Một Trái đất dành cho các nhà vật lí

Các nhà khoa học đang bắt đầu tìm hiểu ngữ cảnh trong đó sự tiến hóa của hành tinh chúng ta đã được định hình bởi những cú va chạm, những cú bắn phá, và những tai biến lớn. John Baez kể về lịch sử dữ dội của cái chấm xanh trên nền trời kia. Viễn cảnh biến đổi khí hậu do con người gây ra khiến cho nhiều người lo ngại. Ngoài quy mô rộng lớn của vấn đề, còn có thách thức của việc nó tồn tại quá phức tạp. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một Trái đất dành cho các nhà vật lí Một Trái đất dành cho các nhà vật lí John Baez (Physics World, tháng 8/2009) Các nhà khoa học đang bắt đầu tìm hiểu ngữ cảnh trong đó sự tiến hóa của hành tinh chúng ta đã được định hình bởi những cú va chạm, những cú bắn phá, và những tai biến lớn. John Baez kể về lịch sử dữ dội của cái chấm xanh trên nền trời kia. Viễn cảnh biến đổi khí hậu do con người gây ra khiến cho nhiều người lo ngại. Ngoài quy mô rộng lớn của vấn đề, còn có thách thức của việc nó tồn tại quá phức tạp. Hành trạng của Trái đất hết sức khó tiên đoán một cách cụ thể. Công suất máy tính không đủ: các mô hình cần xây dựng trên những kiến thức vật lí chắc chắn và một sự hiểu biết tốt về hành trạng hiện nay của Trái đất – cũng như lịch sử của nó. Ảnh: Lynette Cook/Science Photo Library Thật may mắn, trong thập niên vừa qua, chúng ta đã học được rất nhiều về lịch sử này. Những bức màn che thời gian đang dần sáng tỏ. Có vẻ như chúng ta chẳng hề đơn độc trong việc đi qua những thời khắc hiểm nghèo. Trái đất đã chứng kiến một số thảm họa lớn. Để tập trung vào câu chuyện chính của chúng ta, chúng ta hãy tập trung vào bốn thứ: “ vụ va chạm lớn” chừng 4,55 tỉ năm trước; “đợt bắn phá nặng nề muộn” khoảng 4 tỉ năm trước; “tai biến oxygen” chừng 2,5 tỉ năm trước; và sự kiện “quả cầu tuyết Trái đất” chừng 850 triệu năm trước. Chi tiết của những sự kiện này – và thật sự chúng có xảy ra hay không – vẫn đang gây tranh cãi. Tuy nhiên, chúng là những lí thuyết được chấp nhận rộng rãi. Trong mỗi trường hợp, có những cơ sở vật lí hấp dẫn liên quan trong việc kiểm tra những lí thuyết này. 1 Sự ra đời của Mặt trăng Mặt trời có lẽ đã hình thành từ sự co sập hấp dẫn một đám mây khí và bụi. Các mô hình ban đầu của sự hình thành sao giả sử sự đối xứng cầu, nhưng nếu bạn biết nói đùa với điểm nút là “hãy xét một con bò hình cầu”, thì bạn sẽ nghi ngờ đây là một sự đơn giản hóa quá mức nguy hiểm. Thật vậy, xung lượng góc giữ một vai trò quan trọng. Khi một đám mây như thế co sập do hấp dẫn, thì nó phải hình thành nên một “đĩa bồi tụ” xoay tít. Khi tâm của cái đĩa này trở nên đủ đậm đặc cho áp suất của nó giữ nó lại, thì Mặt trời của chúng ta ra đời dạng một “tiền sao”. Pha này tồn tại khoảng chừng 100 000 năm; sau đó nhiệt độ tăng đến điểm mà sự phun trào của khí nóng ngăn cản Mặt trời bồi tụ thêm bất kì chất liệu gì nữa. Tại điểm này, Mặt trời trở thành cái chúng ta gọi là “sao Tauri T”, được cấp nguồn chỉ bởi năng lượng hấp dẫn khi nó từ từ co lại. Sau chừng 100 triệu năm nữa, nó trở thành một ngôi sao bình thường khi hydrogen tại tâm của nó bắt đầu chịu sự nhiệt hạch. Một số bụi xoay tròn xung quanh Mặt trời sơ khai trở nên nóng bỏng và tan đi, và một số trong những giọt tan chảy này sau đó đông lại thành “cục” – những quả cầu kích cỡ milimet của những khoáng chất đơn giản, như pyroxene và olivine, chủ yếu cấu thành từ sodium, calcium, magnesium, nhôm, sắt, silicon và oxygen. Những cục này là thành phần chính của một số trong những vật thể nguyên thủy nhất vẫn miệt mài hành trình của chúng trong hệ mặt trời: các thiên thạch phủ đá gọi là “chondrite”. Bụi quay xung quanh Mặt trời sơ khai bắt đầu hình thành nên các tảng gọi là “tảng hành tinh”. Khi các tảng này va chạm nhau, chúng trở nên to hơn, cuối cùng hình thành nên các tiểu hành tinh và hành tinh và chúng ta thấy ngày nay. Một số tảng đã tan chảy, để các kim loại nặng co vào trong lõi của chúng trong khi vật chất nhẹ hơn vẫn ở trên bề mặt. Và một số tảng đâm sầm vào nhau, vỡ tan ra và hình thành nên chondrite và những thiên thạch khác, ví dụ như các thiên thạch sắt-nickel và các thiên thạch phủ đá gọi là “achondrite”. Bằng cách sử dụng các kĩ thuật định tuổi phóng xạ trên thiên thạch, các nhà nghiên cứu khẳng định một kiến thức chính xác bất ngờ về thời điểm khi toàn bộ những sự kiện này xảy ra: đâu đó giữa 4,56 và 4,55 tỉ năm trước. Cho nên, Trái đất có khả năng đã hình thành đâu đó khoảng thời gian trên – và câu chuyện của chúng ta chính thức bắt đầu từ chỗ này. Lịch sử của Trái đất được phân chia thành bốn kỉ nguyên: Hadean, Archean, Proterozoic và Phanerozoic. Khi tôi còn nhỏ thì “kỉ Cambri” đã lùi xa vào dĩ vãng như sách vở của tôi bảo thế, ngoại trừ “kỉ Tiền Cambri” u ám. Nhưng kỉ Cambri chỉ mới bắt đầu 540 triệu năm trước. Kỉ Cambri đánh dấu sự bắt đầu của thời kì hiện đại, Phanerozoic, nghĩa là “tuổi của sự sống khả kiến”. Đây là lúc các sinh vật đa bào thống lĩnh thế giới, để lại các hóa thạch mà chúng ta thấy ngày nay. Nhưng chúng ta sẽ đào sâu thêm nhiều nữa: đại Phanerozoic sẽ kết thúc câu chuyện của chúng ta. Ngược thời gian về đại Hadean. Đúng như tên gọi của nó, đây là thời điểm khi Trái đất cực kì nóng bỏng. Nó bắt đầu với một sự kiện hình thành nên Mặt trăng cách nay khoảng 4 ...