Dự Án Đam Mê Ít Người Biết Của Einstein? Một Chiếc Tủ Lạnh

Nhiều người biết rằng công việc trên vũ khí hạt nhân đã tạo điều kiện cho sự phát triển của máy tính điện tử đầu tiên. Nhưng cũng không kém phần đúng là chiếc tủ lạnh khiêm tốn, một cách gián tiếp, đã tạo điều kiện cho sự phát triển của quả bom nguyên tử đầu tiên.

Khi đang đọc báo một buổi sáng năm 1926, Albert Einstein suýt nữa nghẹt bởi trứng của mình. Một gia đình đầy đủ ở Berlin, bao gồm một số trẻ em, đã bị ngạt khi con dấu trên tủ lạnh của họ bị hỏng và khí độc hại tràn vào căn hộ của họ. Đau đớn, nhà vật lý 47 tuổi gọi điện thoại cho một người bạn trẻ của mình, nhà phát minh và nhà khoa học Leo Szilard. “Phải có một cách tốt hơn,” Einstein van nài.

Szilard, một người đàn ông có thân hình cổ điển ở tuổi 28, đã để lại ấn tượng đầu tiên cho Einstein sáu năm trước đó bằng cách chứng minh anh ta sai trên một điểm khoa học nào đó. (Điều này không xảy ra thường xuyên.) Szilard cũng có tài biến những ý tưởng esoteric thành các thiết bị hữu ích. Trong những năm sau, anh ta trở thành một loại Thomas Alva Edison của vật lý năng lượng cao, vẽ ra kế hoạch cho kính hiển vi điện tử đầu tiên và máy gia tốc hạt; anh ta và Einstein đã kết nối một phần qua sự yêu thích của họ với các thiết bị cơ khí như vậy. (Mặc dù là một nhà lý thuyết và hơi bốc phét, Einstein đến từ một gia đình của những người sửa chữa máy móc - bác Jakob và bố Hermann của anh đã phát minh ra các loại đèn cầu và đồng hồ đo điện mới - và anh đã làm việc tại văn phòng bằng sáng chế Thụy Sĩ trong bảy năm.) Vì vậy, khi Einstein gọi điện thoại cho Szilard vào buổi sáng đó, hai người đàn ông đồng ý hợp tác và xây dựng một chiếc tủ lạnh tốt hơn, an toàn hơn.

Không có gì kỳ lạ như nó có vẻ: trong nửa thế kỷ trước đó, lạnh đã trở thành một ngành khoa học nghiêm túc. Việc nghiên cứu về nhiệt độ và nhiệt đã dẫn đến khái niệm về zero tuyệt đối—nhiệt độ lạnh nhất có thể—and một số phòng thí nghiệm trên thế giới đang đua nhau để đạt đến đáy của con nhiệt kế. Một số nghiên cứu xuất sắc xoay quanh việc cố gắng lỏng hóa một số khí: nitơ, ôxy, hydro, metan, carbon monoxide và nitric oxide. Suốt thế kỷ 19, bộ sáu này—những khí vĩnh cửu được gọi là—đã phản đối mọi nỗ lực để chúng bị lỏng hóa. Sự kiên cường này đã khiến một số nhà khoa học tuyên bố rằng sáu khí này không bao giờ có thể được lỏng hóa, rằng chúng nằm ở một đẳng cấp khác biệt so với phần còn lại của vật chất. Những nhà khoa học khác nói rằng điều đó là ngớ ngẩn—rằng các phương pháp làm lạnh mới mạnh sẽ cuối cùng đặc chúng. Đặc biệt, nhóm sau đặt hy vọng của họ vào một quá trình làm lạnh vòng tròn thông minh liên quan đến việc loại bỏ nhiệt từ chất ở nhiều giai đoạn.

Bước một liên quan đến việc đổ chất A vào một buồng chứa khí dễ lỏng hóa. Gọi là A. Các nhà khoa học đầu tiên nén A bằng một piston, sau đó làm lạnh buồng nén bằng một lớp nước lạnh bên ngoài. Ngay sau khi A đã nguội xuống, một van mở. Điều này làm giảm áp suất trên A và cho phép nó mở rộng thành một thể tích lớn hơn. Điểm chính ở đây là việc mở rộng thành một thể tích lớn hơn đòi hỏi năng lượng, đòi hỏi công việc. (Nó giống như cách một bọc thú con, nếu bị khóa trong một phòng chứa dụng cụ lau nhà, sẽ đột nhiên tiêu thụ nhiều năng lượng hơn nếu bạn mở cửa để chúng chạy tự do trong nhà.) Và trong tình huống này, năng lượng duy nhất mà A có thể sử dụng để mở rộng và lan truyền là dự trữ nhiệt năng nội tại của nó. Nhưng việc làm cạn kiệt dự trữ nhiệt năng nội tại này không tránh khỏi việc làm nguội A thêm, và cuối cùng nó đóng thành chất lỏng ở mức –100°F.

Bây giờ đến phần thông minh. Giai đoạn tiếp theo liên quan đến một buồng chứa khí B, khó lỏng hóa hơn. Các nhà khoa học một lần nữa nén B bằng một piston để bắt đầu. Nhưng cho lớp nước lạnh lần này, thay vì nước lạnh, họ chạy chất lỏng A qua lớp nước lạnh. Điều này làm giảm nhiệt độ của khí B xuống –100°F. Việc mở một van sau đó khiến B mở rộng, đẩy B làm cạn kiệt dự trữ nhiệt năng nội tại của nó. Nhiệt độ của B giảm xuống khoảng –180°F, rồi sau đó nó cũng lỏng hóa.

Chất lỏng B bây giờ có thể được sử dụng trong một lớp nước lạnh khác để lỏng hóa một khí cứng nhắc hơn, C, và cứ như thế theo thứ tự bảng chữ cái. Quá trình khởi động này cuối cùng đạt đến nhiệt độ thấp đến mức (khoảng –420°F) mà ngay cả các khí “vĩnh cửu” cũng không thể chống lại, và tất cả sáu loại cuối cùng cũng bị lỏng hóa. Đặc biệt là chất lỏng ôxy, nó phát sáng nhẹ màu xanh lam, giống như bầu trời lỏng.

Tuy nghiên cứu về làm lạnh bằng khí chỉ là sự tò mò nhỏ bé cho đến khi công ty Guinness Brewing đầu tư vào công nghệ này vào khoảng năm 1895. Trước đó, các nhà máy bia thường chỉ sản xuất bia vào mùa đông và lưu trữ nó. (Lager có nghĩa là “lưu trữ” trong tiếng Đức.) Tủ lạnh giúp cho Guinness có thể sản xuất bia quanh năm, may mắn thay. Là một công nghệ phụ, phần còn lại của thế giới có được tủ lạnh thương mại, giống như cái ở nhà bạn ngay bây giờ. Tất cả các tủ lạnh hiện đại đều dựa trên cùng những nguyên tắc chung về làm lạnh bằng khí.

Nếu bạn phá hủy các tấm nội thất trong tủ lạnh của bạn, bạn sẽ thấy một loạt ống. Bên trong các ống, bạn sẽ tìm thấy một chất lỏng (gọi là Z) có điểm sôi thấp. Khi các món casserole và đồ thừa trong tủ lạnh của bạn phát ra nhiệt, Z hấp thụ nhiệt thông qua tường tủ lạnh và ấm lên để sôi. Chất Z dạng khí kết quả sau đó trôi qua các ống khác, mang theo nhiệt độ đi cùng.

Tiếp theo, Z đi vào một buồng nén, nơi nén chất khí bằng một piston. (Động cơ chạy bơm nén tạo ra âm thanh đặc trưng của tủ lạnh.) Bơm nén giờ đẩy chất Z dạng khí ấm qua thêm nhiều ống nằm phía sau tủ lạnh, điều này cho phép Z xả nhiệt ra thế giới bên ngoài. Ở điểm này, khí đã thành công loại bỏ nhiệt từ bên trong đơn vị và đổ nó ra phía sau. Và sau khi Z đổ đủ nhiệt, nó ngưng lại thành chất lỏng. Bây giờ Z đi qua một thiết bị mở rộng giảm áp suất của nó, làm lạnh nó thêm và hoàn thành chu kỳ. Chất lỏng Z lại nhập vào các ống bên trong các tấm tủ lạnh, đun sôi lại và tiếp tục hút nhiệt độ.

Bây giờ, một chi tiết ở đây có thể nghe có vẻ đáng ngờ. Bạn đun sôi một chất lỏng (Z), vì vậy liệu mọi thứ có nên nóng lên không? Không hẳn. Chất lỏng nóng lên, đúng. Nhưng trong một đơn vị đóng kín như một tủ lạnh, chất lỏng chỉ có thể tự làm nóng lên bằng cách đánh cắp nhiệt từ nồi casserole của bạn: làm ấm cái này nhất thiết làm nguội cái khác. Và quá trình sôi này thực sự quan trọng. Nhớ nguyên tắc cũ của James Watt, nhiệt độ ẩn? Nguyên tắc này nói rằng chất lỏng chuyển thành hơi hấp thụ lượng năng lượng khó tin. Trong máy của Watt, đây là một lỗi, nhưng tủ lạnh biến nó thành một lợi ích: hấp thụ nhiệt và mang nó đi chính là mục tiêu của tủ lạnh, và không có gì làm điều đó tốt hơn chất lỏng chuyển thành hơi. (Quy trình chung này giải thích tại sao mồ hôi lỏng, khi bay hơi, làm mát bạn vào một ngày hè.)

Đến những năm 1920, tủ lạnh nén khí đã thay thế tất cả các hộp đá trên khắp châu Âu và Bắc Mỹ. Chỉ có một vấn đề. Tất cả ba khí thông thường được sử dụng làm chất làm lạnh vào thời điểm đó—amonia, metyl clorua và dioxit lưu huỳnh—đều độc hại và đôi khi làm chết cả gia đình. (Methyl clorua đôi khi còn nổ tung, chỉ để giải trí thôi.) Vì vậy, Einstein đã tuyên thệ tìm “một cách tốt hơn.” Anh biết điểm yếu trong tủ lạnh gia đình là bơm nén, mà bảo đảm thường nứt dưới áp suất. Vì vậy, anh và Szilard thiết kế một chiếc tủ lạnh không có bơm nén, được gọi là tủ lạnh hấp thụ.

Trong loại tủ lạnh hấp thụ đơn giản nhất, bạn bắt đầu với hai chất lỏng được pha trộn với nhau trong một buồng, chất hấp thụ và chất làm lạnh. Chìa khóa của thiết kế là, ở nhiệt độ thấp, những chất này dễ dàng pha trộn với nhau. Nhưng nếu bạn tăng nhiệt độ—thông thường bằng cách làm nóng buồng bằng một ngọn lửa metan nhỏ—chất làm lạnh sôi thành khí, để lại chất hấp thụ ở lại.

Khí làm lạnh bây giờ đi qua một hành trình dài và quanh co. Trước hết, nó chảy vào các ống phía sau tủ lạnh và đổ nhiệt độ nó hấp thụ từ ngọn lửa; bước này đồng thời làm mát khí làm lạnh trở lại thành chất lỏng. Chất lỏng này chảy theo trọng lực vào các tấm bên trong tủ lạnh, nơi nó hút nhiệt từ một cái nồi casserole khác. Hấp thụ nhiệt độ này khiến chất lỏng sôi lại, và khí kết quả mang đi nhiệt độ ẩn, loại bỏ nó khỏi bên trong đơn vị. (Trong một số thiết kế, khí sau đó đi đến thêm nhiều ống phía sau tủ lạnh, để loại bỏ nhiệt một lần nữa.)

Trong khi đó, quay trở lại buồng gốc, ngọn lửa metan đã tắt, cho phép chất hấp thụ ở đó nguội xuống. Một lớp nước lạnh sau đó làm mát chất hấp thụ thêm. Chất hấp thụ nguội điều đó, thực sự, làm cho khi khí làm lạnh cuối cùng đi trở lại buồng, chất hấp thụ làm ngưng nó thành chất lỏng lại và hấp thụ lại nó. Bạn do đó kết thúc ở lại nơi bạn bắt đầu, với một sự pha trộn của hai chất lỏng mà bạn có thể tách ra với một ngọn lửa. Nhìn chung, tủ lạnh hấp thụ và tủ lạnh thông thường làm mát những thứ xuống cùng một cách, bằng cách đun sôi khí. Nhưng chúng sử dụng một quy trình khác nhau để tái chế chất làm lạnh.

Một lần nữa, tuy nhiên, điều này có vẻ như là gian lận: một ngọn lửa có thể làm mát bia của tôi? Nhưng đó là phép màu của khí. Thực sự, ngọn lửa ở đây không phải là thêm nhiệt độ mà là làm việc vật lý—tách chất làm lạnh khỏi chất hấp thụ bằng cách biến chất làm lạnh thành khí. Và khi bạn có một khí tự do trong hệ thống, bạn có hàng loạt các tùy chọn. Thực sự, nghệ thuật của làm lạnh bao gồm việc thao tác các khí để hấp thụ năng lượng nhiệt ở đây, mang nó đi đâu đó và đổ nó ở nơi khác. Trở lại với Thomas Savery, bạn có thể gọi tủ lạnh của Einstein-Szilard là một chiếc động cơ đóng băng nước bằng lửa.

Tủ lạnh của Einstein-Szilard thực sự sử dụng ba chất lỏng và khí, không phải hai, làm cho nó phức tạp hơn một chút so với kế hoạch ở trên. Nhưng thiết kế của họ có một số ưu điểm hơn so với tủ lạnh thông thường. Với không có động cơ, nó không gây tiếng ồn và hiếm khi hỏng hóc. Nó cũng không sử dụng điện (chỉ metan), và nó tránh được các phốt kín mà thường xuyên bị nứt và rò rỉ khí độc hại.

Nhìn lại sự kiện này, một số nhà sử học đã giả định rằng Einstein chỉ đưa ra lời khuyên về đơn xin cấp bằng sáng chế hoặc sử dụng danh tiếng của mình để lôi kéo các nhà đầu tư, để lại công việc thực sự cho Szilard. Trong sự thật, Einstein làm việc chăm chỉ trên dự án, và bộ đôi này cuối cùng đã nhận được hàng chục bằng sáng chế tại sáu quốc gia khác nhau về các thành phần tủ lạnh khác nhau. (Một luật sư cấp bằng sáng chế người Mỹ đánh giá đơn đăng ký khi nhận ra chữ ký của Einstein.) Bộ đôi cuối cùng đã bán một số bằng sáng chế và nhận một chiếc séc đẹp trị giá 750 đô la (khoảng 10.000 đô la ngày nay); sau đó, họ mở một tài khoản ngân hàng chung, giống như một cặp vợ chồng.

Như bất kỳ cặp vợ chồng nào, tuy nhiên, họ cũng thường xuyên va chạm. Szilard có khẩu phần thiết kế phức tạp của một kỹ sư và liên tục thêm các van và đường ống làm lạnh mới vào tủ lạnh. Trong khi đó, Einstein, muốn sự đơn giản và thanh lịch—không kém trong các thiết bị gia dụng như trong lĩnh vực vật lý của ông. (Ông đã ghét làm việc với James Watt.) Nhu cầu về sự đơn giản cuối cùng đã thúc đẩy Einstein và Szilard phát minh ra hai đơn vị làm lạnh khác nhau, mỗi cái hoạt động theo một nguyên lý vật lý khác nhau. Trong một trong số đó, họ thay thế piston trong một tủ lạnh tiêu chuẩn bằng natri chảy, mà từ từ hút lên và đẩy xuống để nén khí. Thiết bị khác sử dụng áp suất nước từ vòi sen bếp để đưa ra năng lượng cho một bơi hút chân không nhỏ; bơi hút sau đó làm mát các thứ bằng cách bay hơi metanol. Einstein gọi thiết bị sau là Der Volks-Kühlschrank, tủ lạnh của nhân dân.

Cuối cùng, thật đáng tiếc, không có một trong ba tủ lạnh của Einstein-Szilard đã bao giờ xuất hiện trong ngôi nhà nào. Không có gì ngạc nhiên, bơm natri chảy cuối cùng đã chứng minh là hơi không thực tế cho bếp thông thường (mặc dù sau đó được sử dụng trong nhà máy năng lượng hạt nhân). Máy làm mát từ vòi sen thất bại vì các tòa nhà chung cư Đức có áp suất nước kém, làm trở ngại cho bơi hút chân không. Và tủ lạnh hấp thụ đơn giản là đốt quá nhiều nhiên liệu để cạnh tranh với tủ lạnh nén; thiết kế của Einstein-Szilard dường như như một động cơ Newcomen so với.

Ngay cả sự phản đối lớn nhất với tủ lạnh thông thường, các khí độc hại, đã trở nên vô nghĩa vào năm 1930 với sự ra đời của một loại khí làm lạnh mới và không độc hại, Freon. Trong vòng một thập kỷ, hầu hết các đơn vị gia đình đã chuyển sang chất này, và tủ lạnh của Einstein-Szilard trở thành một di tích lịch sử. Tất nhiên, Freon vẫn có một nhược điểm phiền toái. Khi tủ lạnh cũ đi đến sân phế liệu, Freon rò rỉ và leo lên tầng bình lưu. Ở đó, ánh sáng tử ngoại tách các nguyên tử clo, tạo ra các radical tự do đâm xuyên qua phân tử ozon với hiệu suất đáng sợ: mỗi radical clo có thể phá hủy 100.000 phân tử _O3 trong suốt quãng đời của nó. Sự phá hủy này cuối cùng tạo ra một lỗ trong tầng ozon vẫn tồn tại và có thể không bao giờ hồi phục trong thập kỷ tới.

Vậy thì, tủ lạnh của Einstein-Szilard có phải là một lãng phí thời gian và tài năng của những người này không? Không hoàn toàn. Einstein thấy công việc là một sự giải trí thoải mái từ cuộc tìm kiếm vô ích của mình về Một Lý thuyết Tất cả. Với hai gia đình để nuôi và một nền kinh tế Đức đang suy tàn, Einstein cũng thích thêm vào đó một ít tiền mặt. Szilard cần tiền nhiều hơn, đặc biệt sau khi anh bỏ chạy khỏi Đức quốc xã đến London vào năm 1933. (Anh ta là người Do Thái.) Anh ta đã dùng số tiền thu được từ tủ lạnh của mình trong vài năm tiếp theo và anh đã sử dụng tự do đột ngột để đi dạo và suy nghĩ về điều lớn tiếp theo trong vật lý có thể là gì. Câu trả lời đến với anh vào một buổi chiều tháng 9 năm 1933, khi anh bước ra khỏi lề đường gần British Museum. Anh đã nghe nói về một số thử nghiệm liên quan đến việc phát thải các hạt hạt hạt nhân được gọi là neutron. Anh bắt đầu tò mò nếu, ví dụ, một nguyên tử uranium nứt và phát ra nhiều neutron. Các nguyên tử uranium gần đó có thể hấp thụ chúng, trở nên không ổn định và phát ra neutron khi chúng nứt. Những neutron thứ cấp này sẽ làm không ổn định thêm nguyên tử, và chúng sẽ phát ra neutron thứ cấp khi chúng nứt. Mỗi nguyên tử nứt cũng— theo phương trình nổi tiếng của đối tác bằng sáng chế của anh, E = ^mc2—phát ra năng lượng trong một chuỗi tăng lên vô hạn...

Khi anh ta băng qua đường, Szilard đã hiểu nguyên tắc đằng sau phản ứng xích hạt nhân đầu tiên. Và khác với những chiếc tủ lạnh thông minh của anh ta, sáng chế này trở nên quá phổ biến trong những thập kỷ hỗn loạn tiếp theo—những thập kỷ sẽ phá vỡ không chỉ niềm tin của công chúng vào khoa học lành mạnh, mà còn niềm tin của các nhà khoa học vào một vũ trụ gọn gàng, ngăn nắp và dễ dàng dự đoán.

Khí Thở Cuối Cùng của Caesar bởi Sam Kean. Bản quyền © 2017 của Sam Kean. Được tái in với sự cho phép của Little, Brown and Company.