Định luật bảo toàn khối lượng - Todd Ramsey

Xem bài học đầy đủ tại: http://ed.ted.com/lessons/the-law-of-conservation-of-mass-todd-ramsey

Vạn vật trên Trái Đất đều có khối lượng- từ nguyên tử nhỏ nhất đến ngôi sao lớn nhất. Khối lượng này không đổi trong suốt quá trình tồn tại của vật chất, từ lúc ra đời cho đến lúc diệt vong của các vì sao, các hành tinh và cả chúng ta. Tại sao vũ trụ ngày càng giãn nở nhưng khối lượng của nó không đổi. Todd Ramsey sẽ trả lời câu hỏi trên bằng cách làm sáng tỏ định luật bảo toàn khối lượng

Bài học thực hiện bởi Todd Ramsey, minh họa hình ảnh bởi Vegso/Banyai.

Những thứ này từ đâu mà có?

Trái Đất,

con bò,

hay trái tim của bạn?

Xin nhớ rằng, chúng không phải tự nhiên
mà có, mà cái gì cấu tạo nên chúng?

Nguyên tử chính là nhân tố
tạo nên vạn vật.

Để trả lời câu hỏi trên, chúng ta hãy cùng
tìm hiểu định luật bảo toàn khối lượng.

Định luật này nói rằng: "Cho một hệ
được cô lập bởi một giới hạn

sao cho vật chất và năng lượng
bên ngoài không thể vượt qua.

Trong đó, khối lượng của hệ,
hay còn gọi là vật chất và năng lượng

không thể sinh ra hay mất đi.

Như chúng ta đã biết,

vũ trụ là một hệ cô lập.

Nhưng trước khi nói về hệ này,

chúng ta hãy xét một hệ cô lập
nhỏ và đơn giản hơn nhiều.

Chúng ta có 6 nguyên tử Cácbon,
12 nguyên tử Hydrô, và 18 nguyên tử Ôxy,

Với năng lượng vừa đủ, các phân tử này
có khả năng chuyển động thực sự.

Các nguyên tử này có thể liên kết với nhau
tạo thành những phân tử quen thuộc.

Như phân tử nước,
và phân tử khí Cácbônít.

Chúng ta không thể tạo ra hay
làm mất đi khối lượng của chúng.

Phải chấp nhận thôi, chúng ta
còn có thể làm gì được đây?

À, thì ra các phân tử này
cũng có tư duy đấy!

Chúng tạo thêm nhiều phân tử Cácbônít
và nước, mỗi loại 6 phân tử.

Với năng lượng vừa đủ, ta có thể
làm cho các phân tử này sắp xếp lại

để tạo ra một phân tử đường đơn giản,
và khí Ôxy.

Do đó ta có 6 nguyên tử Cácbon,
12 nguyên tử Hydrô và 18 nguyên tử Ôxy.

Năng lượng cung cấp được dự trữ dưới dạng
các liên kết giữa các nguyên tử đó.

Ta có thể giải phóng năng lượng đó
bằng cách phá vỡ phân tử đường

trở lại dạng nước và khí Cácbônít,

nhưng thành phần các nguyên tử
vẫn không đổi.

Bây giờ, hãy thử nghiệm với
các nguyên tử khác có tính "cháy nổ" hơn.

Đây là phân tử khí metan, thường được
liên tưởng đến chứng đầy hơi ở bò,

và còn được dùng làm
nhiên liệu để phóng tên lửa.

Nếu ta cung cấp lượng Ôxy
và năng lượng vừa đủ,

như khi bạn đánh que diêm.

Nó sẽ bùng cháy sinh ra khí Cácbônít, nước
và năng lượng thậm chí nhiều hơn.

Chú ý là phân tử metan ban đầu
có 4 nguyên tử Hydrô,

và sau phản ứng ta vẫn có 4 nguyên tử
Hydrô hiện diện trong 2 phân tử nước.

Cuối cùng, đây là propan,
cũng là một loại khí đốt,

Ta cung cấp cho phản ứng đủ Ôxy,
rồi đốt nó lên, và BÙM.

Nước và khí Cácbônít
được tạo ra nhiều hơn.

Lần này ta có đến 3 phân tử Cácbônít

bởi vì trong phân tử propan ban đầu
có 3 nguyên tử Cácbon,

và vì chúng không còn đường nào để đi.

Tập hợp các nguyên tử trên còn được
mô phỏng trong nhiều phản ứng khác nữa,

trong đó định luật bảo toàn
khối lượng luôn áp dụng được,

bất kể loại chất hay năng lượng gì
được dùng trước phản ứng

và loại sản phẩm sinh ra sau phản ứng.

Nếu khối lượng không được tạo ra,
cũng không bị mất đi

thì các nguyên tử này từ đâu mà có?

Chúng ta hãy quay ngược thời gian
để giải đáp câu hỏi này,

trước nữa, trước nữa,
trước nữa, xa quá,

Đáp án đây rồi!

(Thuyết) Vụ Nổ Lớn.

Nguyên tử Hydrô hình thành từ "bể xúp"
chứa các hạt cao năng

sau ba phút đầu tiên
khi vũ trụ được hình thành.

Sau cùng, các đám nguyên tử này
tích lũy lại và tạo nên các vì sao.

Bên trong chúng, các phản ứng hạt nhân
hợp nhất các nguyên tố dạng nhẹ,

như Hydrô và Heli,

để tạo ra các nguyên tố
nặng hơn, như Cácbon và Ôxy.

Thoạt đầu, các phản ứng này có vẻ không
tuân theo định luật bảo toàn khối lượng

bởi vì chúng tạo ra một lượng
năng lượng lớn đáng kinh ngạc,

tưởng như không thể giải thích được,

Tuy nhiên, nhờ có phương trình
nổi tiếng của Einstein,

chúng ta hiểu được rằng năng lượng
tương đương với khối lượng.

Hóa ra là tổng khối lượng của
các nguyên tử ban đầu

không lớn hơn nhiều so với
tổng khối lượng sản phẩm sinh ra,

và sự mất đi một phần khối lượng bằng
đúng với một lượng năng lượng sinh ra,

năng lượng này phát ra dưới dạng ánh sáng,
nhiệt, và các hạt mang năng lượng.

Sau cùng, ngôi sao này nổ tung
thành siêu tân tinh

và phân tán các nguyên tố của nó
ra khắp vũ trụ.

Tóm lại, các nguyên tố này gặp nhau

và các nguyên tử của các siêu
tân tinh khác tạo nên Trái Đất,

và 4,6 tỉ năm sau bị dịch chuyển
để thực hiện vai trò của nó

trong hệ cô lập nhỏ của chúng ta.

Nhưng điều đó không thú vị như
khi các nguyên tử này kết hợp với nhau

để tạo nên con người,

con bò,

hay Trái Đất này.

Và đó là lý do vì sao Carl Sagan
từng có câu nói nổi tiếng,

Tất cả chúng ta là "sản phẩm"
của các vì sao.