III.1 Lửa - một kỉ nguyên mới
Hai sự kiến lớn đánh dấu thời kì tiền sử và làm đổi dòng lịch sử nhân loại chính là phát hiện ra lửa và phát minh ra nông nghiệp.Về phát hiện ra lửa, con người đã bắt giữ lửa
từ trời rơi xuống và học cách tạo ra lửa tùy thích.Về phát minh ra nông nghiệp, ánh
sáng phục vụ con người thông qua cây cối: bằng khả năng quang hợp kì diệu, cây cối
cung cấp cho con người thức ăn.
Các hoá thạch khảo cổ học nói với chúng ta rằng con người đã bắt đầu thuần hoá lửa cách đây 500.000 năm. Trên các khu vực rất xa nhau về địa lí như Hungary và Trung
Quốc, các nhà cổ sinh vật học đã tìm thấy trong các hang động những dấu vết tro, các
thanh củi và các mẫu xương bị hoá thạch trong đá, các nhân chứng câm lặng về các
ngọn lửa trại xa xưa cách đây nữa triệu năm của tổ tiên chúng ta. Các nhà nghiên cứu đã đặt tên cho những người chinh phục lửa này là Homo erectus, bởi vì họ đứng thẳng và đi thẳng. Thể tích não của họ chỉ bằng hai phần ba thể tích não của chúng ta, nhưng
cũng đã đủ chất xám để sinh vật có trí tò mò và lòng dũng cảm này thực hiện một trong
những phát hiện quan trọng nhất của lịch sử nhân loại : phát hiện ra lửa.
Tổ tiên chúng ta đã nhanh chóng học cách thuần hoá lửa. Họ đã dùng lửa thắp sáng lều
trại của mình vào ban đêm để xua đuổi ác thú rình rập. Lửa không chỉ có tác dụng thắp
sáng, mà nó còn sưởi ấm nữa. Nhiệt của lửa đã cho phép các bộ lạc nguyên thuỷ rời nơi cư trú ban đầu của mình, những vùng nóng ấm ở châu phi, để dấn thân chinh phục các
vùng lạnh hơn và tản ra khắp thế giới.Nhờ có lửa, tổ tiên chúng ta đã có thể nấu chín
thức ăn. Việc nấu chín thức ăn không chỉ có tác dụng diệt khuẩn gây bệnh trong thức ăn, mà còn làm cho thức ăn mềm hơn, dể nhai hơn và dể tiêu hoá hơn, giúp cho người
nguyên thuỷ rút ngắn thời gian cho việc ăn uống và dành nhiều thời gian hơn cho săn
tạo ra một tiến hoá về dáng vẻ bề ngoài của tổ tiên ta : hàm của họ trở nên nhỏ hơn đồng thời não rộng lớn thêm.
Nhưng có lẻ kết quả quan trọng nhất của cuộc chinh phục lửa là lần đầu tiên trong lịch
sử nhân loại, con người đã tiếp cận với một nguồn năng lượng độc lập với năng lượng
sinh ra từ trao đổi chất của các tế bào của mình.Với vai trò là nguồn năng lượng, lửa đã
giúp con người vượt qua các giới hạn sinh học của mình, vượt hẳn lên về sức mạnh cơ
bắp so với các động vật mà con người thuần hoá. Sau đó, chính lửa đã đưa con người bước lên con đường văn minh.
Một phát hiện khác đóng vai trò không kém phần quyết định trong sự tiến hoá của nhân loại. Cách đây khoảng 10.000 năm, tổ tiên của chúng ta đã phát hiện ra một cách thức
mới mẻ và rất hiệu quả để sử dụng ánh sáng cho cuộc sinh tồn của mình. Phát hiện này
đã biến các bầy người săn bắn du cư thành các nông phu định cư. Nó cho phép con người sinh sản gần như theo mong muốn, làm tăng dân số thế giới từ khoảng 10.000 lên đến hơn 6 tỉ người ngày nay.Đó chính là phát minh ra nông ngiệp.
Thực ra con người đã phát hiện lại điều mà sự sống, ở cấp độ tảo lam, đã phát minh ra
thông qua đột biến gen và chọn lọc tự nhiên cách đây khoảng 3,5 tỉ năm : đó là sử dụng
ánh sáng Mặt Trời, không khí, đất và nước để tạo ra thức ăn bằng một quá trình kì diệu mà sau đó con người gọi là “quang hợp”. Nhờ có sự kết hợp các thành phần mà cây cối, như chúng ta đã thấy, đã có khả năng tạo ra lương thực; bằng nông ngiệp, con người đã biết khai thác khả năng kì diệu này của thực vật.Con người đã trồng cây tạo
ra thức ăn nuôi sống mình.
Với phát hiện ra nông nghiệp, con người đã sống định cư để trở thành “con của đất”. Trong khi khái niệm “sở hữu” là hoàn toàn xa lạ với các bộ lạc du cư ( vùng đất mà họ săn bắn là không của riêng ai ), thì nó đã hùng dũng bước vào xã hội nông nghiệp. Chỉ cách đây vài trăm năm thôi, người chủ đất cũng là người chủ của những kẻ khác sống ở đó. Điều này đã tạo ra những khoảng cách về sự giàu nghèo và quyền lực giữa những người có đất và không có đất.Tuy nhiên, bất chấp những đảo lộn xã hội và hoài niệm
về một thiên đường đã mất, những ưu điểm của nông nghiệp nhiều hơn rất nhiều so với nhược điểm của nó.Nông nghiệp cho phép con người khai thác thức ăn nhiều hơn từ
một mảnh đất nhất định.Trong khi săn bắn một con hươu đòi hỏi cả một nhóm người
trên một diện tích vài cây số vuông, thì cùng số người ấy chuyên tâm vào canh tác một
miếng đất nhỏ hơn cũng có thể tạo ra đủ vật chất để nuôi đủ hàng trăm người và gia
súc.Như vậy, văn minh không thể phát triển mà không có vai trò kép của ánh sáng :
thông qua lửa, nó đã giúp những người đầu tiên tránh được thú dữ ban đêm và mang theo mình nhiệt để chinh phục thế giới; thông qua cây lương thực, nó đã cho phép con
người rời bỏ cuộc sống du cư, để sống định cư, xây dựng và sáng tạo.
III.2 Ánh sáng nhân tạo
Chinh phục lửa là giai đoạn đầu tiên của đà tiến không gì cản được đến việc sử dụng
ánh sáng : các ngọn lửa trại không chỉ có tác dụng xua đuổi động vật săn mồi ban đêm, mà ánh sáng lửa cón làm ngày của người tiền sử kéo dài cho đến tận khuya, cho phép
họ làm việc rất lâu sau khi Mặt Trời lặn xuống dưới chân trời.
Con người đã nhanh chóng học cách sử dụng đuốc và đèn để thắp sáng .Đuốc tạo ra
ánh sáng nhân tạo bằng cách đốt cháy mỡ đông vật hoặc dầu thực vật. Chính là nguồn
sáng chính trong thời tiền sử, cho tới khi nến rồi bóng đèn xuất hiện thay thế cho chúng
vào thời kì hiện đại.
III.2.1 Nến không cháy trong các trạm quỹ đạo
Nguồn gốc của nến cho tới nay vẫn chưa biết
rõ.Có thể nến đã ra đời ở Châu Phi, nơi quả hồ đào có dầu được xâu qua các cành cây nhỏ được đốt cháy để cung cấp ánh sáng. Những ngọn nến
xáp đầu tiên xuất hiện trước công nguyên nhiều thế kỷ được coi là của những người Phenixi và Êtơruri. Dù nguồn gốc thế nào chăng nữa thì nến, mà ban đầu chỉ dành riêng cho các nghi lể tôn giáo, đã trở thành nguồn sáng nhân tạo chính ở Châu Âu ngay
từ thời Trung Cổ.Sự phát minh ra nến cho phép chiếu sáng tốt hơn và trong thời gian dài hơn. Cấu tạo của nến gồm một bấc làm bằng sợi bông ép chặt bao quanh là một
khối sáp hình trụ. Nến thực sự là một phát minh rất tài tình, có khá nhiều hiện tượng
vật lí tham gia trong sự cháy của nó. Khi nến được châm, bốc cháy đầu tiên.Nhiệt toả
ra làm cháy sáp quanh ngọn lửa. Sáp chuyển từ thể rắn sang thể lỏng và bị bấc hấp
thụ.Hiện tượng “mao dẫn” làm cho sáp lỏng leo lên đến tận ngọn lửa bằng cách len lỏi
theo các khe hở giữa các sợi bông của bấc. Khi đi đến ngọn lửa, sáp cháy và biến hoàn toàn thanh khói, và chính sự đốt cháy này cho phép duy trì ngọn lửa.Nến cháy thông
qua sự kì diệu của một vòng liên tục trong đó sáp chuyển liên tục từ thể rắn sang thể
lỏng, rồi sang thể khí. Nhưng, sau một lúc, sự mao dẫn không cò đủ mạnh để dẫn một lượng đủ sáp lên ngọn lửa nũa. Khi đó bấc sẻ bị cháy một chút, làm cho nó ngắn lại và xuống thấp hơn về phía sáp nhiều hơn và ngọn lửa lại cháy đẹp đẽ trở lại. Cứ như vậy,
theo thời gian sử dụng, nến và bấc ngày càng ngắn lại.
Ngọn lửa là lí do tồn tại của nến: chính nó đã chiếu sáng. Nếu bạn quan sát kĩ ngọn lửa
của một cây nến, bạn sẽ thấy nó gồm hai phần : một phần màu xanh lam ở dưới, một
phần màu xanh lam ở trên.Chính trong phần màu lam xảy ra sự cháy. Sự cháy này không là gì khác mà chính là phản ứng hoá học kết hợp sáp của nến với ôxy của không
khí tạo ra nước và ôxít cacbon. Phản ứng này tạo ra một lượng lớn năng lượng toả ra dưới dạng nhiệt. Nhiên liệu- ở đây là sáp- được bấc đưa đến nhiệt độ rất cao và bốc
cháy. Khi một phần bị đốt nóng đến nhiệt độ rất cao như thế thì cấu trúc phân tử của nó
bị phá vỡ. Các phân tử hydrocacbon có trong sáp bị phân huỷ: trong khi các nguyên tử
hidro kết hợp với các nguyên tử oxy của không khí tạo ra các phân tử nước, thì các nguyên tử cacbon, vì không cháy được nên sẽ giải phóng; bị dòng khí nóng đẩy lên cao, các nguyên tử cacbon này trở nên nóng và phát ra một ánh sáng màu vàng. Như
vậy phần màu vàng của ngọn lửa nến chỉ là các mảnh vỡ
phát sáng của các nguyên tử cacbon nhảy múa trong
không khí.
Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao ngọn lửa của một cây nến lại
có hình nón nhọn ở phía trên chưa? Sở dĩ như vậy là do… lực hấp dẫn đấy! Thực vậy, khí phát ra trong quá trình đốt
cháy và không khí nằm trong ngọn lửa được đẩy lên các
nhiệt độ rất cao. Thế nhưng không khí nóng , vì có mật độ thấp hơn không khí lạnh hơn
xung quanh, sẻ đi lên trên. Để nhận thấy hiện tượng không khí nóng bay lên, bạn chỉ
cần đặt bàn tay trên ngọn nến: bạn sẽ cảm thấy nóng.Do vì tự nhiên vốn sợ chân không,
nên khi khí nóng bốc lên, không khí lạnh từ dưới tràn lên thay thế nó. Khí lạnh này
mang đến nguồn cung cấp oxy mới, vì oxy cũ đã bị đốt cháy cùng nhiên liệu. Nhờ vậy
mà ngọn lửa có thể tiếp tục cháy.Để làm được điều đó, nó phải liên tục được cung cấp đồng thời nhiên liệu ( sáp) và chất đốt ( oxy). Và chính luồng khí nóng đi từ dưới lên trên dọc theo thân sáp, theo hướng được xác định bởi lực hấp dẫn của Trái Đất, đã làm ngọn lửa của nến thành hình nón có đỉnh nhọn hướng lên trên.Giờ bạn hãy tưởng tượng
mình đang ở trong tình trạng không trọng lượng trong một trong phi thuyền không gian quay quanh Trái Đất: sẽ không còn hướng ưu tiên nữa, điều này có nghĩa là nếu
một phi hành gia thắp nến, ngọn lửa sẻ không còn nhọn nữa, mà sẽ là hình cầu! Nó sẽ
tắt ngay, vì do không có lực hấp dẫn, không còn dòng khí đi lên dọc theo thân sáp để
cung cấp đốt sẽ tắt.
III.2.2Đèn dầu
Vào thế kỉ XVIII, nhờ có hiểu biết rỏ hơn về quá trình cháy – phản ứng hoá học kết hợp oxy của không khí với cacbon để tạo
Ngọn lửa của nến.
ra năng lượng và khí cacbonic- con người đã có thể chế tạo ra các cây đèn hiệu quả hơn, sáng hơn. Dựa trên chứng minh của Lavoisier (1743- 1794) rằng không khí đóng
vai trò căn bản trong sự cháy, một trong những học trò của ông là nhà hoá học người
Thuỵ Sĩ Francois Argand ( 1750-1803), đã chế tạo một cây đèn dầu có ống bấc rỗng
cho phép dẫn được nhiều không khí hơn- gồm một phần năm là oxy- vào ngọn lửa.Ông
cũng nảy ra ý tưởng bọc bấc bằng một lồng thuỷ tinh có hình ống, giống như ống thông khói, điều này cho phép tạo ra một luồng không khí kiểm soát được để cung cấp oxy
cho ngọn lửa thay vì để nó cháy tự nhiên như trong trường hợp của nến.Lồng thuỷ tinh
còn bảo vệ ngọn lửa khỏi các luồng không khí, điều nay mang lại cho nó sự ổn định đáng kể. Argand cũng đã nghĩ ra một cơ chế nhằm nâng hoặc hạ bấc, cho phép kiểm
soát kích thước của ngọn lửa và như vậy cả độ sáng của nó. Đèn dầu ngay lập tức chinh
phục được mọi người. Ngọn lửa được cung cấp nhiều oxy hơn nên cháy mạnh hơn các
ngọn đèn trước,toả ra ánh sáng mạnh hơn và các hạt cacbon có trong khói vốn làm giảm ánh sáng của các loại đèn trước đó không còn nữa.
III.2.3Ánh sáng không bắt nguồn từ lửa
Đuốc, nến, đèn dầu và đèn gaz tất cả đều tạo ra ánh sáng thông qua quá trình đốt cháy
nhiên liệu, điều này không phải là không chứa nguy hiểm nhất định. Các ngọn lửa cháy
trong không khí tự do có thể gây hoả hoạn. Khí cung cấp cho các ngọn đèn có thể giải phóng ra khói độc hại. Nó cũng có thể gây ra các vụ nổ chết người. Cách chiếu sáng
bằng điện do nhà phát minh người Mỹ Thomas Edison (1847- 1931) nghĩ ra đã làm
thay đổi toàn bộ tình hình.
Giấc mơ của Edison không phải là chiếu sáng thành phố bằng đèn điện treo cao trên các tháp lớn, mà là mang ánh sáng điện đến mọi nhà- nói cách khác, điện khí hoá toàn thế giới.Nhưng đưa ánh sáng điện vào các hộ gia đình như thế nào? Thiên tài của
phải tích hợp chúng với một hệ thống đầy đủ làm cho sự chiếu sáng bằng điện trở nên dễ dàng và như ý muốn.Edison ý thức được rằng một bóng đèn sẽ chỉ có ích và dễ sử
dụng nếu nó được gắn với một trạm phát điện và một mạng lưới dẫn điện.
Các máy phát điện đã xuất hiện ngay từ những năm 1830.Dựa trên các nghiên cứu về điện từ, nhà vật lí người Anh Michel Faraday (1791- 1867) đã phát minh ra một chiếc
máy nhỏ gọi là “ máy phát điện” ( dynamo ) mà không nghĩ rằng một ngày kia nó sẽ
tạo ra một cuộc cách mạng trên toàn thế giới.Năm 1879, Edison đã vận hành một hệ
thống ba mươi đèn chiếu sáng ở Menlo Park, bang New Jersey, nơi có phòng thí nghiệm của ông. Ba năm sau, cả một khu phố Manhattan đã được chiếu sáng bằng điện. Như vậy, New York đã đi vào lịch sử là thành phố đầu tiên có hệ thống chiếu
sáng bằng đèn điện.
Đèn dây tóc đầu tiên về cơ bản là một bóng bằng
thuỷ tinh kín bị rút hết không khí. Bên trong có một
sợi mảnh làm bằng một chất dẫn điện.Khi một
dòng điện chạy qua một sợi tóc, các electron cấu
thành dòng này va chạm với các nguyên tử của chất
dẫn điện, làm dao động các nguyên tử này. Vậy
mà, sự dao động nguyên tử càng mạnh cũng có nghĩa là nhiệt độ càng cao. Sợi tóc nóng lên đến khoảng 2500 oC và phát ra ánh sáng trắng làm sáng phòng. Năm 1879,
xuất hiện các bóng đèn dây tóc đầu tiên sử dụng các sợi cacbon. Nhưng, để tự do ngoài không khí, cacbon sẽ bị ôxi hoá và tự phân huỷ. Để ngăn chặn oxy hoá, Edison đã đưa
dây tóc cacbon vào trong một bóng thuỷ tinh hút hết không khí. Các bóng đèn điện đầu
tiên có tuổi thọ khoảng 40 giờ. Để tăng tuổi thọ của bóng đèn, Edison đã tiếp tục thử
nghiệm các loại sợi đốt khác nhau làm bằng các vật liệu khác nhau. Năm 1880, ông đã thấy các sợi đốt bằng tre được cacbon hoá ( cháy thành than ) có tuổi thọ gần 180 giờ. Chúng được sử dụng cho tới năm 1889, ngày xuất hiện các vật liệu khác thay thế.Kể từ
năm 1912 và cho tới nay, các sợi đốt được làm bằng vofam, kim loại có điểm nóng
chảy cao nhất trong số tất cả các kim loại có thể được sử dụng làm dây tóc bóng đèn,
và có tuổi thọ rất cao. Tuổi thọ này còn cao hơn khi trong bóng là một khí trơ (không cháy) như nitơ hoặc argon. Bóng đèn cũng có thể chứa một khí gọi là “ halogene” có