Tổng quan về năng lượng, cấu trúc, vật chất & phản vật chất qua ví dụ đơn giản xung quanh

Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn có cái nhìn sâu hơn về năng lượng, cấu trúc & vật chất của vũ trụ qua ví dụ đơn giản xung quanh.

Bài viết được mình dịch lại và làm cho nó dễ hiểu hơn chút từ một bài viết trên American Physical Society, tách ra làm 4 phần cho dễ hiểu, đây là phần 1. Nếu yêu thích vật lý hay tò mò về vật lý hiện đại thì bạn nên đọc.

 

Ví dụ từ sóng đến trạng thái năng lượng

Tưởng tượng bạn đang ở cạnh một hồ nước tĩnh lặng, không gió, mặt hồ phẳng như gương, tất cả mặt nước ở cùng độ cao, cùng thế năng trong trường hấp dẫn của Trái Đất. Mặt nước đang ở trạng thái năng lượng nhỏ nhất, gọi là trạng thái cân bằng.

Tưởng tượng tiếp, bạn chạm tay nhẹ xuống mặt nước và thấy gợn sóng lan ra trên mặt hồ. Như tất cả các loại sóng khác, đây là ví dụ thể hiện năng lượng ở mức trung bình, như sóng âm thanh trong không khí hay gợn sóng bạn vừa tạo ra trên mặt hồ
Từ cú chạm của bạn lên mặt hồ, một lượng nước trên mặt hồ có thể năng cao hơn mức cân bằng, một số có thế năng thấp hơn, tổng lượng nước trong hồ không thay đổi, mỗi đỉnh sóng sẽ gắn với một vùng trũng. Năng lượng được thể hiện dưới hình khối của nước, thay thế cho trạng thái cân bằng.

Ví dụ này khá đơn giản, dễ hiểu, nhưng nó cho thấy khá rõ về quy luật của tất cả các loại sóng khác, như ánh sáng và âm thanh. Nếu bạn chạm nhẹ tay xuống mặt hồ, không truyền nhiều năng lượng đáng kể, bạn sẽ tạo nên những đợt sóng với bước sóng dài (khoảng cách giữa hai đỉnh dài). Chạm thật nhanh và mạnh xuống mặt hồ, bạn sẽ tạo ra sóng với bước sóng ngắn hơn, năng lượng cao hơn. Hai con sóng này, dù độ dài bước sóng như thế nào, cũng lan tỏa với tốc độ bằng nhau - tương tự như ánh sáng, luôn đến điểm cần đến trong cùng một khoảng thời gian giống nhau, dù ở mức năng lượng như thế nào.

Điều thứ hai rút ra ở ví dụ này, nhìn vào mặt hồ, mặt hồ ở trạng thái cân bằng, phẳng lặng, ở trạng thái năng lượng thấp nhất, nó có diện tích mặt phẳng thấp nhất. Một con bọ nước có thể di chuyển trên mặt nước này, nó sẽ di chuyển với con đường ngắn nhất. Khi có sóng, con bọ nước sẽ phải di chuyển với quãng đường xa hơn, vì nó phải di chuyển lên và xuống, thay vì chỉ phải di chuyển theo đường thẳng sang ngang. Mặt hồ vẫn là không gian hai chiều, con bọ nước có thể di chuyển khắp mặt hồ chỉ cần di chuyển trái, phải, tiến và lùi. Nhưng đây đã là ràng buộc giữa hai thực thể ba chiều, nên hoàn toàn có thể định hình ví dụ ở không gian ba chiều, thay đổi tính chất hai chiều vốn có của sự việc.

Đó là ví dụ mô tả về những hiện tượng như sóng điện từ hay sóng hấp dẫn. Còn về vật chất? Mọi người thường nghĩ vật chất “nằm” “trong” vũ trụ, và cho rằng chúng là hai khái niệm khá tách biệt nhau. Nhưng chúng ta rất quen thuộc với công thức của Enstein: E=mc2, năng lượng và vật chất, ở mức độ nào đó, là một.

Một trong những phá hiện ấn tượng nhất của vật lý là ánh sáng có thể biến thành vật chất, bắn hai hạt photon vào nhau, bạn sẽ tạo ra một electron và một positron (phản hạt của electron) . Khi vật chất gặp phản vật chất, chúng sẽ tự hủy, tạo ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ (electron và positron sẽ tạo ra 2 photon). Vậy điều gì tạo ra sự khác nhau giữa hai trạng thái này? Tại sao sóng giữ nguyên chuyển động cố định, còn vật chất và phản vật chất có thể - ít nhất thì khi kích thước đủ lớn – có thể đứng yên?
Đó là do cấu trúc.

 

Ví dụ từ xoáy nước đến trạng thái năng lượng

Nếu bạn đi thuyền, khi chèo thuyền, hoặc khi bạn lấy tay gạt một lượng lớn nước sang nơi khác, nước từ bên cạnh di chuyển đề bù lượng nước cho vùng vừa bị mất nước, bạn có thể thấy những xoáy nước nhỏ được tạo ra. Xoáy nước tạo thành một vùng hụt nhỏ, nước chuyển động xung quanh thành một vòng xoáy.

xoay-nuoc.jpg

Hình ảnh xoáy nước

Như đã đề cập từ trước, nhìn bề bặt nước có thể xác định được mức năng lượng có trong đó, xoáy nước cũng là một cách tăng diện tích bề mặt hồ nước và phá vỡ cấu trúc nước khỏi vị trí cân bằng. Cũng như ví dụ đó, lượng nước trong hồ vẫn giữ nguyên, và cũng như ví dụ về sóng đó, năng lượng thể hiện trên bề mặt hồ, nhưng ở ví dụ này, nó đứng yên.

Tất nhiên nước trong xoáy nước vẫn xoáy không ngừng, nó không thực sự đứng yên. Nhưng nhìn từ bên ngoài, xoáy nước không di chuyển.

 

Từ xoáy nước đến vật chất và phản vật chất

 

Tại sao hai hạt điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, trái dấu thì hút nhau? 

Tại sao vật chất gặp phản vật chất thì tự tiêu biến? 

Tại sao phản ứng hợp hạch lại cần nhiều năng lượng đến thế, tại sao hạt điện tích cùng dấu tuy đẩy nhau nhưng có thể liên kết rất mạnh với nhau trong hạt nhân nguyên tử... ?

 

Khi chơi quay, hai con quay cùng chiều cạnh nhau, bất kể khi nào, ở đâu, khi chạm nhau, hai con quay này sẽ đối phá nhau. Khi hai con quay quay cùng chiều, ở vị trí tiếp xúc của nó, luôn ngược nhau.

Xoáy nước cũng vậy, hai xoáy nước cùng chiều sẽ đối nghịch nhau. Đó là một hiện tượng tương tự, cầu nối với hiện tượng rất cơ bản của vũ trụ: điện tích. Hai xoáy nước cùng chiều, cũng như hai hạt có điện tích cùng dấu, đẩy nhau. Nếu photon là sóng trong trường điện từ, electron sẽ giống như xoáy nước.

Ví dụ về xoáy nước còn có thể diễn giải sâu hơn để nhìn nhận vấn đề sâu hơn của lượng tử - tính chất của proton và tương tác mạnh trong hạt nhân nguyên tử

Proton, cũng như các hạt mang điện tích khác, đẩy các hạt cùng điện tích. Nhưng tại sao ở trong hạt nhân nguyên tử, chúng lại tồn tại cùng nhau với lực liên kết vô cùng mạnh?

Tại sao chúng đẩy nhau, rồi lại liên kết với nhau ở một quy mô khác?

Trở về ví dụ hai xoáy nước, khi hai xoáy nước chạm nhau, chúng bắt đầu đẩy nhau. Dòng chảy đối nghịch với nhau ở các điểm tiếp xúc, chúng đánh nhau, chống đối nhau. Nhưng đưa chúng lại gần hơn nữa, cho đến khi chúng ngừng đánh nhau, chúng bắt đầu chồng lên nhau và xoáy cùng nhau, dòng chảy trở nên thuận chiều với nhau và hợp thành một.

Tưởng tượng rằng hai xoáy nước va chạm nhau, hai xoáy nước xoay cùng chiều, nhưng bị ép lại với nhau với một dòng nước khác mạnh hơn, đủ mạnh để thắng sức quay của xoáy nước. Cũng giống như proton, xoáy nước đẩy nhau cho đến khi khoảng cách giữa chúng rất nhỏ so với kích thước của chúng, chúng sẽ hợp lại thành một xoáy nước lớn hơn.

Quá trình này cũng giống với quá trình tạo một hạt nhân lớn hơn trong phản ứng nhiệt hạch. Chỉ khác rằng trong thực tế, một cặp proton thì không bền vững. Khi một cặp proton gắn kết với nhau, một trong hai sẽ nhanh chóng chuyển thành neutron, tạo thành một hạt nhân deuteri (Hydro nặng) và phóng ra năng lượng điện tích dương dưới dạng một positron (phản hạt của electron)
Đấy là 2 xoáy nước cùng chiều. Hai xoáy nước ngược chiều thì sao?

 

Phản vật chất

vat-chat-va-phan-vat-chat.jpg

Khi vật chất gặp phản vật chất, chúng sẽ tự hủy lẫn nhau

Vật chất nào cũng có phản vật chất, cùng khối lượng nhưng ngược về điện tích. Ngược điện tích với electron thì có positron, với proton có phản hạt proton (anti-proton). Bạn có thể quy đổi từ ánh sáng ra vật chất trong phòng thí nghiệm bằng công thức E=mc2, tính được năng lượng điện từ cần thiết để tạo ra vật chất với khối lượng m – nhưng trong thực tế, bạn luôn cần gấp đôi từng đó, vì không có vật chất nào tồn tại mà thiếu đi phản vật chất của nó. Điều này cũng đặt ra một trong những bí ẩn lớn nhất trong giới vật lý hiện đại, nếu chúng ta được tạo ra từ vật chất, vậy thì phản vật chất của chúng ta ở đâu?

Gạt vấn đề đó sang một bên, điều quan trọng ở đây là cả vật chất và phản vật chất đều có thể được tạo ra từ năng lượng thuần khiết như photon, nhưng khi hạt gặp phản hạt, chúng sẽ tiêu hủy lẫn nhau và trở lại thành photon.

Trở lại với xoáy nước. Khi hai xoáy nước xoay ngược chiều, khi tiếp xúc, dòng nước tại điểm tiếp xúc quay cùng chiều với nhau, tương trợ nhau, tạo ra sự hút lẫn nhau – tương tự như hai hạt ngược điện tích, như electron và positron. Nhưng khi hai xoáy nước đến gần nhau hơn và hợp làm một, chúng sẽ hủy lẫn nhau, chiều dòng nước trở nên đối nghịch nhau và dừng dòng xoáy lại, xoáy nước sẽ biến mất.

Năng lượng của xoáy nước không mất đi, khi nước lấp đầy trở lại vị trí xoáy nước, đưa mặt nước trở lại trạng thái cân bằng, năng lượng tỏa đi theo dạng sóng ra nơi khác, giống như vật chất gặp phản vật chất, chúng tự hủy và lan tỏa năng lượng đi dưới dạng photon.

Tags: 
vật lý