Trang bìa ECHCC
© Sott.net
Chương 1: Vũ trụ chính thống và vũ trụ điện

Theo khoa học vũ trụ truyền thống, chuyển động của các vật thể trong hệ mặt trời được kiểm soát duy nhất bởi định luật hấp dẫn. Nhà thiên văn học người Đức Johannes Kepler thiết lập ba định luật về chuyển động hành tinh của ông vào đầu thế kỷ 17, khi mà điện hầu như chưa được biết đến. Benjamin Franklin thực hiện thí nghiệm diều nổi tiếng của ông 150 năm sau đó.

Ảnh

Mô hình chuyển động thiên thể bởi Newton. Một mô hình cơ học về thế giới nơi mà sự sống là một hệ thống tuyến tính trong đó mọi sự kiện đều có thể được giản ước và giải thích bằng chuyển động cơ học.
Vì vậy, trong thế giới của khoa học chính thống, lực hấp dẫn kiểm soát hệ mặt trời. Thêm vào đó, mặt trời phát ra chủ yếu bức xạ photon; không gian là một chân không tuyệt đối; động đất là do chuyển động kiến tạo; các hiện tượng thời tiết là do sự khác nhau giữa nhiệt độ hay áp suất không khí (hay cả hai); hoạt động của con người và các hiện tượng vũ trụ là hoàn toàn không liên quan.

Trong nhiều thế kỷ qua, khoa học đã xây dựng nên một hệ thống lý thuyết công phu để hợp lý hóa và giải thích hầu hết các hiện tượng tự nhiên (bao gồm cả nhiều hiện tượng không được nhắc đến trong danh sách ngắn ở trên). Theo khoa học chính thống, chúng ta đang sống trong một vũ trụ chính xác như đồng hồ, tạo ra bởi các sự kiện có thể dự đoán được và các chuyển động của thiên thể không bị xáo trộn. Hệ mặt trời là một khu bảo tồn vũ trụ, điều khiển một cách hài hòa bởi những định luật cơ học. Cuộc sống trên Trái Đất trôi đi như một dòng sông yên tĩnh, không bị gián đoạn, và sự tiến hóa tiến triển theo từng bước nhỏ qua hàng ngàn thế hệ trong môi trường tương đối yên tĩnh này.

Vấn đề là, mô hình đồng hồ này của vũ trụ có rất nhiều mâu thuẫn và không có khả năng giải thích nhiều hiện tượng có thể quan sát được. Đặc biệt, trong vài năm qua đã có sự gia tăng của những hiện tượng bất thường và cực đoan không phù hợp với các giáo điều chính thống. Khi một hiện tượng mới kiểu như vậy được quan sát thấy, khoa học chính thống chỉ đơn giản là cố gắng nhồi nhét dữ liệu thực tế quan sát được vào những lý thuyết đã có sẵn, ngay cả khi những lý thuyết đó không đủ khả năng giải thích cho hiện tượng mới.

Khi bóp méo các lý thuyết hay dữ liệu thực tế vẫn chưa đủ, khoa học chính thống đưa ra những lời giải thích rắc rối, tuyên bố đối nghịch hay những lý thuyết quá phức tạp và trừu tượng đến nỗi không có cách gì thử nghiệm xem chúng đúng hay sai. Trong những trường hợp khác, khoa học chính thống chỉ giữ im lặng khi phải đối diện với một dữ liệu quan sát - một thực tế khó chịu - mà rõ ràng không phù hợp với lý thuyết hiện hành, hay tồi tệ hơn, đe dọa lay chuyển tận nền móng của nó.

Trong khi giới truyền thông và hầu hết cộng đồng khoa học đang cố nhồi nhét mô hình vũ trụ đồng hồ này vào tâm trí mọi người, một nhóm các nhà khoa học nổi bật nhìn ra những vấn đề cố hữu trong cách giải thích truyền thống và tìm đến những mô hình hợp lý hơn: thứ có thể giải thích số lượng lớn hơn các dữ liệu thực tế quan sát được. Các nhà khoa học này cố gắng để hiểu bản chất vũ trụ bằng cách thừa nhận thành phần chính của nó: điện và plasma.

Dấu vết của trào lưu này có thể được tìm thấy từ cuối thế kỷ 19, khi tạp chí Khoa học Hoa Kỳ (Scientific American) công bố một bài viết nói rằng Giáo sư Zollner từ Leipzig gán tính chất "tự phát quang" của sao chổi cho "hiện tượng xung điện". Zollner đề xuất rằng:
... hạt nhân của các sao chổi, do có khối lượng, chịu ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn, trong khi quầng khí tỏa ra từ chúng, bao gồm những hạt rất nhỏ, chịu ảnh hưởng bởi lực điện từ mặt trời...
Sau đó, khi nói về đuôi sao chổi, số ra ngày 11/8/1882 của tạp chí Cơ học Anh và Thế giới Khoa học (English Mechanic and World of Science) có đoạn như sau:
Dường như có một suy nghĩ đang phát triển nhanh chóng trong các nhà vật lý học rằng cả hiện tượng tự phát quang của sao chổi và đuôi của chúng thuộc về lớp các hiện tượng điện.
Năm 1896, tạp chí Tự nhiên (Nature) công bố một bài viết trong đó nêu:
Nó từ lâu đã được hình dung rằng hiện tượng đuôi sao chổi là do lực đẩy điện từ mặt trời theo một cơ chế nào đó, và những nghiên cứu vật lý gần đây đã rọi sáng thêm lên chủ đề này.
Ảnh

Hannes Alfven, cha đẻ môn Vũ trụ học Plasma, đoạt giải Nobel vật lý năm 1970
Trong nhiều thập kỷ, trường phái "plasma điện" theo đuổi các nghiên cứu của họ mà không được nhắc đến mấy bởi giới truyền thông cũng như không có các khoản tài trợ nghiên cứu lớn. Irving Langmuir, người được giải Nobel hóa học vào năm 1932, Kristian Birkeland, người bảy lần được đề cử cho giải Nobel, và Hannes Alfven, người được giải Nobel vật lý năm 1970, có thể được coi là các những người sáng lập ra môn Vũ trụ học Plasma. Ba người họ đã tiến hành nhiều thí nghiệm trong phòng thí nghiệm về tính chất của plasma và ngoại suy các kết quả của họ thông qua khả năng thay đổi quy mô (chúng tôi sẽ làm rõ điểm này trong chương 6) cho các hiện tượng vũ trụ.

Đây là một điểm khác giữa vũ trụ học chính thống và vũ trụ học plasma. Trường phái sau có thể thử nghiệm các giả thuyết của họ, và do đó, xây dựng nên lý thuyết vững chãi. Ngược lại, vũ trụ học chính thống, với lý thuyết vụ nổ lớn, vật chất tối, hố đen tạo ra vật chất, ba loại neutrino và sao neutron, chỉ có thể nghĩ ra các khái niệm bột phát để đối phó tình thế mà không thể thử nghiệm chúng được! Những khái niệm này cần được gọi đúng theo bản chất của chúng: suy đoán khoa học chứ không phải lý thuyết.

Ví dụ, vật chất tối chưa bao giờ được quan sát thấy trong vũ trụ. Nó được đề xuất đơn giản chỉ như một cách để cân bằng phương trình, những phương trình cho thấy vũ trụ phải có nhiều vật chất hơn những gì chúng ta quan sát được. Như vị giáo sư kỹ thuật điện đã nghỉ hưu Donald E. Scott từng nói (trích lại từ lời nhà vũ trụ học Jim Peebles từ trường Đại học Princeton):
Thật là đáng xấu hổ khi hình thức vật chất chủ đạo trong vũ trụ vẫn chỉ là giả thuyết. Tôi đề xuất những hình thức vật chất này thuộc về lớp hạt cơ bản được biết đến dưới cái tên "Fabricated Ad hoc Inventions Repeatedly Invoked in Efforts to Defend Untenable Scientific Theories (FAIRIE DUST)" ("Những Phát minh Bột phát Giả mạo Liên tục Được Đưa ra Để Bảo vệ cho Những Lý thuyết Khoa học Đang Lung lay (Hạt Cổ Tích)").
Vấn đề ở đây không phải là loại bỏ các định luật của Newton hay Kepler (như định luật hấp dẫn) mà là thừa nhận rằng những lực khác cũng có ảnh hưởng, đặc biệt là lực điện từ. Trong một số trường hợp, lực hấp dẫn thậm chí có ảnh hưởng không đáng kể so với điện từ, như chúng ta sẽ thấy.

Chương 2: Lực điện từ so với lực hấp dẫn

Như chúng ta đã thấy ở trên, theo khoa học chính thống, lực hấp dẫn là lực chính kiểm soát hành vi của các thiên thể. Thông thường, lực điện từ được coi là không tồn tại hoặc cùng lắm thì không đáng kể. Tuy nhiên, lực điện từ mạnh hơn lực hấp dẫn 1039 lần (nghĩa là không phải 39 lần mạnh hơn mà là 1 tiếp theo bởi 39 số không lần mạnh hơn). Điều đó khiến điện từ là sức mạnh chủ đạo trong vũ trụ của chúng ta.

Millikan experiment
© Theresa Knott
Sơ đồ thí nghiệm của Millikan
Tương quan sức mạnh giữa lực hấp dẫn và lực điện được minh họa bởi một thí nghiệm thiết kế bởi Robert Millikan, người được giải Nobel hóa học năm 1923. Millikan đã cho thấy một hạt bụi dầu được tích điện chỉ với một electron (nhờ ion hóa bằng X-quang) có thể được nâng lên bởi lực điện từ khi được đưa vào một điện trường mạnh. Vậy là, lực điện từ tác động lên chỉ một electron có thể vượt qua lực hấp dẫn của cả hành tinh lên hạt bụi dầu.

Chính xác mà nói, hạt bụi dầu của Millikan nhỏ hơn nhiều so với giọt dầu bình thường. Thông thường, một hạt bụi dầu có đường kính 0,1 micron trong khi một giọt dầu là khoảng 1000 micron (1 mm). Do có khoảng 1021 nguyên tử trong một giọt nước, một hạt bụi dầu chứa khoảng 1017 nguyên tử. Vậy là Millikan đã cho thấy lực điện từ tác động lên một electron duy nhất có thể chống lại trọng lực (lực hấp dẫn) của 1017 nguyên tử.

Chiến thắng của lực điện từ trước lực hấp dẫn thậm chí còn ấn tượng hơn nữa khi khoảng cách gia tăng:
Cường độ của từ trường sinh ra bởi một dòng điện (ví dụ như một dòng điện Birkeland kích cỡ vũ trụ) thay đổi theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ dòng điện. Trong khi đó, cả lực hấp dẫn và lực tĩnh điện giữa các ngôi sao thay đổi theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
Dùng một ví dụ cụ thể, khi lực điện từ bị giảm đi 100 (102) lần do khoảng cách giữa hai vật thể, lực hấp dẫn giảm đi 10.000 (104) lần với cùng khoảng cách. Trong khi lực hấp dẫn có thể đóng vai trò quan trọng cùng với lực điện từ bên trong các vật thể, đối với tương tác từ xa giữa các vật thể với nhau (sao với sao, sao với hành tinh, sao với sao chổi, v.v...), lực hấp dẫn thường là không đáng kể và lực điện từ đóng vai trò chính.

Chương 3: Plasma là gì?

Trước khi tiếp tục, cho phép chúng tôi giới thiệu một trong những nhân vật chính của cuốn sách này, đó là "plasma", hay khí ion hóa. Để hiểu bản chất điện của vũ trụ, đầu tiên chúng ta phải hiểu bản chất thành phần chính của nó. Irving Langmuir đặt ra thuật ngữ "plasma" do sự giống nhau giữa khí ion hóa và các hồng cầu sống động trong máu. Thật vậy, những thuộc tính giống như có sự sống của của plasma là khá khác thường so với các dạng vật chất khác:
Tại Phòng Thí nghiệm Bức xạ Berkeley, David Bohm bắt đầu cái mà về sau trở thành công trình mang tính bước ngoặt của ông về plasma. Plasma là một loại khí có chứa mật độ cao các electron, ion dương và nguyên tử mang điện tích dương. Ông rất ngạc nhiên khi thấy rằng một khi ở trong plasma, các electron không còn hành xử như những cá thể mà bắt đầu hành xử như thể chúng là một phần của một quần thể lớn hơn, liên kết chặt chẽ với nhau. Mặc dù chuyển động của mỗi electron có vẻ ngẫu nhiên, một lượng lớn electron có thể tạo ra những hiệu ứng có tổ chức đến đáng ngạc nhiên. Như một sinh vật dạng amip, plasma liên tục tái tạo bản thân nó và bao bọc mọi vật thể lạ trong một bức tường cũng giống như cách một sinh vật sống bao bọc vật thể lạ trong khối u nang. Bohm ngạc nhiên về những thuộc tính hữu cơ này đến mức sau này ông nhận xét rằng ông thường xuyên có cảm giác biển electron là "vật sống".
Plasma according to temperature and electron density
© Wikipedia
Biểu đồ các loại plasma theo nhiệt độ và mật độ electron của chúng
Dù là vật sống hay không, plasma là thể phổ biến nhất của vật chất trong vũ trụ, cả về khối lượng lẫn thể tích. Nó chiếm 99% vũ trụ có thể quan sát được và do đó phổ biến hơn rất nhiều so với ba thể còn lại: rắn, lỏng và khí. Tất cả các ngôi sao đều được tạo thành bởi plasma, và thậm chí khoảng không giữa các vì sao cũng chứa đầy plasma. Biểu đồ bên cho thấy plasma có mặt trong đủ loại môi trường, nhiệt độ và trạng thái của vật chất. Thậm chí kim loại cũng được phân loại là plasma, do chúng là vật chất rắn nhưng có electron phân ly tự do.

Điều nghịch lý là plasma, thể phổ biến nhất của vật chất, cũng là thứ được đề cập và nghiên cứu ít nhất. Trong khi sinh viên các ngành khoa học tự nhiên được dạy một cách chi tiết tính chất của chất rắn, chất lỏng và chất khí, không có nhiều tài liệu đề cập đến plasma. Vì vậy, chúng ta hãy cố gắng đem lại công bằng cho nó.

Plasma là một thể của vật chất (thường là chất khí, nhưng cũng có thể là chất rắn hoặc chất lỏng) trong đó một phần các hạt cấu thành đã bị ion hóa. Hạt bị ion hóa là một hạt đã mất đi một hoặc nhiều electron của nó. Do vậy, trong khi khí "bình thường" được tạo thành bởi các hạt không ion hóa, plasma được tạo thành bởi các hạt phân ly tích điện dương và electron tích điện âm.

Plasma gas

Sự khác nhau giữa khí và plasma (nguyên tử hydro)
Trong định nghĩa trên, từ "hạt" có thể thay mặt cho "phân tử" hoặc "nguyên tử". Hãy lấy ví dụ nguyên tử hydro (H) - như được mô tả trong hình. Nó được tạo thành bởi một proton (tức là hạt nhân) và một electron quay quanh hạt nhân (xem phần bên trái của hình vẽ). Nếu nguyên tử hydro bị ion hóa, hạt nhân (proton) sẽ bị tách rời khỏi electron (xem phần bên phải của hình vẽ).

Trong quá trình ion hóa, một lượng năng lượng vào đẩy bật electron khỏi nguyên tử. Điều này dẫn đến một electron tự do (đại diện bởi các dấu chấm màu đen) và một ion tích điện dương (đại diện bởi các hình tròn nhỏ màu đỏ). Bây giờ hai điện tích đã bị tách rời và khí bị ion hóa - nó trở thành plasma.

Chương 4: Các đặc tính điện của plasma

Plasma bộc lộ những đặc tính điện rất cụ thể. Chúng không phải là chất cách điện (chất có điện trở rất cao) như khí không ion hóa, và chúng cũng không phải là chất siêu dẫn (chất có điện trở bằng không), nhưng chúng là chất dẫn điện rất tốt, thậm chí tốt hơn đồng hoặc vàng. Trở kháng bình thường của plasma là khoảng 30 ohm. Để so sánh, trở kháng bình thường của đồng dao động giữa 300 và 600 ohm.

Dòng điện, bao gồm cả dòng plasma, xảy ra giữa hai vật thể có điện tích khác nhau. Trong trường hợp đó, vật thể có điện tích dương (dễ nhận electron để cân bằng điện tích của nó) được gọi là cực dương, và vật thể có điện tích âm (dễ cho đi electron) được gọi là cực âm.

Plasma globe

Quả cầu plasma, hay đèn plasma, trong đó sự phóng điện xảy ra trong plasma dạng khí. Chất khí trong quả cầu thường là neon.
Nếu sự khác biệt về điện tích đủ mạnh - nếu khoảng cách giữa hai điện cực (cực dương và cực âm) đủ nhỏ và chất khí ở giữa đủ đậm đặc - thì chất khí sẽ trở nên bị ion hóa (nghĩa là sự khác biệt về điện tích sẽ giải phóng electron). Khi đó điện tích sẽ bắt đầu cân bằng giữa hai vật thể bằng cách vận chuyển electron từ cực âm đến cực dương, hoặc ion dương từ cực dương đến cực âm (hoặc cả hai). Hiện tượng này rất phổ biến. Ví dụ, nó xảy ra trong bóng đèn ống huỳnh quang hoặc trong quả cầu plasma.

Trong quả cầu plasma, các tia plasma (dòng electron và ion dương) vươn ra từ điện cực trung tâm đến điện cực bằng kính ở ngoài nhằm cân bằng sự khác biệt về điện tích. Hãy nhớ ví dụ về quả cầu plasma này vì nó là một mô hình rất tốt cho những gì xảy ra ở quy mô các vì sao, hay thậm chí quy mô thiên hà.

Chương 5: Các chế độ phóng điện

Plasma thể hiện những chế độ phóng điện khác nhau tùy theo mật độ dòng (ampe trên mét vuông) đi qua nó. Khi dòng điện yếu, sự phóng điện xảy ra trong "chế độ tối", nghĩa là không có ánh sáng hay bức xạ thấy được nào được phát ra. Điều này xảy ra với các tiểu hành tinh tối, ngôi sao tối, hoặc trong không gian giữa các vì sao (như chúng ta sẽ thấy khi thảo luận về khả năng thay đổi quy mô trong chương sau). Dòng điện đi qua plasma đơn giản là quá yếu để làm nó sáng lên.

Discharge modes
© Sott.net
Từ trên xuống dưới: chế độ phóng điện tối (không gian vũ trụ), chế độ phóng điện phát sáng (đèn neon), chế độ phóng điện hồ quang (hàn hồ quang)
Khi mật độ dòng tăng lên, plasma bắt đầu phát sáng. Điều này xảy ra trong bóng đèn neon, sao chổi (tiểu hành tinh phát sáng), hoặc trong quầng sáng quanh mặt trời. Đây được gọi là "chế độ phát sáng".

Nếu dòng điện tiếp tục tăng nữa, plasma đi vào "chế độ phóng điện hồ quang", tạo ra một tia lửa điện đột ngột và dữ dội. Điều này xảy ra khi có chớp, sét đánh hay trong hàn hồ quang. Đó cũng là hiện tượng quan sát được trong quả cầu plasma đề cập đến ở trên. Nó cũng có thể xảy ra ở các sao chổi, dẫn đến sự bùng sáng đột ngột và/hoặc nổ tung như sự kiện nổi tiếng xảy ra với sao chổi Shoemaker-Levy và nhiều sao chổi khác trước và sau đó.

Hình bên cho thấy ba chế độ phóng điện của plasma.

Tóm lại, plasma bộc lộ ba chế độ phóng điện tùy theo mật độ dòng điện đi qua nó.

Chương 6: Khả năng thay đổi quy mô của plasma

Một đặc tính rất thú vị của plasma là khả năng thay đổi quy mô của nó. Điều này nghĩa là plasma bộc lộ những hành vi và tính chất tương tự bất kể ví dụ ấy là lớn hay nhỏ đến đâu: trong phòng thí nghiệm hay trong vũ trụ. Trên thực tế, plasma xảy ra trên một dải rộng các kích cỡ bắt đầu từ kích cỡ nguyên tử (một electron và hạt nhân của nó phân ly khỏi nhau). Dải kích cỡ này bắt đầu từ đường kính khoảng 10-10 mét cho đến kích cỡ thiên hà, trong trường hợp Dải Ngân Hà của chúng ta là đường kính khoảng 1020 mét.

Sun - atom comparison

So sánh hệ mặt trời và một nguyên tử
Điều này có nghĩa là kích cỡ của các hiện tượng plasma trải trên một dải rộng 1030 lần (1 tiếp theo bởi 30 số không) từ kích thước nhỏ nhất đến lớn nhất. Plasma bộc lộ những tính chất tương tự trên toàn bộ dải này. Hình bên minh họa sự tương tự giữa plasma vi mô (quy mô nguyên tử) và plasma vĩ mô (quy mô hệ mặt trời).

Do khả năng thay đổi quy mô rất lớn này, các nhà vũ trụ học plasma có thể quan sát, đặt giả thuyết, và quan trọng nhất là kiểm nghiệm chúng trong phòng thí nghiệm (quy mô nhỏ), rồi thông qua phép ngoại suy, áp dụng những kết quả của họ lên plasma lớn hơn rất nhiều lần (hiện tượng vũ trụ chẳng hạn). Nhìn từ góc độ này, việc áp dụng các kết quả từ plasma trong phòng thí nghiệm lên những sự kiện vũ trụ cũng không khác gì việc thử nghiệm máy bay hay nghiên cứu dòng khí trong ống gió với những mô hình kích thước nhỏ, rồi áp dụng kết quả lên máy bay thực sự.

Khả năng thử nghiệm được này cho phép đưa ra dự đoán và thử nghiệm các lý thuyết mới với những thí nghiệm cụ thể. Đây là một khía cạnh tối quan trọng của nghiên cứu khoa học, như nhà triết học, khoa học Karl Popper đã nói:
Tiêu chí về sức nặng khoa học của một lý thuyết là khả năng nó có thể được thử nghiệm, chứng minh hoặc bác bỏ.