tính chất các định luật vật lý

Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ TÍNH CHẤT CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ Luận văn tốt nghiệp Ngành: Sƣ phạm Vật lý – Công nghệ Giáo viên hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nhạn Nguyễn Thị Hồng Nhung Mã số SV: 1117604 Lớp: Sƣ phạm Vật lý-Công nghệ Khoá: 37 Cần Thơ, 2015 GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thực Các số liệu, kết phân tích luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình nghiên cứu trƣớc Mọi tham khảo, trích dẫn đƣợc rõ nguồn danh mục tài liệu tham khảo luận văn Cần Thơ, ngày 24 tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Hồng Nhung GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Giới hạn đề tài Phƣơng pháp phƣơng tiện thực Các bƣớc thực PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TÍNH BẢO TOÀN CỦA CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ Sự hình thành định luật bảo toàn 2 Hình thức bảo toàn 3 Các định luật bảo toàn 3.1 Định luật bảo toàn lƣợng 3.1.1 Khái niệm 3.1.2 Trong nhiệt động lực học 3.2 Định luật bảo toàn động lƣợng 3.2.1 Khái niệm động lƣợng 3.2.2 Dạng khác Định luật II Niu Tơn 3.2.3 Định luật bảo toàn động lƣợng 3.3 Định luật bảo toàn Mômen động lƣợng 3.3.1 Khái niệm 3.3.2 Dạng khác phƣơng trình động lực học vật rắn quay quanh trục cố định 3.3.3 Định luật bảo toàn mômen động lƣợng 3.3.4 Động vật rắn quay quanh trục cố định 3.4 Định luật bảo toàn điện tích 3.4.1 Khái niệm điện tích 3.4.2 Thuyết electron 3.4.3 Định luật bảo toàn điện tích 3.5 Định luật bảo toàn khối lƣợng CHƢƠNG 2: TÍNH ĐỐI XỨNG CỦA CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ 11 Các thí dụ 11 1.1 Thí dụ định luật vạn vật hấp dẫn 11 GVHD: Lê Văn Nhạn i SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT 1.1.1 Tính đối xứng chuyển dịch không gian 11 1.1.2 Các định luật vật lý không thay đổi dịch chuyển thời gian 12 1.2 Thí dụ liên quan tới phép quay không gian 12 1.3 Thí dụ liên quan tới chuyển động theo đƣờng thẳng 13 1.4 Định luật Coulomb 13 Tính chất đối xứng không gian, thời gian định luật bảo toàn 14 2.1 Sự đối xứng định luật vật lý phép tịnh tiến không gian tƣơng ứng với bảo toàn xung lƣợng hệ cô lập 14 2.2 Sự đối xứng định luật vật lý phép dịch chuyển thời gian tƣơng ứng với định luật bảo toàn toàn phần hệ cô lập 14 2.3 Sự đối xứng định luật vật lý phép quay không gian tƣơng ứng với bảo toàn mômen xung lƣợng hệ cô lập 15 CHƢƠNG 3: TÍNH BẤT ĐỊNH CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ 16 Nguyên lí bất định 16 Ý nghĩa nguyên lí bất định 16 Lịch sử nguyên lí bất định 16 CHƢƠNG 4: THUYẾT TƢƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN VÀ MỘT SỐ HỆ QUẢ CỦA NÓ 22 Thuyết tƣơng đối hẹp Einstein 22 Một số hệ thuyết tƣơng đối hẹp 23 2.1 Phép biến đổi Lorentz 23 2.1.1 Sự mâu thuẫn phép biến đổi Galilée với thuyết tƣơng đối Einstein 23 2.1.2 Phép biến đổi Lorentz 24 2.2 Tính đồng thời quan hệ nhân 26 2.2.1 Tính đồng thời 26 2.2.2 Quan hệ nhân 26 2.3 Sự co ngắn Lorentz 26 2.3.1 Độ dài 26 2.3.2 Khoảng thời gian 27 2.3.3 Khoảng không - thời gian 28 CHƢƠNG 5: ĐỊNH LUẬT VỀ SỰ GIA TĂNG MẤT TRẬT TỰ 29 Các trình không thuận nghịch 29 Trật tự trật tự 30 GVHD: Lê Văn Nhạn ii SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT Trật tự lƣợng 32 Các cách để trật tự 33 Khủng hoảng lƣợng 34 Hiệu suất bảo toàn lƣợng 35 Sự ô nhiễm 35 Sự cân 35 Tóm tắt 36 10 Entropy 37 10.1 Lịch sử entropy 37 10.2 Định nghĩa entropy theo động lực học cổ điển 38 10.2.1 Tính không bảo toàn entropy 38 10.2.2 Những biến đổi mang tính thuận nghịch 38 10.2.3 Những biến đổi mang tính không thuận nghịch 39 10.2.4 Những đồng xu trao đổi 39 10.3 Định nghĩa entropy theo vật lý thống kê 40 CHƢƠNG 6: NĂNG LƢỢNG TỐI 42 Mở đầu 42 Sự hồi sinh số vũ trụ học 42 Vũ trụ giãn nở thiếu hụt lƣợng 43 Những quan sát kính không gian Hubble 44 Siêu lạ Ia – Những hải đăng vũ trụ 45 Bức xạ Viba – Bức tranh lƣợng tối 46 Nguyên tố thứ năm 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 GVHD: Lê Văn Nhạn iii SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong chƣơng trình đại học, em đƣợc học nhiều môn học Đối với em môn học bổ ích Những môn học giúp em bổ sung thêm kiến thức, hiểu biết Ngoài ra, hành trang quý báu để phục vụ cho công tác giảng dạy sau sống Vật lý học môn khoa học nghiên cứu vật chất tƣơng tác, đƣợc xem ngành khoa học định luật vật lý chi phối tất ngành khoa học tự nhiên khác Vật lý đƣợc ứng dụng khắp tất lĩnh vực đời sống xã hội, hầu hết nhìn thấy xung quanh có diện vật lý Khi nghiên cứu vật lý, nhận thấy có nhiều định luật phức tạp xác nhƣ định luật hấp dẫn, điện, từ, tƣơng tác hạt nhân…Song định luật khác nhƣng chứa đựng ý nghĩa triết học tổng quát Trong vật lý, định luật vật lý thứ ngành vật lý học Chúng sở tính toán quan trọng vật lý lý thuyết, vật lý thực nghiệm kỹ thuật Do em định chọn đề tài “Tính chất định luật vật lý’’ làm đề tài báo cáo cho luận văn tốt nghiệp Mục đích đề tài Nghiên cứu số tính chất định luật vật lý, thấy ý nghĩa triết học số định luật Giới hạn đề tài Do kiến thức hạn chế mà phạm vi nghiên cứu đề tài rộng nên đề tài dừng lại việc nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp tài liệu có liên quan trao đổi với giáo viên hƣớng dẫn Phƣơng pháp phƣơng tiện thực - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết - Để hoàn thành luận văn cần sử dụng phƣơng pháp phân tích, tổng hợp, vận dụng kiến thức để giải thích tƣợng tự nhiên - Phƣơng tiện thực hiện: Sách tham khảo vật lý tài liệu liên quan Các bƣớc thực Bƣớc 1: Nhận đề tài từ giáo viên hƣớng dẫn sau tổng hợp, xác định mục đích đề tài Bƣớc 2: Tìm nguồn tài liệu có liên quan, đọc tài liệu cần thiết Bƣớc 3: Viết đề cƣơng chi tiết Bƣớc 4: Nộp đề cƣơng chi tiết gặp giáo viên hƣớng dẫn để hƣớng dẫn cách thực viết luận văn dựa theo đề cƣơng, đọc tổng hợp lại tài liệu theo hƣớng đề tài Bƣớc 5: Tiến hành viết luận văn Bƣớc 6: Nộp báo cáo luận văn GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TÍNH BẢO TOÀN CỦA CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ Khi nghiên cứu vật lý, nhận thấy có nhiều định luật phức tạp xác nhƣ định luật hấp dẫn, điện, từ, tƣơng tác hạt nhân…Song định luật khác nhƣng chứa đựng nguyên lý chung Thí dụ, định luật bảo toàn, dạng tổng quát nguyên lý lƣợng tử, tất định luật biểu diễn với dạng toán học.Trong vật lý, định luật bảo toàn định luật ngành vật lý học Các định luật bảo toàn “hòn đá thử vàng” cho thuyết vật lý Chúng sở tính toán quan trọng vật lý thực nghiệm kỹ thuật Vậy tính bảo toàn định luật vật lý thể nhƣ nào? SỰ HÌNH THÀNH CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN Tƣ tƣởng bảo toàn đƣợc hình thành với quan niệm vật: “Không có đƣơc tạo thành từ hƣ vô bị huỷ diệt” Điều có nghĩa giới vật chất xung quanh ta đƣợc bảo toàn vĩnh cửu không tự sinh không tự Đây quan điểm tổng quát tƣ tƣởng bảo toàn Tƣ tƣởng có nguồn gốc từ Ấn Độ cổ đại Trung Quốc cổ đại, sau thâm nhập vào giới Hi Lạp cổ đại Đêmôcrit quan niệm giới vật chất nguyên tử tạo thành Nguyên tử phần tử vật chất vô nhỏ phân chia đƣợc nữa, không bị hạt khác xuyên qua nhƣ không thay đổi hay bị huỷ diệt Đây quan niệm nguyên tử Đêmôcrit theo ông bảo toàn nguyên tử nguyên nhân bảo toàn vật chất hay tính chất nguyên tử riêng lẻ Bên cạnh nhà triết học nhận định điều rằng: Thế giới vật chất đƣợc bảo toàn nhƣng lại biến đổi Mọi vật xung quanh điều biến đổi không ngừng Theo Aristôt: Ông cho giới vật chất bốn nguyên thuỷ tạo thành: lửa, không khí, nƣớc đất “Lửa có tính chất khô nóng Không khí có tính chất nóng ẩm Nƣớc có tính chất ẩm lạnh Đất có tính chất lạnh khô” Cơ bốn tính chất khô, nóng, ẩm, lạnh luôn đấu tranh Đến kỷ XVII Descartes Leibniz tìm cách xây dựng định luật định tính để thể tính bảo toàn chuyển hoá nhƣng không thành công Đến kỷ XVIII vật lý xuất hàng loạt định luật bảo toàn nhƣ: định luật bảo toàn lƣợng, xung lƣợng, momen xung lƣợng, điện tích…mà trƣớc định luật bảo toàn khối lƣợng GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT Giữa kỷ XIX định luật mang tính chất định định lƣợng đƣợc kiểm chứng thực nghiệm Cơ học Newtơn đƣợc xem sở khoa học Cuối kỷ này, định luật bảo toàn bƣớc vào giai đoạn thách thức Khi nghiên cứu phân rả  ngƣời ta thấy lƣợng hạt phóng có giá trị tuỳ ý nhƣng nhỏ độ giảm lƣợng hạt nhân Nhƣ có phải định luật bảo toàn lƣợng không trƣờng hợp có nghĩa lƣợng Một số nhà khoa học cho định luật không phổ biến Nhƣng nhiều nhà khoa học tin tƣởng vào định luật nên trì nghiên cúu tìm hạt Neutrino nguyên nhân làm lƣợng Khi định luật bảo toàn lƣợng lại nghiệm cách xác Nhƣng sau sâu nghiên cứu giới vi mô, ngƣời ta thấy lƣợng mang tính chất đặc biệt không giống nhƣ học cổ điển lần ngƣời ta lại nghi ngờ định luật bảo toàn lƣợng Bởi ngƣời ta cho động tác hay giai đoạn riêng lẻ định luật lại không đƣợc nghiệm mà xét trình Nghĩa động tác riêng lẻ lƣợng đƣợc bù trừ lẫn cách ngẫu nhiên định luật mang tính thống kê Nhƣng Vật lý học chứng minh đƣợc định luật bảo toàn lƣợng bảo toàn động tác giới vi mô, lƣợng giống nhƣ tính chất khác vật chất có nét đặc trƣng riêng so với giới vi mô, nhƣng định luật xác có ý nghĩa Từ tƣ tƣởng bảo toàn đến hình thành định luật bảo toàn trình nhận thức, nghiên cứu, đánh giá, tranh luận lâu dài gay gắt Khi khoa học ngày phát triển việc nghiên cứu để khẳng định lại đắn định luật bảo toàn điều tất yếu Trải qua thử thách giai đoạn đầu Vật lý học đại, vai [1] trò định luật bảo toàn đƣợc củng cố thêm cách đáng kể HÌNH THỨC BẢO TOÀN Trong thuyết nguyên tử cổ đại, giới vật chất nguyên tử bất biến tạo thành nguyên tử bảo toàn số lƣợng Mặc dù nguyên tử xếp với theo cách cách khác, chúng kết hợp tách rời theo hƣớng nhƣng tổng số lƣợng chúng giới vật chất không đổi Tuy nhiên quan niệm không công nhận Trong vật lý học có hình thức bảo toàn nhƣ: - - Trong thuyết động học phân tử: Tổng số lƣợng phân tử lƣợng khí định không đổi Mặc dù phân tử va chạm vào va chạm vào thành bình nhƣng số lƣợng phân tử bảo toàn trình Trong tƣơng tác hạt có chuyển hoá hạt Mặc dù hạt trƣớc phản ứng sau phản ứng khác nhƣng số lƣợng hạt nặng GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp - Trƣờng ĐHCT không đổi Cụ thể ta xét tƣơng tác hạt phản hạt, sinh cặp huỷ cặp có hạt nặng đƣợc sinh Trong học lƣợng tử ta xét trình nghiên cúu tổng số hạt nặng đƣợc sinh không đổi Trong vật lý hạt có bảo toàn hạt nặng Định luật bảo toàn vật cụ thể đƣợc phát biểu cách tổng quát nhƣ sau: quan hệ hạt phản hạt toàn vũ trụ không đổi [1] CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN 3.1 Định luật bảo toàn lƣợng Việc phát minh định luật bảo toàn lƣợng làm biến đổi tận gốc phát triển vật lý học cổ điển vào thập kỉ cuối kỉ XIX Phát minh vĩ đại khoa học tự nhiên vạch đƣợc ranh giới rõ rệt vật lí học thuộc nửa đầu nửa sau kỉ XIX Năng lƣợng đƣợc coi thƣớc đo tổng quát tất dạng chuyển động vật chất Định luật bảo toàn lƣợng định luật quan trọng đƣợc coi định luật tổng quát tự nhiên Mọi trình phải tuân theo định luật này, định luật vật lí khác phải phù hợp với định luật 3.1.1 Khái niệm a Năng lượng gì? – Hiểu theo nghĩa thông thƣờng, lƣợng khả làm thay đổi trạng thái thực công lên hệ vật chất – Năng lƣợng theo lý thuyết tƣơng đối Albert Einstein thƣớc đo khác lƣợng vật chất đƣợc xác định theo công thức liên quan đến khối lƣợng toàn phần E = mc² Nó khối lƣợng nhân với số có đơn vị vận tốc bình phƣơng, nên đơn vị đo lƣợng hệ đo lƣờng quốc tế kg (m/s)² b Định luật bảo toàn lượng – Định luật bảo toàn lƣợng, phát biểu lƣợng (hoặc đại lƣợng tƣơng đƣơng khối lƣợng tƣơng đối tính) tự nhiên sinh – Trong toàn vũ trụ, tổng lƣợng không đổi, chuyển từ hệ sang hệ khác Ngƣời ta "tạo ra" lƣợng, ngƣời ta "chuyển dạng" lƣợng mà 3.1.2 Trong nhiệt động lực học Định luật bảo toàn lƣợng định luật nhiệt động lực học Theo định luật này, tổng lƣợng hệ kín không đổi Phát biểu cách khác: Nhiệt truyền vào hệ thay đổi nội hệ cộng với công mà hệ sinh cho môi trƣờng GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT Một hệ định luật công thực hệ, hay hệ không sinh công, đồng thời nội hệ không đổi (nhiều đƣợc thể qua nhiệt độ không đổi), tổng thông lƣợng lƣợng vào hệ phải tổng thông lƣợng lƣợng ra: Fvào = Fra Fvào = Fphản xạ + Fbức xạ + Ftruyền qua Trong đó: Fbức xạ = Fhấp thụ Ví dụ, với vật đen tuyệt đối: thì: Fvào = Fhấp thụ = Fbức xạ Fphản xạ = Ftruyền qua = 0, Với F tổng thông lƣợng lƣợng Từ mệnh đề phát biểu nhƣ ta phát biểu ngắn gọn lại nhƣ sau: lƣợng không tự sinh mả không tự chuyển hóa từ dạng sang dạng khác Một số ví dụ chứng minh cho chuyển hóa lƣợng: Nếu thả bi từ cao xuống chén bi từ cao rơi xuống chuyển động quanh thành chén động đồng thời phát tiếng động âm năng, ta thấy từ dạng lƣợng lại bị chuyển hóa thành dạng lƣợng nhƣ nêu Ta thấy đun ấm nƣớc nhiệt bếp chuyển hóa thành động cho phân tử nƣớc bốc lên bề mặt chất lỏng 3.2 Định luật bảo toàn động lƣợng 3.2.1 Khái niêm động lƣợng – Động lƣợng tịnh tiến (thƣờng gọi động lƣợng hay xung lƣợng) vật đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho truyền tƣơng tác vật với vật khác Đây đại lƣợng quan trọng việc nghiên cứu tƣơng tác vật – Động lƣợng vật khối lƣợng m chuyển động với vận tốc v đại lƣợng đƣợc xác định công thức: p  m.v Với p : động lƣợng vật m: khối lƣợng vật v : vật tốc chuyển động vật Trong hệ quốc tế đơn vị động lƣợng Kg.m/s GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT quanh không hữu dụng, trật tự sẵn có hầu nhƣ mức độ cao đƣợc phép theo nhiệt độ trái đất Nguồn nhiên liệu hoá thạch quan trọng cung cấp nguồn lƣợng có trật tự cao Khi đốt nó, không làm lƣợng - làm trật tự Chúng ta “khủng hoảng lƣợng”; mà có “khủng hoảng [5] trật tự” hay xác ”khủng hoảng entropy” HIỆU SUẤT CỦA BẢO TOÀN NĂNG LƢỢNG Định luật tăng trật tự làm giới hạn đáng kể hiệu suất trình động khác mà chuyển lƣợng dạng sang dạng khác Chúng ta biết động ô tô bị giới hạn hiệu suất khoảng 25% Các nhà máy lƣợng nƣớc phát điện đốt than hay khí thiên nhiên, động dầu đại có hiệu suất khoảng 40% Các mô tơ máy phát điện ngƣợc lại hai có hiệu suất 90% hai sử dụng lƣợng đƣa vào chất lƣợng cao (có tổ chức cao) Điểm quan trọng hiệu suất giới hạn mà định luật tự nhiên áp đặt, chúng hậu giới hoá ta cải thiện đƣợc nhiều thiết kế tốt máy móc thời SỰ Ô NHIỄM Vấn đề ô nhiễm công nghiệp phần vấn đề tăng trật tự Sự ô nhiễm thƣờng hậu từ khuếch tán chất thải công nghiệp Bài toán tổ chức vật chất khuếch tán ngẫu nhiên để chúng không gây phiền hay nguy hiểm Dĩ nhiên, phận môi trƣờng trở nên tổ chức hơn, nơi khác phải lộn xộn Vì để kiểm soát ô nhiễm thƣờng phải mở rộng nguồn lƣợng có trật tự cao (hình 5.7) Hình 5.7 - Hình minh họa lượng sử dụng tốt kiểm [5] soát ô nhiễm Các nhà công nghiệp cố gắng thuyết phục cần thời gian để trình công nghiệp có liên quan đến kiểm soát ô nhiễm sử dụng lƣợng có tổ chức cao so với Chúng ta phải thừa nhận trình bị giới hạn định luật tăng trật tự Không có cách để kiểm soát ô nhiễm tốt với suy giảm lƣợng Chỉ có hai cách tồn để có ô nhiễm giảm đồng thời sử dụng lƣợng chất lƣợng cao giảm: tiếp tục tăng hiệu suất trình công nghiệp đến đạt đƣợc giới hạn lý thuyết chúng thứ hai giảm mức độ sản xuất công nghiệp Cách hai có lẽ lựa chọn thích hợp đánh giá cách thực tế khả khác phù hợp với định luật tự nhiên Ngƣợc lại, chất ô nhiễm dƣờng nhƣ dễ dàng kiểm soát chúng đƣợc tổ chức cao – GVHD: Lê Văn Nhạn 35 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT nghĩa tổ chức nơi mà chúng đƣợc sản xuất Một chúng rời khỏi nguồn chúng trở nên trật tự chúng khuếch tán vào môi trƣờng Khi chúng đòi hỏi nhiều lƣợng hữu để kiểm soát so với yêu cầu trƣớc SỰ CÂN BẰNG Khi hệ cô lập đạt đến trạng thái trật tự tối đa gọi đạt trạng thái cân nhiệt động học Nếu bị cô lập, hệ tự nhiên đạt cân Một banh lăn chậm dần dừng lại ví dụ Trong trƣờng hợp này, hệ thay đổi để trật tự tăng lên đến đạt cực đại Không thay đổi xảy trật tự tự giảm Trật tự cân nhiều hệ bị thay đổi ảnh hƣởng từ bên Ví dụ, cân đạt đƣợc sau nƣớc đá tan ly nƣớc, đƣợc đổi sang cách khác cân cách đặt ly vào tủ lạnh, hầu hết kỹ thuật dựa khả kiểm soát cân đƣa vào hệ thống lƣợng có tổ chức cao Vũ trụ tổng thể, dƣờng nhƣ theo định luật tăng trật tự cân cuối Các dạng lƣợng có tổ chức cao chuyển sang dạng tổ chức nhiều Các vùng nóng trở nên lạnh hơn, vùng lạnh trở nên nóng Các hành tinh trở nên chậm lại Vũ trụ cân dƣờng nhƣ trƣờng hợp mà thứ nhiệt độ, tất dạng lƣợng đƣợc chuyển sang nội Nếu không trình thay đổi lƣợng nữa, vũ trụ cân vũ trụ chết (chết nhiệt vũ trụ) TÓM TẮT Chúng ta thấy rằng, trật tự dƣờng nhƣ trừu tƣợng, nhƣng thực thể quan trọng thực tế xảy tự nhiên Không có trật tự (biểu thức toán học biểu diễn tính trật tự hệ entropy) mô tả vũ trụ không đầy đủ Bởi định luật tăng trật tự định luật mở rộng để hiểu vũ trụ Nó giới hạn kiểm soát hoạt động trình xảy xung quanh chúng ta, tƣơng tự nhƣ định luật vận động lực định luật bảo toàn Định luật tăng trật tự (đƣợc biết nhƣ định luật thứ hai nhiệt động học) phát biểu lƣợng trật tự tổng cộng vũ trụ luôn tăng biến đổi vật lý Các trình thực trải nghiệm hàng ngày trình không thuận nghịch bất biến Chúng xảy chiều theo thời gian nhƣng không xác theo chiều ngƣợc lại Sự trật tự hệ phân tử thƣớc đo mức độ chuyển động ngẫu nhiên phân tử, mức độ hỗn độn phân tử, mức độ khác nhiệt độ đƣợc loại trừ ngẫu nhiên hoá lƣợng phân tử Tóm lại, phản ứng hoá học trật tự tăng lên số phân tử tăng lên sau phản ứng Một cách gần đúng, dạng lƣợng đƣợc phân loại theo mức độ trật tự chúng Động vĩ mô biểu diễn cho chuyển động liên tục số lớn phân tử có trật tự cao Ngƣợc lại, nhiệt ứng với nhiệt độ môi trƣờng xung quanh biểu diễn chuyển động ngẫu nhiên số lớn phân tử tổ chức cao trình tự xảy tự nhiên, lƣợng đƣợc chuyển từ dạng có trật tự sang dạng trật tự GVHD: Lê Văn Nhạn 36 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT Điều quan trọng cần hiểu với định luật tăng trật tự có nghĩa trật tự tổng cộng vũ trụ tăng lên Do đó, tính trật tự đƣợc tạo hệ nhỏ vũ trụ lƣợng trật tự bổ sung nhiều đƣợc tạo nơi liên quan Vận hành động tủ lạnh minh hoạ cho điểm quan trọng Nếu để riêng ra, hệ tự nhiên có xu hƣớng đạt trạng thái trật tự cực đại Trạng thái đƣợc gọi cân Khi cân đạt đƣợc trình giới hạn lƣợng xảy Toàn thể vũ trụ dƣờng nhƣ hƣớng đến trạng thái cân nhƣ 10 ENTROPY Trong nhiệt động lực học, entropy nhiệt động lực (hay gọi đơn giản entropy) dS đơn vị đo lƣờng khối lƣợng lƣợng dQ phát tán hấp thụ hệ vật lý chuyển trạng thái nhiệt độ tuyệt đối xác định T (dS = dQ ) Trong học thống T kê, entropy đƣợc định nghĩa nhƣ đơn vị đo lƣờng khả mà hệ rơi vào trạng thái độ tình trạng, thƣờng đƣợc gọi "sự lộn xộn" hay "sự trật tự" thể hệ 10.1 Lịch sử entropy Hình 5.8 - Rudolf Clausius - Cha đẻ khái niệm entropy [8] Lịch sử entropy bắt đầu với công trình nhà toán học ngƣời Pháp Lazare Carnot, “Các nguyên lý bản” cân chuyển động (1803) Trong tác phẩm này, ông đề xuất nguyên lý cho tất gia tốc va chạm phần chuyển động cấu có diện hao tổn "momen hoạt động" Nói cách khác, trình tự nhiên tồn xu hƣớng cố hữu tiêu tán lƣợng hữu ích Dựa công trình này, năm 1824 trai Lazare Sadi Carnot xuất Những suy ngẫm lƣợng phát động lửa Trong đó, ông nêu quan điểm động nhiệt, calo, mà ngày gọi nhiệt, "rơi" sai khác nhiệt độ, công hay lƣợng phát động đƣợc sinh từ tác dụng "sự rơi calo" vật nóng GVHD: Lê Văn Nhạn 37 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT vật lạnh Đây nhận thức ban đầu nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học Carnot xây dựng quan điểm nhiệt phần dựa vào "Giả thuyết Newton" (đầu kỉ 18) Giả thuyết cho nhiệt ánh sáng loại khác dạng vật chất phá hủy, bị hút đẩy vật chất khác Ông dựa vào quan niệm Count Rumford, ngƣời nhiệt đƣợc sinh ma sát nhƣ nòng đại bác nã đạn Do đó, Carnot suy luận vật thể chứa vật chất sinh công, chẳng hạn nhƣ vật chứa nƣớc, đƣợc đƣa lại điều kiện ban đầu (nhiệt độ áp suất) cuối chu trình máy, "không có thay đổi trạng thái vật sinh công." Chú thích sau đƣợc thêm vào nhƣ thích nhỏ cuối trang sách ông, dẫn đến phát triển khái niệm entropy Trong thập niên 1950 và thập niên 1960 sau đó, nhà vật lý ngƣời Đức Rudolf Clausius phản đối mạnh mẽ giả thuyết Carnot Clausius cho phải có thay đổi trạng thái vật sinh công đƣa cách giải thích toán học cho thay đổi đó, cách nghiên cứu chất tự hao tổn nhiệt hữu ích thực công, chẳng hạn nhƣ nhiệt đƣợc sinh ma sát Đây điều trái ngƣợc với quan điểm trƣớc đó, dựa vào lý thuyết Newton, nhiệt hạt bền vững có khối lƣợng Sau đó, nhà khoa học nhƣ Ludwig Boltzmann, Willard Gibbs, James Clerk Maxwell sở thống kê entropy; Carathéodory kết hợp entropy với định nghĩa toán học bất thuận nghịch.[8] 10.2 Định nghĩa entropy theo động lực học cổ điển 10.2.1 Tính không bảo toàn entropy Khó khăn việc đƣa định nghĩa xác entropy hệ việc entropy tính bảo toàn Đại lƣợng tăng cách đột ngột trình không thuận nghịch Thật vậy, theo định luật thứ hai nhiệt động học, entropy hệ cô lập giảm, mà tăng giữ nguyên giá trị trƣờng hợp trình biến đổi thuận nghịch 10.2.2 Những biến đổi mang tính thuận nghịch Một biến đổi mang tính thuận nghịch nhiệt động học mang tính 'gần cân bằng' không gây ma sát dẫn đến thoát nhiệt Trong điều kiện nhƣ trên, biến đổi hệ coi nhƣ cấu thành từ loạt trạng thái cân liên tiếp Nếu đảo ngƣợc điều kiện môi trƣờng bên - yếu tố ảnh hƣởng đến biến đổi hệ, ta quay ngƣợc lại trạng thái ban đầu qua trạng thái cân y hệt nhƣ nhƣng theo thứ tự ngƣợc lại Sở dĩ có điều tƣợng thất thoát (nhiệt, vật chất ) Vì thế, ta mô đƣợc biến đổi hệ mô tả xác trạng thái cân hệ thời điểm Vì giả thiết đặt nhƣ trên, biến đổi mang tính thuận nghịch đƣợc coi mô hình lí tƣởng (giống nhƣ mô hình khí lí tƣởng, giả thiết va chạm GVHD: Lê Văn Nhạn 38 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT phân tử khí với ) Từ mô hình này, miêu tả trình biến đổi thực cách đảm bảo trình đƣợc thực với tốc độ chậm, tác động làm cân hàm trạng thái ma sát đƣợc giảm thiểu tối đa Ngƣợc lại, biến đổi đƣợc coi không thuận nghịch nhƣ không thỏa mãn điều kiện nhƣ Điều giống nhƣ trƣờng hợp trứng bị vỡ va chạm với sàn nhà cứng: thấy biến đổi thuận nghịch: trứng tự ghép mảnh vỡ lại bay lên không, trở trạng thái ban đầu Ở ví dụ này, thấy có thể mũi tên thời gian 10.2.3 Những biến đổi mang tính không thuận nghịch Những biến đổi thực tế thƣờng biến đổi không thuận nghịch có thất thoát Do mà hệ không trở cách tức thời trạng thái trƣớc Năng lƣợng bị hệ dƣới dạng nhiệt lƣợng đóng góp vào gia tăng 'hỗn loạn' chung Mà 'hỗn loạn' lại đƣợc đo hàm trạng thái entropy, kí hiệu S đƣợc giới thiệu thông qua định luật thứ hai nhiệt động học Nếu nhƣ định luật thứ định luật bảo toàn lƣợng hệ định luật thứ hai định luật biến đổi hệ: Tất biến đổi thực đƣợc thực với tăng lên “hỗn loạn” chung ( bao gồm hệ + môi trƣờng ngoài); hỗn loạn đƣợc đo entropy Ở đây, nói có tăng entropy Phƣơng trình định luật thứ hai mô tả tăng entropy:  S(chung) = S(tạo ra) =  S(hệ) +  S(môi trƣờng ngoài) > Trong trƣờng hợp biến đổi lý tƣởng ( thuận nghịch), tạo entropy: S(tạo ra) =  S(hệ) +  S(môi trƣờng ngoài) = 10.2.4 Những đồng xu trao đổi Nhiệt động học cổ điển định nghĩa entropy nhƣ đại lƣợng mang “tính cộng đƣợc”, điều có nghĩa thu đƣợc entropy hệ cách cộng toàn entropy thành phần ( ngƣợc lại, nhiệt độ không mang “tính cộng đƣợc” nhiệt độ hệ không tổng nhiệt độ thành phần) Khi tất biến đổi thuận nghịch, mô tả entropy nhƣ đại lƣợng đƣợc bảo toàn Do đƣợc truyền từ hệ qua hệ khác môi trƣờng bên ngoài, entropy đƣợc coi nhƣ loại “tiền xu” trao đổi Đơn vị entropy Joule Kelvin, kí hiệu J.K-1, thể lƣợng entropy lấy đƣợc hệ hệ nhận đƣợc Joule nhiệt lƣợng độ Kelvin Tổng quát hóa, hệ nhận đƣợc Q joule nhiệt lƣợng trình thuận nghịch vi mô nhiệt độ T, entropy tăng : Qtn dS(hệ) = (Với Qtn : Q thuận nghịch) T Từ đây, với biến đổi thuận nghịch đƣợc thực nhiệt độ T không đổi:  S(hệ) = Qtn Entropy hàm trạng thái, nghĩa phụ thuộc vào trạng thái đầu T GVHD: Lê Văn Nhạn 39 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT cuối hệ mà không phụ thuộc vào cách thức biến đổi hai trạng thái Do entropy thể đồng chất, không độ Kelvin, không hệ hoàn toàn “có trật tự” ( ngƣợc lại với hệ hỗn loạn), xây dựng thang đo tuyệt đối cho entropy Nếu nhƣ biến đổi không thuận nghịch, nhiệt lƣợng sử dụng trở thành Q (không thuận nghịch) nhiệt lƣợng phụ thuộc vào cách thức biến đổi hai trạng thái đầu cuối Hơn nữa, thấy biến đổi không thuận nghịch sinh entropy tổng entropy dƣơng :  S(hệ) +  S(môi trƣờng ngoài) > Mà môi trƣờng nhận vào nhiệt lƣợng cung cấp hệ Q(không thuận nghịch) nhiệt lƣợng đổi dấu ( dấu có tính đại số theo quy ƣớc) - Q(không thuận nghịch) Sự biến thiên entropy môi trƣờng bằng:  S(môi trƣờng ngoài) =  Qktn (Với Qktn: Q không thuận nghịch) Tổng entropy T Qktn > Từ đây, thu đƣợc bất đẳng thức xây dựng T Q Clausius cho biến đổi không thuận nghịch : ΔS(hệ) > ktn T trở thành :  S(hệ)  10.3 Định nghĩa entropy theo vật lý thống kê Thuyết động học khí Vật chất đƣợc cấu thành từ hạt( phân tử, nguyên tử, electron ) chuyển động không ngừng ( tác động nhiệt) tạo chúng loại lực tƣơng tác hút mà cƣờng độ loại lực giảm dần khoảng cách tƣơng tác tăng Với thể khí, khoảng cách hạt tƣơng đối lớn, đó, tƣơng tác thƣờng yếu hạt đƣợc coi nhƣ tự di chuyển không gian giới hạn Tuy nhiên không gian giới hạn nên hạt chịu va chạm chúng dấn đến biến thiên lƣợng Ở thể lỏng, khoảng cách hạt nhỏ phân tử tự di chuyển ( di chuyển thể tích chất lỏng nhƣng thoát ngoài) Ở thể rắn, phân tử liên kết đàn hồi với phân tử bên cạnh dao động quanh vị trí cố định Trong tất trƣờng hợp, vị trí lƣợng hạt hoàn toàn phân bố ngẫu nhiên Tổng lƣợng tất hạt hệ đƣợc gọi nội U hệ Một hệ cô lập, nghĩa trao đổi lƣợng nhƣ vật chất với môi trƣờng Trạng thái vĩ mô hệ đƣợc xác định thể tích V nội U Tuy nhiên, hạt đƣợc xếp thể tích nhiều cách khác nhau; tƣơng tự nhƣ vậy, nội đƣợc phân bố hạt theo nhiều phƣơng cách khác Mỗi cách đặt phân tử vào thể tích phân bổ nội cho phân tử đƣợc gọi 'cấu hình vi mô' trạng thái vĩ mô xác định thể tích V nội U Số hạt hệ vĩ mô lớn, số lƣợng cấu hình vi mô  (U, V) lớn Chúng ta định nghĩa entropy S ( hàm số U V) nhƣ sau: S=kB x ln(  ) kB = 1,381 x 1023J.K-1 đƣợc gọi số Boltzmann Đẳng thức đƣợc đƣa Ludwig Boltzmann vào năm 1870 mà khái niệm trạng thái vi mô trừu tƣợng kiến thức nguyên tử tính chất lƣợng tử chúng chƣa đƣợc hiểu thấu đáo Boltzman bị chế nhạo nhiều nhiều GVHD: Lê Văn Nhạn 40 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT nhà khoa học đƣơng thời điều đƣợc coi nguyên nhân dẫn đến việc tự sát ông Ngày nay, ông đƣợc coi cha đẻ nhiệt động học thống kê Mộ ông Viên có khắc công thức nguồn gốc entropy Một hệ chuyển đổi liên tục từ cấu hình vi mô sang cấu hình vi mô khác, đạt cân Chúng ta thừa nhận nguyên lý sau đây: Khi hệ cô lập trạng thái cân bằng, trạng thái vi mô đạt đƣợc hệ có xác suất xuất Tiên đề phát biểu rõ nguyên lý thứ hai nhiệt động học Do entropy đại lƣợng có tính chất cộng đƣợc, ta viết: S= S1 + S2 = kB x ln(Ω1) + kB x ln(Ω2) Từ đây, số lƣợng cấu hình vi mô hệ  = 1   GVHD: Lê Văn Nhạn 41 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT CHƢƠNG 6: HÀNH TRÌNH GIẢI MÃ BÍ ẨN NĂNG LƢỢNG TỐI TRONG VŨ TRỤ MỞ ĐẦU Năng lƣợng tối trở thành vấn đề trọng tâm tranh luận liên quan đến chủ đề vũ trụ học kỷ XXI Nó đƣợc đề cập nơi, lúc Các nhà khoa học giới nỗ lực củng cố lý thuyết, phát minh công nghệ để làm sáng tỏ câu đố hóc búa khoa học Họ tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi sao, nhƣ diễn định mệnh tối hậu vũ trụ Tất phía trƣớc ẩn giấu lời giải bí mật lƣợng tối vũ trụ Vậy lƣợng tối mà nhà vũ trụ học phải bận tâm nhƣ vậy? Tại lƣợng tối lại nắm giữ chìa khóa vạn cho phép mở cánh cửa để thấu nhìn tƣơng lai vũ trụ nhƣ định mệnh tối hậu nó? Chúng ta bắt đầu hành trình giải mã bí ẩn lƣợng tối SỰ HỒI SINH CỦA HẰNG SỐ VŨ TRỤ HỌC Hình 6.1 - Các thiên hà lao vút không gian rời xa nhau.[7] Thuyết tƣơng đối rộng Einstein rằng, vũ trụ phải suy sụp sức mạnh hấp dẫn Cũng nhƣ nhiều khoa học gia thời đó, ông cố chỉnh sửa phƣơng trình thuyết tƣơng đối rộng cách thêm vào số, gọi số vũ trụ học, để mô tả vũ trụ tĩnh không thay đổi theo thời gian Tuy nhiên, số lại ám lực đẩy cân với lực hấp dẫn khoảng cách lớn để giữ cho vũ trụ không giãn nở không co lại theo thời gian Lúc đó, Einstein cho hiệu chỉnh toán học không nghĩ rằng, số lại phản ánh thực Năm 1929, nhà thiên văn ngƣời Mỹ Endwin Hubble khám phá giãn nở vũ trụ Einstein nói rằng, ngu ngốc lớn đời ông Các quan sát với kính thiên văn không gian nhƣ mặt đất khẳng định chắn thực tế đó, nữa, cho thấy, vũ trụ tăng tốc Các thiên hà lao vút không gian rời xa GVHD: Lê Văn Nhạn 42 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT Nhƣng ngày nay, số vũ trụ học lại hồi sinh nhƣ Einstein Nó liên hệ chặt chẽ với loại lƣợng chân không lƣợng tử tràn ngập vũ trụ chúng ta, lƣợng tối VŨ TRỤ GIÃN NỞ VÀ SỰ THIẾU HỤT NĂNG LƢỢNG Hình - Albert Einstein[7] (1879-1950) Năng lƣợng tối đƣợc giả thuyết nhƣ dạng lƣợng tạo áp suất âm Thuyết tƣơng đối rộng rằng, áp suất âm có tác dụng nhƣng ngƣợc chiều với lực hấp dẫn thang đo khoảng cách lớn Chính nguyên nhân gia tốc giãn nở vũ trụ Năng lƣợng tối có nơi choáng đầy vũ trụ Để hiểu đƣợc chất lƣợng tối cần phải sâu vào vật lý lƣợng tử giới hạ nguyên tử Nhƣ biết, thang vi mô, không gian đƣợc coi trống rỗng hay chân không hoàn hảo, không hoàn toàn trống rỗng mà đƣợc choáng đầy trƣờng gọi Higgs Chính trƣờng đƣa cho quark lepton khối lƣợng chúng Trƣờng Higgs làm chậm chuyển động hạt, cho chúng khối lƣợng giữ cho cấu trúc nguyên tử ổn định Nếu trƣờng Higgs, electron chuyển động với tốc độ ánh sáng, nguyên tử bị phá vỡ cấu trúc tan rã Năng lƣợng chân không với hạt lƣợng tử chân không hoàn hảo giới vi mô nguồn gốc lƣợng tối Việc khám phá lý thuyết siêu đối xứng, phát biểu quan trọng lý thuyết dây, cho phép hiểu rõ mối liên hệ lƣợng tối trƣờng Higgs Nếu tồn tại, boson Higgs đóng vai trò quan trọng thành phần lƣợng tối Đến nhớ lại Einstein đƣa mô hình vũ trụ học tĩnh với số vũ trụ học Chúng ta thử xem liệu số vũ trụ học đóng vai trò lực đẩy bí mật lƣợng tối gia tốc giãn nở vũ trụ hay không? Các phép đo cƣờng độ thăng giáng phông xạ với phép đo khác phân bố đám thiên hà, siêu cho thấy rằng, lƣợng tối có mối liên hệ định với số vũ trụ học Chẳng hạn, có siêu xa, GVHD: Lê Văn Nhạn 43 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT chúng phát lƣợng lƣợng cực đại sáng Nếu đo đƣợc độ sáng siêu biết đƣợc khoảng cách tới chúng, chúng đƣợc gọi siêu loại Ia Từ khoảng cách tốc độ siêu biết đƣợc vũ trụ giãn nở theo thời gian nhƣ tốc độ giãn nở có tƣơng thích với lực đẩy gây lƣợng tối không? Sự thay đổi tốc độ giãn nở đƣợc xác định việc so sánh dịch đỏ thiên hà xa với độ sáng biểu kiến siêu Ia tìm thấy thiên hà Rồi việc đo tốc độ tƣơng tác đám thiên hà vũ trụ cho phép xác định đƣợc tổng khối lƣợng chúng Các phép đo cho thấy, khối lƣợng tổng cộng lớn nhiều khối lƣợng nhìn thấy khí nóng phát tia X đám thiên hà Hình 6.2 - Bức ảnh chụp xạ phát vài trăm nghìn năm sau Big Bang, kính viễn vọng không gian WMAP chụp[7] Bằng chứng thu đƣợc từ việc xác định khối lƣợng đám siêu đám thiên hà rằng, mật độ khối lƣợng tƣơng đối thấp Các chứng tăng tốc gợi ý tồn lƣợng lớn lƣợng tối Hiểu biết lƣợng tối cung cấp chứng cần thiết việc tìm kiếm thống lực hạt vũ trụ Và điều đƣợc giải kính viễn vọng máy gia tốc Năng lƣợng tối châm ngòi cho hƣớng vật lý kỷ XXI NHỮNG QUAN SÁT CỦA KÍNH KHÔNG GIAN HUBBLE Gần đây, kính thiên văn không gian Hubble quan sát đƣợc siêu khoảng cách xa từ trƣớc tới Những vụ nổ xảy khoảng cách khoảng 10 tỷ năm ánh sáng Khám phá củng cố cho mô hình vũ trụ học lƣợng tối tràn ngập không gian Nó cho phép hiểu đƣợc vũ trụ giãn nở thay đổi theo thời gian nhƣ Nó giãn nở chậm dần, dừng lại, lại tăng tốc Những số liệu thu thập từ kính không gian Hubble cung cấp chứng giúp nhà thiên văn hiểu rõ chất lƣợng tối nhƣ thay đổi cƣờng độ tƣơng tác theo thời gian Các nhà nghiên cứu quan sát loại siêu dùng để đo giãn nở vũ trụ nhận thấy rằng, vụ nổ xảy khoảng tỷ năm trƣớc, ngày nay, kính Hubble ghi nhận đƣợc Họ tiến hành phân tích hàng nghìn ảnh hồng ngoại khả kiến chụp kính không gian Hubble để nghiên cứu GVHD: Lê Văn Nhạn 44 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT hình thành thiên hà Trong đó, đặc biệt ý siêu xảy thiên hà chòm Ursa Major “Mặc dù lƣợng tối giải thích cho 70% lƣợng vũ trụ nhƣng thực tế biết Vì vậy, dấu vết nhỏ trở nên quý giá” Adam Riess Viện khoa học không gian đại học Johns Hopkins nói Để nghiên cứu hành xử lƣợng tối suốt khứ dài, kính Hubble phải quan sát không gian sâu thẳm vũ trụ lội ngƣợc dòng thời gian để ghi nhận siêu Những siêu xa mờ mà kính thiên văn mặt đất quan sát đƣợc Nhóm Siêu có độ dịch đỏ cao (High-Supernova Team) nhóm Dự án vũ trụ học (Cosmology Project) sử dụng kính thiên văn mặt đất kính Hubble để đo tăng tốc vũ trụ thông qua việc quan sát siêu xa Các nhà vật lý thiên văn đến thực đƣợc tiên đoán Enstein rằng, có dạng lực đẩy hấp dẫn không gian mà đƣợc gán cho “năng lƣợng tối” Các quan sát khẳng định giãn nở vũ trụ bắt đầu đƣợc tăng tốc khoảng đến tỷ năm trƣớc Kết cuối dựa phân tích 24 siêu đƣợc khám phá năm gần Bằng việc đo kích thƣớc tƣơng đối vũ trụ theo thời gian nhà thiên văn biết đƣợc tốc độ giãn nở Điều giống nhƣ bậc cha mẹ nhận thấy đƣợc đứa lớn lên nhƣ thông qua so sánh chúng với khung cửa hàng ngày Các siêu khung cửa, nhà thiên văn dùng “con mắt Hubble” để quan sát.[7] SIÊU SAO MỚI IA – NHỮNG NGỌN HẢI ĐĂNG TRONG VŨ TRỤ Hệ đôi, sao đỏ khổng lồ khác lùn trắng giàu cácbon-ôxy Theo thời gian, lớp khí khổng lồ đỏ giãn nở lõi tiếp tục co lại Vật chất từ lớp bao khổng lồ đỏ bị hút lực hấp dẫn lùn trắng rơi theo đƣờng xoáy ốc lùn Sao lùn trắng đƣợc bổ sung khối lƣợng đạt đến 1,4 khối lƣợng Mặt trời, nhƣng bán kính lại nhỏ Mặt trời khoảng 100 lần, đủ nhiệt độ áp suất phản ứng tổng hợp hạt nhân lùn trắng xảy mãnh liệt Bởi siêu loại Ia xảy 1,4 khối lƣợng Mặt trời nên chúng giống đặc trƣng độ sáng Ánh sáng phát từ vụ nổ sáng Mặt trời khoảng 15 tỷ lần Vì vậy, quan sát vụ nổ siêu khoảng cách xa vũ trụ Bởi đặc trƣng độ sáng nên siêu loại phƣơng tiện đầy tin cậy để dẫn khoảng cách vũ trụ tốt Độ sáng vụ nổ lùn trắng giống nhƣ nến chuẩn Vào năm 1990, thúc đẩy hai nhóm nhà thiên văn Nhóm nghiên cứu Siêu có độ dịch đỏ cao nhóm Dự án vũ trụ học siêu bắt đầu chiến dịch quan sát để đo khoảng cách độ dịch đỏ siêu loại Ia, hy vọng khẳng định giãn nở vũ trụ giảm tốc nhƣ mong đợi Các nhà khoa học tìm rằng, siêu có độ dịch đỏ cao mờ hơn, xa Nhƣ vậy, họ khám phá vũ trụ tăng tốc Bởi vì, giãn nở vũ trụ giảm tốc lực hấp GVHD: Lê Văn Nhạn 45 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT dẫn cản trở chuyển động lùi xa thiên hà, chúng gần hơn, đó, siêu thiên hà xuất sáng Tuy nhiên, quan sát gợi ý rằng, tổng lƣợng vật chất vũ trụ bao gồm vật chất tối giải thích khoảng phần ba lƣợng vũ trụ BỨC XẠ NỀN VIBA – BỨC TRANH VỀ NĂNG LƢỢNG TỐI Vấn đề lƣợng tối đƣợc giải việc nghiên cứu viba vũ trụ Nhiệt độ vũ trụ lúc khoảng 3000 K Bức xạ viba xạ vật đen sinh từ plasma nguyên thủy Vũ trụ chuyển từ thời kỳ xạ ngự trị sang thời kỳ vật chất ngự trị bắt đầu trở nên suốt photon Theo thời gian, vũ trụ giãn nở nguội dần Do giãn nở vũ trụ, xạ tàn dƣ ban đầu bị dịch phía đỏ Và ngày hôm nay, sau 13,7 tỷ năm, xạ xạ sóng ngắn phổ điện từ tƣơng ứng với nhiệt độ 2,726 K Những số liệu gần thăng giáng cƣờng độ xạ củng cố cho mô hình vũ trụ giãn nở mãi Sự chuyển pha vũ trụ xảy vài giây sau Big Bang làm cho vũ trụ choáng đầy số vũ trụ học Lý thuyết tiên đoán tồn sóng hấp dẫn bƣớc sóng dài đƣợc tạo thời khắc sớm vũ trụ Những sóng đƣợc mang hạt giả thuyết graviton bƣớc sóng đƣợc kéo dài giãn nở vũ trụ Trong chờ đợi, nhà thiên văn tiến hành quan sát qua vệ tinh để lập đồ phân cực viba vũ trụ với độ nhạy cao độ phân giải tốt Điều giúp tiết lộ nhiều thông tin giãn nở vũ trụ vai trò lƣợng tối Hiện tại, lý thuyết lạm phát lý thuyết tốt giải thích cho nguồn gốc thăng giáng viba vũ trụ Trong giả thuyết rằng, vũ trụ ban đầu trải qua khoảng thời gian tăng tốc cực nhanh theo hàm số mũ, áp suất âm đƣợc điều khiển hạt gọi inflaton Sự lạm phát kéo căng độ cong không gian vũ trụ thang khoảng cách lớn làm cho hình học vũ trụ phẳng, hay hình học Euclidean Thật may mắn, độ cong vũ trụ đƣợc xác định xác thông qua phép đo viba vũ trụ Và nữa, lý thuyết lạm phát giải loạt nghịch lý liên quan đến mô hình Big Bang, nhƣ vấn đề độ phẳng đƣờng chân trời Những tiên đoán phù hợp với phép đo cấu trúc quy mô lớn viba tràn ngập vũ trụ Độ cong đƣợc xác định từ phép đo tính bất đẳng hƣớng (thăng giáng nhiệt độ) xạ bền viba COBE WMAP cho thấy, vũ trụ gần giống với vũ trụ phẳng với mật độ 8.10-27 kg m-3 Nếu vũ trụ phẳng mật độ khối lƣợng lƣợng phải với mật độ tới hạn Các phép đo xạ giải thích đƣợc 30% tổng khối lƣợng vũ trụ Nhƣ vậy, phải tồn dạng lƣợng khác để giải thích cho 70% lƣợng lại Các số liệu thu thập năm gần WMAP với độ xác cao nhiều cho thấy thông số mật độ vũ trụ bao gồm: 4% vật chất thƣờng, 22% GVHD: Lê Văn Nhạn 46 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT vật chất tối 74% lƣợng tối Các chứng gợi ý dạng lƣợng hấp dẫn âm liên quan đến loại hạt không giống với inflaton “NGUYÊN TỐ TỨ NĂM” Ngoài số vũ trụ học, đƣợc tối đƣợc gán ghép cho khái niệm hoàn toàn Những phép đo thực nghiệm phòng thí nghiệm rằng, không gian nhƣ trống rỗng nhƣng thực sôi sục hạt ảo Chân không lƣợng có tác động mạnh mẽ làm cho vũ trụ giãn nở nhanh khứ Một giả thuyết cho rằng, lƣợng chân không không đổi mà bị yếu theo thời gian giống nhƣ Einstein tƣởng tƣợng Điều đƣa ý tƣởng gọi “nguyên tố thứ năm” Đây trƣờng vô hƣớng có phƣơng trình trạng thái Ý tƣởng đề nghị trƣờng lực đẩy choáng đầy vũ trụ không giống trƣờng hấp dẫn trƣờng điện từ Trƣờng đƣợc tạo thời khắc sớm vũ trụ với lực khác tự nhiên, ngày nay, trải rộng dọc theo vũ trụ giống nhƣ màng nhện Vũ trụ giãn nở lạnh đi, trƣờng hấp dẫn nguyên tố thứ năm bị yếu đi, nhƣng cuối cùng, nguyên tố thứ năm chiến thắng hấp dẫn để điều khiển đẩy thiên hà xa Khác với số vũ trụ học, nguyên tố thứ năm biến thiên không gian theo thời gian GVHD: Lê Văn Nhạn 47 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu, thực đề tài với mục tiêu đề em thu đƣợc kết sau: Tính bảo toàn định luật vật lý Tính đối xứng định luật vật lý Tính bất định định luật vật lý Thuyết tƣơng đối hẹp số hệ Định luật gia tăng trật tự Năng lƣợng tối Đề tài “Tính chất định luật vật lý” giúp em nhiều việc bƣớc đầu làm quen với phƣơng pháp nghiên cứu khoa học rèn luyện đức tính cần thiết ngƣời nghiên cứu vật lý: cần cù, nhẫn nại, bình tĩnh, khách quan… Do đề tài mang tính lý thuyết, việc nghiên cứu tính chất định luật vật lý tiền đề để nghiên cứu ngành khoa học khác Do kiến thức hạn chế mà phạm vi nghiên cứu đề tài rộng nên đề tài dừng lại việc nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp tài liệu có liên quan trao đổi với giáo viên hƣớng dẫn Do hấp dẫn đề tài, sau có điều kiện em định tiếp tục nghiên cứu đề tài phƣơng diện thực nghiệm GVHD: Lê Văn Nhạn 48 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Luận văn tốt nghiệp “Các định luật bảo toàn sách giáo khoa Vật lý 10 bản” – Trƣơng Hồng Phi [2] Bài giảng “cơ học đại cƣơng 1” – Lê Văn Nhạn [3] Sách Tính chất định luật vật lý – Hoàng Quý Phạm Quý tự dịch (Richard Feynman) – NXBGD 1996 [4] Giáo trình “Vật lý đại cƣơng Tập Cơ nhiệt điện” – NXBGD 11/2007 – Lƣu Duyên Bình [5] Sách “Vật lý đại cƣơng” khoa khoa học tự nhiên – TS Nguyễn Thành Tiên chủ biên – năm 2014 [6] http://maxreading.com/sach-hay/luoc-su-thoi-gian/chuong-4-nguyen-ly-bat-dinh121.html [7]http://tusach.thuvienkhoahoc.com/wiki/Hành_trình_giải_mã_bí_ẩn_của_năng_lƣợng_ tối_trong_vũ_trụ [8] http://vi.m.wikipedia.org/entropy GVHD: Lê Văn Nhạn 49 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung [...]... Chúng ta đã khảo xác ba định luật cơ bản: định luật bảo toàn xung lƣợng, định luật bảo toàn năng lƣợng và định luật bảo toàn mô men xung lƣợng Chúng chƣa phải là tất cả các định luật bảo toàn của Tự nhiên Tính bảo toàn đặc biệt phong phú trong vật lý các hạt cơ bản nhƣ là bảo toàn chẵn lẻ, bảo toàn tính lạ, nào là bảo toàn số barion Trong lĩnh vực vật lý này các định luật kiểu nhƣ vậy thƣờng là nguồn... duy nhất về tính chất của đối tƣợng nghiên cứu Vậy nên việc tìm kiếm đối xứng để rút tỉa lấy những định luật bảo toàn một nhiệm vụ bậc nhất của vật lý học hiện đại GVHD: Lê Văn Nhạn 15 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT CHƢƠNG 3 TÍNH BẤT ĐỊNH CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ NGUYÊN LÍ BẤT ĐỊNH Nguyên lý bất định là một nguyên lý quan trọng của cơ học lƣợng tử, do nhà Vật lý lý thuyết ngƣời... Galilée áp dụng cho các hiện tƣợng cơ học, nói rằng các định luật cơ học là giống nhau trong các hệ quy chiếu quán tính Còn nguyên lý Einstein mở GVHD: Lê Văn Nhạn 22 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT rộng ra cho tất cả các định luật vật lý nói chung Theo Einstein thì tất cả các định luật của tự nhiên là như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính Vậy nguyên lý tƣơng đối Einstein... thể biến đổi các định luật vật lý hoặc các cách biểu diễn của chúng, thế nào tuỳ ý nhƣng không đƣợc làm ảnh hƣởng tới các hệ quả của chúng 1 CÁC THÍ DỤ 1.1 Thí dụ về định luật vạn vật hấp dẫn 1.1.1 Tính đối xứng đối với sự chuyển dịch trong không gian Hình 2.1 Thí nghiệm của Henry Cavendish đo hằng số hấp dẫn F  [3] GMm , G = 6,67.10-11 N.m2/Kg2 2 r Ở định luật vạn vật hấp dẫn khẳng định rằng lực... nghiệp Trƣờng ĐHCT CHƢƠNG 5: ĐỊNH LUẬT VỀ SỰ GIA TĂNG MẤT TRẬT TỰ Trƣớc khi tiếp tục đi sâu hơn nữa các hiện tƣợng về vật chất, chúng ta cần thảo luận một định luật phổ biến: định luật về sự gia tăng sự mất trật tự Mặc dù hơi khó phát hiện hơn so với các định luật đã đƣợc mô tả trƣớc đây, nhƣng định luật này cũng là một định luật quan trọng bởi vì chính nó tạo ra những giới hạn các tác động và khả năng... nhƣ trong hệ kia Trong định luật vạn vật hấp dẫn dùng khái niệm GVHD: Lê Văn Nhạn 11 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT “khoảng cách giữa hai vật chứ không dùng khoảng cách nào đó tới tâm Vũ trụ; điều đó cũng cho thấy rằng định luật đó thừa nhận những sự chuyển dịch trong không gian Đó là nội dung của một trong các tính đối xứng của các định luật vật lý – tính đối xứng đối với... tác dụng của tổng các mômen lực đặt lên vật rắn đối với trục quay này Khảo sát riêng biệt các chuyển động thành phần này sau đó phối hợp lại để có lời giải cho chuyển động thực Định lý động năng: Biến thiên động năng của vật hay hệ vật bằng tổng đại số các công của các lực thực hiện lên vật hay hệ vật 3.4 Định luật bảo toàn điện tích 3.4.1 Khái niệm điện tích: Điện tích là một tính chất cơ bản và không... nhìn các hành tinh và Mặt Trời có dạng hình cầu đối xứng một cách lí tƣởng, nhìn các tinh thể đối xứng, nhìn các hoa tuyết và cả những bông hoa gần nhƣ đối xứng Nhƣng bây giờ điều mà chúng ta muốn nói ở đây không phải là sự đối xứng của các vật mà là sự đối xứng của các định luật vật lý Nhà toán học nổi tiếng Ghecman Weil đã đề nghị một định nghĩa rất hoàn hảo về đối xứng, theo định nghĩa này một vật. .. dịch trong không gian [3] 1.1.2 Các định luật vật lý không thay đổi khi dịch chuyển thời gian Một tính chất đối xứng khác không kém phần quan trọng là các định luật vật lý không thay đổi khi dịch chuyển thời gian Ta hãy phóng một vệ tinh quanh Mặt Trời, theo một hƣớng xác định Và giả sử ta có thể phóng nó một lần hai giờ sau hoặc hai năm sau, và trong lần thứ hai này, cách phóng từ điểm xuất phát cũng... toán tƣơng tác giữa các hạt nhân, tƣơng tác giữa các hạt sơ cấp, định luật bảo toàn khối lƣợng không còn nghiệm đúng hay nói cách khác tổng khối lƣợng các hạt trƣớc tƣơng tác không bằng tổng khối lƣợng các hạt sau tƣơng tác GVHD: Lê Văn Nhạn 10 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Nhung Luận văn tốt nghiệp Trƣờng ĐHCT CHƢƠNG 2: TÍNH ĐỐI XỨNG CỦA CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ Đối với con ngƣời có lẽ sự đối xứng có một sức ... quát Trong vật lý, định luật vật lý thứ ngành vật lý học Chúng sở tính toán quan trọng vật lý lý thuyết, vật lý thực nghiệm kỹ thuật Do em định chọn đề tài Tính chất định luật vật lý ’ làm đề... nguyên lý chung Thí dụ, định luật bảo toàn, dạng tổng quát nguyên lý lƣợng tử, tất định luật biểu diễn với dạng toán học.Trong vật lý, định luật bảo toàn định luật ngành vật lý học Các định luật. .. chuyển động vật chất Định luật bảo toàn lƣợng định luật quan trọng đƣợc coi định luật tổng quát tự nhiên Mọi trình phải tuân theo định luật này, định luật vật lí khác phải phù hợp với định luật 3.1.1