Thí nghiệm giọt hắc ín: gần một thế kỷ chờ một giọt rơi ở Queensland

Thí nghiệm giọt hắc ín (pitch drop) là một phễu hắc ín đặt dưới chuông thuỷ tinh ở Đại học Queensland (Úc), do giáo sư vật lý Thomas Parnell dựng năm 1927 để chứng minh rằng thứ trông như đá rắn thật ra là chất lỏng. Từ đó tới nay mới có chín giọt rơi: giọt đầu năm 1938, giọt thứ chín năm 2014. Chưa ai tận mắt nhìn thấy một giọt rơi ở Queensland, còn một thí nghiệm tương tự ở Trinity College Dublin đã quay được khoảnh khắc ấy năm 2013.

Một bài giảng vật lý biến thành cuộc chờ gần trăm năm

Hắc ín (pitch) là phần cặn đặc quánh còn lại khi chưng cất nhựa đường hay than đá. Ở nhiệt độ phòng, nó cứng tới mức lấy búa đập là vỡ vụn như thuỷ tinh. Parnell muốn cho sinh viên thấy một điều nghe trái tai: vật vỡ dưới búa vẫn có thể chảy, chỉ là chảy rất, rất chậm.

Năm 1927, ông đun nóng một mẻ hắc ín, đổ vào chiếc phễu thuỷ tinh đã bịt kín cuống, rồi để yên cho nó nguội và lắng. Ông chờ ba năm. Năm 1930, cuống phễu được cắt ra. Từ lúc đó, hắc ín bắt đầu nhích xuống, hình thành một giọt treo lủng lẳng dưới miệng phễu, phình dần qua nhiều năm rồi mới đứt ra rơi xuống cốc hứng.

Parnell không sống để thấy nhiều. Ông mất năm 1948, khi mới có hai giọt rơi. Thí nghiệm được cất trong tủ, gần như bị quên, cho tới khi giáo sư John Mainstone nhận trông coi từ năm 1961. Ông giữ nó hơn nửa thế kỷ, tới khi qua đời năm 2013.

Chín giọt trong gần một thế kỷ

Mốc các giọt rơi dưới đây là mốc được Đại học Queensland ghi nhận. Có thể thấy khoảng cách giữa các giọt khá đều, khoảng tám năm, cho tới khi toà nhà lắp điều hoà vào cuối thập niên 1980: phòng mát hơn, hắc ín đặc hơn, và giọt sau phải chờ lâu hơn hẳn.

Nghĩa là trong hơn 80 năm kể từ khi cắt cuống, cả thí nghiệm chỉ "xảy ra" chín lần, và mỗi lần chỉ kéo dài chưa tới một phần mười giây. Toàn bộ phần còn lại là chờ.

Người chờ suốt đời mà không thấy

Câu chuyện được kể nhiều nhất về thí nghiệm này không nằm ở hắc ín mà ở John Mainstone. Ông trông coi phễu 52 năm, có năm giọt rơi trong thời gian ấy, nhưng chưa lần nào nhìn được tận mắt. Theo những gì ông kể với báo chí, có lần ông chỉ rời phòng thí nghiệm một lúc ngắn vào cuối tuần, quay lại thì giọt đã nằm trong cốc. Năm 2000, một máy quay được đặt sẵn để ghi giọt thứ tám, nhưng một trận giông làm hỏng ghi hình đúng thời điểm.

Mainstone mất tháng 8/2013, vài tháng trước khi giọt thứ chín rơi. Người kế nhiệm là nhà vật lý Andrew White. Giờ đây phễu nằm trong tủ kính ở sảnh toà nhà vật lý, có máy quay chạy liên tục và phát trực tuyến, để ai muốn chờ cùng cũng được.

Chuyện ông "lỡ" từng giọt hay được kể như một giai thoại buồn cười. Nhưng nghĩ kỹ, ông đã làm đúng việc mà một thí nghiệm dài hạn cần: giữ cho nó còn đó, không ai đụng tới, không bị dọn đi trong một đợt sửa phòng. Không có người như ông, hầu hết những cuộc chờ dài nhất của khoa học đã gãy giữa chừng.

Dublin quay được giọt rơi năm 2013

Queensland không phải nơi duy nhất làm thí nghiệm này. Ở Trinity College Dublin (Ireland), một phễu hắc ín được một nhà khoa học trong khoa vật lý dựng năm 1944 rồi cũng bị bỏ quên trên kệ hàng chục năm. Năm 2013, nhóm nghiên cứu ở đó đặt máy quay theo dõi và ngày 11/7/2013 ghi được hình ảnh giọt hắc ín đứt ra và rơi xuống. Đó được coi là lần đầu tiên khoảnh khắc này được ghi hình rõ ràng.

Từ dữ liệu của thí nghiệm Dublin, nhóm nghiên cứu ước tính độ nhớt của hắc ín. Trước đó, một bài báo năm 1984 trên European Journal of Physics của các tác giả ở Queensland đã ước tính hắc ín nhớt hơn nước khoảng 230 tỉ lần. Hai con số ước tính có khác nhau tuỳ mẫu và nhiệt độ, nhưng cùng một bậc độ lớn: rất khó hình dung.

Hắc ín dạy gì về vật chất

Ta quen chia vật chất thành rắn, lỏng, khí. Thí nghiệm của Parnell cho thấy ranh giới giữa rắn và lỏng phụ thuộc vào thang thời gian ta nhìn. Đập búa trong một phần giây, hắc ín cư xử như chất rắn. Để yên mười năm, nó cư xử như chất lỏng.

• Chất lỏng rất nhớt: hắc ín, mật mía để lạnh, nhựa đường mùa hè đều chảy, chỉ khác tốc độ.
• Độ nhớt đổi theo nhiệt độ: đó là lý do điều hoà làm giọt thứ tám và thứ chín đến chậm hẳn.
• Một hiểu lầm hay gặp: người ta hay nói kính cửa sổ nhà thờ cổ dày ở dưới vì thuỷ tinh "chảy" qua nhiều thế kỷ. Các nhà vật lý đã chỉ ra thuỷ tinh ở nhiệt độ phòng chảy chậm tới mức không thể tạo ra khác biệt đó; kính dày không đều là do cách làm kính thời xưa. Hắc ín thì khác: nó chảy thật, đo được trong đời người.

Năm 2005, Parnell (truy tặng) và Mainstone nhận giải Ig Nobel vật lý, giải thưởng trao cho những nghiên cứu "làm người ta bật cười rồi phải suy nghĩ". Thí nghiệm của Queensland cũng được sách kỷ lục Guinness ghi nhận là thí nghiệm phòng thí nghiệm chạy liên tục lâu nhất.

Góc nhìn hôm nay: chờ một thứ không vội vì mình

Thứ làm thí nghiệm này hút người xem không phải là khoa học phức tạp. Nó đơn giản tới mức học sinh cấp hai cũng hiểu. Cái hút người ta là sự chênh lệch giữa nhịp của con người và nhịp của vật: ta sốt ruột từng phút, còn hắc ín cứ đi theo nhịp riêng, không nhanh hơn chỉ vì có người đứng xem.

Có mấy điều mang về được:

1. Kết quả có nhịp của nó. Có những việc như ủ men, cây lớn, một kỹ năng thành nếp, mà nhìn chằm chằm không làm nhanh hơn. Biết điều đó giúp ta bớt kiểm tra liên tục.
2. Người giữ quan trọng không kém người khởi xướng. Parnell nghĩ ra, nhưng Mainstone mới là người giữ cho nó sống. Trong công việc hay trong nhà, vai "giữ cho việc còn chạy" thường ít được ghi công nhất.
3. Không thấy kết quả không có nghĩa là không có kết quả. Mainstone không thấy giọt nào rơi, nhưng cả chín giọt đều đã rơi.

Muốn xem tận nơi, phễu hắc ín đặt ở toà nhà Parnell, khuôn viên St Lucia của Đại học Queensland, thành phố Brisbane. Ai không sang được có thể tìm trang theo dõi trực tuyến của trường. Đoạn phim giọt rơi năm 2013 của Trinity College Dublin cũng dễ tìm và chỉ dài vài giây — xem rồi nghĩ tới việc nó cần hơn sáu mươi năm để có.

Bạn cũng có thể tự làm một phiên bản thu nhỏ trong bếp: một thìa mật ong đặc để trong ngăn mát, nghiêng thìa và đếm xem bao lâu thì giọt đầu tiên rời ra. Đó là bài học về độ nhớt cho trẻ con mà không cần phòng thí nghiệm.