Tại sao đám mây lơ lửng mà không rơi?

Thoạt trông, đây có vẻ là một câu hỏi đơn giản. Đám mây dù nặng có cả tấn đi nữa, nhưng khối lượng riêng nhẹ hơn không khí, nên không rơi. Còn có gì khác nữa?

Xét về vĩ mô, tức là toàn thể đám mây, có thể là như thế thật. Đám mây có thể có trọng lượng rất lớn, nhưng thể tích tổng cộng cũng rất lớn, nên trọng lượng riêng là nhẹ.

Nhưng thật ra vấn đề tế nhị hơn một chút. Đây là phân tích tôi học được từ anh Đàm Thanh Sơn. Vấn đề ở chỗ ở mức độ trung mô, đám mây không tồn tại dưới dạng hơi đồng nhất, mà dưới dạng từng hạt nước hoặc hạt băng như nhũ tương. Xét từng hạt băng, hay từng hạt nước, khối lượng riêng nặng hơn không khí, do đó câu hỏi vẫn là tại sao chúng không rơi? Nhận ra dạng thật của đám mây mới thực sự là quan trọng. Câu trả lời cho câu hỏi trên đây, nếu suy nghĩ đến, thực ra cũng đơn giản. Ai cũng thấy các hạt bụi lơ lửng trong không khí mà không rơi, hoặc là rơi rất chậm và dễ dàng bị gió cuốn đi trước khi rơi xuống. Các hạt nước hay các hạt băng của đám mây cũng hệt như vậy mà thôi.

Thế có thể đã là một câu trả lời khá rõ ràng, nhưng ta có cũng có thể đi sâu hơn một chút, xem xét từ khía cạnh vật lý học tại sao các hạt bụi hay các hạt nước nhỏ lại rơi xuống rất chậm và dễ dàng bị gió cuốn đi. Đây là giải thích theo ngôn ngữ nhà nghề: ma sát với không khí của các hạt bụi khiến cho chúng có vận tốc nhỏ. Cụ thể là, ma sát nhớt tỷ lệ với vận tốc, với hệ số tỷ lệ tỷ lệ bậc nhất với bán kính hạt bụi, nếu giả sử đơn giản hạt bụi là hình cầu. Mặt khác trọng lượng hạt bụi, vốn là lực chủ yếu kéo hạt lắng xuống, tỉ lệ với lập phương bán kính hạt. Do đó bán kính càng nhỏ, tỷ lệ giữa trọng lực kéo xuống và hệ số ma sát càng nhỏ, vận tốc của hạt tương đối với không khí do đó không thể đạt được giá trị cao do chịu ảnh hưởng lớn của độ nhớt.

Suy nghĩ rộng ra hơn một chút, ta sẽ thấy đây là một vấn đề tinh tế và tế nhị: các hạt hay các vật thể có kích thước khác nhau chịu tác dụng của một số loại lực ở mức độ khác nhau (không có bất biến đồng dạng). Đó là lý do tại sao bụi thì bay, còn sỏi đá và con người thì rơi xuống. Vật thể có kích thước khác nhau hành xử theo cách khác nhau. Galilei cũng đã từng nhận ra điều tương tự với lực đàn hồi cố kết các vật thể: trọng lượng của các vật thể tỷ lệ với luỹ thừa bậc ba của kích thước, nhưng áp suất lên mặt đỡ chỉ giảm theo bình phương kích thước mặt đỡ. Điều này về lý thuyết giới hạn kích thước khối vật chất có thể tồn tại, ít ra về mặt lý thuyết, ở mức mà sức bền vật liệu còn có thể chịu được trọng lượng của bản thân vật thể. Xét trong sinh vật học, tại sao sinh vật có cấu trúc tế bào? Đó là vì cấu trúc tế bào làm tăng diện tích tiếp xúc, tăng khả năng trao đổi chất giữa không gian nội bào với bên ngoài: thể tích tăng theo lập phương kích thước, và diện tích thì tăng theo bình phương của kích thước; do đó kích thước càng nhỏ, tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích nội bào càng lớn. Đây là điều mà nhà sinh vật học nào cũng biết nằm lòng, có lẽ chẳng ai còn buồn phân tích thêm. Nhưng liên hệ hiện tượng đó với câu hỏi tại sao đám mây không rơi có lẽ là đặc thù tư duy của vật lý học.

PS: Đi xa hơn, ta có thể phân tích kích thước tối ưu của sinh vật, giải thích tại sao đại đa số các sinh vật không có kích thước quá lớn. Đây là một vấn đề sâu sắc và thú vị mà tôi hi vọng có thể trở lại sau này.