Tại sao Mặt Trời cháy trong không gian suốt 5 tỷ năm? Các nhà khoa học: Những gì chúng ta thấy chỉ là ảo ảnh

Câu trả lời của các nhà khoa học cho câu hỏi này là Mặt Trời mà chúng ta nhìn thấy trước mắt trông giống như một quả cầu lửa rực cháy, nhưng thực chất đó chỉ là ảo ảnh. Thực tế, Mặt Trời không hề cháy. Ánh sáng và nhiệt lượng mà nó tỏa ra thực chất đến từ một nguồn năng lượng mạnh mẽ hơn - phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Nhưng câu hỏi đặt ra là, làm thế nào Mặt Trời duy trì được phản ứng tổng hợp hạt nhân trong suốt 5 tỷ năm? Thực tế, điều này có thể giải thích được.

Nguyên liệu thô chính cho phản ứng tổng hợp hạt nhân Mặt Trời là hydro, và quá trình tổng hợp của nó có thể được chia thành ba giai đoạn. Chúng ta có thể hiểu đơn giản như sau: đầu tiên, hai proton (hạt nhân hydro đơn giản nhất) kết hợp thành một hạt nhân deuterium, sau đó hạt nhân deuterium kết hợp với một proton khác thành một hạt nhân heli-3, và cuối cùng, hai hạt nhân heli-3 kết hợp thành một hạt nhân heli-4, giải phóng hai proton cùng một lúc.

Quá trình này được gọi là "phản ứng dây chuyền proton-proton". Giai đoạn khó khăn nhất là giai đoạn đầu tiên. Vì tất cả các proton đều mang điện tích dương, nên có một lực đẩy giữa các proton. Điều này có nghĩa là để các proton hợp nhất, điều kiện đầu tiên là chúng phải có đủ động năng để thắng được lực đẩy này.

Động năng này đến từ đâu? Câu trả lời là nhiệt độ cao. Từ góc độ vi mô, nhiệt độ đơn giản là cường độ chuyển động nhiệt của một số lượng lớn các hạt vi mô. Vì vậy, miễn là nhiệt độ đủ cao, các proton sẽ có động năng để thắng lực đẩy giữa chúng.

Nhiệt bên trong Mặt Trời đến từ sự co lại do lực hấp dẫn gây ra bởi chính khối lượng khổng lồ của nó. Càng xuống sâu, nhiệt độ càng cao. Do đó, phản ứng tổng hợp hạt nhân chỉ xảy ra ở một khu vực nhỏ bên trong Mặt Trời. Khu vực này còn được gọi là vùng phản ứng lõi, và bán kính của nó chỉ bằng khoảng 1/5 Mặt Trời.

Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu mặt trời, các nhà khoa học phát hiện ra rằng nhiệt độ của vùng phản ứng lõi mặt trời là khoảng 15 triệu K. Về mặt lý thuyết, cần phải có nhiệt độ cao khoảng 100 triệu K để các proton có đủ động năng để thắng lực đẩy giữa chúng.

Nói cách khác, về mặt lý thuyết, phản ứng tổng hợp hạt nhân không thể xảy ra bên trong Mặt Trời, nhưng trên thực tế, ai cũng biết phản ứng tổng hợp hạt nhân thực sự xảy ra bên trong Mặt Trời. Tại sao lại như vậy? Thực tế, câu hỏi này đã làm đau đầu cộng đồng khoa học trong một thời gian dài cho đến khi họ phát hiện ra hiệu ứng "đường hầm lượng tử" trong lĩnh vực nghiên cứu cơ học lượng tử.

"Hiệu ứng đường hầm lượng tử" được mô tả một cách sống động là "đi trên tường trong thế giới lượng tử". Nói một cách đơn giản, hiệu ứng này có nghĩa là ngay cả khi các hạt vi mô không có năng lượng, vẫn có một xác suất nhất định là chúng có thể phá vỡ các rào cản năng lượng mà cơ học cổ điển không thể phá vỡ được.

Trên thực tế, lực đẩy giữa các proton thực chất là một rào cản năng lượng. Do đó, theo mô tả của cơ học lượng tử, có một xác suất nhất định là proton có thể phá vỡ rào cản năng lượng này khi nhiệt độ không đủ cao, do đó có thể tạo điều kiện cho sự hợp nhất giữa các proton.

Vì khoảng cách năng lượng càng lớn thì khả năng xảy ra "hiệu ứng đường hầm lượng tử" càng thấp và nhiệt độ ở vùng phản ứng lõi của Mặt Trời thấp hơn nhiều so với giá trị lý thuyết, nên khả năng xảy ra "hiệu ứng đường hầm lượng tử" giữa các proton ở vùng phản ứng lõi của Mặt Trời cực kỳ thấp và chỉ có thể xảy ra một lần trong mỗi 100 nghìn tỷ lần chạm trán (xác suất là khoảng 1 trên 10 mũ 20).

Nhưng đây chưa phải là kết thúc, bởi vì ngay cả khi hai proton va chạm với nhau thông qua "hiệu ứng đường hầm lượng tử", trong hầu hết các trường hợp (hơn 99%), chúng vẫn sẽ nhanh chóng tách ra. Chỉ trong những trường hợp rất hiếm, một trong hai proton mới biến đổi thành neutron dưới tác động của tương tác yếu, do đó hình thành nên hạt nhân deuterium bền vững.

(Lưu ý: Hạt nhân deuterium bao gồm một neutron và một proton)

Xác suất xảy ra hiệu ứng đường hầm lượng tử đã đủ thấp rồi, và nếu cộng thêm yếu tố này vào phương trình, xác suất hợp nhất proton thậm chí còn thấp hơn nữa. Thấp đến mức nào? Đối với một proton nhất định trong lõi Mặt Trời, thông thường phải mất hàng tỷ năm để hợp nhất với các proton khác để tạo thành hạt nhân deuterium.

Mặc dù xác suất này thấp đến mức đáng ngạc nhiên, nhưng số lượng proton trong Mặt Trời lại rất lớn. Theo ước tính của các nhà khoa học, số lượng proton trong vùng phản ứng lõi của Mặt Trời có thể lên tới 10 mũ 56.

Con số khổng lồ này đồng nghĩa với việc tại bất kỳ thời điểm nào, một lượng rất nhỏ proton sẽ hợp nhất thành hạt nhân deuterium trong vùng phản ứng lõi của Mặt Trời. Điều này đảm bảo "phản ứng chuỗi proton-proton" có thể tiếp tục, đồng thời cho phép Mặt Trời tiêu thụ vật liệu tổng hợp hạt nhân với tốc độ cực kỳ chậm.

Đến đây chúng ta có thể tóm tắt đơn giản như sau: Mặt trời không hề cháy trong không gian, thực chất nó là một "lò phản ứng tổng hợp hạt nhân" khổng lồ, và lý do phản ứng tổng hợp hạt nhân của Mặt trời có thể kéo dài tới 5 tỷ năm thực chất là do nguyên lý trên khiến nguyên liệu thô của phản ứng tổng hợp hạt nhân được tiêu thụ cực kỳ chậm.

Tất nhiên, vật liệu hạt nhân của Mặt Trời là hữu hạn, và cuối cùng chúng sẽ cạn kiệt. Nhưng tin tốt là, theo suy luận của các mô hình lý thuyết đã biết, Mặt Trời hiện đang ở thời kỳ đỉnh cao, và người ta ước tính rằng vật liệu hạt nhân trong vùng phản ứng lõi của nó sẽ cạn kiệt trong khoảng 5 tỷ năm nữa, vì vậy chúng ta không cần phải lo lắng về điều đó ngay bây giờ.

Lê Dương (Theo Thương Hiệu và Pháp Luật)