Cuộc sống của chúng ta là một cấp độ sống, nhưng vẫn còn các cấp độ sống khác.
Các cấp độ không nhìn thấy được này hiện hữu khắp nơi.
Ở những nơi xa xôi cách chúng ta nhiều năm ánh sáng.
Ở ngay dưới chân chúng ta.
Và kể cả ở trong chính tôi và các bạn.
Chúng ta được tạo nên từ các nguyên tử.
Số nguyên tử trong mắt bạn
nhiều hơn tất cả số sao và thiên hà trong vũ trụ mà chúng ta biết tới.
Điều này cũng đúng với mọi vật rắn
có kích cỡ lớn hơn đầu ngón tay út.
Bản thân tôi đây là một tập hợp có tên Neil Degrasse Tyson
của ba tỉ, tỉ, tỉ các nguyên tử được sắp xếp một cách phức tạp.
Các bạn cũng là các tập hợp tương tự với những cái tên khác nhau.
Chúng ta không hay nhìn nhận bản thân từ góc độ này
bởi cấp độ sống này nằm ngoài khả năng quan sát thông thường của ta.
Nhưng điều đó cũng không thể cản bước chúng ta.
Chúng ta có khả năng đào sâu thám hiểu các thế giới kì diệu ấy.
Tập 6: Thám hiểu sâu hơn nữa
Nguyên tử cho phép vật thể sở hữu những đặc tính kì lạ.
Để hiểu được nước, chúng ta cần hiểu cơ chế hoạt động của các nguyên tử nước.
Mỗi phân tử nước được cấu tạo bởi
hai nguyên tử hiđrô tí hon
gắn với một nguyên tử ôxi lớn hơn.
Đó là lí do chúng ta gọi chúng là H2O.
Nếu nước không quá nóng hoặc quá lạnh,
các phân tử này trượt và nhào lộn quanh nhau.
Giữa các phân tử này vẫn có một độ kết dính nhất định
nhưng không đủ để chúng tồn tại ở thể rắn.
Đó là nguyên tắc tạo thành các chất lỏng.
Mặt Trời làm nóng nước.
Càng có nhiều năng lượng,
các phân tử di chuyển càng nhanh.
Và đó cũng chính là bản chất của nhiệt độ.
Các phân tử này di chuyển nhanh tới mức
chúng phá vỡ sợi dây liên kết mong manh giữa chúng.
Đó là hiện tượng bốc hơi.
Bầu không khí mà chúng ta hít thở
có thành phần là các phân tử nitơ và ôxi
cùng với hơi nước và cacbon điôxít (CO2).
Tránh đường!
Đó là hiện tượng ngưng tụ.
Một giọt sương là một chiến thắng tạm thời
của hiện tượng ngưng tụ trước hiện tượng bốc hơi.
Và khi nó còn tồn tại,
giọt sương này là một vũ trụ thu nhỏ với các hành tinh,
các sinh vật và các mâu thuẫn của riêng nó.
Để khám phá vương quốc xa xôi
của giọt sương này,
chúng ta cần có một con tàu thám hiểu.
Một con tàu được chạy bởi hai động cơ...
động cơ của khoa học và của trí tưởng tượng.
Đó là một cá thể trùng đơn bào,
một trong vô số thợ săn dày dạn
trong giọt sương này.
Nhưng chính chúng cũng bị săn đuổi.
Loài Dileptus, kẻ thù không đội trời chung của loài trùng.
Nếu may mắn, con trùng có thể bắn trúng kẻ thù.
Nhưng nếu không
thì bước lùi tránh của Dileptus cũng tạo khoảng cách
giữa cá thể trùng và kẻ tấn công.
Các bạn thấy đấy.
Đó là cuộc sống trong một giọt sương.
Còn anh bạn nhỏ kia là gấu nước,
loài động vật nhỏ hơn đầu bút bi.
Đừng xem thường chúng.
Gấu nước đã sống trên hành tinh này
lâu hơn chúng ta rất nhiều.
Khoảng 500 triệu năm.
Cứ mỗi một người chúng ta
thì có tới ít nhất một tỉ cá thể gấu nước.
Chúng có thể tồn tại ở bất cứ nơi nào trên Trái Đất.
Từ đỉnh núi cao giá lạnh
cho tới chảo lửa ở các núi lửa đang phun trào
hay những miệng núi lửa nằm sâu dưới đáy biển.
Gấu nước kiên cường đến mức
chúng có thể tồn tại trong vũ trụ
mà không cần bất cứ biện pháp bảo vệ nào.
Chúng đã sống sót qua
cả 5 sự kiện tuyệt chủng hàng loạt gần đây trên hành tinh này.
Nếu nói Trái Đất là hành tinh của loài gấu nước
thì cũng không sai sự thật là mấy.
Nhưng muốn tiếp tục tìm hiểu giọt sương
thì chúng ta phải đi tiếp thôi.
Mỗi lá và đám rêu nhỏ
chứa hàng trăm nghìn
các cửa siêu nhỏ được gọi là lỗ khí.
Các lỗ này giúp cây hô hấp,
lấy CO2
và thải ra ôxi cần thiết cho sự sống.
Thực vật có thể tồn tại mà không cần tới chúng ta.
Nhưng chúng ta và các loài động vật khác...
không thể sống thiếu chúng.
Thực vật lấy chất dinh dưỡng từ ánh sáng mặt trời.
Động vật như chúng ta không có khả năng này.
Để tìm hiểu cơ chế này,
chúng ta cần thám hiểu sâu hơn nữa,
thu nhỏ mình khoảng 1.000 lần
để vào được hang chứa kho báu,
nơi thực vật bảo quản món đồ quí giá...
diệp lục.
Diệp lục là phân tử
biến đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng.
Mỗi hình chữ nhật này là một tế bào thực vật.
Và các cỗ xe tí hon màu xanh lá cây này
là các nhà máy năng lượng của chúng.
Nếu chúng ta tìm ra bí mật thương mại của chúng,
chúng ta có thể mở đường cho một cuộc cách mạng công nghiệp mới.
Nhưng nếu muốn quan sát chúng,
chúng ta lại phải thám hiểm sâu hơn nữa.
Thế giới kì lạ mà con tàu của trí tưởng tượng
đã đưa chúng ta tới này là đâu?
Đó là vũ trụ...
trong một giọt sương.
Chúng ta đang tiến hành một nhiệm vụ tình báo công nghiệp.
Nếu chúng ta có thể tìm ra bí mật thương mại
của qui trình sản xuất trong lục lạp,
thì tương lai của chúng ta sẽ được bảo đảm.
Lục lạp này đang sử dụng ánh sáng mặt trời
để tách phân tử nước
thành các nguyên tử hiđrô và ôxi.
Sau đó, nó kết hợp hiđrô với CO2
tạo ra sản phẩm là đường,
đồng thời tạo ra chất thải là ôxi.
Để theo dõi quá trình này, chúng ta lại phải thám hiểu sâu hơn nữa,
thu nhỏ bản thân thêm nữa.
Tới mức nguyên tử.
Đây rồi.
Dây chuyền này là trái tim
của mô hình công nghiệp phân tử.
Ở cấp độ phân tử,
mọi việc diễn ra quá nhanh để chúng ta quan sát.
Do đó, chúng ta sẽ phải tua chậm chúng
khoảng một tỉ lần.
Các phân tử lớn hơn này là CO2.
Mỗi số trong số chúng được tạo thành bởi
một nguyên tử các-bon và hai nguyên tử ôxi.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào một phân tử diệp lục xanh lá cây,
nó kích hoạt một chuỗi phản ứng hóa học
phân tách các phân tử nước
và giải phóng các electron mang năng lượng.
Nhưng đó chỉ là ca làm việc ban ngày,
khi có ánh sáng mặt trời là nguồn cung năng lượng.
Còn một ca nữa làm việc cả đêm lẫn ngày
sử dụng ánh sáng mặt trời được dự trữ.
Năng lượng của các electron tự do được đưa vào sử dụng
để kết hợp các nguyên tử CO2 và hiđrô từ nước.
Sản phẩm cuối cùng là đường. Sản phẩm này lưu trữ năng lượng mặt trời.
Lục lạp là một cơ quan thu trữ năng lượng mặt tời
đã ba tỉ năm tuổi.
Cục pin năng lượng mặt trời siêu nhỏ này
cung cấp năng lượng hoạt động cho các khu rừng và cánh đồng,
cho các động vật phù du ở biển,
và cho các loài động vật,
bao gồm cả chính chúng ta.
Sinh quyển chạy bằng năng lượng Mặt Trời này
thu thập và sản xuất số năng lượng
nhiều gấp sáu lần xã hội văn minh loài người.
Xét về mặt hóa học, chúng ta đã hiểu được
qui trình quang hợp.
Chúng ta có thể tái tạo quá trình này trong phòng thí nghiệm,
nhưng không thể hiệu quả như các loài thực vật.
Điều này cũng không có gì ngạc nhiên
bởi tự nhiên đã làm điều này hàng tỉ năm
trong khi chúng ta mới bắt tay vào nghiên cứu.
Nhưng nếu chúng ta tìm ra
bí mật thương mại của quá trình quang hợp,
mọi nguồn năng lượng
chúng ta phụ thuộc vào ngày nay...
than, dầu, khí tự nhiên...
sẽ là chuyện của dĩ vãng.
Quang hợp là loại năng lượng xanh tối thượng.
Nó không làm ô nhiễm không khí
và, trên thực tế, không tạo ra CO2.
Quang hợp nhân tạo trên một qui mô đủ lớn
sẽ làm giảm hiệu ứng nhà kính,
tác nhân đang làm thay đổi tiêu cực khí hậu Trái Đất.
Ồ, chỗ này đang bốc hơi rồi.
Chúng ta phải ra khỏi đây thôi.
Cuộc đời một giọt sương thật ngắn ngủi.
Sương ngưng tụ lại từ khí ẩm trong đêm
để rồi biến mất khi không khí nóng lên trong ngày.
Còn những cư dân của chúng, loài gấu nước, thì sao?
Chúng sẽ ổn thôi.
Chúng có thể sống sót nhiều năm mà không cần nước.
Nghe có vẻ khó tin
nhưng phải hàng trăm triệu năm
sau khi thực vật xuất hiện trên Trái Đất
thì mới có bông hoa đầu tiên.
Đó là khoảng 100 triệu năm trước,
một thời gian ngắn sau khi loài khủng long tuyệt chủng.
Ngày đó, hẳn khung cảnh Trái Đất rất tẻ nhạt,
phần lớn bề mặt là các mảng màu xanh lá cây và nâu.
Phải rồi, ngày đó có những cây đại thụ, các cây dương xỉ và các loài thực vật khác,
nhưng không có sắc tím của hoa diên vĩ
hay màu đỏ của một bông hồng.
Hoa lan là một trong những giống hoa đầu tiên
xuất hiện trên Trái Đất. Chúng cũng là loài đa dạng nhất.
Darwin đặc biệt hứng thú
với loài Lan sao chổi ở Madagascar.
Phấn hoa của loài này được giấu ở phần cuối
của cái cựa cực dài và mảnh của nó.
Bài đánh giá khắt khe nhất cho một ý tưởng
đánh vào khả năng dự đoán sự kiện của nó.
Dựa trên nền tảng Thuyết tiến hóa
thông qua chọn lọc tự nhiên,
Darwin dự đoán rằng
đâu đó trên đảo Madagascar, phải tồn tại một loài côn trùng biết bay
với một cái lưỡi rất dài
đủ để nó chạm tới phấn hoa.
Chưa ai từng nhìn thấy loài này
nhưng Darwin quả quyết rằng
một loài như thế phải tồn tại.
Vào thời đó, ít người tin ông.
Phải tới hơn 50 năm sau,
giả thuyết của Darwin mới được chứng minh.
Năm 1903, một loài bướm đại bàng lớn có tên Morgan's sphinx
được phát hiện ở Madagascar.
Bị mùi hoa lan sao chổi thu hút,
con bướm này hút phấn hoa bằng cái lưỡi dài hơn 30 cm của nó,
đúng như Darwin đã dự đoán.
Tuyệt vời hơn là, loài này được phát hiện
khi mà hơn 90% rừng nhiệt đới
ở Madagascar đã bị phá hủy.
Kể từ ngày Darwin đưa ra dự đoán nổi tiếng ấy,
loài này đã có thể bị tuyệt chủng
cùng với những loài khác...
mỗi loài trong số chúng là một khổ thơ độc đáo trong bài thơ của sự sống,
được viết nên bởi các nguyên tử sau bao tiến trình tiến hóa.
À, mùi tử đinh hương.
Đây là một trong những mùi
gợi cho ta nhớ lại một loạt kí ức
diễn ra vào một ngày tháng sáu cách đây lâu lắm.
Nhưng làm thế nào điều này lại xảy ra?
Tại sao một mùi lại có thể khơi dậy một thước phim chạy trong tâm trí ta?
Ta không nhìn thấy quá trình này.
Có phải nó là một sóng năng lượng giống như ánh sáng?
Hay nó là một loại hạt siêu nhỏ?
Thực tế, nó là một phân tử.
Mỗi mùi hương ta ngửi thấy, từ mùi bánh mì cháy,
cho tới mùi xăng hay mùi tử đinh hương,
là một đám các phân tử.
Các phân tử này có các hình dạng nhất định.
Khi tôi hít chúng vào,
chúng kích thích một số tế bào nhận cảm nhất định trong mũi tôi.
Sau đó, một tín hiệu điện truyền về não tôi.
Não nhận diện mùi này.
Các mùi khác được truyền đi bởi các phân tử khác
có các hình dạng khác.
Khi tôi ngửi một bông hoa, mùi khói lửa trại
hay mùi xăng dầu xe,
kí ức lại tràn về trong tôi.
Sao một thứ đơn giản như mùi một bông hoa
lại mang lại những kí ức có sức mạnh đến thế?
Điều này có liên quan đến quá trình tiến hóa của não người.
Khứu giác của chúng ta hoạt động
khi các dây thần kinh khứu giác trong não nhận được kích thích.
Dây thần kinh này nằm rất gần Hạch hạnh nhân,
bộ phận có vai trò quan trọng trong việc xử lí cảm xúc của chúng ta.
Nó cũng nằm rất gần Hồi hải mã,
cơ quan giúp hình thành kí ức.
Hệ thống dây thần kinh giúp truyền tín hiệu về mùi
từ mũi đến não đã được hoàn thiện hóa
sau hàng trăm triệu năm tiến hóa.
Đó là một công cụ sinh tồn
giúp chúng ta nhận diện nguy hiểm hay an toàn.
Nếu bạn phát hiện được loài thú săn mồi
trước khi nó tới gần bạn,
hay phát hiện cháy rừng trước khi bị mắc kẹt giữa biển lửa,
thì bạn sẽ cơ hội sống sót
và truyền lại bộ gien của mình cao hơn.
Mùi hương rất thơm của cánh đồng hoa này
kích hoạt một chuỗi tín hiệu thần kinh nhất định.
Duy chỉ chuỗi này có thể mở khóa
các kí ức về tử đinh hương trong não tôi.
Không biết hoa ấy là cho ai nhỉ?
Có lẽ chúng ta sẽ tìm hiểu sau.
Nhưng trước tiên, vẫn còn một vũ trụ tàng hình khác đang chờ chúng ta.
Các cây đang nhẹ nhàng hít thở,
hít vào các phân tử CO2
và nhả ra các phân tử ôxi.
Và tôi đang làm điều ngược lại.
Không như bông tuyết hay dấu vân tay,
các nguyên tử hay phân tử cùng loại
có cấu trúc giống hệt nhau.
Mỗi lần thở,
chúng ta hít vào một lượng phân tử nhiều bằng số sao
trong tất cả các thiên hà có thể nhìn thấy được.
Và mỗi hơi ta thở ra được truyền đi trong không khí,
dần dần pha trộn qua khắp các lục địa,
và được người khác hít thở nào.
Hãy thở cùng tôi.
Chúng ta vừa mới hít vào khoảng 100 triệu phân tử.
Các phân tử này từng đi qua phổi
của tất cả những người đã sống trước chúng ta.
Hãy nghĩ mà xem... Hình thức luân hồi nguyên tử này
là một sợi dây nữa giữa chúng ta và tổ tiên,
bao gồm cả những người đã mở đường thám hiểm
những vũ trụ tàng hình này.
Những vụ trũ này cũng thật như tôi và các bạn,
và chúng ở quanh chúng ta.
Rồi một thời điểm tới khi mà chúng ta bừng tỉnh,
và nhận thức được các quan điểm, góc nhìn mới.
Thời điểm ấy là khoảng 2.500 năm trước
ở một hòn đảo thuộc Hy Lạp
nằm giữa các đế chế phương Đông và phương Tây.
Tại đây, các thương gia, khách du lịch và thủy thủ tự do đàm thoại,
trao đổi những câu chuyện về các bậc anh quân hay các vị thần.
Ở những thành thị ở vùng Ionia như thành phố Miletus, nay là Thổ Nhĩ Kì,
những yếu tố cơ bản nhất
của cuộc sống con người xuất hiện.
Tại đây, hình thức tái hiện các mặt của cuộc sống ra đời,
được sáng tạo và thể hiện bởi những nghệ sĩ chuyên nghiệp
với mong muốn
làm xúc động lòng người,
hay khiến họ cười...
Tại đây, những vở chính kịch và hài kịch đầu tiên được biểu diễn.
Một quan điểm rất mới cũng được hình thành tại nơi này...
nhà nước của dân.
Những khái niệm đầu tiên, mà tới giờ vẫn còn chưa hoàn thiện, của dân chủ,
và quyền con người
đều được hình thành tại đây và vào thời kì này.
Nhưng theo tôi, quan điểm mang tính bước ngoặt nhất
được sinh ra ở đây là quan điểm
rằng các sự kiện tự nhiên chẳng phải là hình phạt hay phần thưởng
của các vị thần.
Các sự kiện tự nhiên có thể được giải thích
mà không cần tới thần thánh.
Người đầu tiên phát biểu quan điểm này
là một người đàn ông có tên Thales.
Khi sấm nổ hay mặt đất rung chuyển,
đó chẳng phải vì con người đã làm mất lòng
các vị thần nhiều đòi hỏi.
Không, đó là kết quả của các cơ chế tự nhiên
có thể được giải thích.
Mặc dù các cuốn sách ông viết không còn,
Thales đã nhóm lên ngọn lửa còn cháy sáng tới ngày hôm nay:
Quan điểm rằng vũ trụ không phải một mớ hỗn độn
mà tuân theo các qui luật tự nhiên
con người có thể giải thích được.
Đây là một hành trình vĩ đại xuất phát từ trí tuệ của Thales.
Chỉ một thế kỉ sau thời của Thales,
một thiên tài khác xuất hiện.
Chính ông chứ không ai khác
là người đầu tiên phát hiện sự tồn tại
của các vũ trụ tàng hình xung quanh ta.
Democritus ở Abdera là một nhà khoa học thực thụ.
Ông say mê tìm hiểu vũ trụ
và tận hưởng lạc thú.
Ông từng nói: "sống trên đời mà không vui thú
thì khác nào lang thang trên một con đường không có điểm kết."
Ý ngài là sao?
Chỉ có vậy thôi sao?
Một đám nguyên tử giữa khoảng rỗng?
Đúng thế đấy.
Hãy nghĩ mà xem.
Thế giới này phải được tạo ra bởi
vô số các hạt tàng hình trong một khoảng rỗng.
Nếu không, không gì có thể di chuyển, phát triển, phân tách hay biến đổi.
Nếu không có các nguyên tử
và các khoảng rỗng cho chúng di chuyển trong đó, thì thế giới này sẽ chỉ là một khối cứng đờ, tĩnh lặng và chết chóc.
Vậy nên đừng buồn, các bạn của tôi ơi.
Hãy tưởng tượng đến vô số các khả năng
được tạo ra từ các cách sắp xếp nguyên tử khác nhau.
Hãy nâng cốc
cho các nguyên tử trong chiếc cốc và trong thứ rượu này...
Và cả những tràng cười chúng mang lại cho chúng ta.
Rải rác trong chiếc cốc đất sét này
là các hạt khoáng chất siêu nhỏ,
các loại tinh thể khác nhau.
Mỗi loại trong số này có cấu trúc nguyên tử riêng.
Cấu trúc của các khoáng chất rất tinh xảo
nhưng không đa dạng.
Một hạt thạch anh là một lưới gồm ba nguyên tử giống hệt nhau
lặp đi lặp lại không biến chuyển.
Kể cả một lưới khoáng chất tương đối phức tạp như của hoàng ngọc,
được tạo nên bởi khoảng chục nguyên tử,
cũng chỉ có thể lặp đi lặp lại
một cấu trúc nhất định.
Để vật chất đạt tới cấp độ cao hơn,
để giải thoát nó khỏi vòng luẩn quẩn ấy,
chúng ta cần một nguyên tử có khả năng kết hợp
với các nguyên tử giống hay khác loại
ở mọi hướng.
Nguyên tử cacbon...
nguyên tố cơ bản của sự sống trên Trái Đất.
Tại sao vậy?
Cacbon đặc biệt ở chỗ nó có thể kết hợp
cùng một lúc với tối đa là bốn nguyên tử.
Nó có thể kết hợp với nhiều loại nguyên tử khác nhau
hay với các nguyên tử cacbon khác.
Nó có thể xếp thành hình vòng
hay hình mắt xích,
tạo ra các phân tử có cấu trúc phức tạp hơn bất cứ tinh thể nào.
Không nguyên tử nào linh hoạt được như nó,
kể cả các nguyên tử có thành phần hóa học gần giống nó,
ví dụ như silicon,
cũng không có khả năng
xây dựng phân tử linh hoạt đến thế.
Protein, phân tử được cấu tạo nên từ cacbon,
phân tử của sự sống,
chứa hàng trăm ngàn các nguyên tử này.
Các nguyên tử cacbon là xương sống của các phân tử
tạo nên sự sống trên Trái Đất này,
trong đó có cả chúng ta.
Đó là sự khác biệt giữa một hòn đá và một vật sống.
Sự sống có thể tạo ra các phân tử khổng lồ
với kích thước và độ phức tạp tới giật mình,
cho phép vật chất tự do sáng tạo,
tiến hóa,
và thậm chí là yêu.
Bác trai bình tĩnh nào.
Cậu bé chưa chạm vào con gái bác đâu.
Trong cuộc sống hàng ngày,
ở cấp độ nguyên tử mà nói,
các vật thể không bao giờ chạm vào nhau.
Mỗi nguyên tử chứa một hạt nhân rất nhỏ ở trung tâm
bao quanh bởi đám mây electron với các đường điện tích.
Khi các nguyên tử tiến lại gần nhau,
đám mây electron của cậu bé
đẩy đám mây electron của cô bé ra xa.
Hơn 99.9% khối lượng nguyên tử
tập trung tại hạt nhân.
Hạt nhân được bao quanh bởi một đám mây electron.
Đám mây này tạo ra một trường lực vô hình.
Trường này có tác dụng như một bộ giảm sốc.
Cấu tạo của đám mây electron
quyết định đặc tính của một nguyên tố.
Trong điều kiện bình thường trên Trái Đất,
các hạt nhân không bao giờ chạm vào nhau.
Chúng ta có cảm giác là mình đã chạm vào một vật nào đó
nhưng thực tế, đó chỉ là các trường lực vô hình
lại gần và đẩy nhau ra xa.
Hạt nhân rất nhỏ
so với phần còn lại của nguyên tử.
Giả sử một nguyên tử lớn bằng thánh đường này,
thì hạt nhân của nó sẽ chỉ như hạt bụi kia.
Phần lớn nguyên tử là khoảng rỗng.
Để hiểu được bản chất của vật chất,
chúng ta phải thám hiểu sâu hơn nữa,
tới nơi nhỏ hơn nguyên tử 100.000 lần:
hạt nhân.
Nguyên tử đơn giản và nhiều nhất
trong vũ trụ là hiđrô.
Hạt nhân của nó là một proton duy nhất.
Do vậy, số hiệu nguyên tố của hiđrô là một.
Đám mây bao quanh nó
là vùng mà electron duy nhất của nguyên tử này
được phép đi tới.
Nếu một hạt nhân chứa hai proton thì sao?
Các proton đẩy lẫn nhau ra xa.
Để gắn kết chúng trong một hạt nhân,
chúng ta cần các hạt hạ nguyên tử có tên Neutron.
Nhiệm vụ của các hạt này là giữ các proton
ở đúng vị trí.
Neutron áp đảo proton
nhờ lực hấp dẫn hạt nhân mạnh của chúng.
Một hạt nhân chứa hai proton là nguyên tố số hai,
hay còn được gọi là heli.
Một hạt nhân chứa sáu proton là nguyên tố số sáu,
cacbon,
nguyên tố cơ bản của sự sống.
Hạt nhân của nguyên tử vàng có 79 proton.
Chúng được bao quanh bởi
đám mây gồm 79 electron.
Tương tác giữa ánh sáng và các electron này
là nguyên nhân khiến vàng lấp lánh.
Cứ thêm một proton trong hạt nhân
thì lại cần thêm ngần đấy neutron để trói buộc chúng...
Cho tới một giới hạn nhất định.
Tồn tại một giới hạn số lượng neutron
có thể có trong hạt nhân
trước khi hạt nhân này mất ổn định.
Tôi biết có một nơi
mà hạt nhân của các nguyên tử khác nhau
thực sự chạm vào nhau.
Bề ngoài, Mặt Trời trông như một vật rắn,
nhưng thực tế lại không phải vậy.
Nó nóng đến nỗi các nguyên tử của nó
luôn ở dạng khí.
Sợi dây kết nối nguyên tử
trong các chất rắn và lỏng trên Trái Đất
không đủ chắc để chống lại
sức nóng khủng khiếp của Mặt Trời.
Các quầng sáng khí
có qui mô lớn hơn Trái Đất này
chịu tác động của trường lực
xuất phát từ bên dưới bề mặt Mặt Trời.
Tại sao Mặt Trời lại nóng đến vậy?
Đó là bởi trọng lực cực lớn của Mặt Trời
đang ép các nguyên tử lại với nhau.
Năng lượng của trọng lực được biến đổi thành
động năng của nguyên tử.
Đó chính là bản chất của nhiệt độ.
Càng vào sâu bên trong Mặt Trời,
các nguyên tử lại càng bị ép lại gần nhau hơn
và nhiệt độ lại càng cao hơn.
Tại lõi Mặt Trời,
các nguyên tử di chuyển nhanh tới mức
khi va chạm, chúng hợp làm một.
Hạt nhân của chúng chạm vào nhau.
Mặt Trời là một lò phản ứng hạt nhân,
được tạo nên bởi trọng lực của chính nó.
Nó được cân bằng bởi lực kéo của trọng lực từ bên trong
và lực đẩy của các khí nóng ở bên ngoài.
Cán cân này đã thăng bằng hàng tỉ năm nay,
tạo điều kiện ổn định
cho quá trình tiến hóa trên Trái Đất.
Trong lõi Mặt Trời,
quá trình biến đổi hiđrô thành heli
tạo ra năng lượng hạt nhân dưới dạng photon.
Các hạt ánh sáng này
từ từ lên tới bề mặt Mặt Trời.
Tại đây, chúng thoát ra như ánh sáng Mặt Trời.
Heli là đám tro của lò phản ửng hạt nhân ở Mặt Trời.
Mặt Trời là một ngôi sao có kích cỡ trung bình.
Lõi của nó chỉ ở khoảng 10 triệu độ K
đủ nóng để hợp nhất hiđrô,
nhưng lại chưa đủ để hợp nhất heli.
Nhiều sao khác trong thiên hà
nóng hơn thế nhiều
do chúng có kích thước khổng lồ
và trọng lực lớn hơn.
Những ngôi sao như vậy làm tổng hợp heli thành những nguyên tố nặng hơn
như cacbon và ôxi.
Khi những ngôi sao này già đi,
chúng từ từ bức xạ các nguyên tố này vào không gian.
Một số ngôi sao khác có kích thước lớn hơn
sống nhanh và chết trẻ
trong các vụ nổ siêu tân tinh đầy chấn động.
Trong thiên hà của chúng ta, cứ cách một thế kỉ
lại có một vụ nổ siêu tân tinh như thế.
Các vụ nổ này có sức nóng lớn hơn ở lõi Mặt Trời rất nhiều...
nóng tới mức chúng biến các nguyên tố như sắt
thành những nguyên tố nặng hơn
và giải phóng chúng vào không gian.
Đám mây Magellan Lớn
là thiên hà láng giềng của Ngân Hà chúng ta.
Đám mây này có thể được quan sát trên bầu trời thiên cầu Nam.
Khi một siêu tân tinh nổ,
độ sáng của nó
ngang với độ sáng của toàn thiên hà chứa nó.
Nhưng ánh sáng ấy chỉ là 1%
của tổng số năng lượng được giải phóng trong vụ nổ.
Phần năng lượng còn lại được truyền đi dưới dạng hạt sơ cấp
phổ biến và bí hiểm nhất trong vũ trụ.
Ngay lúc này đây, triệu triệu những hạt như thế đang đi xuyên qua bạn.
Dù vậy, để lần theo dấu một hạt ấy thôi,
ta phải tới nơi kì lạ nhất trên Trái Đất này.
Truy đuổi các neutrino tự do
là môn thể thao hiếm thấy nhất.
Lần theo dấu chúng
là một nỗ lực phi thường.
Chào mừng các bạn tới với Đài quan sát Super-Kamiokande,
cỗ máy tìm kiếm neutrino nằm dưới lòng đất Nhật Bản.
Chúng ta đang ở độ sâu 1.000m dưới mặt đất.
Có lẽ các bạn sẽ tự hỏi: "Ai mà lại
xây một đài quan sát thiên văn ở sâu trong lòng đất thế này?"
Đó là những người truy tìm con mồi khó bắt nhất trong vũ trụ:
Neutrino.
Hệ thống khổng lồ các ống nhân quang
bao quanh 50.000 tấn nước tinh khiết này
là một cái bẫy chuyên để bắt neutrino.
Các hạt khác như bức xạ vũ trụ...
phần lớn các proton và electron đến từ không gian...
không thể vượt qua lớp đá bên trên chúng ta.
Nhưng vật chất không phải là rào cản với neutrino.
Một neutrino có thể đi xuyên qua miếng sắt dày 100 năm ánh sáng
mà không hề giảm tốc.
Neutrino hầu như không tương tác với các vật chất.
Đó là lí do ta cần rất nhiều vật chất
chỉ để tìm được một neutrino.
Trong một sự kiện hi hữu
khi một neutrino va chạm với hạt của một vật chất thông thường,
nó tạo ra một ánh sáng vụt qua có hình tròn.
Chúng ta đang chờ đợi
một thứ hạt có khối lượng gần như bằng không.
Ngay đến một electron tí hon
cũng nặng gấp 1 triệu lần hạt này...
Đây rồi!
Khi một siêu tân tinh trong Đám mây Magellan Lớn
bùng nổ vào năm 1987,
trong đây sẽ trông như thế này.
Đám mây Magellan Lớn
nằm ở thiên cầu Nam của chúng ta,
tức là các neutrino không đi xuyên qua
1.000m đá ở phía trên chúng ta
mà là đi qua hàng nghìn dặm
đá và sắt ở phía dưới chúng ta để tới được đài quan sát này.
Nhưng điều tuyệt vời nhất là việc các neutrino này
tới Trái Đất ba giờ sớm hơn
ánh sáng của vụ nổ.
Nhưng nếu không gì di chuyển nhanh bằng ánh sáng,
thì tại sao điều đó lại xảy ra?
Đây là một sao chết lang thang.
Nhìn nó có vẻ bình thường nhưng sâu bên trong nó
một sự kiện lớn sắp sửa xảy ra.
Quá trình nổ
đã bắt đầu bên trong lõi ngôi sao xanh khổng lồ này.
Giống kẻ chạy nhà cháy, các neutrino
được sinh ra trong lõi ngôi sao đang nổ
thoát ra ngoài ở tốc độ rất gần tốc độ ánh sáng.
Chúng đi qua lớp vật chất bên ngoài
chỉ trong vài giây ngắn ngủi.
Nhưng sóng xung kích sinh ra trong vụ nổ khí
phóng ra từ lõi ngôi sao
ở tốc độ 1/10.000 tốc độ ánh sáng
cho tới khi chúng lên tới
bề mặt ngôi sao
và biến nó thành vụ nổ siêu tân tinh 1987a.
Phải mất hàng giờ vụ nổ
mới bùng tới bề mặt ngôi sao và xé toạc nó ra,
giải phóng lõi cực nóng.
Neutrino đã xuất phát từ trước.
Đó là lí do ánh sáng của vụ nổ tới Trái Đất
muộn hơn cơn mưa neutrino rất nhiều.
Trước khi con người bẫy được các neutrino tự do,
giả thuyết về nó đã xuất hiện trong tâm trí một nhà vật lí học lí thuyết.
Giống như cách Charles Darwin
quả quyết về sự tồn tại của một sinh vật có cái mũi rất dài
sống ở Madagascar,
một nhà vật lí thế kỉ 20 có tên Wolfgang Pauli...
đã cố công tìm kiếm một loại hạt
giải mã được một kì án của nền vật lí hiện đại,
Định luật bảo toàn năng lượng.
Sao tôi lại không nao núng?
Đó là bởi đặc tính của khoa học
khác với đặc tính của những lĩnh vực khác.
Để một quan điểm trở thành một định luật khoa học,
nó phải bất di bất dịch.
Đó là lí do tôi mạo hiểm đưa mặt mình
cá cược với Định luật bảo toàn năng lượng.
Nếu bạn làm thí nghiệm này ở nhà,
chú ý đừng đẩy viên bi sắt thêm một lần nữa.
Điều đó sẽ gia tăng năng lượng cho viên bi,
nó sẽ bay ngược trở lại và gây ra các hậu quả không mong muốn.
Bạn chỉ nên thả nó ra như thế này.
Khi kéo viên bi sắt lên,
bạn đã cho nó thế năng trọng trường.
Lực này có thể tăng hoặc giảm.
Viên bi sắt di chuyển nhanh nhất
khi nó ở vị trí thấp nhất.
Vào thời điểm đó,
toàn bộ thế năng trọng trường của nó
được biển đổi thành động năng.
Trong quá trình di chuyển, viên bi sắt liên tục biến đổi
một trong hai loại năng lượng này thành loại còn lại,
nhưng tổng năng của nó không thay đổi.
Đó là một ví dụ của Định luật bảo toàn năng lượng.
Một khi viên bi sắt được thả ra,
nó không thể vượt quá mức năng lượng ban đầu.
Nó không thể bay cao hơn và đập vào mũi tôi.
Sổ cân đối thu chi của năng lượng luôn luôn cân đối.
Không thể sai khác được.
Do vậy, vào thế kỉ 20,
khi các nhà vật lí tính toán năng lượng chính xác của nguyên tử,
họ ngỡ ngàng phát hiện ra
một trường hợp vi phạm Định luật này.
Họ phát hiện ra rằng ở một số nguyên tử phóng xạ,
hạt nhân có thể bị mất đi một electron.
Điều này biến đổi nguyên tử trở thành một nguyên tố khác.
Các nhà vật lí đã đau đầu với vấn đề này.
Tổng năng lượng của electron thoát ra
và của nguyên tố mới
ít hơn năng lượng của hạt nhân ban đầu.
Nhưng Định luật bảo chúng ta rằng:
"Ngươi không thể tạo ra hay làm mất đi năng lượng."
Vậy năng lượng bị thiếu đi đâu?
Vào năm 1930...
Wolfgang Pauli đã dự đoán rằng
phải có một loại hạt chưa được khám phá
bù vào phần thiếu hụt năng lượng ấy.
Ngày ấy, Pauli mãi tiếc nuối
rằng bởi một hạt như thế quá nhỏ,
quá nhanh và quá giỏi lẩn tránh,
chúng ta sẽ không bao giờ tìm ra nó.
Nhưng đó là một thiếu sót hiếm thấy trong trí tưởng tượng của ông
bởi khoa học luôn tìm cách
thám hiểu sâu hơn nữa.
Một thế hệ sau,
lần đầu tiên neutrino của Pauli đã được phát hiện
trong phóng xạ ở một lò phản ứng hạt nhân.
Và kể từ đó, chúng ta đã bước trên con đường chông gai tìm kiếm chúng.
Ngày nay, có những nhà khoa học
đang tìm cách lần theo những neutrino ấy
tới điểm khởi đầu của thời gian.
Chúng ta đã lần theo dấu chúng
tới bức tường của vô tận.
Bức tường này không phải một thứ mới mẻ.
Tổ tiên của chúng ta đã chạm mặt nó
gần như từ lúc họ bắt đầu tưởng tượng ra nó.
Hơn 3.000 năm trước, vào thế kỉ 13 trước Công nguyên,
Người Ai Cập xây ngôi đền này tại Abu Simbel
để thờ phụng Pharaoh Ramses II.
Tại đây, họ tạc bốn pho tượng của ông.
Quyền còn cao hơn cả vị Đại đế này
là thần Ra-Harakhti đầu chim ưng,
Thần Mặt Trời.
Kiến trúc của ngôi đền
khiến ánh sáng Mặt Trời mọc
chỉ có thể chiếu vào đây hai lần trong năm.
Khi đi vào điện thờ,
ánh sáng chiếu rọi các pho tượng thần
trong sắc vàng rực rỡ
trước khi tiến vào điện thờ bên trong.
Nhưng kể cả lúc này, một vị thần vẫn ẩn mình trong bóng tối.
Ptah, Thần sáng tạo.
Như thể cội nguồn của vũ trụ
sẽ mãi được giấu kín.
Hãy cảm nhận ánh sáng Mặt Trời trên gương mặt bạn.
Nguồn năng lượng đang sưởi ấm bạn
bắt đầu hành trình của nó khoảng 10 triệu năm trước
trong lõi Mặt Trời.
Không như neutrino,
photon mất từng ấy thời gian
để đi từ lõi lên bề mặt.
Tại sao vậy?
Bởi mỗi giây, chúng lại va chạm hàng tỉ lần
với các nguyên tử của Mặt Trời và mỗi vụ va chạm như vậy
lại khiến chúng đi chệch hướng.
Nhưng một khi lên tới bề mặt,
chúng tự do
phóng đi không ngừng ở tốc độ ánh sáng
và chỉ mất 8 phút 20 giây
để đi từ Mặt Trời tới với chúng ta.
Ánh sáng 10 triệu năm tuổi chiếu trên gương mặt các bạn.
Điều gì đang xảy ra
khi ánh sáng này rời khỏi Mặt Trời?
Lịch vũ trụ
nén 13.8 tỉ năm lịch sử vũ trụ
vào lịch một năm.
Mỗi tháng là khoảng 1 tỉ năm.
Mỗi ngày là khoảng 40 triệu năm.
Vũ trụ già đến mức, trong lịch vũ trụ,
10 triệu năm trước chỉ là khoảng...
6 giờ tối
ngày cuối cùng của năm.
Lúc đó con người đang thế nào?
Chúng ta còn chưa tiến hóa.
10 triệu năm trước,
tổ tiên của chúng ta vẫn còn là loài vượn người
đu mình trên các cành cây ở châu Phi.
Đối với chúng ta, 10 triệu năm thật dài,
nhưng đó chỉ là một buổi chiều ngắn ngủi
trong thước đo thời gian của vũ trụ.
Mặt Trời bắt đầu làm nóng chảy hiđrô
4.500 triệu năm trước...
vào ngày 31 tháng 8 trong lịch vũ trụ.
Ngân Hà của chúng ta
có tuổi đời khoảng 10.000 triệu năm.
Những thiên hà đầu tiên ra đời trước đó khoảng một vài tỉ năm.
Có một rào cản nào đó không cho tôi tiếp tục đi ngược lại dòng thời gian.
Rào cản đó là gì vậy?
Đó là đặc tính của ánh sáng và thời gian.
Bởi ánh sáng di chuyển ở một tốc độ bị giới hạn,
nhìn xuyên qua không gian
chính là nhìn ngược lại thời gian.
Vì thế, càng nhìn ra xa
ánh sáng ta quan sát được lại càng già.
Đây là thời điểm sớm nhất của vũ trụ
mà chúng ta quan sát được nhờ ánh sáng.
Đây là hình ảnh sơ sinh của vũ trụ,
khi nó mới chỉ khoảng 380.000 năm tuổi.
Đó là khoảng 0 giờ 15 phút ngày 1 tháng 1
trong lịch vũ trụ.
Nếu chúng ta quan sát bất kì vị trí nào
qua kính viễn vọng vi-ba,
đây là hình ảnh chúng ta thu được,
bức xạ còn sót lại sau vụ nổ Big Bang.
Hãy thử tưởng tượng, tất cả vật chất và năng lượng
trong vũ trụ khả kiến
nằm gọn trong một vật
có kích cỡ bằng này.
Đó là kích thước của vũ trụ
khi nó khoảng một phần nghìn triệu, của một phần nghìn triệu,
của một giây tuổi.
Tất cả vật chất và năng lượng của hàng trăm tỉ thiên hà
trải rộng hàng tỉ năm ánh sáng hiện nay
từng có thời nằm gọn trong
một vật có kích cỡ của một viên bi.
Hãy thử tưởng tượng
bên trong viên bi này chật chội đến thế nào.
Quá đặc để bất cứ dạng ánh sáng nào đi qua được,
nhưng không phải là rào cản với neutrino.
Vụ nổ Big Bang phải tạo ra một số lượng khổng lồ các neutrino.
Các neutrino này thoải mái đi qua
thứ vật chất vô cùng đặc ấy.
Đặc tính khiến neutrino khó bị dò tìm
cũng chính là thứ đã giúp neutrino vượt qua bức tường
che giấu điểm khởi đầu của thời gian.
Các neutrino này ở đâu?
Chúng ở đây, ở kia,
ở mọi nơi trong vũ trụ này.
Neutrino kiến tạo nằm trong chính bạn.
Từ một viên bi...
tới cả vũ trụ.
Đó là con đường mà Thales và Democritus đã khai phá...
khoảng 2.500 năm trước...
con đường thám hiểm vô tận,
một cuộc tìm kiếm không ngừng nghỉ và có tính hệ thống cho các thế giới mới
và hiểu biết ngọn ngành tự nhiên.
Ai trong số các bạn sẽ nhận lấy ngọn đuốc ấy
và khai phá con đường tiếp theo?
Dịch bởi tieu_dao_tac tdt.sub@gmail.com