Bí mật của chiếc đèn thần

15

Bí mật
đèn thần

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. A. VARLAMOV

Bức ảnh đặt bên cạnh dòng chữ không được chụp trên Solaris, không phải từ một con tàu vũ trụ lao vào vùng sâu tối tăm của bầu khí quyển Sao Mộc, và không phải từ cửa sổ của một tàu lặn mạo hiểm tiến gần một ngọn núi lửa đang phun trào dưới nước. Nó mô tả công việc của chiếc đèn Cầu vồng, mặc dù không phải lúc nào cũng có thể mua được ở các cửa hàng Quà tặng. Anh ta tự phàn nàn về nhiều hiện tượng phức tạp và màu đỏ.

Thiết kế của đèn rất đơn giản. Nó là một chiếc bình hình trụ trong suốt, trên đế, dưới một ngôi nhà kính, một chiếc đèn điện thông thường được chế tạo. Kính gần ngày được phủ một bộ lọc màu và dọc theo chu vi của nó có một hình xoắn ốc bằng kim loại (hình 1). Bình có khoảng 1/6 thể tích chứa đầy chất sáp (mà chúng ta sẽ gọi thêm là “chất A”), và sau đó gần như phía trên chứa đầy chất lỏng trong suốt (mà chúng ta sẽ gọi là “chất B”). Qua

Để biết những chất này được chọn có thông điệp gì và chúng phải có những đặc tính gì, chúng ta sẽ tìm hiểu sau bằng cách nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong đèn.

Các quan sát được thực hiện tốt nhất trong bóng tối, khi Cầu vồng đóng vai trò là nguồn sáng duy nhất. Hãy cắm nó vào mạng và kiên nhẫn. Như chúng ta sẽ thấy, nguồn gốc của đèn có thể được chia thành nhiều giai đoạn. Chúng ta sẽ gọi trạng thái đầu tiên là giai đoạn nghỉ ngơi và tích lũy sức mạnh.

Chất A là chất vô định hình, nghĩa là nó không có cấu trúc có trật tự chặt chẽ. Khi nhiệt độ tăng lên, nó mềm ra và dần chuyển sang trạng thái lỏng. Lưu ý sự khác biệt quan trọng giữa quá trình chuyển đổi

16

thành chất lỏng kết tinh và vô định hình. Đầu tiên, quá trình chuyển đổi này chỉ xảy ra ở một nhiệt độ nhất định và đòi hỏi tiêu tốn năng lượng - nhiệt của phản ứng tổng hợp, dành cho việc phá hủy cấu trúc tinh thể của chất. Đối với chất vô định hình, trạng thái rắn và lỏng được coi là không khác nhau. Khi nhiệt độ tăng lên, độ nhớt của chất vô định hình giảm và nó ngày càng chảy nhiều hơn.

Bóng đèn được bật, chiếu sáng bên trong hình trụ bằng ánh sáng xanh đỏ qua bộ lọc ánh sáng, cũng đóng vai trò là nguồn nhiệt. Có hai khả năng xảy ra “điểm nóng” (khu vực có nhiệt độ tăng cao). Ở khu vực này, chất A bắt đầu khử từ, trong khi cả lớp vỏ trên và đặc biệt là chất lỏng B vẫn chưa có thời gian nóng lên và vẫn lạnh. Khi nóng lên, chất A ngày càng trở nên lỏng, lớp vỏ rắn của nó ngày càng mỏng hơn. Do sự phân bố nhiệt, thể tích của lớp chất A tan chảy phía dưới có xu hướng tăng lên, áp suất dưới lớp vỏ tăng lên và đến một lúc nào đó chất lỏng A xuyên qua lớp vỏ rắn và vỡ ra thành bong bóng. Ngọn núi lửa dường như có tác dụng với hai người. Giai đoạn nghỉ ngơi và tích lũy sức mạnh đã hoàn thành - nó được thay thế bằng giai đoạn hoạt động của núi lửa (hình 2).

Các chất A và B được chọn sao cho khối lượng riêng của chất lỏng A đã đun nóng, thoát ra từ vết nứt trên vỏ, hóa ra nhỏ hơn một chút so với khối lượng riêng của chất vẫn còn lạnh B. Do đó, các phần chất A lần lượt bùng lên. Trên đường đi, chúng được để lại trong chất lỏng lạnh B và khi chạm tới bề mặt, chúng cứng lại, có những hình dạng phức tạp nhất. Khi đông đặc, mật độ của chất A trở nên lớn hơn mật độ của chất lỏng B một chút và các “mảnh” bắt đầu hạ xuống từ từ. Tuy nhiên, một số trong số chúng phụ thuộc vào bề mặt trong một thời gian dài. Nguyên nhân khiến các hạt cói nhỏ nổi lên trên bề mặt có thể là do lực tác động lên bề mặt chất lỏng B khiến các “mảnh vỡ” bắt đầu chìm dần xuống. Thực tế là chất lỏng B không làm ướt chất A nên lực căng bề mặt tác dụng lên các lớp cói hướng lên trên và có xu hướng đẩy chúng ra khỏi chất lỏng. Nhờ tác dụng tương tự, những con bọ nước được giữ trên mặt nước và một chiếc kim thép được bôi trơn bằng phao mỡ.

Trong khi đó, quá nhiều áp suất ở phần dưới của bình, dưới lớp vỏ, đã được giải phóng, các cạnh của vết nứt đã tan chảy và các phần chất A nóng chảy liên tiếp tiếp tục chảy qua miệng núi lửa này với tốc độ thấp. Tuy nhiên, hiện tại chúng không bong ra khỏi ban ngày mà từ từ bị kéo ra khỏi miệng núi lửa dưới dạng một lớp vảy kéo dài lên trên. Bề mặt vảy này va chạm với da

17

chất lỏng B nhanh chóng cứng lại và hình thành hình dáng giống như một thân cây. Nhìn chiếc thùng này “trong ánh sáng”, có lẽ bạn sẽ ngạc nhiên: nó có thành mỏng và bên trong chứa đầy… chất lỏng B. Sự thật là khi một dòng chất A nóng chảy thoát ra khỏi miệng núi lửa và lao lên trên, đến một lúc nào đó nó sẽ không chạm tới chất A để phát triển thêm. Một chân không được tạo ra bên trong máy bay phản lực, và ở đâu đó trên ranh giới của thùng hình thành và miệng núi lửa xuất hiện một vết nứt, trong đó chất lỏng lạnh B lao vào. Phần trên của tia vẫn tiếp tục chuyển động đi lên. Vì vậy, chất lỏng B lấp đầy thùng từ bên trong, làm mát và hình thành các bức tường bên trong của nó, sau đó chúng cứng lại.

Trong khi đó, ở phần dưới của chiếc đèn, quá trình tan chảy vẫn đang diễn ra và một quả cầu chất A nóng chảy khác thoát ra khỏi miệng núi lửa. Nó đã nổi lên bên trong ống hình thành. Sau khi nâng lên đến phần trên của nó, anh ta loại bỏ nó bằng cách sử dụng khối lượng vẫn còn nóng của mình. Với mỗi phần chất A, ống được lấy ra, tạo thành một thân sóng mọc lên trên (hình 3). Bên cạnh nó, sau khi phát triển các mảnh vụn rơi xuống của hoạt động núi lửa, sau một thời gian, một hoặc nhiều thân cây như vậy có thể phát triển. Các thân cây đan xen phức tạp, giống như thân của những loài thực vật kỳ lạ, giữa những khối đá rải rác dưới đáy và tiếp tục chìm xuống khi chất lỏng trong nhựa nóng lên. Hình ảnh đóng băng trong một thời gian. Giai đoạn này có thể gọi là giai đoạn rừng đá.

Nếu bạn tắt đèn vào lúc này, “khu rừng hóa đá” trong đó sẽ không thay đổi - bản thân chiếc đèn sẽ không thể đưa nó về trạng thái ban đầu. Tuy nhiên, bất chấp sự bùng nổ của các sự kiện đã diễn ra, chúng ta vẫn chưa đạt đến chế độ vận hành nên chúng ta sẽ để đèn sáng và tiếp tục quan sát.

Thời gian trôi qua, chất lỏng B nóng lên, các mảnh nằm dưới đáy bắt đầu tan chảy và các thân cây hướng lên trên dần dần lắng xuống. Tuy nhiên, bạn sẽ không thấy bất kỳ giọt dẹt nào trong số các mảnh hiện có—tất cả chúng dần dần có dạng hình cầu. Trong điều kiện chung, các giọt nước bị dẹt trên bề mặt không thấm nước xảy ra do trọng lực. Nó chống lại lực căng bề mặt, lực này có xu hướng làm cho giọt nước có hình cầu - một vật thể có bề mặt tối thiểu đối với một thể tích nhất định. Trong đèn, ngoài trọng lực và sức căng bề mặt, giọt nước còn chịu tác dụng của lực Archimedes, lực này gần như bù hoàn toàn cho lực hấp dẫn. Do đó, giọt nước dường như có thể ngăn nó chuyển sang dạng hình cầu.

Cho một giọt hình cầu

18

Hình thức ở trạng thái không trọng lượng là thuận lợi nhất về mặt năng lượng. Đối với hai hoặc nhiều giọt nằm gần nhau và chạm vào nhau, sẽ có lợi hơn nếu hợp nhất lại với nhau - bề mặt của một quả bóng lớn nhỏ hơn tổng bề mặt của một số quả bóng nhỏ có cùng khối lượng (bạn hãy tự tính toán điều này), và do đó, năng lượng bề mặt của một giọt lớn sẽ ít hơn. Tuy nhiên, nếu nhìn lại chiếc đèn, bạn sẽ thấy rằng một vài giọt chất A gần như có năng lượng vẫn có khả năng tạo ra ở đó, và cho đến nay, có vẻ như chúng sẽ không hợp nhất thành một. Nhưng bạn có thể đã hơn một lần quan sát thấy rue hoặc giọt nước trên bề mặt không thấm nước hòa vào nhau gần như ngay lập tức như thế nào. Điều gì quyết định tuổi thọ của hai giọt?

Các nhà khoa học đã cân nhắc câu hỏi này trong một thời gian khá lâu. Hơn nữa, nó hoàn toàn không hề nhàn rỗi, mà hóa ra lại có tầm quan trọng thực tế rất lớn. Vì vậy, nó liên quan trực tiếp đến sự hiểu biết về các quá trình vật lý xảy ra trong luyện kim bột, trong đó các hạt kim loại được ép được “thiêu kết” thành các chất có đặc tính độc đáo. Năm 1944, nhà vật lý nổi tiếng người Liên Xô Ya. I. Frenkel đã đề xuất mô hình đơn giản nhất của quy trình như vậy, kết quả là công trình tiên phong của ông là lấp đầy nền tảng vật chất của luyện kim bột. Ý tưởng đằng sau công việc này cho phép chúng tôi ước tính thời gian phục vụ.

Cho hai giọt chất lỏng giống hệt nhau bắt đầu va chạm nhau. Cùng với điểm tiếp xúc, một eo đất được hình thành (hình 4),

dần dần phát triển khi các giọt hợp nhất. Để ước tính thời gian phục vụ t, cách dễ nhất là sử dụng thông điệp năng lượng. Tổng cộng, hệ “hoạt động” gồm hai giọt có năng lượng $\Delta E_{\pi}$, bằng hiệu giữa năng lượng bề mặt của trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng (nghĩa là hai giọt riêng lẻ có bán kính $r_0$ và một giọt bán kính “chung” $r$): $\Delta E_{\pi}=8\pi r_0^2-4\pi r^2$. Vì khi các giọt hợp nhất, tổng khối lượng của chúng không thay đổi, nên $\frac{4}{3}\pi r^3=2 \cdot \frac{4}{3}\pi r_0^3$, điều này cho thấy bản chất của giọt và môi trường trong quá trình hợp nhất chúng. Chúng tôi sẽ đánh giá công việc này theo thứ tự độ lớn. Để hợp nhất ma sát ma sát, chúng tôi đã sử dụng biểu thức Stoksa, hợp lệ cho trường hợp một quả bóng có bán kính $R$ chuyển động với tốc độ $v$ trong chất lỏng có vận tốc $\eta$: $F=6\pi \eta Rv$. Chúng tôi sẽ giả định rằng nhiệt độ $\eta_A$ của chất tạo ra giọt nước lớn hơn nhiều so với nhiệt độ của môi trường xung quanh, do đó chúng tôi sẽ thay thế chính xác $\eta_A$ vào công thức Stoksa. Tiếp theo, cùng với $R$ chúng ta thay thế $r_0$. Giá trị tương tự đặc trưng cho thang độ chuyển động của khối chất lỏng khi các giọt hợp nhất: $\Delta x \sim r_0$. Vì vậy, để tập luyện cường độ cao cần có:

$$\Delta A \sim 6\pi \eta_A r_0^3 / \tau_\Phi \sim 4\pi \sigma(2 - 2^{7/3}) r_0^2,$$

Ở đâu

$$\tau_\Phi \sim (r_0 \eta / \sigma).$$

Đối với những giọt nước có $r_0 \sim 1$ cm, $\sigma \sim 0,1$ N/m và $\eta \sim 10^{-3}$ kg/($\text{m} \cdot \text{c}$) thời gian này chỉ là $10^{-4}$ s. Tuy nhiên, đối với glycerol lỏng cao hơn đáng kể (ở mức $20^\circ \text{C}$ $\sigma_{\pi \pi} \sim 0,01$ N/m và $\eta \sim 1$ kg/($\text{m} \cdot \text{c}$)) thì thời gian tương ứng $\tau_\Phi$ sẽ là ~1 giây. Đối với các chất lỏng khác nhau, tùy thuộc vào độ dày và diện tích bề mặt của chúng, $\tau_\Phi$ có thể rất khác nhau.

19

Điều quan trọng là do sự phụ thuộc mạnh mẽ của thời gian vào nhiệt độ, thời gian này có thể thay đổi đáng kể trong cùng một vòng đời. Như vậy, độ đặc của glycerin giảm 2,5 lần khi nhiệt độ thay đổi từ 20°C đến 30°C. Sức căng bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ ít hơn nhiều (trong phạm vi nhiệt độ quy định σhl chỉ giảm vài phần trăm). Do đó, chúng ta có thể giả định rằng sự phụ thuộc của thời gian nhiệt hạch Frenkel vào nhiệt độ được xác định chính xác bởi sự phụ thuộc nhiệt độ của mật độ.

Bây giờ chúng ta hãy quay trở lại với những quả bóng nằm dưới đáy đèn. Trong khi nhiệt độ của chất lỏng B không cao thì độ dày của chất vô định hình A lại lớn hơn. Bây giờ rõ ràng là vì lý do này mà các quả bóng không hợp nhất. Tương tự như vậy, hai quả bóng sáp sẽ không hợp nhất nếu chúng tiếp xúc hoặc thậm chí bị ép ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, ngay khi bạn làm ấm chúng, độ dày của sáp sẽ giảm mạnh và các quả bóng lỏng sẽ hợp nhất khá nhanh. Chúng ta cũng hãy lưu ý đến vai trò quan trọng của trạng thái bề mặt của các quả bóng: nếu nó không bằng phẳng và bị ô nhiễm nặng thì rất khó tạo thành cầu nối giữa các quả bóng.

Việc hợp nhất các giọt là cần thiết để đèn tiếp tục hoạt động và thiết kế của nó cung cấp một cơ chế đặc biệt để “tràn” chất A từ các giọt riêng lẻ vào khối chính đã tan chảy. Đây là cánh tay kim loại được đề cập ở trên, một Hindu bao quanh chu vi của đèn. Nó được làm nóng tốt, và khi tiếp xúc với nó, những giọt chất A nóng lên, sức sống của chúng giảm xuống và chúng “sẵn lòng” chảy vào khối chính.

Vì vậy, ở đáy bình đã hình thành một khối chất lỏng duy nhất là chất A. Tuy nhiên, do tiếp tục bị nóng nên nó không thể duy trì được khả năng hoạt động. Giai đoạn nổi bật bắt đầu.

Phần nổi bị xé ra khỏi bề mặt dưới tác dụng của lực nhô ra từ từ đi lên (hình 5), dần dần có dạng quả bóng. Khi dâng lên phần trên của đèn, nơi chất lỏng B chưa nóng lên do tính dẫn nhiệt thấp, quả bóng này nguội đi một chút (trong khi vẫn còn chất lỏng) và từ từ rơi xuống bề mặt trương nở. Tuy nhiên, như chúng tôi đã phát hiện ra, anh ấy không dễ dàng hòa nhập vào nó, và anh ấy phải nảy trên đó khá lâu, dần dần trượt về phía ngoại vi; ở đây bề mặt của nó được “lộ ra”, và sự nổi bật trước đây hoàn thành cuộc hành trình của nó, quay trở lại với yếu tố đã sinh ra nó.

Bóng đèn ở đáy hình trụ tiếp tục làm nóng hệ thống và quá trình tạo ra tia lửa vẫn tiếp tục. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ gia nhiệt của nó tăng lên. Thoát khỏi bề mặt, những điểm nổi bật rời đi

20

Họ đang cố gắng gieo những giọt nước “giữa trời và đất” cho một người duy nhất, điều này không thể quyết định nên lao theo họ hay trả họ về nguyên tố quê hương. Và bây giờ có tới mười quả bóng lỏng trong xi lanh cùng một lúc, một quả bay lên, quả còn lại rơi xuống (hình 6) - giai đoạn va chạm và thảm họa bắt đầu. Đây là giai đoạn dài nhất và mang tính quyết định nhất được những người tạo ra nó coi là chế độ hoạt động của đèn.

Các quả bóng trong đèn va chạm và thay đổi hướng chuyển động của chúng, nhưng bạn sẽ không thể quan sát thấy sự hợp nhất của chúng trong một vụ va chạm như vậy. Như chúng tôi đã phát hiện ra, sẽ có lợi hơn (từ quan điểm năng lượng) nếu quả bóng hợp nhất với nhau. Nhưng điều này cần có thời gian. Rõ ràng thời gian “phân bổ” cho họ là thời gian va chạm $t$. Nếu $\tau_{\phi}$ lớn hơn $t$, các quả bóng sẽ không có thời gian để hợp nhất và phân tán. Điều gì quyết định thời gian tác động? Trong đèn chủ yếu có những tác động ngẫu nhiên (hình 7), trong đó các bi mềm dễ bị biến dạng

đang ầm ĩ với nhau. Trong trường hợp này, thời gian va chạm đặc trưng là $t \sim (r_0/v)$. Tốc độ của những quả bóng trong đèn chỉ vài cm/giây, bán kính của những quả bóng là vài cm. Vì vậy, $t \sim 1$ s, và trong thời gian này các quả bóng không có thời gian để hợp nhất. Thế là chúng đi đến “lang thang” trong đèn, tạm nằm dưới, treo ở trên, va chạm nhau nhưng không hòa nhập.

Giai đoạn va chạm và thảm họa kéo dài rất lâu, từ 5 - 7 giờ. Lúc này, hướng dẫn khuyên bạn nên tắt đèn. Tuy nhiên, ở nhiệt độ môi trường nhất định (đủ cao), giai đoạn này có thể không phải là giai đoạn cuối cùng. Sau khi thiết lập sự phân bố nhiệt độ cố định dọc theo chiều cao trong đèn (tất cả chất lỏng B của quá trình gia nhiệt cuối cùng), mật độ của các chất A và B thực tế là so sánh được.

Toàn bộ chất A được gom lại thành một quả cầu lớn, tùy theo ngày, lộ ra tấm lọc ánh sáng. Theo thời gian, quả bóng này do tiếp xúc với thành xi lanh sẽ nguội đi phần nào, mật độ của nó tăng lên một chút và từ từ chìm xuống đáy. Khi chạm đáy, quả bóng nhận thêm một phần nhiệt và trở về vị trí ban đầu. Ở đây nó đóng băng cho đến khi nguội trở lại, sau đó quá trình được mô tả được lặp lại. Giai đoạn này, không được nêu trong hướng dẫn, có thể được gọi là giai đoạn bóng lớn (hình 8).

21

Bây giờ chúng ta hãy hiểu nhiều chi tiết về hoạt động của đèn, hãy xem xét hiện tượng này một cách tổng thể. Điều này đặt ra câu hỏi: tại sao những quả bóng này liên tục thay thế nhau, lặp đi lặp lại các quá trình tách, va chạm và chết của các quả bóng? Rõ ràng là toàn bộ “động lực” của quá trình nằm ở sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu trên và đầu dưới của đèn (“máy sưởi” và “tủ lạnh”). Nếu chúng ta giả sử rằng dòng nhiệt được thực hiện do tính dẫn nhiệt của chất lỏng B, thì nhiệt độ của nó sẽ thay đổi theo chiều cao một cách trơn tru và sẽ không có gì bất thường xảy ra trong hệ thống. Sự xuất hiện của các quả bóng, cũng như sự đối lưu, là hệ quả của sự mất ổn định phát sinh dưới những điều kiện nhất định trong hệ thống, trong đó dòng nhiệt lan truyền qua các ranh giới do chênh lệch nhiệt độ.*) Một ngành khoa học mới, đang phát triển nhanh chóng, khoa học tổng hợp, đang tìm kiếm các định luật chung của những hiện tượng như vậy.

*) Bài “Đối lưu và tự tổ chức của kết cấu”, đăng năm «Kvant» Số 9 cho năm 1985.

Hydro nguyên tử từ hóa

(Xem phần đầu ở trang 8)

thí nghiệm với hydro nguyên tử là $T \approx 0,2$ K. Ở nhiệt độ này, áp suất của hydro nguyên tử chỉ là $p = 4$ Pa. Nhưng đối với một loại khí rất lạnh thì đây là một giá trị rất lớn. Trên thực tế, ở cột nhiệt độ $^4$No, nó có áp suất không đáng kể là $p_{\text{н.п.}} \approx 10^{-14}$ Pa, và chất dễ bay hơi nhất $^3$No gần như đóng băng hoàn toàn và chỉ cho $p_{\text{н.п.}} \approx 0,001$ Pa.

Vì vậy, vật lý thực nghiệm đã đạt được thành công lớn. Người ta thu được một chất mới - một loại khí được tạo ra ở áp suất tương đối cao ở nhiệt độ rất thấp. Chất này nhận được ký hiệu $H \downarrow$, trong đó mũi tên bên cạnh biểu tượng hydro nhắc nhở chúng ta rằng các nguyên tử nằm trong từ trường mạnh và mô men từ của chúng hướng dọc theo từ trường. Chất này được từ hóa hoàn toàn. So sánh số liệu áp suất cho thấy hydro nguyên tử từ hóa $H \downarrow$ là chất dễ bay hơi nhất trong tự nhiên. Lý thuyết dự đoán rằng ở áp suất không cao lắm, $H \downarrow$ vẫn là một chất khí giảm xuống độ không tuyệt đối. Chỉ ở áp suất vài chục, Atompheron mới có thể ngưng tụ. Các thí nghiệm trong tương lai sẽ cho thấy liệu điều này có đúng như vậy hay không.