Mặt Trời chiếu sáng như thế nào doc

Eddington, cũng trong bài giảng mà trong đó lần đầu tiên ông bàn về sự đốt cháy của hạt nhân hydrogen trong các sao, nhận xét: Tôi cho rằng các nhà toán học ứng dụng có lí thuyết chỉ qua

Mặt Trời chiếu sáng

như thế nào

Trong tiến trình sáu tháng sau đó hay ngần ấy thời gian, Bethe đã đi tới những quá trình hạt nhân cơ bản mà qua đó hydrogen bị đốt cháy (hợp nhất) thành helium ở trong lõi sao Hydrogen là thành phần dồi dào nhất của mặt trời và các sao tương tự, và thật ra là thành phần dồi dào nhất trong vũ trụ

Bethe đã mô tả các kết quả tính toán của ông trong một bài báo tựa đề là “Sự sản sinh năng lượng trong các sao”, đó là một bài báo đáng sợ khi đọc Ông đã hống

hách phân tích các khả năng khác nhau cho các phản ứng đốt cháy hạt nhân và chọn ra quan trọng nhất hai quá trình mà ngày nay chúng ta tin là nguyên nhân

cho mặt trời tỏa sáng Một quá trình, gọi là chuỗi p-p, tạo ra helium từ hydrogen và

là nguồn năng lượng át trội trong các sao giống như mặt trời và các sao khối lượng nhỏ hơn

Chuỗi phản ứng p-p Trong các mô hình lí thuyết của mặt trời, chuỗi phản ứng hạt nhân p-p minh họa ở đây là nguồn gốc át trội của sự sản sinh năng lượng Mỗi phản ứng được đặt tên theo con số ở góc trên bên trái khung chứa nó Trong phản ứng 1, hai hạt nhân

hydrogen (1H, proton) hợp nhất, tạo ra một hạt nhân hydrogen nặng (2H, deuteron) Đây là cách đốt cháy hạt nhân bình thường bắt đầu trong mặt trời Trong những tình huống hiếm, quá trình bắt đầu bằng phản ứng 2 Các deuteron tạo ra trong phản ứng 1 và 2 hợp nhất với proton tạo ra một nguyên tố nhẹ thuộc helium (3He) Tại chỗ này, chuỗi p-p chia làm ba nhánh, có tần suất tương đối đươc chỉ rõ trong hình Kết quả tổng hợp của chuỗi này là sự hợp nhất của bốn proton thành một hạt nhân helium bình thường (4He) với năng lượng giải phóng trong ngôi sao tuân theo công thức Einstein Các hạt gọi là neutrino (n) được phát ra trong những quá trình hợp nhân này Năng lượng của chúng được chỉ ra trong hình theo đơn vị triệu electron-volt (MeV) Các

phản ứng 2 và 4 không được Hans Bethe bàn tới.

Chu trình CNO, quá trình thứ hai cũng được xem xét bởi von Weizsäcker, là quan trọng nhất trong những ngôi sao nặng hơn mặt trời Bethe đã sử dụng kết quả của ông ước tính nhiệt độ tại tâm của mặt trời và thu được một giá trị trong phạm vi 20% cái hiện nay chúng ta tin là giá trị chính xác (16 triệu Kelvin) Hơn nữa, ông chỉ ra rằng cách tính của ông mang lại một mối quan hệ giữa khối lượng sao và độ sáng sao phù hợp thỏa đáng với các quan sát thiên văn sẵn có

Trong hai thập kỉ đầu sau khi kết thúc Thế chiến thứ hai, nhiều chi tiết quan trọng đã được bổ sung vào lí thuyết đốt cháy hạt nhân trong các sao của Bethe Các nhà vật lí và thiên văn vật lí nổi tiếng, nhất là A.G.W Cameron, W.A Fowler, F Hoyle, E.E Salpeter, M Schwarzschild, và các đồng sự thực nghiệm của họ, hăm hở quay trở lại với câu hỏi các ngôi sao giống như mặt trời phát ra năng lượng như thế nào Từ nghiên cứu của Bethe, câu trả lời đã rõ về nguyên tắc: mặt trời tạo ra năng lượng mà nó phát ra bằng sự đốt cháy hydrogen Theo lí thuyết này, bên trong mặt trời là một loại bom nhiệt hạch điều khiển được ở quy mô khổng lồ Lí thuyết đó đưa đến sự tính toán thành công độ sáng quan sát thấy ở các ngôi sao tương tự như mặt trời và mang lại cơ sở cho sự hiểu biết hiện nay của chúng ta về cách thức các ngôi sao tỏa sáng và tiến hóa theo thời gian Ý tưởng sự hợp nhất hạt nhân cấp nguồn cho các ngôi sao là một trong những cột trụ của thiên văn học hiện đại và được các nhà khoa học sử dụng đều đặn trong giải thích các quan sát sao và thiên hà

W.A Fowler, tức Willy như tên ông thường tự gọi, lãnh đạo một đội các đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm Caltech Kellogg của ông và các nhà vật lí đầy sáng tạo trên khắp thế giới đã đo hay tính các chi tiết quan trọng nhất của chuỗi p-p và chu trình CNO Có nhiều việc để làm và các thí nghiệm và phép tính thật là khó Nhưng, công việc đã được thực hiện vì việc tìm hiểu các chi tiết của sự sản sinh năng lượng mặt trời quá hấp dẫn Đa số các cố gắng của Fowler và các đồng nghiệp của ông (M Burbidge, G.R Burbidge, F Hoyle và A.G.W Cameron) sớm lệch hướng sang bài

toán làm thế nào các nguyên tố nặng, chúng cần thiết cho sự sống, được tạo ra trong các sao

Kiểm nghiệm giả thuyết đốt cháy hạt nhân

Các tiến bộ khoa học là kết quả của sự xung đột giữa lí thuyết và thực

nghiệm, giữa sự suy đoán và đo lường Eddington, cũng trong bài giảng mà trong

đó lần đầu tiên ông bàn về sự đốt cháy của hạt nhân hydrogen trong các sao, nhận xét:

Tôi cho rằng các nhà toán học ứng dụng có lí thuyết chỉ qua một lần kiểm nghiệm vẫn cần kiểm tra nghiêm ngặt hơn nữa bằng quan sát không thể cảm thấy hài lòng, chứ đừng nói là chán nản – Lại hỏng nữa rồi! Lần này tôi hi vọng tìm thấy một sự mâu thuẫn sẽ soi ánh sáng lên các điểm nơi mô hình của tôi có thể được cải tiến”.

Liệu có phương pháp nào kiểm tra lí thuyết mặt trời tỏa sáng vì ở rất sâu trong lòng của nó, hydrogen bị đốt cháy thành helium ? Thoạt nghĩ, thật không thể nào thực hiện một phép kiểm tra trực tiếp giả thuyết đốt cháy hạt nhân Ánh sáng mất khoảng 10 triệu năm để thoát ra từ tâm mặt trời lên bề mặt và khi cuối cùng

nó xuất hiện trong vùng ngoài cùng, ánh sáng chủ yếu cho chúng ta biết những điều kiện trong các vùng ngoài đó Tuy nhiên, có một cách “nhìn” vào bên trong mặt trời với neutrino, các hạt kì lạ được phát hiện trong khi người ta đang cố gắng tìm hiểu một bí ẩn khác

Khám phá, xác nhận và bất ngờ

Neutrino là một hạt hạ nguyên tử tương tác yếu với vật chất và truyền đi ở tốc độ về cơ bản làtốc độ ánh sáng Neutrino được tạo ra trong các sao khi hạt nhân hydrogen đốt cháy thành hạt nhân helium; neutrino cũng được tạo ra trên trái đất trong các máy gia tốc hạt, trong các lò phản ứng hạt nhân, và trong sự phóng xạ tự nhiên Dựa trên công trình của Hans Bethe và các đồng sự của ông, chúng ta tin rằng quá trình mà các sao giống như mặt trời sản sinh ra năng lượng

có thể kí hiệu bằng quan hệ sau:

41H →4He + 2e++ 2νe+ năng lượng (1)

trong đó bốn hạt nhân hydrogen (1H, proton) đốt cháy thành một hạt nhân helium (4He, hạt alpha) cộng với hai electron dương (e+) và hai neutrino (ν) cộng với năng lượng Quá trình này giải phóng năng lượng cho ngôi sao vì, như Aston chỉ rõ, bốn nguyên tử hydrogen nặng hơn một nguyên tử helium Tập hợp các phản ứng hạt nhân tương tự cung cấp năng lượng của bức xạ mặt trời cũng tạo ra neutrino có thể tìm ra trong phòng thí nghiệm

Hình cắt của mặt trời Các đặc điểm thường được các nhà thiên văn nghiên cứu với kính thiên văn thông thường được kí hiệu ở bên ngoài, ví dụ như vết đen mặt trời và tai lửa Neutrino cho phép chúng ta nhìn sâu vào bên trong mặt trời, vào nhân mặt trời nơi xảy ra sự đốt cháy hạt nhân

Vì tương tác yếu của chúng, nên neutrino khó bị phát hiện Khó là khó như thế nào ? Một neutrino mặt trời đi qua toàn bộ trái đất có chưa tới một trong một nghìn tỉ cơ hội bị vật chất địa cầu làm dừng lại Theo lí thuyết chuẩn, khoảng 100 tỉ neutrino mặt trời cơ thể bạn mỗi giây và bạn không chú ý tới chúng Neutrino có thể truyền không bị ảnh hưởng qua sắt xa bằng với ánh sáng có thể truyền đi 100 năm trong không gian trống rỗng

Vào năm 1964, Raymond Davis Jr và tôi đã đề xuất một thí nghiệm với

100.000 galon chất lỏng sạch (perchloroethylene, chủ yếu chứa chlorine) có thể

mang lại một phép kiểm tra quan trọng của ý tưởng rằng các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân là nguồn gốc tối hậu của bức xạ mặt trời Chúng tôi biện hộ rằng, nếu như

sự hiểu biết của chúng ta về các quá trình hạt nhân ở bên trong mặt trời là đúng, thì neutrino mặt trời có thể bị bắt ở tốc độ mà Davis có thể đo với một bể lớn chứa đầy một chất lỏng sạch Khi neutrino tương tác với chlorine, chúng thỉnh thoảng tạo ra một đồng vị phóng xạ của argon Davis đã vạch ra trước đó rằng ông có thể trích ra những lượng nhỏ xíu của argon do neutrino tạo ra từ những lượng lớn perchloroethylene Để tiến hành thí nghiệm neutrino mặt trời, ông phải thật hết sức khéo léo vì theo tính toán riêng của tôi, sẽ có một vài nguyên tử được tạo ra trong một tuần trong một cái hồ khổng lồ kích thước Olympic chứa chất lỏng sạch

Động cơ chính của chúng tôi biện hộ cho thí nghiệm này là sử dụng neutrino để:

cho phép chúng ta nhìn vào bên trong của một ngôi sao và từ đó xác nhận trực tiếp giả thuyết sản sinh năng lượng hạt nhân trong các sao.

Như chúng ta sẽ thấy, Davis và tôi đã không lường trước một số trong những khía cạnh hấp dẫn nhất của đề xuất này

Davis đã tiến hành thí nghiệm và vào năm 1968 công bố những kết quả đầu tiên Ông đo được ít neutrino hơn tôi dự đoán Như thí nghiệm và lí thuyết xác nhận, sự không ăn khớp có vẻ càng rõ ràng hơn Các nhà khoa học hoan hỉ rằng neutrino đã được phát hiện nhưng lo lắng không biết tại sao lại có ít neutrino hơn

dự đoán

Cái gì đã sai ? Có phải kiến thức của chúng ta về cách thức mặt trời tỏa sáng

là không đúng ? Hay tôi đã phạm sai sót khi tính toán tốc độ neutrino mặt trời bị bắt trong bể của Davis ? Có phải thí nghiệm đó sai ? Hay, có điều gì đã xảy ra với neutrino sau khi chúng được tạo ra trong mặt trời ?

Trong hai mươi năm sau đó, nhiều khả năng khác nhau đã được xác định bởi hàng trăm, và có lẽ hàng nghìn, nhà vật lí, nhà hóa học và nhà thiên văn học Cả thí nghiệm lẫn tính toán lí thuyết dường như đều đúng

Lại một lần nữa thí nghiệm đã giải thoát cho tư duy thuần túy Vào năm 1986, các nhà vật lí Nhật Bản, đứng đầu là Masatoshi Koshiba và Yoji Totsuka, cùng với các đồng nghiệp người Mĩ của họ, Eugene Beier và Alfred Mann, đã xây dựng lại một bể khổng lồ chứa nước được thiết kế để đo sự ổn định của vật chất Các nhà thí nghiệm đã làm tăng độ nhạy của máy dò hạt của họ đến mức nó có thể đóng vai trò là một đài quan sát neutrino mặt trời lớn dưới lòng đất Mục tiêu của họ là

khảo sát nguyên nhân gây ra sự không ăn khớp số lượng giữa tốc độ tiên đoán và tốc độ đo được trong thí nghiệm chlorine

Thí nghiệm mới (gọi là Kamiokande) ở Nhật cũng phát hiện ra neutrino mặt trời Hơn nữa, thí nghiệm Kamiokande xác nhận rằng tốc độ neutrino kém hơn tiên đoán bởi nền vật lí chuẩn và các mô hình chuẩn của mặt trời và xác nhận rằng các neutrino phát hiện được là đến từ mặt trời Sau đó, các thí nghiệm ở Nga (gọi là SAGE, do V Gavrin chỉ đạo), ở Italy (GALLEX và sau này là GNO, tương ứng do T Kirsten và E Bolotti chỉ đạo), mỗi thí nghiệm có đặc trưng khác nhau, đều quan sát thấy neutrino đến từ bên trong mặt trời Trong mỗi máy dò hạt, số lượng neutrino quan sát thấy thấp hơn một chút so với lí thuyết chuẩn tiên đoán

Tất cả những kết quả thí nghiệm này có ý nghĩa gì ?

Neutrino tạo ra trong tâm của mặt trời đã được phát hiện ra trong năm thí nghiệm Việc phát hiện của chúng cho thấy trực tiếp rằng nguồn gốc của năng

lượng mà mặt trời phát ra là sự hợp nhất của các hạt nhân hydrogen ở bên trong mặt trời Cuộc tranh luận thế kỉ 19 giữa các nhà vật lí lí thuyết, các nhà địa chất, và các nhà sinh vật học đã được dàn xếp theo kinh nghiệm

Từ một bối cảnh thiên vănhọc, sự ăn khớp giữa quan sát neutrino và lí

thuyết là tốt Năng lượng quan sát thấy của neutrino mặt trời phù hợp với giá trị

do lí thuyết tiên đoán Tốc độ neutrino bị phát hiện kém hơn tiên đoán nhưng

không nhiều lắm Tốc độ neutrino đến ở trái đất như tiên đoán khoảng chừng phụ

thuộc vào lũy thừa 25 của nhiệt độ tại tâm của mặt trời, T x T x T x … T (25 thừa số nhiệt độ T) Sự ăn khớp thu được (phù hợp trong hệ số ba) cho thấy chúng ta đã đo

theo lối kinh nghiệm nhiệt độ tại tâm của mặt trời với độ chính xác vài phần trăm Nhân thể, nếu ai đó nói với tôi vào năm 1964 rằng số lượng neutrino quan sát thấy

đến từ mặt trời sẽ ở trong vòng hệ số ba của giá trị tiên đoán, tôi sẽ thật ngạc nhiên

và rất thích thú

Thật ra, sự phù hợp giữa các quan sát thiên văn bình thường (sử dụng ánh sáng chứ không phải neutrino) và các tính toán lí thuyết của các đặc điểm mặt trời thì chính xác hơn nhiều Việc nghiên cứu cấu trúc bên trong của mặt trời sử dụng đối tượng tương đương mặt trời của địa chấn học địa cầu (tức là quan sát các dao động mặt trời) cho thấy các tiên đoán của mô hình mặt trời chuẩn cho nhiệt độ của vùng tâm mặt trời phù hợp với đến độ chính xác ít nhất là 0,1% Trong mô hình chuẩn này, tuổi hiện nay của mặt trời là năm tỉ năm, phù hợp với ước tính tối thiểu tuổi của mặt trời do các nhà địa chất và sinh vật học thế kỉ 19 thực hiện (một vài trăm triệu năm)

Cho rằng mô hình lí thuyết của mặt trời mô tả các quan sát thiên văn là chính xác, vậy có thể giải thích ra sao sự không ăn khớp bởi hệ số hai hoặc ba giữa tốc độ neutrino mặt trời đo được và tiên đoán ?

Nền vật lí mới

Các nhà vật lí và các nhà thiên văn học một lần nữa buộc phải xem xét lại các

lí thuyết của họ Lần này, sự bất đồng không phải giữa những ước tính khác nhau

về tuổi của mặt trời, mà là giữa các tiên đoán dựa trên một lí thuyết được chấp nhận rộng rãi và các phép đo trực tiếp về các hạt tạo ra bởi sự đốt cháy hạt nhân ở bên trong mặt trời Tình huống này thỉnh thoảng được gọi là Bí ẩn Neutrino còn thiếu hay, trong ngôn ngữ nghe có vẻ khoa học hơn, Bài toán Neutrino Mặt trời

Ngay từ năm 1969, hai nhà khoa học làm việc ở Nga, Bruno Pontecorvo và Vladimir Gribov, đã đề xuất rằng sự bất đồng giữa lí thuyết chuẩn và thí nghiệm neutrino mặt trời đầu tiên có thể do sự không tương xứng trong mô tả sách vở của nền vật lí hạt, chứ không phải trong mô hình mặt trời chuẩn (Nhân thể,

Pontecorvo là người đầu tiên đề xướng sử dụng máy dò hạt chlorine để nghiên cứu neutrino) Gribov và Pontecorvo cho rằng neutrino thoát ra từ một sự lộn xộn đa tính cách, rằng chúng dao động tới lui giữa các trạng thái, hay loại, khác nhau

Theo đề xuất của Gribov và Pontecorvo, neutrino tạo ra trong mặt trời ở dạng hỗn hợp của các trạng thái khác nhau, một loại phân chia tính cách Từng

trạng thái có khối lượng nhỏ, khác nhau, chứ không phải có khối lượng bằng không như lí thuyết hạt chuẩn gán cho chúng Khi chúng truyền từ mặt trời tới trái đất, các neutrino dao động giữa trạng thái neutrino dễ phát hiện và trạng thái neutrino khó phát hiện Thí nghiệm chlorine chỉ phát hiện các neutrino ở trạng thái dễ phát hiện Nếu như nhiều neutrino đến trái đất ở trạng thái khó quan sát, thì chúng không được đếm Cứ như thể một số hay nhiều neutrino đã biến mất, nó có thể giải thích bí ẩn nhìn thấy của neutrino còn thiếu

Xây dựng trên ý tưởng này, Lincoln Wolfenstein vào năm 1978 và Stanislav Mikheyev và Alexei Smirnov vào năm 1985 đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của vật chất lên neutrino chuyển động qua mặt trời có thể làm tăng xác suất dao động của

neutrino nếu như Tự nhiên chọn cho chúng khối lượng trong một ngưỡng nhất định

Neutrino cũng được tạo ra bởi va chạm của các hạt tia vũ trụ với các hạt khác trong bầu khí quyển trái đất Vào năm 1998, đội các nhà thực nghiệm Super-Kamiokande loan báo rằng họ đã quan sát thấy các dao động trong số các neutrino khí quyển Kết quả này mang lại sự ủng hộ gián tiếp cho đề xuất lí thuyết rằng neutrino mặt trời dao động giữa các trạng thái khác nhau Nhiều nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực neutrino mặt trời tin rằng, nhìn ngược lại phía sau, chúng ta đã

có bằng chứng cho các dao động neutrino mặt trời kể từ năm 1968

Nhưng, cho đến nay chúng ta không biết nguyên nhân gì đã gây ra sự lộn xộn

đa tính cách của các neutrino mặt trời Câu trả lời cho câu hỏi này có thể mang lại một manh mối cho nền vật lí ngoài các mô hình chuẩn hiện nay của các hạt hạ nguyên tử Có phải sự thay đổi nhân dạng xảy ra trong khi các neutrino truyền từ mặt trời đến trái đất, như trước đấy Gribov và Pontecorvo đã đề xuất ? Hay có phải vật chất đã làm cho neutrino mặt trời bị “giật mình” ? Các thí nghiệm đang triển khai ở Canada, Italy (ba thí nghiệm), Nhật Bản (hai thí nghiệm), Nga, và Mĩ đang nỗ lực xác định nguyên nhân của các dao động của neutrino mặt trời, bằng cách tìm xem chúng nặng bao nhiêu và chúng chuyển hóa như thế nào từ dạng này sang dạng khác Khối lượng neutrino khác không có thể mang lại một manh mối cho một thế giới đến nay chưa được khám phá của lí thuyết vật lí