngọt, quả chua, nhưng sự sai biệt ở mức chấp nhận được, nghĩa là công thức của ông A, bà B cho kết quả khả tín. Còn công thức của cụ C thì không ai dám tin, dám dùng.

Công thức của Einstein cũng vậy: m là vật chất nói chung, không phân biệt vật chất than củi, vật chất than đá, TNT hay Uranium… Khoa học gia trong ngành nghiên cứu năng lượng phải chế ra Đơn vị năng lượng (năng lượng một kí vật chất là 89,9 petajoule tương đương với nhiệt lượng bung ra của 21.500 kí thuốc nổ TNT hay 695 triệu ga-lông xăng) rồi phải nghiên cứu, thí nghiệm, tìm hiểu thêm số năng lượng (tính theo đơn vị căn bản) trong từng loại vật chất v.v… mới dùng được phương trình của cụ.

Dài dòng một chút để nhấn mạnh: E= mc² không là phương trình toán, cũng không hẳn là công thức hóa học hoàn chỉnh, mà chỉ là một định luật mô tả quy cách hay tiến trình của hiện tượng vật chất chuyển hóa thành năng lượng.

Biết thế để không bị con số khổng lồ vận tốc ánh sáng (c) – nhất là c bình phương – làm hoa mắt, hoang mang, rồi lạc hướng.

MỘT QUY LUẬT CHUYỂN HÓA TOÀN HẢO

Ba yếu tố cần đặc biệt chú ý ở đây: vật chất, tốc độ năng lượng (trong phương trình này là nhiệt năng). Câu hỏi đầu tiên: “tốc độ” có liên quan tới tiến trình tạo sinh nhiệt năng không?

Câu trả lời đã có từ lâu.

Thêm yếu tố “tốc độ” vào yếu tố “vật chất” – nghĩa là vật chất trong trạng thái di động – thì quả thực thấy nhiệt năng phát sinh.

Xin tóm tắt vài ý chính trong lời giải thích của NASA: (What is heat?” – “Cool Cosmos”)

“…Vật chất trong vũ trụ gồm nguyên tử và phân tử luôn luôn chuyển động. Sự chuyển động liên tục tạo ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng.  Như thế nhiệt năng hiện hữu trong mọi loại vật chất (vì tất cả được cấu tạo bằng những nguyên tử, phân tử thường xuyên chuyển động). Do đó, ngay cả ở những vùng trống rỗng và lạnh nhất của vũ trụ, vật chất vẫn có một nhiệt lượng tuy cực nhỏ nhưng có thể đo được.”

“…Khi bạn đun một nồi nước, bếp nóng làm các phân tử của nồi dao động nhanh hơn, nồi nóng theo. Đến phiên sức nóng của nồi làm các phân tử nước cũng chuyển động nhanh hơn và nước nóng lên. Như thế, làm nóng một vật gì có nghĩa là đẩy cho những phân tử trong vật ấy chuyển động nhanh hơn.”

Nhưng một mình sự chuyển động chưa đủ. Một phiến thiên thạch (meteor) bay trong không gian an toàn, chỉ khi lọt vào vùng khí quyển của địa cầu mới nóng đỏ lên, cháy bùng hoặc phát nổ. Vậy còn một yếu tố tối cần thiết nữa. Vẫn “Cool Cosmos” của NASA giảng thêm về yếu tố ấy:

“Sự ma sát (friction) – do chà xát, cọ xát – toát ra nhiệt năng. Vài thí dụ cụ thể: xoa tay, gọt bút chì, đạp thắng xe hơi, xe đạp – làm bánh xe cứng ngắc, không quay, rồi xiết vỏ cao su thành vết nóng bỏng trên mặt đường –  là tạo hiện tượng ma sát tỏa sức nóng.”

“Rub your hands – Xoa tay” nhà nghiên cứu của NASA đã nhắc tới phương pháp tạo hơi ấm chống cóng tay của cậu bé trong sân trường tiểu học năm xưa.

Còn nhiều thí dụ nữa: cọ hai thanh gỗ làm lửa, quẹt que diêm, xoay bánh xe cọ mạnh vào đá lửa để bật lửa v.v… Sự ma sát sinh nhiệt năng. Nó đóng vai chính. Tốc độ di động chỉ là phụ, nhưng lại tối cần thiết. Thiếu tốc độ, ma sát không nảy sinh. Tốc độ càng cao, ma sát càng mạnh, nhiệt lượng càng tăng. Thẩy nhẹ một hòn đá lên tảng đá thì vô sự, ném thật mạnh, tóe lửa ngay.

Đến đây, hành trang kiến thức đã tạm đủ để ta quan sát, phân tích một hành động bình thường, nói theo văn chương khoa học cầu kỳ, hoành tráng là: “Khởi động tiến trình chuyển hóa phân tử gỗ thành nhiệt năng”, nhưng diễn nôm ra văn chương bình dân chỉ tốn hai chữ thôi: “nhóm bếp”.

1) Quẹt diêm: thuốc diêm ở đầu que chà xát trên phần giấy tráng cát và bột thủy tinh. Nhiệt năng phát sinh vì sự ma sát này.

2) Nhiệt năng lập tức đẩy các phân tử của thuốc diêm – gồm một hỗn hợp hai chất phosphorus và potassium chlorate – chuyển động cực nhanh, cọ xát vào nhau và vào những phân tử trong không gian, ở đây phần lớn là không khí. Sự ma sát cực mạnh do chuyển động cực nhanh hủy hoại và biến tất cả các phân tử ở đầu que diêm thành nhiệt năng và photon. Ta có lửa vừa nóng (nhiệt) vừa sáng (photon).

3) Châm lửa diêm vào thanh củi. Sức nóng đẩy phân tử gỗ thình lình tăng tốc độ. Trong lúc chuyển động cực nhanh, chúng cọ xát nhau, và cọ xát các phân tử oxy trong không khí, tạo hiện tượng ma sát, củi bốc cháy.

Nếu nhóm bếp để đun nước, ta có thêm giai đoạn thứ tư:

4) Lửa củi làm các phân tử của nồi dao động nhanh hơn, nồi nóng theo. Đến phiên sức nóng của nồi làm các phân tử nước cũng chuyển động nhanh hơn và nước nóng lên – Đúng như lời giải thích của NASA.

Cần phân biệt hai loại tốc độ:

Tốc độ tạo ma sát tiên khởi như quẹt diêm, bật lửa, mồi lửa, kích hỏa v.v… chậm hay nhanh tùy từng loại vật chất. Thuốc diêm, đá lửa, thuốc súng… không đòi hỏi tốc độ lớn, nhưng nhiều chất khác thì để – tạm gọi là “châm ngòi” – phải nhanh tối đa, nhanh như các electron (nhanh như điện) mới kích hoạt, khởi động được.

Tốc độ tạo ma sát trong giai đoạn vật chất chuyển hóa thành năng lượng: Lúc đó phân tử, nguyên tử di động cực nhanh. Theo phương trình của Einstein thì nhanh bằng C, vận tốc ánh sáng. Chắc cụ căn cứ trên hiện tượng: ngọn lửa hay than hồng liên tục bắn các photon vào không gian với vận tốc ấy.

Cũng vì C là vận tốc của tiến trình chuyển hóa vật chất thành năng lượng mà nó trở thành vận tốc giới hạn, là mức tối đa cho phép vật chất di hành trong vũ trụ. Trừ vài trường hợp đặc biệt sẽ bàn vào dịp khác, tất cả vật thể chuyển động, di động nhanh bằng ánh sáng đều bị hủy hoại, biến thành năng lượng. Giới hạn là vì thế chứ không phải vì chuyển động nhanh thì khối lượng phồng lên to tướng, không sức nào xô đi nổi (Near the speed of light, the mass is so high that it reaches infinity, and would require infinite energy to move it).

Những chuyện ấy mai mốt sẽ nhờ các chuyên gia vật lý, toán học, nghiên cứu kỹ hơn, viết thành luận án, bài bản đàng hoàng cho sách giáo khoa.

Mạn đàm bên chén trà, tách cà phê hôm nay, ta giữ cho câu chuyện thật bình dị, tự nhiên, tầm phào một tí càng vui… miễn sao lúc chia tay ta cùng biết với nhau rằng:

1) E= mc² đã chu toàn nhiệm vụ nêu ra phương thức và mô tả đúng tiến trình chuyển hóa vật chất thành năng lượng.

2) (m) chỉ khối lượng vật chất ở đây cũng không mơ hồ, thiếu sót mà chính xác trăm phần trăm, vì phân tử, nguyên tử của tất cả các loại vật chất trong vũ trụ, khi chuyển động cực nhanh trong môi trường có ma sát thì tức khắc bị hủy hoại, biến thành nhiệt năng và ánh sáng.

Nó đúng với phương pháp tạo hơi ấm nhỏ nhoi trên những bàn tay già trẻ khắp cõi nhân gian. Nó cũng mô tả đầy đủ chi tiết thế võ “Ma Sát” mà Tạo Hóa đang múa may, tung ra khắp vũ trụ, làm nổ tung vô lượng những tinh cầu lớn quá khổ, liên miên biến đổi hình thái các thiên hà.

Lê Tất Điều
(4/2020)

One thought on “Giải mật phương trình E = mc² của Albert Einstein

  1. Pingback: Phúc đáp những lời chê trách của ông Huỳnh Kim Giám | Trần Thị Nguyệt Mai

Comments are closed.