Mặt trời chiếu sáng như thế nào ?

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

64
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'mặt trời chiếu sáng như thế nào ?', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mặt trời chiếu sáng như thế nào ?

M t tr i chi u sáng như th nào ? John N. Bahcall Cái gì làm cho m t tr i t a sáng ? Làm th nào m t tr i t o ra lư ng năng lư ng kh ng l c n thi t cho s s ng sinh sôi trên trái t ? Nh ng câu h i này ã thách th c các nhà khoa h c trong su t 150 năm tr i, b t u t gi a th k th 19. Các nhà v t lí lí thuy t ã chi n u v i các nhà a ch t h c và các nhà sinh h c ti n hóa trong m t cu c tranh lu n sôi n i xem ai là ngư i có câu tr l i chính xác. T i sao l i có quá nhi u n ào v nan khoa h c này ? Nhà thiên văn h c th k th 19 John Herschel ã miêu t hùng h n vai trò cơ b n c a ánh sáng m t tr i trong m i ho t ng s ng c a con ngư i trong tác ph m Chuyên lu n v Thiên văn h c h i năm 1883 c a ông như sau: Các tia sáng m t tr i là ngu n g c t i h u c a h u như m i chuy n ng x y ra trên b m t trái t. B i nhi t c a nó s n sinh ra các lo i gió… B i ho t ng c a chúng truy n s c s ng cho th c v t tinh l c t các ch t vô cơ, và tr nên, trong vòng quay c a chúng, là s c p dư ng cho ng v t và cho con ngư i, và là ngu n g c c a nh ng l p tr m tích l n có hi u qu ng h c n m s n cho con ngư i s d ng trong v a than c a chúng ta. Ánh sáng m t tr i nuôi dư ng s s ng trên trái t Trong bài vi t này, chúng ta s nh c l i t b i c nh l ch s c a s phát tri n ki n th c c a chúng ta v cách th c m t tr i (ngôi sao g n chúng ta nh t) t a sáng, b t u trong ph n ti p theo v i cu c tranh lu n th k 19 v tu i c a m t tr i. Trong ph n sau ó, chúng ta s th y nh ng © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 33
khám phá dư ng như ch ng có k t qu gì v i nhau trong v t lí cơ b n ưa n m t lí thuy t s n sinh năng lư ng h t nhân trong các ngôi sao ã gi i quy t ư c cu c tranh lu n v tu i c a m t tr i và gi i thích ư c ngu n g c c a b c x m t tr i. Trong ph n sau cùng trư c khi tóm lư c, chúng ta s th o lu n xem các thí nghi m ư c thi t k như th nào ki m tra lí thuy t s n sinh năng lư ng h t nhân trong các ngôi sao làm hé m m t bí n m i, Bí n Neutrino còn thi u. Tu i c a m t tr i M t tr i bao nhiêu tu i ? Làm th nào m t tr i t a sáng ư c ? Nh ng câu h i này là hai m t c a m t ng ti n, như chúng ta s th y. Tc m t tr i phát ra b c x d dàng tính ư c b ng cách s d ng t c o ư c mà năng lư ng i t i b m t trái t và kho ng cách gi a trái t và m t tr i. Năng lư ng toàn ph n do m t tr i phát ra trong quãng i c a nó kho ng ch ng b ng tích c a t c phát năng lư ng hi n nay, g i là sáng c a m t tr i, v i tu i c a m t tr i. M t tr i càng già thì t ng năng lư ng b c x do m t tr i phát ra càng l n. Năng lư ng phát ra càng l n, hay tu i c a m t tr i càng l n, thì càng khó tìm l i gi i thích cho ngu n g c c a năng lư ng m t tr i. ánh giá úng s khó khăn trong vi c tìm m t l i gi i thích, chúng ta hãy xét m t minh h a c bi t c a t c kh ng l mà m t tr i phát ra năng lư ng. Gi s chúng ta t m t centimet kh i băng tuy t ngoài tr i vào m t ngày mùa hè theo ki u sao cho toàn b ánh sáng m t tr i b h p th b i băng. Cho dù kho ng cách l n gi a trái t và m t tr i, nhưng ánh n ng m t tr i s làm tan kh i băng trong kho ng 40 phút. Vì hi n tư ng x y ra t i b t kì âu trong không gian t i kho ng cách c a trái t tính t m t tr i, nên m t l p v c u băng kh ng l có tâm t i m t tr i và ư ng kính 300 tri u km (200 tri u d m) s tan ra vào kho ng th i gian trên. Hay, rút cùng lư ng băng trên xu ng b m t m t tr i, chúng ta có th tính ư c m t di n tích g p 10 nghìn l n di n tích b m t trái t và dày kho ng n a km (0,3 d m) cũng s tan ra trong 40 phút b i s trút năng lư ng c a m t tr i. Trong ph n này, chúng ta s nói v các nhà khoa h c th k 19 ã c g ng như th nào xác nh ngu n g c c a năng lư ng m t tr i, s d ng tu i c a m t tr i làm m t manh m i. Các ư c tính mâu thu n nhau v tu i c a m t tr i Ngu n năng lư ng b c x m t tr i ư c các nhà v t lí th k 19 tin là do h p d n. Trong m t bài gi ng có s c thuy t ph c vào năm 1854, Hermann von Helmholtz, v giáo sư sinh lí h c ngư i c, ngư i tr thành m t nhà nghiên c u và m t giáo sư v t lí xu t s c, ã xu t r ng ngu n g c c a năng lư ng b c x kh ng l c a m t tr i là s co h p d n c a m t kh i lư ng l n. Trư c ó không lâu, vào th p niên 1840, J.R. Mayer (m t bác sĩ ngư i c khác) và J.J. Waterson cũng xu t r ng ngu n g c c a b c x m t tr i là s chuy n hóa năng lư ng h p d n thành nhi t. 34 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Các nhà sinh v t h c và a ch t h c xét n các tác ng c a b c x m t tr i, còn các nhà v t lí t p trung vào ngu n g c c a năng lư ng b c x . Năm 1859, Charles Darwin, trong b n in l n th nh t c a cu n V ngu n g c c a các loài b ng s ch n l c t nhiên, ã th c hi n m t tính toán thô v tu i c a trái t b ng cách ư c tính th i gian c n thi t cho s xói mòn x y ra t c quan sát th y hi n làm xóa s ch vùng Weald, m t thung lũng l n tr i dài gi a B c và Nam Down mi n nam nư c Anh. Ông thu ư c m t con s cho vi c “bóc m t Weald” trong kho ng 300 tri u năm, rõ ràng lâu cho s ch n l c t nhiên t o ra nhi u loài a d ng t n t i trên trái t. Như Herschel nh n m nh, nhi t c a m t tr i là nguyên nhân cho s s ng và a s s ti n hóa a ch t trên trái t. Vì th , ư c tính c a Darwin v tu i t i thi u cho ho t ng a ch t trên trái t ng ý m t ư c tính t i thi u cho lư ng năng lư ng mà m t tr i phát ra. Kiên quy t ph n i thuy t ch n l c t nhiên Darwin, William Thompson, sau này là ngài Kelvin, là giáo sư t i i h c Glasgow và là m t trong nh ng nhà v t lí vĩ i c a th k 19. Ngoài nhi u óng góp c a ông cho khoa h c ng d ng và cho công ngh , Thompson ã thi t l p nh lu t th hai c a nhi t ng l c h c và thi t l p thang nhi t tuy t i, thang o sau này t tên là thang o Kelvin ghi công c a ông. nh lu t th hai c a nhi t ng l c h c phát bi u r ng nhi t t nhiên truy n t v t nóng hơn sang v t l nh hơn, không x y ra i u ngư c l i. Vì th , Thompson nh n ra r ng m t tr i và trái t ph i ngày càng l nh i tr khi có m t ngu n năng lư ng bên ngoài và cu i cùng trái t s tr nên quá l nh nuôi dư ng cho s s ng. Kelvin, gi ng như Helmholtz, b thuy t ph c r ng sáng c a m t tr i ư c t o ra b i s chuy n hóa năng lư ng h p d n thành nhi t. Trong m t phiên b n s m (1854) c a ý tư ng này, Kelvin cho r ng nhi t c a m t tr i ph i ư c t o ra liên t c do va ch m c a các thiên th ch rơi vào b m t c a nó. Kelvin b ép bu c b i b ng ch ng thiên văn h c ph i s a i gi thuy t c a ông và sau này ông tranh cãi r ng ngu n g c ch y u c a năng lư ng có s n v i m t tr i là năng lư ng h p d n c a các thiên th ch nguyên th y mà t ó nó hình thành. T ó, v i uy tín l n và tài hùng bi n, ngài Kelvin ã công khai vào năm 1862 r ng: M t s d ng th c c a lí thuy t thiên th ch nh t nh là úng và là l i gi i thích hoàn ch nh c a nhi t m t tr i có th ch v a m i b hoài nghi, khi nh ng lí do sau ây ư c xét t i: (1) Không có l i gi i thích t nhiên nào khác, ngo i tr b ng ph n ng hóa h c, có th thuy t ph c ư c. (2) Lí thuy t hóa h c hơi không hi u qu , vì ph n ng hóa h c giàu năng lư ng nh t mà chúng ta bi t, x y ra v i các ch t ch ng qua là toàn b kh i lư ng c a m t tr i, s ch phát ra nhi t kho ng ch ng 3000 năm. (3) Không có khó khăn nào trong vi c gi i thích nhi t c a 22.000.000 năm b ng lí thuy t thiên th ch. Kelvin ti p t c tr c ti p công kích ư c tính c a Darwin, ông h i m t cách hoa mĩ: Khi ó chúng ta nghĩ gì v ư c tính a ch t c 300.000.000 năm (c a Darwin) cho “s bóc tr n Weald” ? © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 35
Tin r ng Darwin ã sai trong ư c tính c a ông ta v tu i c a trái t, Kelvin còn tin r ng Darwin ã sai khi nói v th i gian s n có cho s ch n l c t nhiên x y ra. Ngài Kelvin ã ư c tính tu i th c a m t tr i, và b ng cách tương t v i trái t, như sau. Ông tính năng lư ng h p d n c a m t v t có kh i lư ng b ng v i kh i lư ng c a m t tr i và bán kính b ng v i bán kính c a m t tr i và chia k t qu ó cho t c m t tr i phát ra năng lư ng. Cách tính này mang l i tu i th ch kho ng 30 tri u năm. Ư c tính tương ng cho tu i m t tr i có th xác nh n b ng năng lư ng hóa h c nh hơn nhi u vì các quá trình hóa h c gi i phóng r t ít năng lư ng. Ai úng ? Như chúng ta v a th y, vào th k 19, b n có th i t i nh ng ư c tính r t khác nhau cho tu i c a m t tr i, tùy thu c vào ngư i mà b n h i. Các nhà v t lí lí thuy t có ti ng tranh lu n, d a trên các ngu n năng lư ng ã bi t vào lúc y, r ng m t tr i t i a là vài ch c tri u năm tu i. Nhi u nhà a ch t và sinh v t h c k t lu n r ng m t tr i ã ph i chi u sáng ít nh t là vài trăm tri u năm gi i thích cho các bi n i a ch t và s ti n hóa c a các i tư ng s ng, c hai u ph thu c nghiêm tr ng vào năng lư ng n t m t tr i. Như v y, tu i c a m t tr i, và ngu n g c c a năng lư ng m t tr i, là nh ng câu h i quan tr ng không ch i v i v t lí và thiên văn h c, mà còn i v i a ch t h c và sinh v t h c. Darwin ã b lay chuy n m nh trư c s c m nh phân tích c a Kelvin và b i uy tín c a s tinh thông lí thuy t c a ông ta, nên trong các l n in cu i c a cu n V ngu n g c các loài, ông ã lo i b h t m i c p t i các kho ng th i gian. Ông vi t vào năm 1869 cho Alfred Russel Wallace, ngư i ng khám phá ra s ch n l c t nhiên, than phi n v ngài Kelvin: Quan i m c a Thompson v tu i c a th gi i g n ây th nh tho ng là m t trong nh ng i u nh c nh i nh t c a tôi. Ngày nay, chúng ta bi t r ng ngài Kelvin ã sai và các nhà a ch t và nhà sinh h c ti n hóa ã úng. Phép nh tu i phóng x c a các thiên th ch cho th y m t tr i 4,6 t năm tu i. âu là cái sai v i phân tích c a Kelvin ? M t s tương t có th giúp tr l i. Gi s m t ngư i b n ng nhìn b n s d ng máy tính c a b n và th suy oán xem máy tính ã ho t ng trong bao lâu. M t ư c tính h p lí có l không hơn m t vài gi ng h , vì ó là kho ng th i gian t i a mà pin có th cung c p lư ng công su t c n thi t. S thi u sót trong phép phân tích này là ã gi nh máy tính c a b n nh t thi t ư c c p ngu n b ng pin. Ư c tính vài gi ng h có th là sai n u như máy tính c a b n ho t ng t m t c m i n trên tư ng. Gi nh pin c p ngu n cho máy tính c a b n là tương t như gi nh c a ngài Kelvin r ng năng lư ng h p d n ã c p ngu n cho m t tr i. Vì các nhà v t lí lí thuy t th k 19 không bi t v kh năng chuy n hóa kh i lư ng h t nhân thành năng lư ng, nên h tính ra tu i t i a cho m t tr i quá ng n. Tuy nhiên, Kelvin và các ng nghi p c a ông ã có nh ng óng góp lâu dài cho các khoa h c thiên văn h c, a ch t 36 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
h c, và sinh v t h c b ng vi c khăng khăng trên nguyên t c r ng k t lu n có giá tr trong m i lĩnh v c nghiên c u ph i phù h p v i các nh lu t cơ b n c a v t lí. Bây gi , chúng ta s nói v m t s phát tri n có tính bư c ngo c trong vi c tìm hi u làm th nào kh i lư ng h t nhân ư c s d ng làm nhiên li u cho các sao. Thoáng hi n câu tr l i i m chuy n bi n trong cu c chi n gi a các nhà v t lí lí thuy t và các nhà a ch t h c và sinh v t h c theo l i kinh nghi m x y ra vào năm 1896. Trong ti n trình c a m t thí nghi m ư c thi t k nghiên c u tia X do Wilhelm Röntgen phát hi n ra vào năm trư c ó, Henri Becquerel ã c t m t s t m b c uranium trong m t ngăn bàn g n các t m phim b c trong gi y en. Do tr i Paris nhi u mây trong hai ngày li n, nên Becquerel không th “kích ho t” các t m phim c a ông b ng cách phơi chúng dư i ánh n ng m t tr i như ông d nh. Trư c s phát tri n c a các t m phim, ông ã tìm th y nh ng hình nh làm ông ng c nhiên cao c a các tinh th uranium c a ông. Ông ã khám phá ra s phóng x t nhiên, do s chuy n hóa h t nhân c a uranium. T m quan tr ng c a phát hi n c a Becquerel tr nên rõ ràng vào năm 1903, khi Pierre Curie và ngư i ph tá tr c a ông, Albert Laborde, công b r ng các mu i radium liên t c gi i phóng nhi t. Khía c nh khác thư ng nh t c a khám phá m i này là radium phát ra nhi t mà không l nh i xu ng nhi t c a môi trư ng xung quanh nó. B c x phát ra t radium ti t l m t ngu n năng lư ng trư c ây chưa bi t t i. William Wilson và George Darwin h u như t c th i xu t r ng s phóng x có th là ngu n g c c a năng lư ng b c x c a m t tr i. V hoàng t tr c a n n v t lí th c nghi m, Ernest Rutherford, khi ó là giáo sư v t lí t i i h c McGill Montreal, ã phát hi n th y năng lư ng kh ng l gi i phóng b i b c x h t alpha phát ra t các ch t phóng x . Năm 1904, ông công b : Vi c khám phá ra các nguyên t phóng x , mà trong s phân h y c a chúng gi i phóng lư ng năng lư ng kh ng l , vì th ã làm tăng gi i h n kh dĩ c a kho ng th i gian t n t i c a s s ng trên hành tinh này, và cho phép th i gian ư c kh ng nh b i các nhà a ch t và sinh v t h c cho quá trình ti n hóa. Khám phá ra s phóng x ã m ra kh năng năng lư ng h t nhân có th ngu n g c c a b c x m t tr i. S phát tri n này ã gi i phóng các nhà lí thuy t kh i ràng bu c trong tính toán c a h v i năng lư ng h p d n. Tuy nhiên, các quan sát thiên văn sau ó cho th y m t tr i không ch a r t nhi u ch t phóng x , mà thay vào y ch y u là hydrogen d ng khí. Hơn n a, t c s phóng x phân ph i năng lư ng không ph thu c vào nhi t sao, trong khi các quan sát sao cho th y lư ng năng lư ng do m t ngôi sao phát ra th t s ph thu c nhi u vào nhi t bên trong c a sao. M t th gì ó ngoài s phóng x ra là c n thi t gi i phóng năng lư ng h t nhân bên trong m t ngôi sao. Trong ph n ti p theo, chúng ta s dõi theo các bư c ti n ã ưa n cái mà ngày nay chúng ta tin là s hi u bi t úng n v cách th c m t tr i chi u sáng. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 37
Xu hư ng ư c thi t l p Ti n b cơ b n ti p theo m t l n n a l i n t m t xu hư ng không mong i. Vào năm 1905, Albert Einstein ưa ra m i quan h n i ti ng c a ông gi a kh i lư ng và năng lư ng, E = mc2, là h qu c a thuy t tương i c bi t. Phương trình c a Einstein cho th y m t lư ng r t nh c a kh i lư ng có th , v nguyên t c, chuy n hóa thành lư ng năng lư ng kh ng l . M i quan h c a ông ã khái quát hóa và m r ng nh lu t b o toàn năng lư ng h i th k 19 c a von Helmholtz và Mayer bao g m s chuy n hóa c a kh i lư ng thành năng lư ng. âu là m i quan h gi a công th c c a Einstein và ngu n g c năng lư ng c a m t tr i ? Câu tr l i không rõ ràng l m. Các nhà thiên văn th c hi n ph n vi c c a h b ng vi c ưa ra ràng bu c r ng các quan sát sao ph i ưa ra l i gi i thích có th c a s s n sinh năng lư ng sao. Năm 1919, Henry Norris Russell, nhà thiên văn h c lí thuy t hàng u Mĩ, ã tóm t t trong m t d ng súc tich các d u hi u thiên văn v b n ch t c a ngu n năng lư ng sao. Russell nh n m nh r ng manh m i quan tr ng nh t là nhi t cao ph n bên trong các ngôi sao. Aston ch ra vào năm 1920 r ng b n h t nhân hydrogen n ng hơn m t h t nhân helium F.W. Aston ã phát hi n vào năm 1920 y u t th c nghi m quan tr ng trong câu hóc búa ó. Ông ã th c hi n nh ng phép o chính xác kh i lư ng c a nhi u nguyên t khác nhau, trong s chúng có hydrogen và helium. Aston nh n th y b n h t nhân hydrogen n ng hơn m t h t nhân helium. ây không ph i là m c tiêu chính c a các thí nghi m mà ông ti n hành, chúng ph n l n b thúc y b i yêu c u tìm ng v c a neon. T m quan tr ng c a các phép o c a Aston l p t c ư c nh n ra b i ngài Arthur Eddington, nhà thiên văn v t lí l i l c ngư i Anh. Eddington ã tranh lu n trong vai trò ch t ch H i Liên hi p Anh vì s ti n b khoa h c vào năm 1920 r ng phép o c a Aston v s chênh l ch kh i lư ng gi a hydrogen và helium có nghĩa là m t tr i có th chi u sáng b ng cách chuy n hóa các nguyên t hydrogen thành helium. S t cháy này c a hydrogen thành helium s (theo công th c Einstein gi a kh i lư ng và năng lư ng) gi i phóng kho ng 0,7% ương lư ng kh i lư ng c a năng lư ng. V nguyên t c, i u này có th cho phép m t tr i t a sáng trong kho ng 100 t năm. 38 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Trong m t cái nhìn sáng su t th y trư c tương lai, Eddington ã i t i nh n xét v m i quan h gi a s s n sinh năng lư ng sao và tương lai c a loài ngư i: Th t v y, n u năng lư ng h nguyên t trong các sao ư c t do s d ng duy trì lò l a l n c a chúng, thì dư ng như nó ã mang l i g n hơn chút n a vi c th c thi ư c mơ c a chúng ta v vi c i u khi n s c m nh ti m tàng này cho h ng phúc c a toàn nhân lo i – hay cho s t di t vong c a nó. Tìm hi u quá trình Bư c chính ti p theo trong vi c tìm hi u cách th c các ngôi sao t o ra năng lư ng t s t cháy h t nhân, có ư c t vi c áp d ng cơ h c lư ng t nh m gi i thích s phóng x h t nhân. Áp d ng này ư c th c hi n mà không c n b t kì tham kh o nào n cái x y ra bên trong các sao. Theo v t lí c i n, hai h t có cùng d u i n tích s y nhau, như th chúng d i nhau ra vì nh n ra “mùi hôi” c a nhau. Theo c i n, xác su t hai h t mang i n dương l i r t g n nhau là b ng không. Nhưng, m t s i u không th x y ra trong v t lí c i n l i có th x y ra trong th gi i th c t ư c mô t c p vi mô b ng cơ h c lư ng t . Vào năm 1928, George Gamow, nhà v t lí lí thuy t l n ngư i Nga-Mĩ, ưa ra m t công th c cơ lư ng t mang l i xác su t khác không cho hai h t tích i n vư t qua l c y tĩnh i n l n nhau c a chúng và ti n l i r t g n nhau. Xác su t cơ lư ng t này ngày nay ư c g i ph bi n là “h s Gamow”. Nó ư c s d ng r ng rãi gi i thích t c o ư c c a nh ng phân rã phóng x nh t nh. Trong th p niên ó sau nghiên c u l ch s c a Gamow, Atkinson và Houtermans và sau ó là Gamow và Teller ã s d ng h s Gamow ưa ra t c các ph n ng h t nhân s ti n tri n nh ng nhi t cao ư c tin là t n t i bên trong các sao. H s Gamow c n thi t ưc tính m c thư ng xuyên mà hai h t nhân có cùng d u i n tích ti n l i g n nhau hp nh t và t ó phát sinh ra năng lư ng theo công th c c a Einstein gi a kh i lư ng th a và năng lư ng gi i phóng. Vào năm 1938, C.F. von Weizsäcker ã ti n g n t i vi c gi i bài toán m t s ngôi sao t a sáng như th nào. Ông phát hi n ra m t chu trình h t nhân, ngày nay g i là chu trình carbon- nitrogen-oxygen (CNO), trong ó h t nhân hydrogen có th t cháy s d ng carbon làm xúc tác. Tuy nhiên, von Weizsäcker ã không nghiên c u t c năng lư ng ư c t o ra trong m t ngôi sao b ng chu trình CNO và ông cũng không nghiên c u s ph thu c quan tr ng vào nhi t sao. Tháng 4 năm 1938, h u như sân kh u khoa h c ã c tình d n s n cho s xu t hi n c a Hans Bethe, m t chuyên gia ư c công nh n trong lĩnh v c v t lí h t nhân. Giáo sư Bethe v a m i hoàn thành m t t p kinh i n ba bài báo, trong ó ông xét l i và phân tích t t c nh ng i u ã bi t khi ó v v t lí h t nhân. Nh ng nghiên c u này ư c các ng nghi p c a ông g i là “thánh kinh Bethe”. Gamow ã tri u t p m t h i ngh nh c a các nhà v t lí và thiên văn v t lí © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 39
th ô Washington bàn v tình tr ng hi u bi t, và nh ng v n chưa ư c gi i quy t, v k t c u bên trong c a các ngôi sao. Chu trình CNO. i v i nh ng ngôi sao n ng hơn m t tr i, các mô hình lí thuy t ch ra r ng chu trình CNO c a s nhi t h ch h t nhân là ngu n g c ch o c a s s n sinh năng lư ng. Chu trình mang l i s h p nh t c a b n h t nhân hydrogen (1H, proton) thành m t h t nhân helium (4H, h t alpha), cung c p năng lư ng cho ngôi sao phù h p v i phương trình c a Einstein. Carbon bình thư ng, 12C, óng vai trò xúc tác trong b ph n ng này và ư c tái sinh tr l i. Ch có các neutrino (ν) năng lư ng tương i th p ư c t o ra trong chu trình này. Trong ti n trình sáu tháng sau ó hay ng n y th i gian, Bethe ã i t i nh ng quá trình h t nhân cơ b n mà qua ó hydrogen b t cháy (h p nh t) thành helium trong lõi sao. Hydrogen là thành ph n d i dào nh t c a m t tr i và các sao tương t , và th t ra là thành ph n d i dào nh t trong vũ tr . Bethe ã mô t các k t qu tính toán c a ông trong m t bài báo t a là “S s n sinh năng lư ng trong các sao”, ó là m t bài báo áng s khi c. Ông ã h ng hách phân tích các kh năng khác nhau cho các ph n ng t cháy h t nhân và ch n ra quan tr ng nh t hai quá trình mà ngày nay chúng ta tin là nguyên nhân cho m t tr i t a sáng. M t quá trình, g i là chu i p-p, t o ra helium t hydrogen và là ngu n năng lư ng át tr i trong các sao gi ng như m t tr i và các sao kh i lư ng nh hơn. 40 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
Chu i ph n ng p-p. Trong các mô hình lí thuy t c a m t tr i, chu i ph n ng h t nhân p-p minh h a ây là ngu n g c át tr i c a s s n sinh năng lư ng. M i ph n ng ư c t tên theo con s góc trên bên trái khung ch a nó. Trong ph n ng 1, hai h t nhân hydrogen (1H, proton) h p nh t, t o ra m t h t nhân hydrogen n ng (2H, deuteron). ây là cách t cháy h t nhân bình thư ng b t u trong m t tr i. Trong nh ng tình hu ng hi m, quá trình b t u b ng ph n ng 2. Các deuteron t o ra trong ph n ng 1 và 2 h p nh t v i proton t o ra m t nguyên t nh thu c helium (3He). T i ch này, chu i p-p chia làm ba nhánh, có t n su t tương i ươc ch rõ trong hình. K t qu t ng h p c a chu i này là s h p nh t c a b n proton thành m t h t nhân helium bình thư ng (4He) v i năng lư ng gi i phóng trong ngôi sao tuân theo công th c Einstein. Các h t g i là neutrino (ν) ư c phát ra trong nh ng quá trình h p nhân này. Năng lư ng c a chúng ư c ch ra trong hình theo ơn v tri u electron-volt (MeV). Các ph n ng 2 và 4 không ư c Hans Bethe bàn t i. Chu trình CNO, quá trình th hai cũng ư c xem xét b i von Weizsäcker, là quan tr ng nh t trong nh ng ngôi sao n ng hơn m t tr i. Bethe ã s d ng k t qu c a ông ư c tính nhi t t i tâm c a m t tr i và thu ư c m t giá tr trong ph m vi 20% cái hi n nay chúng ta tin là giá tr chính xác (16 tri u Kelvin). Hơn n a, ông ch ra r ng cách tính c a ông mang l i m t m i quan h gi a kh i lư ng sao và sáng sao phù h p th a áng v i các quan sát thiên văn s n có. Trong hai th p k u sau khi k t thúc Th chi n th hai, nhi u chi ti t quan tr ng ã ư c b sung vào lí thuy t t cháy h t nhân trong các sao c a Bethe. Các nhà v t lí và thiên văn v t lí n i ti ng, nh t là A.G.W. Cameron, W.A. Fowler, F. Hoyle, E.E. Salpeter, M. Schwarzschild, và các ng s th c nghi m c a h , hăm h quay tr l i v i câu h i các ngôi sao © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 41
gi ng như m t tr i phát ra năng lư ng như th nào. T nghiên c u c a Bethe, câu tr l i ã rõ v nguyên t c: m t tr i t o ra năng lư ng mà nó phát ra b ng s t cháy hydrogen. Theo lí thuy t này, bên trong m t tr i là m t lo i bom nhi t h ch i u khi n ư c quy mô kh ng l . Lí thuy t ó ưa n s tính toán thành công sáng quan sát th y các ngôi sao tương t như m t tr i và mang l i cơ s cho s hi u bi t hi n nay c a chúng ta v cách th c các ngôi sao t a sáng và ti n hóa theo th i gian. Ý tư ng s h p nh t h t nhân c p ngu n cho các ngôi sao là m t trong nh ng c t tr c a thiên văn h c hi n i và ư c các nhà khoa h c s d ng u n trong gi i thích các quan sát sao và thiên hà. W.A. Fowler, t c Willy như tên ông thư ng t g i, lãnh o m t i các ng nghi p t i Phòng thí nghi m Caltech Kellogg c a ông và các nhà v t lí y sáng t o trên kh p th gi i ã o hay tính các chi ti t quan tr ng nh t c a chu i p-p và chu trình CNO. Có nhi u vi c làm và các thí nghi m và phép tính th t là khó. Nhưng, công vi c ã ư c th c hi n vì vi c tìm hi u các chi ti t c a s s n sinh năng lư ng m t tr i quá h p d n. a s các c g ng c a Fowler và các ng nghi p c a ông (M. Burbidge, G.R. Burbidge, F. Hoyle và A.G.W Cameron) s m l ch hư ng sang bài toán làm th nào các nguyên t n ng, chúng c n thi t cho s s ng, ư c t o ra trong các sao. Ki m nghi m gi thuy t t cháy h t nhân Các ti n b khoa h c là k t qu c a s xung t gi a lí thuy t và th c nghi m, gi a s suy oán và o lư ng. Eddington, cũng trong bài gi ng mà trong ó l n u tiên ông bàn v s t cháy c a h t nhân hydrogen trong các sao, nh n xét: Tôi cho r ng các nhà toán h c ng d ng có lí thuy t ch qua m t l n ki m nghi m v n c n ki m tra nghiêm ng t hơn n a b ng quan sát không th c m th y hài lòng, ch ng nói là chán n n. – L i h ng n a r i! L n này tôi hi v ng tìm th y m t s mâu thu n s soi ánh sáng lên các i m nơi mô hình c a tôi có th ư c c i ti n”. Li u có phương pháp nào ki m tra lí thuy t m t tr i t a sáng vì r t sâu trong lòng c a nó, hydrogen b t cháy thành helium ? Tho t nghĩ, th t không th nào th c hi n m t phép ki m tra tr c ti p gi thuy t t cháy h t nhân. Ánh sáng m t kho ng 10 tri u năm thoát ra t tâm m t tr i lên b m t và khi cu i cùng nó xu t hi n trong vùng ngoài cùng, ánh sáng ch y u cho chúng ta bi t nh ng i u ki n trong các vùng ngoài ó. Tuy nhiên, có m t cách “nhìn” vào bên trong m t tr i v i neutrino, các h t kì l ư c phát hi n trong khi ngư i ta ang c g ng tìm hi u m t bí n khác. Khám phá, xác nh n và b t ng Neutrino là m t h t h nguyên t tương tác y u v i v t ch t và truy n i t c v cơ b n là t c ánh sáng. Neutrino ư c t o ra trong các sao khi h t nhân hydrogen t cháy thành h t nhân helium; neutrino cũng ư c t o ra trên trái t trong các máy gia t c h t, trong các lò ph n ng h t nhân, và trong s phóng x t nhiên. D a trên công trình c a Hans Bethe và các 42 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
ng s c a ông, chúng ta tin r ng quá trình mà các sao gi ng như m t tr i s n sinh ra năng lư ng có th kí hi u b ng quan h sau: 41H → 4He + 2e+ + 2νe + năng lư ng (1) trong ó b n h t nhân hydrogen (1H, proton) t cháy thành m t h t nhân helium (4He, h t alpha) c ng v i hai electron dương (e+) và hai neutrino (ν) c ng v i năng lư ng. Quá trình này gi i phóng năng lư ng cho ngôi sao vì, như Aston ch rõ, b n nguyên t hydrogen n ng hơn m t nguyên t helium. T p h p các ph n ng h t nhân tương t cung c p năng lư ng c a b c x m t tr i cũng t o ra neutrino có th tìm ra trong phòng thí nghi m. Hình c t c a m t tr i. Các c i m thư ng ư c các nhà thiên văn nghiên c u v i kính thiên văn thông thư ng ư c kí hi u bên ngoài, ví d như v t en m t tr i và tai l a. Neutrino cho phép chúng ta nhìn sâu vào bên trong m t tr i, vào nhân m t tr i nơi x y ra s t cháy h t nhân. Vì tương tác y u c a chúng, nên neutrino khó b phát hi n. Khó là khó như th nào ? M t neutrino m t tr i i qua toàn b trái t có chưa t i m t trong m t nghìn t cơ h i b v t ch t a c u làm d ng l i. Theo lí thuy t chu n, kho ng 100 t neutrino m t tr i cơ th b n m i giây và b n không chú ý t i chúng. Neutrino có th truy n không b nh hư ng qua s t xa b ng v i ánh sáng có th truy n i 100 năm trong không gian tr ng r ng. Vào năm 1964, Raymond Davis Jr. và tôi ã xu t m t thí nghi m v i 100.000 galon ch t l ng s ch (perchloroethylene, ch y u ch a chlorine) có th mang l i m t phép ki m tra quan tr ng c a ý tư ng r ng các ph n ng nhi t h ch h t nhân là ngu n g c t i h u c a b c x m t tr i. Chúng tôi bi n h r ng, n u như s hi u bi t c a chúng ta v các quá trình h t nhân bên trong m t tr i là úng, thì neutrino m t tr i có th b b t t c mà Davis có th o v i m t b l n ch a y m t ch t l ng s ch. Khi neutrino tương tác v i chlorine, chúng th nh tho ng t o ra m t ng v phóng x c a argon. Davis ã v ch ra trư c ó r ng ông có th trích ra nh ng lư ng nh xíu c a argon do neutrino t o ra t nh ng lư ng l n perchloroethylene. ti n hành thí nghi m neutrino m t tr i, ông ph i th t h t s c khéo léo vì theo tính toán riêng c a tôi, s có m t vài nguyên t ư c t o ra trong m t tu n trong m t cái h kh ng l kích thư c Olympic ch a ch t l ng s ch. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 43
ng cơ chính c a chúng tôi bi n h cho thí nghi m này là s d ng neutrino : cho phép chúng ta nhìn vào bên trong c a m t ngôi sao và t ó xác nh n tr c ti p gi thuy t s n sinh năng lư ng h t nhân trong các sao. Như chúng ta s th y, Davis và tôi ã không lư ng trư c m t s trong nh ng khía c nh h p d n nh t c a xu t này. Davis ã ti n hành thí nghi m và vào năm 1968 công b nh ng k t qu u tiên. Ông o ư c ít neutrino hơn tôi d oán. Như thí nghi m và lí thuy t xác nh n, s không ăn kh p có v càng rõ ràng hơn. Các nhà khoa h c hoan h r ng neutrino ã ư c phát hi n nhưng lo l ng không bi t t i sao l i có ít neutrino hơn d oán. Cái gì ã sai ? Có ph i ki n th c c a chúng ta v cách th c m t tr i t a sáng là không úng ? Hay tôi ã ph m sai sót khi tính toán t c neutrino m t tr i b b t trong b c a Davis ? Có ph i thí nghi m ó sai ? Hay, có i u gì ã x y ra v i neutrino sau khi chúng ư c t o ra trong m t tr i ? Trong hai mươi năm sau ó, nhi u kh năng khác nhau ã ư c xác nh b i hàng trăm, và có l hàng nghìn, nhà v t lí, nhà hóa h c và nhà thiên văn h c. C thí nghi m l n tính toán lí thuy t dư ng như u úng. L i m t l n n a thí nghi m ã gi i thoát cho tư duy thu n túy. Vào năm 1986, các nhà v t lí Nh t B n, ng u là Masatoshi Koshiba và Yoji Totsuka, cùng v i các ng nghi p ngư i Mĩ c a h , Eugene Beier và Alfred Mann, ã xây d ng l i m t b kh ng l ch a nư c ư c thi t k o s n nh c a v t ch t. Các nhà thí nghi m ã làm tăng nh y c a máy dò h t c a h n m c nó có th óng vai trò là m t ài quan sát neutrino m t tr i l n dư i lòng t. M c tiêu c a h là kh o sát nguyên nhân gây ra s không ăn kh p s lư ng gi a t c tiên oán và t c o ư c trong thí nghi m chlorine. Thí nghi m m i (g i là Kamiokande) Nh t cũng phát hi n ra neutrino m t tr i. Hơn n a, thí nghi m Kamiokande xác nh n r ng t c neutrino kém hơn tiên oán b i n n v t lí chu n và các mô hình chu n c a m t tr i và xác nh n r ng các neutrino phát hi n ư c là n t m t tr i. Sau ó, các thí nghi m Nga (g i là SAGE, do V. Gavrin ch o), Italy (GALLEX và sau này là GNO, tương ng do T. Kirsten và E. Bolotti ch o), m i thí nghi m có c trưng khác nhau, u quan sát th y neutrino n t bên trong m t tr i. Trong m i máy dò h t, s lư ng neutrino quan sát th y th p hơn m t chút so v i lí thuy t chu n tiên oán. T t c nh ng k t qu thí nghi m này có ý nghĩa gì ? Neutrino t o ra trong tâm c a m t tr i ã ư c phát hi n ra trong năm thí nghi m. Vi c phát hi n c a chúng cho th y tr c ti p r ng ngu n g c c a năng lư ng mà m t tr i phát ra là s h p nh t c a các h t nhân hydrogen bên trong m t tr i. Cu c tranh lu n th k 19 gi a các nhà v t lí lí thuy t, các nhà a ch t, và các nhà sinh v t h c ã ư c dàn x p theo kinh nghi m. T m t b i c nh thiên văn h c, s ăn kh p gi a quan sát neutrino và lí thuy t là t t. Năng lư ng quan sát th y c a neutrino m t tr i phù h p v i giá tr do lí thuy t tiên oán. T c 44 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
neutrino b phát hi n kém hơn tiên oán nhưng không nhi u l m. T c neutrino n trái t như tiên oán kho ng ch ng ph thu c vào lũy th a 25 c a nhi t t i tâm c a m t tr i, T x T x T x …. T (25 th a s nhi t T). S ăn kh p thu ư c (phù h p trong h s ba) cho th y chúng ta ã o theo l i kinh nghi m nhi t t i tâm c a m t tr i v i chính xác vài ph n trăm. Nhân th , n u ai ó nói v i tôi vào năm 1964 r ng s lư ng neutrino quan sát th y n t m t tr i s trong vòng h s ba c a giá tr tiên oán, tôi s th t ng c nhiên và r t thích thú. Th t ra, s phù h p gi a các quan sát thiên văn bình thư ng (s d ng ánh sáng ch không ph i neutrino) và các tính toán lí thuy t c a các c i m m t tr i thì chính xác hơn nhi u. Vi c nghiên c u c u trúc bên trong c a m t tr i s d ng i tư ng tương ương m t tr i c a a ch n h c a c u (t c là quan sát các dao ng m t tr i) cho th y các tiên oán c a mô hình m t tr i chu n cho nhi t c a vùng tâm m t tr i phù h p v i n chính xác ít nh t là 0,1%. Trong mô hình chu n này, tu i hi n nay c a m t tr i là năm t năm, phù h p v i ư c tính t i thi u tu i c a m t tr i do các nhà a ch t và sinh v t h c th k 19 th c hi n (m t vài trăm tri u năm). Cho r ng mô hình lí thuy t c a m t tr i mô t các quan sát thiên văn là chính xác, v y có th gi i thích ra sao s không ăn kh p b i h s hai ho c ba gi a t c neutrino m t tr i o ư c và tiên oán ? N n v t lí m i Các nhà v t lí và các nhà thiên văn h c m t l n n a bu c ph i xem xét l i các lí thuy t c a h . L n này, s b t ng không ph i gi a nh ng ư c tính khác nhau v tu i c a m t tr i, mà là gi a các tiên oán d a trên m t lí thuy t ư c ch p nh n r ng rãi và các phép o tr c ti p v các h t t o ra b i s t cháy h t nhân bên trong m t tr i. Tình hu ng này th nh tho ng ư c g i là Bí n Neutrino còn thi u hay, trong ngôn ng nghe có v khoa h c hơn, Bài toán Neutrino M t tr i. Ngay t năm 1969, hai nhà khoa h c làm vi c Nga, Bruno Pontecorvo và Vladimir Gribov, ã xu t r ng s b t ng gi a lí thuy t chu n và thí nghi m neutrino m t tr i u tiên có th do s không tương x ng trong mô t sách v c a n n v t lí h t, ch không ph i trong mô hình m t tr i chu n. (Nhân th , Pontecorvo là ngư i u tiên xư ng s d ng máy dò h t chlorine nghiên c u neutrino) Gribov và Pontecorvo cho r ng neutrino thoát ra t m t s l n x n a tính cách, r ng chúng dao ng t i lui gi a các tr ng thái, hay lo i, khác nhau. Theo xu t c a Gribov và Pontecorvo, neutrino t o ra trong m t tr i d ng h n h p c a các tr ng thái khác nhau, m t lo i phân chia tính cách. T ng tr ng thái có kh i lư ng nh , khác nhau, ch không ph i có kh i lư ng b ng không như lí thuy t h t chu n gán cho chúng. Khi chúng truy n t m t tr i t i trái t, các neutrino dao ng gi a tr ng thái neutrino d phát hi n và tr ng thái neutrino khó phát hi n. Thí nghi m chlorine ch phát hi n các neutrino tr ng thái d phát hi n. N u như nhi u neutrino n trái t tr ng thái khó quan sát, thì chúng không ư c m. C như th m t s hay nhi u neutrino ã bi n m t, nó có th gi i thích bí n nhìn th y c a neutrino còn thi u. © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 45
Xây d ng trên ý tư ng này, Lincoln Wolfenstein vào năm 1978 và Stanislav Mikheyev và Alexei Smirnov vào năm 1985 ã ch ra r ng nh hư ng c a v t ch t lên neutrino chuy n ng qua m t tr i có th làm tăng xác su t dao ng c a neutrino n u như T nhiên ch n cho chúng kh i lư ng trong m t ngư ng nh t nh. Neutrino cũng ư c t o ra b i va ch m c a các h t tia vũ tr v i các h t khác trong b u khí quy n trái t. Vào năm 1998, i các nhà th c nghi m Super-Kamiokande loan báo r ng h ã quan sát th y các dao ng trong s các neutrino khí quy n. K t qu này mang l i s ng h gián ti p cho xu t lí thuy t r ng neutrino m t tr i dao ng gi a các tr ng thái khác nhau. Nhi u nhà khoa h c làm vi c trong lĩnh v c neutrino m t tr i tin r ng, nhìn ngư c l i phía sau, chúng ta ã có b ng ch ng cho các dao ng neutrino m t tr i k t năm 1968. Nhưng, cho n nay chúng ta không bi t nguyên nhân gì ã gây ra s l n x n a tính cách c a các neutrino m t tr i. Câu tr l i cho câu h i này có th mang l i m t manh m i cho n n v t lí ngoài các mô hình chu n hi n nay c a các h t h nguyên t . Có ph i s thay i nhân d ng x y ra trong khi các neutrino truy n t m t tr i n trái t, như trư c y Gribov và Pontecorvo ã xu t ? Hay có ph i v t ch t ã làm cho neutrino m t tr i b “gi t mình” ? Các thí nghi m ang tri n khai Canada, Italy (ba thí nghi m), Nh t B n (hai thí nghi m), Nga, và Mĩ ang n l c xác nh nguyên nhân c a các dao ng c a neutrino m t tr i, b ng cách tìm xem chúng n ng bao nhiêu và chúng chuy n hóa như th nào t d ng này sang d ng khác. Kh i lư ng neutrino khác không có th mang l i m t manh m i cho m t th gi i n nay chưa ư c khám phá c a lí thuy t v t lí. T nhiên: S bí n tuy t v i T nhiên ã vi t ra m t bí n tuy t v i. Câu chuy n ti p t c bi n i và nh ng manh m i quan tr ng nh t n t nh ng nghiên c u dư ng như ch ng liên quan gì v i nhau. Nh ng s bi n i t ng t và y k ch tính này c a b i c nh khoa h c hình như là cách th c c a T nhiên hé m d n s th ng nh t c a t t c các khoa h c cơ b n. Bí n b t u vào gi a th k 19 v i câu h i hóc búa: M t tr i chi u sáng như th nào ? H u như ngay t c thì, câu chuy n ã chuy n sang câu h i v m c nhanh mà s ch n l c t nhiên x y ra và t c mà s hình thành a ch t ư c t o ra. N n v t lí lí thuy t t t nh t c a th k 19 ã cho câu tr l i sai cho t t c nh ng câu h i này. D u hi u u tiên c a câu tr l i chính xác n, vào lúc s p h t th k 19, t vi c khám phá ra s phóng x v i nh ng t m phim b làm en b t ng . Hư ng nghiên c u úng tìm ki m l i gi i chi ti t ã hé m b i khám phá năm 1905 c a thuy t tương i c bi t, b i phép o năm 1920 v kh i lư ng h t nhân c a hydrogen và helium, và b i l i gi i thích cơ lư ng t năm 1928 r ng làm th nào các h t tích i n ti n l i r t g n nhau. Các nghiên c u quan tr ng này không có liên h tr c ti p v i các nghiên c u sao. Vào gi a th k 20, các nhà v t lí h t nhân và các nhà thiên văn v t lí có tính toán trên lí thuy t t c t cháy h t nhân bên trong các ngôi sao gi ng như m t tr i. Nhưng, ngay khi 46 Nh ng bài báo v t lí hay – T p 1 | © hiepkhachquay
chúng ta nghĩ chúng ta ã hi u ư c T nhiên, các thí nghi m cho th y có ít neutrino m t tr i ươc quan sát th y trên trái t hơn s lư ng tiên oán b i lí thuy t chu n v cách th c các ngôi sao t a sáng và các h t h nguyên t hành x như th nào. Vào u th k 21, chúng ta ã h c ư c r ng neutrino m t tr i không ch cho chúng ta bi t v bên trong c a m t tr i, mà còn cho bi t ôi i u v b n ch t c a neutrino. Không ai bi t các thí nghi m neutrino m t tr i m i hi n ang tri n khai hay ang lên k ho ch s hé m nh ng i u b t ng gì n a. S phong phú và hóm h nh mà v i nó T nhiên ã vi t nên bí n c a mình, trong m t th ngôn ng qu c t có th ư c c b i nh ng ngư i ham hi u bi t thu c m i qu c gia, th t p, th t áng s , và th t khiêm t n. Nguyên b n: How the Sun Shines (nobelprize.org) hiepkhachquay d ch An Minh, Xuân M u Tý 2008 04/02/2008, 22:13:39 © hiepkhachquay | http://www.thuvienvatly.com 47