Quick browsing

Home > Khoa học > Vật lý > Những chân trời mới trong khoa học

Những chân trời mới trong khoa học

Tuesday 2 December 2008

Lò phản ứng có sẵn trong thiên nhiên?

Năm 1974 các nhà khoa học Pháp phát hiện ra rằng thành phần đồng vị Uranium 235 trong Urani thiên nhiên tại mỏ Oklo xứ Gabon (Tây Châu Phi) nhỏ hơn rất nhiều so với bình thường. Điều này vi phạm qui luật đồng vị, một qui luật đã được kiểm nghiệm và luôn đúng cho bất kỳ nguyên tố nào trong tự nhiên. Việc vi phạm qui luật đồng vị ở mỏ Urani xứ Gabon về sau được gọi là Hiện tượng Oklo. Sau đó ít lâu, để giải thích hiện tượng Oklo người ta đã đưa ra một giả thuyết cho rằng thiên nhiên đã “tự tạo ra” một lò phản ứng hạt nhân từ cách đây nhiều tỷ năm và lò phản ứng có sẵn trong tự nhiên này đã hoạt động không ngừng trong vài triệu năm.

Đây là một hiện tượng vừa kỳ lạ vừa rất lý thú về mặt khoa học.

Kỳ lạ vì mãi đến năm 1941 con người mới lần đầu tiên xây dựng thành công lò phản ứng hạt nhân và đến tận ngày nay không phải quốc gia nào cũng có thể làm ra được thiết bị hạt nhân tinh vi này, ấy thế mà chính thiên nhiên đã làm ra nó cách đây nhiều tỷ năm về trước !

Hiện tượng Oklo vì thế đã trở thành đề tài hấp dẫn cho hàng loạt các nghiên cứu nhất là khi giả thuyết về thiên nhiên tạo ra lò phản ứng hạt nhân Oklo mà ta vừa nói ở trên lại không thể giải thích được sự thiếu vắng các mảnh vỡ rác thải phóng xạ đã sinh ra khi lò hoạt động.

Một số người còn đưa ra giả thuyết cho rằng không phải sự vận hành của thiên nhiên đã tạo ra lò phản ứng hạt nhân Oklo kể trên mà có lẽ những người từ các nền văn minh khác đã tạo ra nó để có năng lượng dùng khi du hành đến Trái đất của chúng ta. Vì công nghệ của họ rất cao nên chẳng cần bao che, chẳng cần xây cất, họ lấy ngay đất sét làm vỏ bọc, cát và nước làm chất làm chậm, nước mưa trong tự nhiên vừa làm chất tải nhiệt vừa làm chất làm chậm neutron, vừa làm vật liệu điều khiển lò…. Và hơn thế nữa do công nghệ quá cao, tính toán quá chính xác và hợp lý lò phản ứng Oklo chẳng để lại dấu vết của các rác thải phóng xạ mà một lò thông thường phải có.

Từ những câu hỏi đến các vũ trụ song hành

Trong thiên nhiên có những đại lượng không đổi như vận tốc ánh sáng (c), hằng số hấp dẫn G, khối lượng electron (m­­e), v.. v. Cho đến nay các nhà khoa học cho rằng các đại lượng này là không đổi trong phạm vi toàn vũ trụ. Các lý thuyết Vật lý được xây dựng trên những đại lượng này và tính chất của vũ trụ cũng được giải thích trên cơ sở những hằng số vừa nhắc ở trên. Tiến bộ của Vật lý và công nghệ cho phép đo các hằng số ngày càng chính xác hơn, Nhưng ngay cho đến tận ngày nay khoa học vẫn không thể giải thích được vì sao giá trị của các hằng số trên lại là như vậy. Ví dụ vì sao giá trị của tốc độ ánh sáng lại bằng 300.000Km/s (chính xác là 299.729.458m/s) và khối lượng của electron thì bằng 9.10938188. 10-31 kg. Mơ ước giải thích được tất cả các hằng số chính là mơ ước “xây dựng được lý thuyết thống nhất lớn”, tức là một lý thuyết mà giải thích được tất cả mọi thứ trong tự nhiên. Lý thuyết đó sẽ như là một “đại số của tự nhiên”, tức là với nó mọi thứ đều có thể hiểu ít nhất là về “bản chất”. Nhưng mơ ước đó còn xa vời lắm với Vật lý hiện đại, nếu không muốn nói là khi hiểu biết nhiều hơn thì vấn đề càng trở nên phức tạp hơn. Gần đây người ta hy voïng vaøo một lý thuyết được gọi là lý thuyết siêu dây dạng M với việc cho rằng không gian thực của vũ trụ không phải là một không gian bốn chiều, mà là một không gian ít nhất phải có nhiều chiều hơn nữa. Tuy trong thực tế con người chỉ sống và cảm nhận được không thời gian bốn chiều mà thôi (ba chiều không gian và một chiều thời gian). Lý thuyết này bước đầu cho phép chúng ta hiểu được mối quan hệ giữa các hằng số Vật lý. Và cũng từ lý thuyết này người ta suy ra rằng có thể còn tồn tại các vũ trụ khác tại đó các hằng số Vật lý không giống như vũ trụ của chúng ta. Có nghĩa là vũ trụ của chúng ta đang sống và chúng ta không có cách nào thoát ra ngoài vũ trụ này lại là chỉ một trong vô vàn vũ trụ đang tồn tại mà thôi. Hàng loạt các công trình nghiên cứu nghiêm túc của các nhà Vật lý đã được công bố trong những năm vừa qua về vũ trụ song hành (Parallel space) hoặc siêu vũ trụ (Hyper space) đã khẵng định rằng các suy luận này hoàn toàn nghiêm túc. Người ta cũng chứng minh rằng sự sống nếu có ở các Vũ trụ khác, chắc chắn sẽ hoàn toàn không giống sự sống trong vũ trụ của chúng ta. Bởi ở đó các hằng số Vật lý không giống trong vũ trụ của chúng ta nên mọi qui luật cũng khác. Chẳng hạn cấu trúc của nguyên tử sẽ hoàn toàn khác các nguyên tử trong vũ trụ chúng ta, do đó cấu trúc DNA của cơ thể sống cũng hoàn toàn khác. Nghĩa là nếu có cuộc sống trong những vũ trụ khác, thì quá trình tiến hoá và hình thức sống cũng có thể khác với những gì diễn ra và đang tồn tại trong vũ trụ của chúng ta. Bây giờ thì chúng ta hiểu được một điều là chỉ cần thay đổi giái trị các hằng số Vật lý, bức tranh của tự nhiên và của cả vũ trụ hoàn toàn khác. Và cái gọi là hằng số Vật lý thật sự chỉ có ý nghĩa trong phạm vi vũ trụcủa chúng ta mà thôi. Những hằng số có thể sẽ khác nhau trong những không gian và thời gian khác nhau. Nếu như số chiều dư ra (Extra dimension) thay đổi, “các hằng số” trong thế giới bốn chiều của chúng ta cũng thay đổi theo.

Thật ra ngay từ những năm 30 của thế kỷ 20, nhiều nhà Vật lý trong đó có Dirac đã cho rằng các “hằng số Vật lý” có thể không phải là hằng số. Thách thức của thời đó là các thiết bị đo không đủ độ chính xác để kiểm tra các dự đoán lý thuyết và câu chuyện về các hằng số đã bị quên lãng trong vô vàn các bài toán Vật lý có vẻ dễ ăn hơn.

Khâu đột phá trong nghiên cứu về các hằng số hiện nay là nghiên cứu hằng số tương tác điện từ Alpha (α) còn được gọi là hằng số đẹp (fine constant ). Các tính toán lý thuyết đã chứng tỏ rằng nếu giá trị của hằng số Alpha thay đổi sẽ dẫn đến những hệ lụy rất lớn, chẳng hạn nếu Alpha nhỏ đi thì các phân tử sẽ bị phân hủy ở nhiệt độ thấp hơn rất nhiều (vì nó tỷ lệ với α2) mật độ của vật chất trong vũ trụ cũng giảm đi rất nhiều (tỷ lệ với α3) và bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học sẽ có nhiều nguyên tố hơn rất nhiều (tỷ lệ với 1/α). Còn nếu α tăng lên thì các hạt nhân nguyên tử nhẹ lại không tồn tại được. Ví dụ nếu Alpha tăng lên 0, 1 thì nguyên tố đầu tiên tồn tại được phải là Cacbon, chứ không phải là Hydrogen. Nếu giá trị α giảm khoảng 4% thì không có phản ứng nhiệt hạch (Hydrogen + Hydrogen = Heli) và không tồn tại năng lượng của những ngôi sao như thể Mặt trời của chúng ta.

Để đo xem hằng số Alpha có thay đổi theo thời gian không phải có các thiết bị (equipment) vô cùng tinh vi và đo đạc trong thời gian dài. Các nhà Vật lý năng lượng cao (J. D. Barrow, J. K. Webb) quan sát thấy cùng một nguyên tố nhưng trước đây (vài tỷ năm trước) và bây giờ khả năng hấp thụ khác nhau. Điều này là không thể hiểu nổi với các lý thuyết Vật lý thông thường nhưng lại là điều đơn giản nếu như ta xem cách đây vài tỷ năm và bây giờ là khác nhau dù chỉ vài phần triệu.

Không cần người từ các hành tinh khác

Năm 1976 Alxander Shlyakher, nhà Vật lý Nga đang làm việc tại Viện khoa học hạt nhân ST Peterburg đã giải thích hiện tượng Oklo bằng cách khác. Ông cho rằng nhiều tỷ năm về trước hằng số đẹp α khác bây giờ chút ít vì thế tỷ lệ đồng vị cũng khác. Mỏ Oklo đã được tạo ra ở thời kỳ mà hằng số đẹp Alpha nhỏ hơn hiện nay. Với giả thuyết này hiện tượng Oklo được giải thích một cách đơn giản và chính xác. Nhưng lại làm nảy sinh một câu hỏi lớn là : Các hằng số Vật lý của chính vũ trụ chúng ta có thay đổi theo thời gian không ? khi mới hình thành vũ trụ giá trị của các hằng số có bằng bây giờ hay không ? và điều mà các nhà Vật lý vẫn xem là mặc nhiên đúng xưa nay: các hằng số Vật lý đều giống nhau trong phạm vi toàn vũ trụ có là đúng nữa không ?

Nếu thật sự các hằng số Vật lý đã thay đổi theo thời gian thì chúng ta có thể giải thích được nhiều hiện tượng vẫn làm đau đầu các nhà Vật lý xưa nay ví dụ như là sự dịch chuyển về phía đỏ, sự hình thành các lỗ đen và đặc biệt là có thể dễ dàng trả lời câu hỏi khó nhất của khoa học hiên đại về vật chất đen như : vật chất đen là gì ? vì sao chúng ta chỉ cảm nhận được sự tồn tại của vật đen và năng lượng đen mà chưa đo được chúng một cách chính xác?
Dịch chuyển về phía đỏ là hiện tượng các vạch phổ thu được từ các Quasars lớn hơn các vạch phổ tương ứng trên Trái đất. Hiện tượng này được coi là bằng chứng của sự dãn nở của vũ trụ. Vũ trụ đang dãn nở là một vấn đề đã gây tranh cãi và phiền toái cho cả các nhà Vật lý và triết học trong suốt mấy chục năm qua. Nhưng dịch chuyển về phía đỏ- bằng cớ của sự dãn nở vũ trụ hoàn toàn có thể giải thích một cách đơn giản nếu cho rằng hằng số Alpha vài tỷ năm về trước nhỏ hơn bây giờ. Khi ấy phổ của nguyên tử phát ra sẽ có bước sóng dài hơn phổ tương ứng hiên tại. Chúng ta đo các phổ này phát ra từ các Quasars trên Trái đất nghĩa là đo các phổ nguyên tử đã phát ra cách đây nhiều tỷ năm. Do đó chúng ta ghi nhận dược các phổ có bước sóng dài hơn. Như vậy dịch chuyển về phía đỏ có thể không phải là bằng chứng về sự dãn nở của vũ trụ mà là bằng chứng về sự thay đổi của hằng số Alpha. Điều rất lý thú là chính Einstein đã xây dựng lý thuyết hấp dẫn trên cơ sở một vũ trụ tĩnh, khi phát hiện sự dịch chuyển về phía đỏ ông mới phải thêm vào phương trình của mình một số hạng để khử sự dãn nở vũ trụ. Về sau chính Einstein lại cho rằng đó là sai lầm lớn nhất của ông….

Các vũ trụ có các hằng số Vật lý không giống vũ trụ của chúng ta thì cho đến nay chúng ta chẳng có cách nào để nhận biết chúng bởi tính không liên thông. Tương tự như vậy, có lẽ trong vật chất đen và năng lượng đen các hằng số Vật lý có thể khác với vật chất thông thường nên ta chỉ cảm nhận mà chưa đo đạc được. Và biết đâu chẳng có những vũ trụ đang trộn lẫn (Mixing) song hành với chúng ta mà ta không nhận biết được do tính không liên thông vì các hằng số Vật lý như ta vừa nhắc. Cũng như vậy, có thể tồn tại những dạng sống không có các hằng số tương thích với chúng ta nên chúng ta chưa nhận biết được.

Nhiều điều nói trong bài này còn đang là đề tài tranh cãi trong khoa học. Nhưng có thành tựu khoa học nào mà không sinh ra từ các cuộc tranh luận khoa học ?

Nguyễn Mộng Giao

Tài liệu tham khảo:

[1] Dirac P. A. M. Nature 139 323(1973): Proc. R. Soc. London Ser. A 165 198 (1938).

[2] Dyson F. J., Phys. Rev. Lett. 19 (1967) 1291.

[3] Dzuba V. A., Flambaum V. V. Webb J.K., Phys. Rev A 59 230 (1999).

[4] Dzuba V. A. and Flambaum V. V., Phys. Rev. Lett. A 61 03 4502 (2007).

[5] Fujii Y et al, Nucl. Phys. Rev. Lett. 87 09 1301 (2001).

[6] Gell-Mann M. and Low F. E., Phys. Rev. 95 (1954) 1300.

[7] Godone A. et al. Phys. Rev. Lett 71 2364 (1993).

[8] Murphy M. J., Webb J. K., Flam Baum V. V., Submitted to Mon. Not. R. Astron. Soc., (2000) Astr-phy/o 01 2419.

[9] Murphy M. J., Webb J. K., Flambaum V. V., Mon. Not. R. Astron. Soc., (2003), Astr-phy/o 01 2421.

[10] Niering M. et al. Phys. Rev. Lett 84 5496 (2007).

[11] Shlyakhter A. I., Nature 26 4340 (1976).

[12] Stenger J. et al. Opt. Lett 26 1589 (2006).

[13] Udem Th. et el. Phys. Rev. Lett. 79 2646 (1997).