HỎI. Điều gì sẽ xảy ra nếu một cốc nước đột nhiên hoàn toàn trống không một nửa?

— Vittorio Iacovella

ĐÁP. Người bi quan có lẽ trả lời đúng hơn so với người lạc quan.

Khi người ta nói “cốc trống không một nửa” thì ý họ thường là một cái cốc chứa lượng nước và không khí bằng nhau.

Theo thông lệ thì người lạc quan sẽ cho rằng cái cốc được đổ đầy một nửa, còn người bi quan lại thấy cái cốc đó rỗng một nửa. Điều này đã tạo ra vô số những chuyện tiếu lâm khảo dị: chẳng hạn, những kỹ sư thấy cái cốc to gấp đôi mức cần thiết, nhà siêu thực thấy một con hươu cao cổ đang ăn chiếc cà vạt của nó, vv.

Nhưng nếu một nửa cốc thực sự trống không – tức là chân không – thì sẽ thế nào?[1] Trạng thái chân không chắc chắn sẽ không kéo dài. Nhưng điều thực sự xảy ra lại phụ thuộc vào một câu hỏi quan trọng mà thường không mấy người hỏi: nửa nào là chân không?

Để thuận tiện, chúng ta sẽ tưởng tượng rằng có ba cái cốc có phần rỗng khác nhau, và theo dõi xem chuyện gì xảy ra với chúng qua từng micro giây.

Ở giữa là cốc chứa không khínước thông thường. Bên phải là một cốc nước tương tự nhưng không khí được thay bằng chân không. Cốc bên trái có một nửa là nước và một nửa chân không, nhưng nửa chân không bên dưới.

Chúng ta sẽ hình dung chân không xuất hiện ở thời điểm t = 0.

Trong những micro giây đầu tiên, chẳng có chuyện gì xảy ra. Trong khoảng thời gian này, ngay cả những phân tử không khí cũng gần như đứng yên.

Phần lớn các phân tử không khí dao động ở tốc độ vài trăm mét một giây. Nhưng ở bất kỳ thời điểm nào, một số phân tử chuyển động nhanh hơn những phân tử khác. Một vài phân tử nhanh nhất có tốc độ lên tới 1.000 ms. Đó là những phân tử đầu tiên đi vào chân không ở cốc bên phải.

Chân không ở cốc bên trái bị chắn bởi hàng rào nước, nên các phân tử không khí không thể dễ dàng đi vào được. Vì nước là chất lỏng nên không thể nở ra để lấp đầy chân không như không khí. Tuy nhiên, lớp nước tiếp xúc với chân không trong cốc bắt đầu sôi, từ từ đưa hơi nước vào chỗ trống đó.

Trong khi mặt nước tiếp xúc với chân không ở cả hai cốc (trái và phải) đều bắt đầu sôi, không khí tràn vào sẽ ngăn không cho nước trong cốc bên phải dịch chuyển. Cốc bên trái tiếp tục được lấp đầy bởi một màn sương hơi nước mỏng.

Sau một vài trăm micro giây, không khí tràn vào cốc bên phải đã hoàn toàn lấp đầy chân không và va chạm với bề mặt của nước, gây ra một sóng áp suất đi xuyên qua chất lỏng. Thành cốc sẽ bị phồng ra một chút nhưng vẫn chịu được áp lực và chưa vỡ. Một sóng xung kích vang qua nước, dội ngược lại không khí và tham gia vào những nhiễu loạn vốn có ở đó.

Sóng xung kích sinh ra do chân không sụp đổ mất khoảng một milli giây để lan sang hai cốc khác. Cả cốc và nước đều bị lún nhẹ vào khi sóng đi qua chúng. Trong một vài mili giây tiếp theo, chúng ta sẽ nghe thấy một tiếng nổ lớn khi sóng truyền đến tai.

Trong thời gian này, ta thấy cốc bên trái bắt đầu được nâng lên khỏi mặt bàn.

Áp suất không khí đang cố gắng ép nước và cốc lại sát nhau. Đó chính là lực hút khi ta dùng ống hút. Chân không ở cốc bên phải không kéo dài đủ lâu để nhấc được chiếc cốc lên. Trong khi đó, do không khí không thể tràn vào chân không ở cốc bên trái, nên cốc và nước bên trong cốc bắt đầu trượt về phía nhau.

Nước sôi tạo ra một lượng nhỏ hơi nước hòa vào chân không. Khi không gian dần thu hẹp, hơi nước tích tụ làm tăng dần áp suất tác động lên bề mặt của nước. Cuối cùng, quá trình này làm cho nước sôi chậm lại, tương tự như trường hợp áp suất không khí tăng lên.

Tuy nhiên, cả chiếc cốc và nước bên trong giờ đang chuyển động quá nhanh khiến hơi nước khó tích tụ thành vật chất. Chưa đầy 10 milli giây kể từ lúc ta bắt đầu tính giờ, chúng sẽ tiến đến nhau với tốc độ vài mét trên giây. Do không có một lớp đệm không khí giữa đáy cốc và nước mà chỉ có vài làn hơi nước mỏng manh, nên nước sẽ đập xuống đáy cốc như một cái búa.

Nước gần như không chịu nén nên áp lực của nước lên đáy cốc không kéo dài lâu mà giáng một cú rất mạnh xuống. Lực tức thời tác dụng lên cốc rất lớn và nó sẽ vỡ.

Ta có thể thấy hiệu ứng “chiếc búa nước” (cũng là nguyên nhân của tiếng nước đập vào đường ống nước cũ đôi khi bạn nghe thấy khi tắt vòi nước) được dùng trong những tiết mục ở những bữa tiệc khi người ta đập lòng bàn tay vào miệng chai thủy tinh để thổi bay đáy của nó.

Khi ta vỗ miệng chai, nó chuyển động đột ngột xuống dưới. Chất lỏng trong chai không theo kịp với lực hút (áp lực không khí) ngay lập tức – rất giống với trường hợp ta đang xét – làm xuất hiện một khoảng trống trong một thời gian cực ngắn. Đó là một môi trường chân không nhỏ – chỉ dày cỡ một vài phần rất nhỏ của một inch – nhưng khi khoảng chân không biến mất, xung lực sẽ phá vỡ đáy chai.

Trong trường hợp của chúng ta, lực này lớn đến mức có thể phá hủy cả những chiếc cốc nặng nhất.

Đáy cốc bị nước đẩy ngược xuống, đập vào mặt bàn. Những giọt nước và mảnh cốc vỡ bắn tóe ra xung quanh.

Trong khi đó, phần trên của cốc tiếp tục bay lên.

Sau nửa giây, những người quan sát sẽ giật mình khi thình lình nghe thấy một tiếng “bốp” nhỏ. Trong vô thức đầu họ sẽ ngước lên nhìn theo chiếc cốc đang bay.

Vận tốc của chiếc cốc chỉ đủ để giúp nó lao lên đập vào trần nhà và vỡ tan thành từng mảnh… và những mảnh đó lại rơi xuống bàn.

Bài học rút ra: nếu người lạc quan bảo chiếc cốc đầy một nửa, và người bi quan bảo chiếc cốc rỗng một nửa, thì nhà vật lý cúi đầu né.

❀ ❀ ❀

[1] Tương tự, thang đo cường độ gió F (Fujita) đã được thay thế bằng thang EF (Fujita mở rộng). Đôi khi, một đơn vị đo trở nên lỗi thời bởi vì xài nó rất kinh khủng – chẳng hạn, “kip” (1.000 pound lực), “kcfs” (hàng nghìn foot khối mỗi giây), và “độ Rankine” (độ F trên độ không tuyệt đối). (Tôi đã phải đọc các bài báo kỹ thuật sử dụng các đơn vị này.) Những khi khác, bạn có thể nhận thấy rằng các nhà khoa học chỉ muốn có thứ gì đó để “chỉnh” mọi người.