The Most Misunderstood Concept in Physics

- This is a video about one of the most important,

- Đây là video về một trong những khái niệm quan trọng nhất,

yet least understood concepts in all of physics.

nhưng lại ít được hiểu nhất trong toàn bộ vật lý.

It governs everything from molecular collisions to humongous storms.

Nó chi phối mọi thứ, từ va chạm phân tử đến những cơn bão khổng lồ.

From the beginning of the universe

Từ thuở ban đầu của vũ trụ

through its entire evolution, to its inevitable end.

xuyên suốt toàn bộ quá trình tiến hóa của nó, đến kết cục không thể tránh khỏi.

It may, in fact, determine the direction of time

Thực tế, nó có thể quyết định chiều của thời gian

and even be the reason that life exists.

và thậm chí là lý do sự sống tồn tại.

To see the confusion around this topic,

Để thấy được sự nhầm lẫn xung quanh chủ đề này,

you need to ask only one simple question.

bạn chỉ cần đặt một câu hỏi đơn giản.

What does the Earth get from the sun?

Trái Đất nhận được gì từ Mặt Trời?

- What does the earth get from sun?

- Trái Đất nhận được gì từ Mặt Trời?

- Well, it's light rays?

- Ừm, là tia sáng?

- What do we get from the sun? - Heat.

- Chúng ta nhận được gì từ Mặt Trời? - Nhiệt.

- Warmth.

- Hơi ấm.

- Warmth, light.

- Hơi ấm, ánh sáng.

- Vitamin D, we get vitamin D from-

- Vitamin D, chúng ta nhận vitamin D từ-

- We do get vitamin D from the ultraviolet rays.

- Đúng là chúng ta nhận vitamin D từ tia cực tím.

- Well, a lot of energy.

- Ừm, rất nhiều năng lượng.

- What does the earth get from this, energy?

- Trái Đất nhận được gì từ điều này, năng lượng?

- Yeah, energy.

- Đúng, năng lượng.

- Energy.

- Năng lượng.

- Nailed it.

- Chuẩn rồi.

Every day, the earth gets a certain amount of energy from the sun.

Mỗi ngày, Trái Đất nhận một lượng năng lượng nhất định từ Mặt Trời.

And then how much energy does the earth radiate back

Và sau đó Trái Đất bức xạ trở lại không gian bao nhiêu năng lượng

into space relative to that amount that it gets from the sun?

so với lượng năng lượng mà nó nhận từ Mặt Trời?

- Probably not as much, I, you know,

- Chắc là không nhiều bằng, tôi, bạn biết đấy,

I don't believe it's just radiating right back.

Tôi không tin nó chỉ đơn giản là phát xạ ngược trở lại.

- I'd say less.

- Tôi cho là ít hơn.

- Less.

- Ít hơn.

- Less. - I say less.

- Ít hơn. - Tôi nói là ít hơn.

- I guess about 70%?

- Tôi đoán khoảng 70%?

- It is a fraction.

- Nó chỉ là một phần nhỏ.

- I'd say 20%.

- Tôi cho là 20%.

- Because... - Because we use some of it.

- Bởi vì... - Bởi vì chúng ta sử dụng một phần của nó.

- We use some of the energy. - Mm-hmm.

- Chúng ta sử dụng một phần năng lượng. - Ừm.

- We consume a lot, right?

- Chúng ta tiêu thụ rất nhiều, đúng không?

- But the thing about energy is it never really goes away.

Nhưng điều về năng lượng là nó không bao giờ thực sự biến mất.

You can't really use it up.

Bạn không thể thực sự dùng hết nó.

- It would have to break even, wouldn't it?

- Vậy thì nó phải cân bằng, đúng không?

Same amount, yeah.

Cùng một lượng, đúng vậy.

- You know, cause and effect.

- Bạn biết đấy, nhân và quả.

It'd be equal in some ways, right?

Theo một nghĩa nào đó thì nó sẽ bằng nhau, đúng không?

- For most of the earth's history,

- Trong phần lớn lịch sử Trái Đất,

it should be exactly the same amount of energy

lượng năng lượng từ Mặt Trời đến phải đúng bằng

in from the sun as earth radiates into space.

lượng năng lượng Trái Đất phát xạ vào không gian.

- Wow.

- Chà.

- Because if we didn't do that,

- Bởi vì nếu không như vậy,

then the earth would get a lot hotter, that'd be a problem.

thì Trái Đất sẽ nóng lên nhiều, và đó sẽ là một vấn đề.

- That'd be a big problem.

- Đó sẽ là một vấn đề lớn.

- So, if that is the case...

- Vậy thì, nếu đúng là như thế...

- Yeah.

Ừ.

- Then what are we really getting from the sun?

Vậy thì thực ra chúng ta đang nhận được gì từ mặt trời?

- That's a good question.

Câu hỏi hay đấy.

- Hmm.

Hmm.

- It gives us a nice tan.

Nó giúp chúng ta có làn da rám nắng đẹp.

- It gives us a nice tan, I love it.

Nó giúp chúng ta có làn da rám nắng đẹp, tôi thích điều đó.

We're getting something special from the sun.

Chúng ta đang nhận được một thứ đặc biệt từ mặt trời.

- I don't know, what do we get without the energy?

Tôi không biết, vậy chúng ta sẽ nhận được gì nếu không có năng lượng?

- But nobody talks about it.

Nhưng chẳng ai nói về điều đó cả.

To answer that, we have to go back to a discovery

Để trả lời câu hỏi đó, chúng ta phải quay lại một khám phá

made two centuries ago.

được thực hiện cách đây hai thế kỷ.

In the winter of 1813, France was being invaded

Vào mùa đông năm 1813, nước Pháp đang bị xâm lược

by the armies of Austria, Prussia, and Russia.

bởi quân đội của Áo, Phổ và Nga.

The son of one of Napoleon's generals was Sadi Carnot, a 17-year-old student.

Con trai của một vị tướng dưới trướng Napoleon là Sadi Carnot, một sinh viên 17 tuổi.

On December 29th, he writes a letter to Napoleon

Vào ngày 29 tháng 12, cậu viết một bức thư gửi Napoleon

to request to join in the fight.

để xin được tham gia chiến đấu.

Napoleon preoccupied in battle, never replies.

Napoleon bận rộn với chiến trận nên không bao giờ hồi âm.

but Carnot gets his wish a few months later when Paris is attacked.

nhưng vài tháng sau, Carnot được toại nguyện khi Paris bị tấn công.

The students defend a chateau just east of the city,

Các sinh viên bảo vệ một lâu đài ngay phía đông thành phố,

but there're no match for the advancing armies,

nhưng họ không thể sánh được với các đội quân đang tiến tới,

and Paris falls after only a day of fighting.

và Paris thất thủ chỉ sau một ngày giao tranh.

Forced to retreat, Carnot is devastated.

Buộc phải rút lui, Carnot vô cùng đau khổ.

Seven years later, he goes to visit his father

Bảy năm sau, anh đến thăm cha mình

who's fled to Prussia after Napoleon's downfall.

người đã chạy sang Phổ sau khi Napoleon sụp đổ.

His father was not only a general, but also a physicist.

Cha anh không chỉ là một vị tướng mà còn là một nhà vật lý học.

He wrote an essay on how energy is most efficiently transferred in mechanical systems.

Ông viết một bài luận về cách năng lượng được truyền đi hiệu quả nhất trong các hệ thống cơ học.

When his son comes to visit, they talk at length

Khi con trai ông đến thăm, hai cha con trò chuyện rất lâu

about the big breakthrough of the time, steam engines.

về bước đột phá lớn của thời đại: động cơ hơi nước.

Steam engines were already being used to power ships, mine ore, and excavate ports.

Động cơ hơi nước khi ấy đã được dùng để vận hành tàu thuyền, khai thác quặng và đào bến cảng.

And it was clear that the future industrial and military might of nations

Rõ ràng là sức mạnh công nghiệp và quân sự trong tương lai của các quốc gia

depended on having the best steam engines.

phụ thuộc vào việc sở hữu những động cơ hơi nước tốt nhất.

But French designs were falling behind those of other countries like Britain.

Nhưng các thiết kế của Pháp đang tụt lại so với các nước khác như Anh.

So, Sadi Carnot took it upon himself to figure out why.

Vì vậy, Sadi Carnot tự đảm nhận việc tìm hiểu nguyên nhân.

At the time, even the best steam engines

Vào thời điểm đó, ngay cả những động cơ hơi nước tốt nhất

only converted around 3% of thermal energy into useful mechanical work.

cũng chỉ chuyển hóa khoảng 3% nhiệt năng thành công cơ học hữu ích.

If he could improve on that, he could give France

Nếu ông có thể cải thiện con số đó, ông có thể mang lại cho nước Pháp

a huge advantage and restore its place in the world.

một lợi thế to lớn và khôi phục vị thế của nước này trên thế giới.

So he spends the next three years studying heat engines,

Vì thế, ông dành ba năm tiếp theo để nghiên cứu động cơ nhiệt,

and one of his key insights involves how an ideal heat engine would work,

và một trong những nhận định then chốt của ông liên quan đến cách một động cơ nhiệt lý tưởng sẽ hoạt động,

one with no friction and no losses to the environment.

tức là động cơ không có ma sát và không thất thoát năng lượng ra môi trường.

It looks something like this.

Nó trông gần giống như thế này.

Take two really big metal bars, one hot and one cold.

Hãy lấy hai thanh kim loại rất lớn, một thanh nóng và một thanh lạnh.

The engine consists of a chamber filled with air,

Động cơ gồm một buồng chứa đầy không khí,

where heat can only flow in or out through the bottom.

nơi nhiệt chỉ có thể đi vào hoặc ra qua đáy buồng.

Inside the chamber is a piston, which is connected to a flywheel.

Bên trong buồng có một pít-tông, được nối với một bánh đà.

The air starts at a temperature just below that of the hot bar.

Không khí ban đầu có nhiệt độ chỉ thấp hơn một chút so với thanh nóng.

So first, the hot bar is brought into contact with the chamber.

Vì vậy, trước hết, thanh nóng được đưa tiếp xúc với buồng.

The air inside expands with heat flowing into it to maintain its temperature.

Không khí bên trong giãn nở khi nhiệt chảy vào để duy trì nhiệt độ của nó.

This pushes the piston up, turning the flywheel.

Điều này đẩy pít-tông lên, làm quay bánh đà.

Next, the hot bar is removed,

Tiếp theo, thanh nóng được lấy ra,

but the air in the chamber continues to expand,

nhưng không khí trong buồng vẫn tiếp tục giãn nở,

except now without heat entering, the temperature decreases.

chỉ khác là lúc này không có nhiệt đi vào, nên nhiệt độ giảm xuống.

In the ideal case, until it is the temperature of the cold bar.

Trong trường hợp lý tưởng, nhiệt độ giảm đến khi bằng nhiệt độ của thanh lạnh.

The cold bar is brought into contact with the chamber

Thanh lạnh được đưa tiếp xúc với buồng

and the flywheel pushes the piston down.

và bánh đà đẩy piston xuống.

And as the air is compressed, heat is transferred into the cold bar.

Khi không khí bị nén, nhiệt được truyền vào thanh lạnh.

The cold bar is removed.

Thanh lạnh được lấy ra.

The flywheel compresses the gas further

Bánh đà nén khí thêm nữa

increasing its temperature until it is just below that of the hot bar.

làm nhiệt độ khí tăng lên cho đến khi chỉ thấp hơn một chút so với thanh nóng.

Then the hot bar is connected again and the cycle repeats.

Sau đó, thanh nóng được kết nối trở lại và chu trình lặp lại.

Through this process, heat from the hot bar is converted

Qua quá trình này, nhiệt từ thanh nóng được chuyển hóa

into the energy of the flywheel.

thành năng lượng của bánh đà.

And what's interesting to note about Carnot's ideal engine

Điều đáng chú ý ở động cơ lý tưởng của Carnot

is that it is completely reversible.

là nó hoàn toàn có thể đảo ngược.

If you ran the engine in reverse, first the air expands lowering the temperature,

Nếu cho động cơ chạy ngược, đầu tiên không khí giãn nở làm nhiệt độ giảm xuống,

then the chamber is brought into contact with the cold bar,

sau đó buồng được đưa tiếp xúc với thanh lạnh,

the air expands more, drawing in heat from the cold bar.

không khí giãn nở thêm, hút nhiệt từ thanh lạnh vào.

Next, the air is compressed, increasing its temperature.

Tiếp theo, không khí bị nén, làm nhiệt độ tăng lên.

The chamber is placed on top of the hot bar

Buồng được đặt lên trên thanh nóng

and the energy of the flywheel is used to return the heat

và năng lượng của bánh đà được dùng để đưa nhiệt

back into the hot bar.

trở lại thanh nóng.

However many cycles were run in the forward direction,

Dù đã chạy bao nhiêu chu trình theo chiều thuận,

you could run the same number in reverse, and at the end,

bạn vẫn có thể chạy đúng số chu trình đó theo chiều ngược, và cuối cùng,

everything would return to its original state with no additional input of energy required.

mọi thứ sẽ trở về trạng thái ban đầu mà không cần thêm bất kỳ năng lượng đầu vào nào.

So by running an ideal engine, nothing really changes.

Vì vậy, khi vận hành một động cơ lý tưởng, thực chất không có gì thay đổi.

You can always undo what you did.

Bạn luôn có thể hoàn tác những gì đã làm.

So what is the efficiency of this engine?

Vậy hiệu suất của động cơ này là bao nhiêu?

Since it's fully reversible, you might expect the efficiency to be 100%,

Vì nó hoàn toàn thuận nghịch, bạn có thể nghĩ hiệu suất sẽ là 100%,

but that is not the case.

nhưng thực tế không phải vậy.

Each cycle, the energy of the flywheel increases by the amount of heat flowing

Mỗi chu trình, năng lượng của bánh đà tăng lên bằng lượng nhiệt chảy

into the chamber from the hot bar,

vào buồng từ thanh nóng,

minus the heat flowing out of the chamber at the cold bar.

trừ đi lượng nhiệt chảy ra khỏi buồng tại thanh lạnh.

So to calculate the efficiency, we divide this energy

Vì vậy, để tính hiệu suất, ta chia năng lượng này

by the heat input from the hot bar.

cho nhiệt lượng đầu vào từ thanh nóng.

Now the heat in on the hot side is equal to the work done

Bây giờ, nhiệt đầu vào ở phía nóng bằng công

by the gas on the piston,

mà khí thực hiện lên pít-tông,

and this will always be greater than the work done

và giá trị này luôn lớn hơn công

by the piston on the gas on the cold side,

mà pít-tông thực hiện lên khí ở phía lạnh,

which equals the heat out.

và công này bằng nhiệt đầu ra.

And this is because on the hot side,

Lý do là ở phía nóng,

the hot gas exerts a greater pressure

khí nóng tác dụng một áp suất lớn hơn

on the piston than that same gas when cold.

lên pít-tông so với chính lượng khí đó khi lạnh.

To increase the efficiency of the engine,

Để tăng hiệu suất của động cơ,

you could increase the temperature of the hot side,

bạn có thể tăng nhiệt độ phía nóng,

or decrease the temperature of the cold side, or both.

hoặc giảm nhiệt độ phía lạnh, hoặc làm cả hai.

Lord Kelvin learns of Carnot's ideal heat engine

Ngài Kelvin biết đến động cơ nhiệt lý tưởng của Carnot

and realizes it could form the basis for an absolute temperature scale.

và nhận ra nó có thể làm nền tảng cho một thang nhiệt độ tuyệt đối.

Imagine that the gas is allowed to expand an extreme amount,

Hãy tưởng tượng khí được phép giãn nở đến mức cực đại,

so much that it cools to the point

nhiều đến mức nó nguội đi tới điểm

where all the gas particles effectively stop moving.

mà mọi hạt khí thực tế đều ngừng chuyển động.

Then they would exert no pressure on the piston,

Khi đó chúng sẽ không tác dụng áp suất lên piston,

and it would take no work to compress it

và sẽ không cần công nào để nén nó

on the cold side, so no heat would be lost.

ở phía lạnh, nên không có nhiệt nào bị thất thoát.

This is the idea of absolute zero,

Đây chính là ý tưởng về độ không tuyệt đối,

and it would make for a 100% efficient engine.

và nó sẽ tạo ra một động cơ có hiệu suất 100%.

Using this absolute temperature scale, the Kelvin scale,

Sử dụng thang nhiệt độ tuyệt đối này, thang Kelvin,

we can replace the amount of heat in and out

chúng ta có thể thay lượng nhiệt vào và ra

with the temperature of the hot and cold side respectively,

bằng nhiệt độ của phía nóng và phía lạnh tương ứng,

because they are directly proportional.

vì chúng tỉ lệ thuận với nhau.

So we can express efficiency like this, which we can rewrite like this.

Vì vậy, ta có thể biểu diễn hiệu suất như thế này, rồi viết lại như thế kia.

What we have learned is that the efficiency

Điều chúng ta đã học được là hiệu suất

of an ideal heat engine doesn't depend on the materials

của một động cơ nhiệt lý tưởng không phụ thuộc vào vật liệu

or the design of the engine, but fundamentally on the temperatures

hay thiết kế của động cơ, mà về cơ bản phụ thuộc vào nhiệt độ

of the hot and cold sides.

của phía nóng và phía lạnh.

To reach 100% efficiency, you'd need infinite temperature

Để đạt hiệu suất 100%, bạn cần nhiệt độ vô hạn

on the hot side or absolute zero on the cold side,

ở phía nóng hoặc độ không tuyệt đối ở phía lạnh,

both of which are impossible in practice.

mà cả hai đều không thể đạt được trong thực tế.

So even with no friction or losses to the environment,

Vì vậy, ngay cả khi không có ma sát hay thất thoát ra môi trường,

it's impossible to make a heat engine 100% efficient.

cũng không thể chế tạo một động cơ nhiệt có hiệu suất 100%.

And that's because to return the piston to its original position,

Lý do là để đưa piston trở về vị trí ban đầu,

you need to dump heat into the cold bar.

bạn cần thải nhiệt vào thanh lạnh.

So not all the energy stays in the flywheel.

Vì vậy, không phải toàn bộ năng lượng đều ở lại trong bánh đà.

Now, in Carnot's time, high pressure steam engines

Vào thời Carnot, các động cơ hơi nước áp suất cao

could only reach temperatures up to 160 degrees Celsius.

chỉ đạt được nhiệt độ tối đa khoảng 160 độ C.

So their theoretical maximum efficiency was 32%,

Vì vậy hiệu suất lý thuyết tối đa của chúng là 32%,

but their real efficiency was more like 3%.

nhưng hiệu suất thực tế của chúng chỉ khoảng 3%.

That's because real engines experience friction, dissipate heat to the environment,

Lý do là động cơ thực tế chịu ma sát, tản nhiệt ra môi trường,

and they don't transfer heat at constant temperatures.

và chúng không truyền nhiệt ở nhiệt độ không đổi.

So for just as much heat going in,

Vì vậy, với cùng một lượng nhiệt đưa vào,

less energy ends up in the flywheel.

lượng năng lượng cuối cùng truyền vào bánh đà sẽ ít hơn.

The rest is spread out over the walls of the cylinder,

Phần còn lại phân tán ra thành xi-lanh,

the axle of the flywheel, and is radiated out into the environment.

trục của bánh đà, và tỏa ra môi trường xung quanh.

When energy spreads out like this, it is impossible to get it back.

Khi năng lượng phân tán như vậy, không thể thu hồi lại được.

So this process is irreversible.

Vì thế, quá trình này là không thể đảo ngược.

The total amount of energy didn't change, but it became less usable.

Tổng lượng năng lượng không thay đổi, nhưng nó trở nên kém hữu dụng hơn.

Energy is most usable when it is concentrated

Năng lượng hữu dụng nhất khi nó được tập trung

and less usable when it's spread out.

và kém hữu dụng hơn khi nó bị phân tán.

Decades later, German physicist, Rudolf Clausius,

Nhiều thập kỷ sau, nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius

studies Carnot's engine, and he comes up with a way

nghiên cứu động cơ của Carnot, và ông đưa ra một cách

to measure how spread out the energy is.

để đo mức độ phân tán của năng lượng.

He calls this quantity, entropy.

Ông gọi đại lượng này là entropy.

When all the energy is concentrated in the hot bar, that is low entropy,

Khi toàn bộ năng lượng tập trung trong thanh nóng, đó là entropy thấp,

but as the energy spreads to the surroundings,

nhưng khi năng lượng lan ra môi trường xung quanh,

the walls of the chamber and the axle will entropy increases.

thành buồng và trục sẽ làm entropy tăng lên.

This means the same amount of energy is present,

Điều này có nghĩa là lượng năng lượng vẫn như cũ,

but in this more dispersed form, it is less available to do work.

nhưng ở dạng phân tán hơn này, nó ít sẵn sàng để thực hiện công.

In 1865, Clausius summarizes the first two laws of thermodynamics like this.

Năm 1865, Clausius tóm tắt hai định luật đầu của nhiệt động lực học như sau.

First, the energy of the universe is constant.

Thứ nhất, năng lượng của vũ trụ là không đổi.

And second, the entropy of the universe tends to a maximum.

Và thứ hai, entropy của vũ trụ có xu hướng đạt cực đại.

In other words, energy spreads out over time.

Nói cách khác, năng lượng phân tán theo thời gian.

The second law is core to so many phenomena in the world.

Định luật thứ hai là nền tảng của rất nhiều hiện tượng trên thế giới.

It's why hot things cool down and cool things heat up,

Đó là lý do vật nóng nguội đi và vật lạnh nóng lên,

why gas expands to fill a container,

vì sao khí giãn ra để lấp đầy bình chứa,

why you can't have a perpetual motion machine,

vì sao không thể có cỗ máy chuyển động vĩnh cửu,

because the amount of usable energy in a closed system is always decreasing.

bởi vì lượng năng lượng có thể sử dụng trong một hệ kín luôn giảm dần.

The most common way to describe entropy is as disorder,

Cách mô tả entropy phổ biến nhất là coi nó là sự mất trật tự,

which makes sense because it is associated with things

điều này có lý vì nó gắn liền với những thứ

becoming more mixed, random, and less ordered.

trở nên pha trộn hơn, ngẫu nhiên hơn và kém trật tự hơn.

But I think the best way to think about entropy

Nhưng tôi cho rằng cách tốt nhất để hiểu về entropy

is as the tendency of energy to spread out.

là xem nó như xu hướng năng lượng lan tỏa ra.

So why does energy spread out over time?

Vậy tại sao năng lượng lại lan tỏa theo thời gian?

I mean, most of the laws of physics

Ý tôi là, hầu hết các định luật vật lý

work exactly the same way forwards or backwards in time.

đều vận hành y hệt nhau dù đi tới hay lùi lại theo thời gian.

So how does this clear time dependence arise?

Vậy thì sự phụ thuộc thời gian rõ ràng này xuất hiện như thế nào?

Well, let's consider two small metal bars, one hot and one cold.

Hãy xét hai thanh kim loại nhỏ, một thanh nóng và một thanh lạnh.

For this simple model, we'll consider only eight atoms per bar.

Với mô hình đơn giản này, chúng ta chỉ xét tám nguyên tử mỗi thanh.

Each atom vibrates according to the number of energy packets it has.

Mỗi nguyên tử dao động tùy theo số gói năng lượng mà nó có.

The more packets, the more it vibrates.

Có càng nhiều gói, nó dao động càng mạnh.

So let's start with seven packets of energy

Vậy ta hãy bắt đầu với bảy gói năng lượng

in the left bar and three in the right.

ở thanh bên trái và ba gói ở thanh bên phải.

The number of energy packets in each bar is what we'll call a state.

Số gói năng lượng trong mỗi thanh chính là thứ mà chúng ta gọi là một trạng thái.

First, let's consider just the left bar.

Trước hết, hãy chỉ xét thanh bên trái.

It has seven energy packets, which are free to move around the lattice.

Nó có bảy gói năng lượng, và chúng có thể tự do di chuyển quanh mạng tinh thể.

This happens nonstop.

Việc này diễn ra liên tục không ngừng.

The energy packets hop randomly from atom to atom giving different configurations of energy,

Các gói năng lượng nhảy ngẫu nhiên từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, tạo ra các cấu hình năng lượng khác nhau,

but the total energy stays the same the whole time.

nhưng tổng năng lượng luôn giữ nguyên trong suốt thời gian.

Now, let's bring the cold bar back in

Bây giờ, hãy đưa thanh lạnh trở lại

with only three packets and touch them together.

chỉ với ba gói năng lượng và cho hai thanh chạm vào nhau.

The energy packets can now hop around between both bars creating different configurations.

Các gói năng lượng giờ có thể nhảy qua lại giữa hai thanh, tạo ra các cấu hình khác nhau.

Each unique configuration is equally likely.

Mỗi cấu hình riêng biệt đều có khả năng xảy ra như nhau.

So what happens if we take a snapshot at one instant in time

Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu ta chụp một bức ảnh tại một thời điểm

and see where all the energy packets are?

và xem tất cả các gói năng lượng đang ở đâu?

So stop, look at this.

Hãy dừng lại và nhìn đây này.

Now there are nine energy packets in the left bar,

Giờ có chín gói năng lượng ở thanh bên trái,

and only one in the right bar.

và chỉ có một gói ở thanh bên phải.

So heat has flowed from cold to hot.

Vậy là nhiệt đã truyền từ lạnh sang nóng.

Shouldn't that be impossible because it decreases entropy?

Chẳng phải điều đó là không thể vì nó làm giảm entropy sao?

Well, this is where Ludwig Boltzmann made an important insight.

Đây chính là chỗ Ludwig Boltzmann đã có một nhận định quan trọng.

Heat flowing from cold to hot is not impossible, it's just improbable.

Nhiệt truyền từ lạnh sang nóng không phải là không thể, mà chỉ là khó xảy ra.

There are 91,520 configurations with nine energy packets in the left bar,

Có 91.520 cấu hình với chín gói năng lượng ở thanh bên trái,

but 627,264 with five energy packets in each bar.

nhưng có tới 627.264 cấu hình với năm gói năng lượng ở mỗi thanh.

That is the energy is more than six times

Tức là năng lượng có khả năng được phân bố đều giữa hai thanh

as likely to be evenly spread between the bars.

nhiều hơn sáu lần.

But if you add up all the possibilities,

Nhưng nếu cộng tất cả các khả năng lại,

you find there's still a 10.5% chance that the left bar

bạn sẽ thấy vẫn có khoảng 10,5% khả năng thanh bên trái

ends up with more energy packets than it started.

kết thúc với nhiều gói năng lượng hơn so với lúc ban đầu.

So, why don't we observe this happening around us?

Vậy tại sao ta không quan sát thấy điều này xảy ra xung quanh mình?

Well, watch what happens as we increase the number of atoms

Hãy xem điều gì xảy ra khi ta tăng số nguyên tử

to 80 per bar and the energy packets to 100,

lên 80 mỗi thanh và số gói năng lượng lên 100,

with 70 in the left bar and 30 in the right.

với 70 gói ở thanh bên trái và 30 gói ở thanh bên phải.

There is now only a 0.05% chance that the left solid

Giờ chỉ còn khoảng 0,05% khả năng khối rắn bên trái

ends up hotter than it started.

sẽ nóng lên hơn so với lúc ban đầu.

And this trend continues as we keep scaling up the system.

Và xu hướng này tiếp tục khi chúng ta mở rộng hệ thống.

In everyday solids, there are around 100 trillion,

Trong các vật rắn thông thường, có khoảng 100 nghìn tỷ,

trillion atoms and even more energy packets.

nghìn tỷ nguyên tử và còn nhiều gói năng lượng hơn nữa.

So heat flowing from cold to hot is just so unlikely

Vì vậy, nhiệt truyền từ lạnh sang nóng quá khó xảy ra

that it never happens.

đến mức nó không bao giờ xảy ra.

Think of it like this Rubik's cube.

Hãy hình dung điều này qua khối Rubik.

Right now, it is completely solved,

Hiện giờ, khối Rubik đã được xếp hoàn chỉnh,

but I'm gonna close my eyes and make some turns at random.

nhưng tôi sẽ nhắm mắt lại và xoay ngẫu nhiên vài lần.

If I keep doing this, it will get further and further from being solved.

Nếu tôi cứ làm vậy, khối rubik sẽ ngày càng xa trạng thái đã được xếp hoàn chỉnh.

But how can I be confident that I'm really messing this cube up?

Nhưng làm sao tôi có thể chắc chắn rằng mình thực sự đang làm rối khối này?

Well, because there's only one way for it to be solved,

Đơn giản là vì chỉ có một cách để nó được xếp hoàn chỉnh,

a few ways for it to be almost solved, and quintillions of ways

vài cách để nó gần như được xếp xong, và hàng triệu tỷ tỷ cách

for it to be almost entirely random.

để nó hoàn toàn lộn xộn gần như ngẫu nhiên.

Without thought and effort, every turn moves the Rubik's cube

Không cần suy nghĩ hay nỗ lực, mỗi lần xoay đều đưa khối Rubik

from a highly unlikely state that of it being solved

từ một trạng thái rất khó xảy ra là được xếp hoàn chỉnh

to a more likely state, a total mess.

sang một trạng thái dễ xảy ra hơn, tức là một mớ hỗn độn.

So if the natural tendency of energy is to spread out

Vậy nếu xu hướng tự nhiên của năng lượng là lan tỏa ra

and for things to get messier, then how is it possible to have something

và mọi thứ ngày càng lộn xộn hơn, thì làm sao có thể có một thứ

like air conditioning where the cold interior of a house

như máy điều hòa, nơi phần bên trong lạnh của ngôi nhà

gets cooler and the hot exterior gets hotter?

trở nên mát hơn còn bên ngoài nóng hơn?

Energy is going from cold to hot, decreasing the entropy of the house.

Năng lượng đang đi từ lạnh sang nóng, làm giảm entropy của ngôi nhà.

Well, this decrease in entropy is only possible

Việc entropy giảm này chỉ có thể xảy ra

by increasing the entropy a greater amount somewhere else.

khi entropy ở một nơi khác tăng với mức lớn hơn.

In this case, at a power plant,

Trong trường hợp này, tại một nhà máy điện,

the concentrated chemical energy and coal is being released,

năng lượng hóa học tập trung trong than đá đang được giải phóng,

heating up the power plant in its environment,

làm nóng nhà máy điện và môi trường xung quanh nó,

spreading to the turbine the electric generators,

lan sang tua-bin và các máy phát điện,

heating the wires all the way to the house,

làm nóng dây dẫn suốt đường đến tận ngôi nhà,

and producing waste heat in the fans and compressor.

và tạo ra nhiệt thải trong quạt và máy nén.

Whatever decrease in entropy is achieved at the house

Bất kể độ giảm entropy đạt được ở ngôi nhà

is more than paid for by an increase in entropy required

còn được bù đắp nhiều hơn bởi sự tăng entropy cần thiết

to make that happen.

để điều đó xảy ra.

But if total entropy is constantly increasing

Nhưng nếu tổng entropy liên tục tăng

and anything we do only accelerates that increase,

và bất cứ điều gì chúng ta làm chỉ đẩy nhanh sự tăng đó,

then how is there any structure left on earth?

thì làm sao trên Trái Đất còn tồn tại bất kỳ cấu trúc nào?

How are there hot parts separate from cold parts?

Làm sao còn có những phần nóng tách biệt với những phần lạnh?

How does life exist?

Sự sống tồn tại bằng cách nào?

Well, if the earth were a closed system, the energy would spread out completely,

Nếu Trái Đất là một hệ kín, năng lượng sẽ lan ra hoàn toàn,

meaning, all life would cease, everything would decay and mix,

nghĩa là mọi sự sống sẽ chấm dứt, mọi thứ sẽ phân rã và trộn lẫn,

and eventually, reach the same temperature.

và cuối cùng đạt cùng một nhiệt độ.

But luckily, earth is not a closed system,

Nhưng may mắn thay, Trái Đất không phải là hệ kín,

because we have the sun.

bởi vì chúng ta có Mặt Trời.

What the sun really gives us is a steady stream

Điều Mặt Trời thực sự mang lại cho chúng ta là một dòng

of low entropy that is concentrated bundled up energy.

entropy thấp, tức năng lượng được tập trung và gói gọn lại.

The energy that we get from the sun is more useful

Năng lượng chúng ta nhận từ Mặt Trời hữu ích hơn

than the energy we give back.

so với năng lượng chúng ta trả lại.

It's more compact, it's more clumped together.

Nó gọn hơn, tập trung hơn.

Plants capture this energy and use it to grow and create sugars.

Thực vật thu nhận năng lượng này và dùng nó để sinh trưởng và tạo ra đường.

Then animals eat plants and use that energy

Sau đó động vật ăn thực vật và sử dụng năng lượng đó

to maintain their bodies and move around.

để duy trì cơ thể và di chuyển.

Bigger animals get their energy by eating smaller animals and so on.

Những động vật lớn hơn lấy năng lượng bằng cách ăn các động vật nhỏ hơn, và cứ thế tiếp tục.

And each step of the way, the energy becomes more spread out.

Và qua mỗi bước, năng lượng càng trở nên phân tán hơn.

- Okay, interesting.

- Được rồi, thú vị đấy.

- Yeah.

- Ừ.

- Oh wow, I did not know that.

- Ồ, thật à, tôi không biết điều đó.

- There you go.

- Đấy, bạn thấy chưa.

Ultimately, all the energy that reaches earth from the sun

Cuối cùng, toàn bộ năng lượng từ mặt trời đến trái đất

is converted into thermal energy, and then it's radiated back into space.

đều được chuyển thành nhiệt năng, rồi sau đó bị bức xạ trở lại vũ trụ.

But in fact, it's the same amount.

Nhưng thực ra, lượng năng lượng này vẫn bằng nhau.

I know this is a- - You do know this is...

Tôi biết đây là một- - Bạn biết đây là...

- I'm a PhD physicist.

- Tôi là nhà vật lý có bằng tiến sĩ.

- Oh, okay, but anyway, so... - I trust you.

- Ồ, được rồi, nhưng dù sao thì... - Tôi tin bạn.

The increase in entropy can be seen

Sự gia tăng entropy có thể được thấy

in the relative number of photons arriving at and leaving the earth.

qua tỷ lệ số lượng photon đến và rời khỏi trái đất.

For each photon received from the sun, 20 photons are emitted,

Cứ mỗi photon nhận từ mặt trời, có 20 photon được phát ra,

and everything that happens on earth, plants growing, trees falling, herds stampeding,

và mọi thứ diễn ra trên trái đất, cây cối lớn lên, cây đổ, đàn thú chạy tán loạn,

hurricanes and tornadoes, people eating, sleeping, and breathing.

bão và lốc xoáy, con người ăn, ngủ và thở, tất cả đều xảy ra

All of it happens in the process of converting fewer, higher energy photons

trong quá trình chuyển đổi ít photon năng lượng cao hơn

into 20 times as many lower energy photons.

thành số photon năng lượng thấp hơn gấp 20 lần.

Without a source of concentrated energy

Nếu không có nguồn năng lượng tập trung

and a way to discard the spread out energy,

và cách để loại bỏ năng lượng đã phân tán,

life on earth would not be possible.

sự sống trên trái đất sẽ không thể tồn tại.

It has even been suggested that life itself

Thậm chí người ta còn cho rằng chính sự sống

may be a consequence of the second law of thermodynamics.

có thể là một hệ quả của định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

If the universe tends toward maximum entropy,

Nếu vũ trụ có xu hướng tiến tới entropy cực đại,

then life offers a way to accelerate that natural tendency,

thì sự sống mang đến một cách để đẩy nhanh xu hướng tự nhiên đó,

because life is spectacularly good at converting low entropy into high entropy.

bởi sự sống cực kỳ giỏi trong việc chuyển entropy thấp thành entropy cao.

For example, the surface layer of seawater produces

Ví dụ, lớp bề mặt nước biển tạo ra

between 30 to 680% more entropy when cyanobacteria

nhiều hơn từ 30 đến 680% entropy khi có vi khuẩn lam

and other organic matter is present than when it's not.

và các chất hữu cơ khác, so với khi không có chúng.

Jeremy England takes this one step further.

Jeremy England còn đi xa hơn một bước.

He's proposed that if there is a constant stream

Ông đề xuất rằng nếu có một dòng năng lượng tập trung

of clumped up energy, this could favor structures that dissipate that energy.

liên tục chảy qua, điều này có thể ưu ái các cấu trúc tiêu tán năng lượng đó.

And over time, this results in better and better energy dissipators,

Theo thời gian, điều này tạo ra những bộ tiêu tán năng lượng ngày càng tốt hơn,

eventually resulting in life.

và cuối cùng dẫn đến sự sống.

Or in his own words, "You start with a random clump of atoms,

Hay nói theo lời của chính ông: "Bạn bắt đầu với một cụm nguyên tử ngẫu nhiên,

and if you shine light on it for long enough,

và nếu bạn chiếu sáng nó đủ lâu,

it should not be so surprising that you get a plant."

thì cũng không quá ngạc nhiên nếu bạn thu được một cây thực vật."

So life on earth survives on the low entropy from the sun,

Vì vậy, sự sống trên Trái Đất tồn tại nhờ entropy thấp từ Mặt Trời,

but then where did the sun get its low entropy?

vậy thì Mặt Trời lấy entropy thấp từ đâu?

The answer is the universe.

Câu trả lời là vũ trụ.

If we know that the total entropy of the universe

Nếu chúng ta biết rằng tổng entropy của vũ trụ

is increasing with time, then it was lower entropy yesterday

tăng theo thời gian, thì hôm qua entropy còn thấp hơn,

and even lower entropy the day before that,

và hôm kia còn thấp hơn nữa,

and so on, all the way back to the Big Bang.

cứ thế lùi dần về tận Vụ Nổ Lớn.

So right after the Big Bang, that is when the entropy was lowest.

Vậy ngay sau Vụ Nổ Lớn, đó là lúc entropy thấp nhất.

This is known as the past hypothesis.

Đây được gọi là giả thuyết quá khứ.

It doesn't explain why the entropy was low,

Nó không giải thích được vì sao entropy lại thấp,

just that it must have been that way for the universe

chỉ là vũ trụ nhất thiết phải diễn ra theo cách đó

to unfold as it has.

để phát triển như những gì nó đã có.

But the early universe was hot, dense, and almost completely uniform.

Nhưng vũ trụ sơ khai nóng, đặc và gần như hoàn toàn đồng nhất.

I mean, everything was mixed and the temperature was basically the same everywhere,