Categories
General

Lưu trữ thông tin mật độ siêu cao sắp thành hiện thực

Nhóm nghiên cứu hợp tác giữa Đại học Cornell (Mỹ) và Hitachi vừa công bố họ đã đạt được những tiến bộ quan trọng trong việc xây dựng bộ nhớ spintronics mà cụ thể ở đây là cải thiện tính chất ổn định nhiệt của các hạt nano từ tính, yếu tố quyết định để tạo ra linh kiện lưu trữ thông tin dựa trên spin, bằng lắng đọng thêm một lớp mỏng Al (nhôm) lên trên các hạt. Cải tiến này giúp cho việc giảm tiểu tính chất “tắt dần từ” ở nhiệt độ thấp và có thể sử dụng các hạt để ứng dụng trong các link kiện spintronics ví dụ như các dao động tử nano spin-torque hay bộ nhớ với mật độ siêu cao.

Trong các bộ nhớ từ (ví dụ như ổ đĩa cứng), thông tin được lưu trữ trong các đômen từ nhỏ. Các linh kiện dựa trên spin tốt đòi hỏi các hạt từ có độ ổn định nhiệt cao, thế nhưng khi mà các bits này được giảm dần kích thước (để tăng mật độ lưu trữ) thì chúng lại trở nên rất nhạy cảm với những thăng giáng nhiệt đến mức chúng có thể bị đảo trạng thái nhờ những thăng giáng này. Và điều “dở hơi” này đã cản trở việc tăng mật độ lưu trữ thông tin. Ozhan Oztay (Hitachi Global Storage Technologies, San Jose, Mỹ) cùng các cộng sự ở Đại học Cornell đã phát hiện ra rằng các hạt nano từ sẽ phát triển một lớp vách phản sắt từ ôxit ở bên cạnh sườn trong quá trình xử lý trong khí ôxi. Lớp phản sắt từ này gây ra những ảnh hưởng xấu cho hạt, bao gồm cả việc suy giảm tính bền vững nhiệt ở nhiệt độ phòng và sự tắt dần từ lớn dị thường ở nhiệt độ thấp. Sự tắt dần là một tham số quan trọng trong việc xác định thời gian đảo từ trong các linh kiện nhớ.

Hình 1. Ảnh chụp cắt ngang linh kiện cột nano (nanopillar) với các lớp NiFe 20 nm/Cu 12 nm/Cu 12 nm/Pt 30 nm. Một lớp mỏng Al được phủ bên rìa của cột tạo nên một lớp Al2O3 bền vững bảo vệ .

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để giải quyết vấn đề này là thụ động hóa lớp oxit bên cạnh sườn bằng cách lắng đọng một lớp màng mỏng nhôm (Al) lên các hạt bằng kỹ thuật lắng đọng chùm iôn cho phép tạo ra một lớp mỏng đồng đều. Kỹ thuật này đã phục hồi lại tính chất từ nội tại của vật liệu đồng thời cải thiện 100% tính chất ổn định nhiệt của các hạt nano và làm giảm đáng kể hệ số tắt dần từ. Các phép đo đạc về tính chất vận chuyển từ đã khẳng định các tính chất này.

Xử lý thụ động hóa lớp cạnh sườn bằng Al sẽ vô cùng quan trọng để tạo ra các cấu trúc từ nano với lớp tự do ổn định nhiệt cao” – Ozatay nói trên Nanotechweb.org. Cải thiện được tính ổn định nhiệt của các hạt nano và điều khiển tính chất tắt dần từ sẽ vô cùng hữu ích cho việc phát triển bộ nhớ lưu trữ với mật độ siêu cao và các ứng dụng spintronics kiểu spin-torque, Ozatay bổ sung. Các kết quả này vừa được công bố trên tạp chí Nature Materials số mới nhất .

 

Hình 2. Giản đồ spin-torque đo ở 4.2 K: a, d) linh kiện với lớp AlOx thụ động hóa, b) linh kiện phủ lớp NiO 2,5 nm, c) Các trạng thái có thể chứa các trạng thái song song (P), phản song song (AP) và trạng thái trung gian.

Vạn lý Độc hành (Theo Nanotechweb.org and Nature)
Categories
General

Hiệu ứng Doppler do dòng spin trên các sóng spin

Nếu bạn thích chạy xe nhanh, thế nào bạn cũng đối mặt với hiệu ứng dịch chuyển Doppler. Viên cảnh sát giao thông muốn đo tốc độ xe của bạn chỉ cần dùng một súng radar phát ra một sóng viba chiếu vào bạn, do sự chuyển động của bạn, tần số sóng phản xạ sẽ bị thay đổi cho phép đo chính xác vận tốc của bạn. Sự thay đổi này tần số này chính là hiệu ứng dịch chuyển Doppler với các sóng. Và mới đây, các nhà vật lí Pháp đã áp dụng mô hình hiệu ứng này ở một dạng khác để xác định một cách chính xác dòng điện tử phân cực spin đi qua một vật dẫn. Kỹ thuật này sẽ giúp ích rất nhiều trong việc phát triển các linh kiện spintronics, khai thác đồng thời spin và điện tích của điện tử trong các linh kiện điện tử mới hoạt động hữu hiệu hơn rất nhiều so với các linh kiện truyền thống.

Spintronics đang là một lĩnh vực nóng của khoa học và công nghệ nghiên cứu việc điều khiển và thao tác các dòng spin của điện tử mà ở đó spin của điện tử chỉ có thể hướng theo hai chiều lên hoặc xuống nhất định. Tuy nhiên, các nhà vật lí vẫn còn đau đầu với việc làm thế nào để có thể đo được dòng spin một cách đơn giản nhất. Hầu hết các kỹ thuật hiện tại đều liên quan đến việc đo đạc từ độ hoặc dòng điện, và đều hoặc đắt tiền hoặc rất phức tạp để có thể thao tác trên các linh kiện spintronics thực.

Hình 1. Nguyên lí của hệ đo sóng spin: Sử dụng một sóng spin tạo qua một ăng ten truyền qua miếng nhỏ Permalloy. Dòng spin truyền qua làm thay đổi tần số sóng spin và được ghi nhận bởi ăng ten thứ hai. Từ sự thay đổi này sẽ tính toán được dòng spin (Science 322 410).

Kỹ thuật mới được phát triển bởi nhóm Vincent Vlaminck và Mattieu Bailleul (Viện Hóa l‎í Vật liệu Strasbourg, Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia và Đại học Louis Pasteur) có thể cho phép đo được sự thay đổi tần số của sóng spin – một dạng thăng giáng từ tính có thể truyền qua một vật liệu. Phép đo được tiến hành bằng cách đặt hai ăng ten lên mặt của một miếng Permalloy (hợp kim sắt từ mềm của Ni và Fe) nhỏ có chiều rộng 2 µm. Một tín hiệu cao tần được phát qua một ăng ten, tạo ra một sóng spin có bước sóng khoảng 800 nm được truyền qua miếng Permalloy và được thu nhận bởi ăng ten thứ hai. Tiếp đó, một dòng spin được gửi qua permalloy theo cùng chiều với sóng spin và dòng spin này sẽ “kéo” các sóng spin làm thay đổi tần số sóng spin, và lượng thay đổi này sẽ tỉ lệ thuận với dòng spin. Ở đây, có thể hiểu đơn giản sóng spin là sự truyền các thăng giáng spin trong vật liệu sắt từ. Khi có sự thăng giáng spin ở một điểm, spin ở các điểm xung quanh sẽ bị thay đổi và truyền đi theo dạng sóng, gọi là sóng spin. Hạt trường của sóng spin là magnon.

Hình 2. Ảnh hưởng của dòng spin lên sóng spin (tần số bị dịch chuyển) và sự dịch chuyển này tỉ lệ thuận với cường độ dòng spin (Science 322 410).

Chuyên gia spintronics David Awshalom (Đại học California, Santa Barbara) đã mô tả quá trình này như một công cụ quan trọng trong lĩnh vực spintronics, một kỹ thuật hết sức tao nhã để có thể khảo sát các hệ sắt từ hoạt động bằng việc điều khiển sự vận chuyển của dòng spin phân cực. Vlaminck nói trên physicsworld.com rằng kỹ thuật này có thể mở rộng đến vùng sóng ngắn hơn mà ở đó các tương tác trao đổi lượng tử ở khoảng cách ngắn sẽ trở nên rõ nét. Nó sẽ giúp cho các nhà vật lí có thể hiểu được dòng spin bị ảnh hưởng như thế nào bởi sự thay đổi khoảng ngắn trong quá trình từ hóa của một vật liệu. Ví dụ như spin của một dòng điện tử có thể bị mất định hướng bởi từ độ địa phương và có thể hiểu được tầm quan trọng của sự mất định hướng này cho việc phát triển các linh kiện từ tính điều khiển bằng dòng điện tử.

Vạn lý Độc hành (Theo physicsworld.com & Science)

Categories
General

Khoa học về cà phê: cách vật lý có thể hoàn thiện lượng caffeine của bạn

Bạn có biết nhân viên pha chế của bạn thực sự là một nhà khoa học bí mật? Tiến sĩ David Hoxley từ Khoa Hóa học và Vật lý của Đại học La Trobe đưa chúng ta vượt qua máy pha cà phê để khám phá cách phương pháp khoa học ảnh hưởng đến việc pha cà phê hàng ngày của bạn.

Cà phê xay thành các hạt trong một hệ thống phức tạp

Là một nhà vật lý và nhà công nghệ nano, Tiến sĩ David Hoxley bị thu hút bởi cách kích thước hạt ảnh hưởng đến hành vi của mọi thứ. Để nhân viên pha chế có thể khai thác tối đa cà phê mà họ đang pha, họ cần biết cách tối ưu hóa nhiều biến số ảnh hưởng đến một loại hạt cụ thể mà họ quan tâm – hạt cà phê.

“Các nhân viên pha chế có một công việc khó khăn là quyết định cách xay cà phê, cách đóng gói và cách thực hiện việc xáo trộn – đó là một hệ thống đa biến phức tạp. Họ có những hạt đậu có thể không phải lúc nào cũng giống nhau, họ có độ ẩm và trên đôi chân của họ, họ phải tìm ra cách để kết hợp tất cả lại với nhau, ”David nói.

“Đó là nơi khoa học về cà phê thực sự có thể giúp ích. Một nhà công nghệ nano như tôi có thể giúp hình ảnh về kích thước hạt mài, và xem các đặc điểm và sự phân bố hạt khác nhau ảnh hưởng như thế nào đến quá trình chiết xuất ”.

Từ chua đến đắng: kích thước hạt ảnh hưởng như thế nào đến hương vị cà phê

Nói một cách khoa học, pha cà phê là quá trình chiết xuất các hợp chất hương vị hòa tan từ hạt cà phê rang và xay. Đối với một nhân viên pha cà phê, hoàn thiện hương vị có nghĩa là đảm bảo rằng quá trình chiết xuất đạt được điểm ngọt ngào – theo đúng nghĩa đen.

Khi bạn chiết xuất cà phê, bạn nói về một hồ sơ hương vị. Một loại cà phê chưa được chiết xuất hết thực sự rất chua. Và một loại cà phê được chiết xuất quá mức thực sự rất đắng. Nhưng hai thứ kết hợp lại mang đến cho bạn một hương vị ngọt ngào, ở đâu đó ở giữa, ”David nói.

Vậy, nguyên nhân nào khiến cà phê bị chiết xuất quá mức hoặc quá mức? Theo David, kích thước của cối xay cà phê có ảnh hưởng lớn. Các hạt thô lớn hơn dễ thấm hơn, có nghĩa là nước nóng chảy qua chúng nhanh hơn. Và nếu nước chảy quá nhanh, bạn có khả năng mắc phải cà phê chưa chiết xuất hết.

Ngược lại, các hạt nhỏ hơn giữ nước lại với nhau và làm chậm dòng chảy của nó. Nhưng khi những hạt xay mịn này được ngâm trong nước quá lâu, nhiều hương vị cà phê đắng sẽ ngấm ra ngoài – dẫn đến cà phê bị chiết xuất quá mức.

Để chứng minh cho những người đánh giá cao tác động của kích thước hạt cà phê đến hương vị, David sử dụng một thí nghiệm đơn giản. Ông chiết xuất cà phê từ các loại xay khác nhau vào các cốc riêng biệt. Sau đó, sử dụng một chiếc máy gọi là máy đo phản xạ, anh ta đo có bao nhiêu chất rắn hòa tan đã được chiết xuất từ ​​cà phê.

“Đó là một thử nghiệm hoàn hảo, bởi vì nó chỉ thay đổi một biến số – kích thước xay – mà mọi người đều có thể đặt trên máy xay của riêng mình. Nhưng nó có ảnh hưởng to lớn đến hương vị. Như bạn mong đợi, nếu đó là loại xay mịn hơn, bạn chiết xuất được nhiều caffeine hơn và bạn sẽ có được hương vị đắng hơn. Cá nhân tôi thích loại cà phê gần giữa, với 1,37 tổng chất rắn hòa tan ”.
Áp suất cho cà phê espresso: tác động của xáo trộn đến sự phân bố hạt như thế nào

Phân phối hạt thêm một biến khác vào hỗn hợp. Việc kiểm tra cà phê ở kích thước nano cho thấy rằng thực tế các hạt xay là sự kết hợp của các kích thước hạt. Cối xay trung bình của bạn có các hạt có kích thước milimet được đóng gói trong số các hạt có kích thước micromet – một phần 50 của kích thước sợi tóc người.

David ví hỗn hợp kích thước hạt cà phê này với cốt liệu được sử dụng để làm bê tông. Bằng cách đóng gói các kích thước hạt khác nhau lại với nhau, bạn tạo ra một sự kết hợp mạnh mẽ có khả năng chống lại áp suất. Khả năng chống lại áp suất này rất hữu ích cho việc pha một trong những phong cách cà phê phổ biến nhất – espresso.

Espresso được ‘rút’ ra khỏi máy pha cà phê bằng cách ép nước nóng có áp suất qua các hạt cà phê nghiền mịn, để tạo ra một ‘shot’ cà phê béo ngậy. Đối với David, các loại dầu trong cà phê espresso là thứ khiến nó trở nên đặc biệt ngon.

“Nếu bạn có khả năng chống chịu áp lực tốt, thì bạn có thể chiết xuất nhiều loại dầu hơn với nước. Và phần dầu của cà phê là nơi bạn nhận được rất nhiều hương vị sâu sắc, ”ông nói.

Để tạo ra sức đề kháng này, các baristas ngâm cà phê của họ trước khi họ bắt đầu chiết xuất. Tamping cà phê giúp nén tập hợp có các kích thước hạt khác nhau, do đó giúp tăng khả năng chống lại nước nóng được đẩy vào bên trong.

Tamping cũng đảm bảo mật độ xay cà phê đồng đều. Nếu bạn có bất kỳ túi nào trong cà phê của mình – những điểm yếu có ít hạt cà phê hơn trên một cm khối – thì nước sẽ di chuyển nhanh hơn qua chúng. Và như bạn đã biết, điều đó dẫn đến cà phê chưa được chiết xuất đầy đủ.

Và mặc dù có rất nhiều sự mê tín trong giới baristas về việc bạn nên pha chế cà phê khó đến mức nào, nhưng từ góc độ vật lý học, thì thật đơn giản: “Bạn chỉ cần ấn đủ mạnh. Nếu bạn nhấn quá mạnh, nó sẽ không tạo ra bất kỳ sự khác biệt nào. ”
Áp dụng khoa học để mang lại lợi thế cho các baristas Úc

Chúng tôi tự ý thức rằng chúng tôi là một loại biếm họa khi nói đến cà phê, thứ xa xỉ hàng ngày. Nhưng với một chút khoa học và sự khiêm tốn, chúng ta có thể thoát khỏi một số huyền thoại ”.

Vì vậy, lần tới khi bạn thưởng thức một ly cà phê, hãy dành một chút thời gian để cảm ơn nhân viên pha chế của bạn. Đằng sau chiếc tạp dề và nghệ thuật pha cà phê tuyệt vời, họ đang đảm bảo từng hạt hoạt động tốt nhất có thể cho món bia của bạn.

Categories
General

Hiệu ứng con bướm có không?

Lâu nay người ta tin rằng các dự báo thời tiết không thể sớm trước hai tuần do có “hiệu ứng con bướm”. Cơ học thống kê đã bác bỏ “tín điều” đó.

Cái đập cánh của một con bướm không thể làm khởi phát bão tố, trái với ý tưởng rất được phổ biến hiện nay. Những hiệu ứng thống kê đã vào cuộc trong những diễn biến của khí quyển: sự chảy rối được tổ chức lại và sự nhảy cảm đối với các điều kiện ban đầu biến mất. Do đó, người ta có thể hy vọng sẽ dự báo được thời tiết vượt ra ngoài khoảng thời gian hai tuần định mệnh mà Lorenz – tác giả của hiệu ứng con bướm đã đưa ra.

Trong khi sự thanh bình tĩnh lặng trên đỉnh Olympia dành cho các vị thần, thì con người từ lâu đã trăntrở phỏng đoán không biết mảnh trời nào sẽ có nguy cơ sập xuống đầu họ. Trong hai thiên niên kỉ, các hệ thống dự báo đã phát triển từ việc giải mã những sách sấm truyền, dựa trên những vật tế thần bằng động vật, thậm chí cả con người, tới những mô hình lý thuyết và tính toán bảng số.

Cơ học thiên thể là trung tâm những hoạt động khoa học của thế kỷ XIX và dự báo khí tượng đã lấy sức bật của nó vào thế kỷ XX. Tuy nhiên, nó đã vấp phải những khó khăn nghiêm trọng liên quan tới việc mô hình hoá các hiện tượng của khí quyển cũng như tới việc xử lý các phương trình rất phức tạp thu được. Đối mặt với những trở ngại đó, tinh thần lạc quan của những năm l950 đã chuyển dần trong những năm 1960 thành tâm trạng bi quan quá đáng, gắn liền với một cái tên thật lãng mạn, đó là “hiệu ứng con bướm”.

Quyết định luận Laplace

Trong lịch sử dài lâu của công việc dự báo, dù là dự báo thời tiết hay dự báo về chuyển động của các thiên thể, một thời điểm cực kì quan trọng đó là phát minh của Newton ở thế kỉ XVII về các phương trình chi phối chuyển động của các hành tinh: biết vị trí và vận tốc của một hành tinh ở một thời điểm đã cho, ta có thể xác định được các điểm thuộc qũy đạo của nó ở mọi thời điểm sau. Vì tất cả các hệ cơ học đều tuân theo những phương trình thuộc cùng một loại, nên trạng thái ban đầu của một hệ hoàn toàn quyết định tương lai của nó. Ý tưởng này đã được Laplace truyền bá tới mức nó trở thành một hệ tư tưởng, đó là quyết định luận Laplace, mà theo nó không có cái gì mới có thể xảy ra mà lại không được chứa đựng trong những diều kiện ban đầu. Bài toán dự báo khi đó dường như đã được quyết định, ít nhất cũng là về mặt lí thuyết.

Trong nửa sau của thế kỷ XIX quyết định luận Laplaceđã gặp khó khăn khi các nhà toán học tiến hành tính toán qũy đạo của các thiên thể. Henry Poiacaré, rồi Jacques Hadamard đã phát hiện ra rằng những hệ khá đơn giản, như hệ gồm ba vật hút nhau bằng lực hấp dẫn, cũng đã cho những quỹ đạo rất phức tạp và đối với nhiều hệ, một sự biến thiên, dù là nhỏ nhất, của vị trí và vận tốc ban đần cũng làm nảy sinh những sai khác đáng kể của quỹ đạo. Vì người ta không bao giờ biết được trạng thái ban đầu một cách hoàn toàn chính xác, nên ta không thể xác định được sự tiến hóa của những hệ đó ở ngoài một khoảng thời gian nhất định. Những công trình này là những công trình sơ khai của lý thuyết hỗn độn (chaos), một thuyết được phát triển bắt đầu từ nhũng năm l970 và nghiên cứu sự tiến hóa theosự bất định của trạng thái ban đầu. Bắt đầu từ những năm l980, các nhà thiên văn đã chứng minh được rằng không thể biết được trạng thái của hệ mặt trời ngoài phạm vi 100 triệu năm tới. Bên ngoài đường “chân trời” đó, trong những tính toán sẽ cần phải tính đến dạng cửa các thiên thể, các hiệu ứng thủy triều, và rất nhiều các tham số khác. Phát minh nay là đòn trí mạng đối với quyết định luận Laplace.

Bây giờ ta quay trở lại khí tượng học: trong những năm l950, dự báo thời tiết “hiện đại” – một công việc khoa học đầy tham vọng – đã bắt đầu được hình thành. Nó tập hợp từ vật lý để mô hình hóa khí quyển, đến toán học, các kĩ thuật bằng số và cả tin học. Vào đầu nhũng năm 1960, những máy tính có hiệu năng cao đầu tiên đã mất hiện và cho phép thực hiện được những tính toán mà trước đó không thể làm được. Nhà khí tượng học người Mỹ Edward Lorenzkhi đó mới bắt đầu nghiên cứu một mô hình đơn giản hóa về sự đối lưu của khí quyển, dựa trên các phương trình cổ điển về sự đối lưu của các chất lưu. Mô hình của ông mới chỉ có ba bậc tự do, tức là ba ẩn số và được thâu tóm trong ba phương trình vi phân ba biển số. Khi thử dự báo về sự tiến hoá mô hình của mình trong một khoảng thời gian dài, ông nhận thấy rằng không thể tính được một cách chính xác, vì một nhiễu động ban đầu dù nhỏ nhất của hệ cũng sẽ có tác dụng đáng kể trong thời gian dài và dẫn đến sụ bất định về trạng thái tương lai của nó, một sự bất định tăng theo hàm mũ với thời gian. Ngoài ra, khi biểu diễn trạng thái của hệ bằng một điểm di chuyển trong không gian (gợi là không gian pha), Lorenz còn thấy rằng, theo thời gian, điểm này vẽ nên một đường cong dường như tự cuộn lại xung quanh một vật có cấu trúc phức tạp, có tên là “nhân hút lạ” và ngày nay gọi là nhân hút Lorenz.

Sau đó, Lorenz đã tấn công sang bài toán hoàn lưu của khí quyên ở thang lớn hơn . Nhìn từ xa, khí quyển trông giống như một màng khí mỏng bao quanh trái đất. Trong phép gần đúng đầu tiên, LorenzLorenz tìm thấy sự nhạy theohàm mũ đối với các điều kiện đầu: cứ mỗi khi thời gian tăng một lượng cho trước thì kích cỡ của nhiễu động tăng gấp đôi. Khi đó, ông nghĩ rằng, đối với một số nhỏ bậc tự do, mà tương lai còn khó tiên đoán như vậy, thì tình hình sẽ chỉ càng xấu đi với mô hình gán với khí quyển hình gần với khí quyển thực hơn, tức là sẽ chứa nhiều bậc tư do hơn (như áp suất, các thành phần của vận tốc gió, độ ẩm… và bấy nhiêu ẩn số lại phải được xác định ở một điểm trên trái đất). xem rằng đây là một chất lưu lý tưởng, tức là không có độ nhớt (ở thang kích thước lớn, thực ra độ nhớt phân tử đóng vai trò không đáng kể) và xét bài toán hai chiều. Ông chỉ dùng một số nhỏ bậc tự do (khoảng vài chục) để cho bài toán được đơn giản. Lại một lần nữa

Hiệu ứng con bướm ra khỏi cái kén của nó

Với những công trình đó, Lorez đã tìm lại được những ghi nhận của Poincaré và Hadamard, tức là người ta không phải bao giờ cũng có thể tính được sự tiến hóa của một hệ đơn giản. Đóng góp của ông là đã chứng minh được rằng tính không tiên đoán được không chỉ liên quan với cơ học thiên thể mà cả với các dòng chảy của khí quyền. Một người phản đối, mà hiện không biết là ai, khi đó có nói với Lorenz rằng nếu chuyển động của khí quyển cũng không ổn định như vậy thì chỉ cần cái đập cánh của con mòng biển cũng đủ làm thay đổi căn bản sự tiến hóa của nó. Lorenzcũng đế luôn rằng đúng là như thế và tính ngay ra sự thay đổi đó sẽ diễn ra trong khoảng hai tuần lễ. Từ cuộc tranh luận này, con mòng biển đã biến thành con bướm và hiệu ứng con bướm ra đời từ đó: một sự kiện, như cú đập cánh của con bướm ở một điểm nào đó trên trái đất, hai tuần sau, sẽ làm nó ra một cơn bão tố ở một điểm khác rất xa. Rõ ràng, vì người ta không thể biết trạng thái của tất cả các con bướm tại một thời điểm đã cho, nên sự dự báo trạng thái của khí quyển ngoài phạm vi 15 ngày là không thể làm được.

Cũng khoảng thời gian đó, nhà toán học Nga Vladimir Arnold trong khi phát triển những ý tưởng của người thay của mình là viện sĩ Andrei Kolmogorovđã thiết lập được mối liên hệ giữa thủy động lực học của một chất lưu và các mặt cong âm của Hadamard. Các mặt cong âm này tại mọi điểm của nó đều cho một profin giống như hình chiếc yên ngựa. Ta hãy xét một hòn bi nhỏ trượt không ma sát trên một mặt như vậy. Xuất phát từ một điểm bất kỳ mà người ta đặt nó, hòn bi, khi được buông ra với một vận tốc ban đau nào đó, sẽ vẽ nên một qũy đạo rất xác định. Tập hợp những qũy đạo mà người ta nhận được bằng cách thay đổi vị trí xuất phát và vận tốc ban đầu được gọi là “dòng chảy trắc địa” (nói nôm na là dòng chảy có thời gian ngắn nhất), Hadamard đã chứng minh được rằng chuyển động của hòn bi trên mặt có độ cong âm là không ổn định kiểu hàm mũ: khi hơi dịch một chút vị trí xuất phát hoặc thay đổi chút vận tốc ban đầu thì qũy đạo một sẽ rất nhanh chóng tách ra xa qũy đạo cũ (chẳng hạn, hòn bi có thể trượt về phía bên này hoặc phía bên kia của hình yên ngựa). Trên thực tế, người ta không thể tính được qũy đạo của hòn bi ở ngoài một khoảng thời gian ngắn.

Arnoldđã đưa bài toán về sự không ổn định thủy động lực học về bài toán “đơn giản hơn” là tính độ cong. Ý tưởng của ông là mô tả chuyên động của một chất lưu lý tưởng như chuyển động của một điểm trên một “mặt”. Mặt này là rất đặc biệt, vì nó có vô hạn chiều (tuy nhiên trên đó vẫn có thể định nghĩa độ cong và dòng chảy trắc địa). Nói một cách khác, vận tốc gió tại mỗi thời điểm và ở một điểm của khí quyến (còn gọi là trường vận tốc) sẽ được mô tả bởi sự dịch chuyển của một hòn bi trên mặt đó. Arnoldthậm chí còn tính được độ cong của mặt đó và chứng minh được rằng chuyển động của các chất lưu lý tưởng là tương tự với các dòng chảy trắc địa của Hadamard.

Tình hình rõ ràng là phức tạp hơn, nhưng những tính toán chỉ ra rằng thường xảy ra hơn cả là quỹ đạo của các hạt chất lưu ban đầu ở cạnh nhau, nhưng với thời gian sẽ tách ra xa nhau theo hàm mũ.

Như vậy, vào cuối những năm l960, người ta đã bổ sung thêm hai kết quả quan trọng cho các ghi nhận của Poinearé và Hadamard ở cuối thế kỉ XIX về tính nhạy cảm của các hệ động lực đối với các điều kiện đầu: đó là sự mô phỏng bằng số của Lorenz về sự hoàn lưu của khí quyển chứa tới vài chục bậc tự do và sau đó là những nghiên cứu lý thuyết của Amold về hệ có vô số bậc tự do và chứng minh được tính không ổn định kiểu hàm mũ của qũy đạo các hạt chất lưu.. Những kết quả này cộng với những khó khăn trong thực tiễn dự báo thời tiết đã làm nảy sinh ý tưởng cho rằng chuyển động của khí quyển là không thể dự báo được do độ nhạy kiểu hàm mũ đối với các điều kiện đầu: hiệu ứng con bướm nổi tiếng đã cất cánh .Hình ảnh hiện ứng con bướm vừa thơ mộng vừa dễ hiểu đã nhanh chóng được lan truyền trong công chúng và trở thành một hình mẫu mới thay thế cho quyết định luận của Laplace. Nó lan truyền cả vào những lĩnh vực khác (như kinh tế, xã hội học…) và mới gợi chúng ta suy nghĩ lại về thế giới thông qua ngôn ngữ “hiện đại” của hỗn độn , của độ phức tạp và tính không tiên đoán được. Tuy nhiên, nếu xem xét một cách kỹ lưỡng hơn, hiệu ứng con bướm sẽ không thể chống chọi nổi sự phân tích được đẩy xa hơn.

Hiệu ứng con bướm đập cánh

Trong suốt mấy thập niên trở lại đây, các nhà khí tượng học đã tập trung nghiên cứu sự lan truyền của sai số ban đầu trong mô hình dự báo thời tiết của họ và họ đã thấy rằng sau một thời gian ngắn cỡ một hoặc hai ngày, sự tăng của các nhiễu động không phải theo hàm mũ như Lorenz đã tiên đoán mà là tỉ lệ thuận với thời gian. Đây là một quan sát không phù hợp với hiệu ứng con bướm. Chúng ta hãy thử phân tích xem sự mâu thuẫn này có nguồn gốc từ đâu.

Trong cách làm của mình Lorenz đã phạm một sai lầm. Nói một cách chính xác hơn, ông đã ngoại suy hơi quá trớn và điều này đã dẫn ông tới những kết luận sai lầm. Thực vậy, ông đã không tính đến các hiện tượng mới có nguồn gốc thống kê dễ xuất hiện khi ta chuyển từ một số nhỏ sang một số rất lớn bậc tự do. Đây chính là nền tảng của cơ học thống kê đã được Boltzmaun phát minh vào cuối thế kỷ XIX. Ta hãy lấy một ví dụ quen thuộc: xét bốn hoặc năm phân tử khí nhốt trong một hộp kín. Chúng sẽ tương tác với nhau và tương tác với thành hộp. Để mô tả hành trạng của hệ bé nhỏ này trong thời gian dài, ta sẽ vấp phải chính những khó khăn trong tính toán mà Lorenz đã vấp phải: ta sẽ không dự báo được qũy đạo của các phân tử.

Trái lại, bây giờ ta xét hệ tạo bởi tất cả các phân từ khí có mặt trong phòng. Rõ ràng là, nếu ta muốn mô tả chính xác chuyển động của tất cả các phân tử, thì đây là một nhiệm vụ không thể kham nổi. Trái lại, nếu ta chỉ quan tâm tới các giá trị trung bình (như mật độ, áp suất, nhiệt độ), thì ta thấy rằng những đại lượng có bản chất thống kê có thể tiên đoán được trong thời gian dài. Ví dụ, ta có thể tiên đoán với sai số tối thiểu rằng mật độ khí sẽ đồng đều và không đổi trong toàn phòng. Sở dĩ như vậy là vì, nếu hệ đủ hôn độn, các phân tử có xu hướng chiếm toàn bộ không gian có sẵn. Nói một cách khác, thậm chí nếu ban đầu ta có đặt tất cả các phân tử vào một góc phòng, thì do chuyển động hỗn loạn của mình chúng cũng sẽ không ở đó mãi mãi. Người ta dùng thuật ngữ “các đại lượng quan sát được ở thang vĩ mô” để chỉ các đại lượng trung bình thống kê như áp suất, nhiệt độ, đối lập với các qũy đạo cá thể của các phân tử là cái “quan sát được ở thang vi mô”. Tóm tắt lại, bài học của Boltzmann là: với một số lớn bậc tự do, mặc dù hệ có thể là không nên đoán được ở thang vi mô, nhưng các đại lượng quan sát được ở thang vĩ mô là có thể nên đoán được. Trước khi đi xa hơn, ta hãy làm một cuộc dạo chơi trong lĩnh vực chảy rối vì khí quyển là một chất lưu chảy rối.

Chảy rối và cấu trúc kết hợp

Chảy rối chuyển động phức tạp và hỗn độn của một chất lưu – xuất hiện trong hầu hết các dòng chay trừ khi ma sát nhớt chiếm ưu thế. Trong trường hợp đó, dòng chảy có trật tự hơn và người ta nói nó chạy theotầng. Trên thực tế, những dòng chảy mà ta quan sát thấy xung quanh (như các con sóng, các dòng không khí…) đều là những dòng chảy rối, kể cả những dòng khí quyển và đại dương.

Ta sẽ quan tâm tới một lớp đặc biệt các dòng chảy rối hai chiều, tức là xảy ra trên một mặt phẳng hay một mặt nào đó. Đây không phải là một mô hình tưởng tượng, mà là một phép gần đúng có cơ sở đối với một chất lỏng chứa trong một bình quay nhanh hoặc đối với một chất lỏng được giữ trong một lớp có bề dày nhỏ. Chuyển động của khí quyển và đại dương được xem như những dòng chảy hai chiều vì bề dày của chất lưu nhỏ không đáng kể so với bề rộng của chúng.

Chúng ta cũng giả thiết rằng dòng chảy của khí quyển là không nén, điều này đã được kiểm chứng ở thang toàn cầu cả trong khí quyển lẫn trong đại dương. Trong trường hợp đó, động lực học dòng chảy được xác định bởi một đại lượng có tên là “độ xoáy”, xác định tại mỗi điểm của chất lưu. Nó là độ đo vận tốc quay riêng của mỗi điểm thuộc chất lỏng: một điểm được biểu diễn bằng một con quay nhỏ quay quanh mình nó. Như vậy có thể xem chất lưu được tạo bỏi rất nhiều con quay, nhưng tất cả con quay không có vận tốc quay như nhau. Khi chất lưu chảy các con quay cũng dịch chuyển theo. Nhưng trong các dòng chảy mà ta nghiên cứu độ xoáy của một hạt chất lỏng không thay đổi, tức các con quay luôn giữ cùng một vận tốc quay vì ma sát do độ nhớt nhỏ không đáng kể. Khi ở thang nhỏ, chuyển động là hỗn loạn, nhưng ở thang lớn, ta thay các dòng chảy rối hai chiều không nén được tổ chức lại và những cấu trúc cuộn xoáy lớn xuất hiện được gọi là những “cấu trúc kết hợp”. Những cấu trúc này được tạo bởi một cuộn xoay duy nhất, hoặc hai cuộn xoáy dính vào nhau và quay ngược chiều nhau, hoặc ba… hoặc nhiều hơn. Chúng trải rộng trên hàng ngàn kilômét trong khí quyển mà ta có thể quan sát thấy mỗi ngày. Một ví dụ ngoạn mục về cấu trúc nói trên là chấm đỏ lớn trên sao Mộc. Đây thực chất là một cuộn xoáy khổng lồ có đường kính cỡ 20.000km, được tạo ra trong lớp chất lưu mỏng ở bề mặt của hành tinh này.

Sự tạo thành một cách hệ thống các cấu trúc kết hợp như vậy là một đặc trưng của các dòng chảy hai chiều. Chúng xuất hiện và duy trì trong lòng một dòng chảy rất hỗn độn, điều này một thời gian dài đã làm đau đầu nhiều nhà quan sát. Tại sao chúng lại không bị sự chảy rối rất mạnh bao quanh làm cho tan rã?

Một cuộn xoáy, trong một con sông chẳng hạn, được đặc trưng cục bộ bởi một độ xoáy cao, tức là nhiều con quay cùng chiều cụm lại một chỗ. Sự mô tả một cuộn xoáy sơ cấp như thế chưa đủ để cho ta hiểu được sự tổ chức của hệ thống các cuộn xoáy kết hợp. Thực vậy, các cuộn xoáy tương tác với nhau rất phức tạp, và đôi khi võ thành nhiều mảnh. Tuy nhiên, sự chảy cuối cùng sẽ được tổ chức thành một số cấu trúc đơn giản và duy trì theo thời gian. Nhờ những mô phỏng bằng số được tiến hành trong khoảng 20 năm trở lại đây, người ta đã có thể tái tạo được sự xuất hiện của các cuộn xoáy ổn định trong lòng một dòng chảy rối.

Năm 1949 nhà vật lí người Mỹ Lars Onsagerđã nhận xét rằng, động năng của một chất lưu được bảo toàn trong dòng chảy rối hai chiều. Khi đó, ông đề xuất rằng các cuộn xoáy ổn định cần phải được mô tả như các trạng thái cân bằng thống kê, bằng cách mỏ rộng cơ học thống kê của Boltzmann cho các chất lưu lý tưởng. Tuy nhiên, trong thời gian dài việc tính toán vấp phải những khó khăn về mặt lý thuyết. Vấn đề chỉ được giải quyết khi người ta đưa vào hai cấp độ mô tả chuyển động. Cấp độ thú nhất, vĩ mô, quan tâm tới chuyển động ở thang lớn, tức là nhìn từ xa và bỏ qua các chi tiết (cấp độ này tương ứng với thang hàng ngàn kilômét đối với khí quyển), cấp độ thứ hai, vi mô, mô tả những cái xảy ra ở thang nhỏ (cỡ vài chực klômét) – thang mà sự hỗn độn chảy rối nảy nở. Theo phương pháp của Boltzmann, ta định nghĩa một entropy – đại lượng đặc trung cho mức độ hỗn độn, ở đây là sự hỗn độn gắn liền với sự chảy rối: entropy thống kê của một trạng thái vĩ mô nhận được bằng cách tính số trạng thái vi mô khả dĩ tạo nên trạng thái vĩ mô đó. Entropy sẽ càng lớn nếu số trạng thái vi mô càng nhiều, do đó hỗn độn càng mạnh. Sau đó, ta sẽ tìm các trạng thái vĩ mô của hệ có xác suất lớn nhất là các trạng thái làm cho entropy cực đại. Những trạng thái này của khí quyển sẽ tương ứng với các cấu trúc cuộn xoáy kết hợp.

Chúng ta bây giờ sẽ mô tả chính xác hơn kịch bản tạo thành các cấu trúc kết hợp. Trong trạng thái ban đầu độ xoáy biến thiên một cách đều đặn từ điểm này đến điểm lân cận của chất lưu: các con quay gần như quay với vận tốc tương tự. Sẽ chảy rối đã tạo ra một chuyển động phức tạp ở thang nhỏ. Theo mức độ mà sự chảy rối phát triển, các con quay với vận tốc quay khác nhau sẽ trộn lẫn vào nhau. Khi đó độ xoáy sẽ dao động một cách hỗn loạn từ điểm này đến điểm khác lận cận: một con quay quay chậm sẽ được xếp kề với một con quay quay rất nhanh. Và ta sẽ không thể dự báo được độ xoáy của các điểm của chất lưu. Tuy nhiên, những dao động không kết hợp này ở thang nhỏ, sẽ kéo theo sự tạo thành những cấu trúc ở thang lớn.

Sự chuyển từ độ xoáy (một biến vi mô) tới trường vận tốc (một biến vĩ mô) của khí quyển, cũng tương tự như sự chuyên từ chuyển động của các phân tử khí sang áp suất: sự dịch chuyển hỗn loạn của các phân tử đã thúc đẩy chúng chiếm đồng đều không gian và áp suất xuất hiện từ những va chạm của các phân tử với thành bình. Người ta tính được giá trị áp suất này bằng cách tính số va chạm trưng bình vào thành bình, và nó có một giá trị rất xác định và đồng đều khắp nơi trong bình. Tương tự, người ta cũng suy ra trường vận tốc của dòng chảy bằng cách tính giá trị trung bình thống kê của các độ xoáy. Tuy nhiên, trường vận tốc được tính như thế sẽ không đồng đều, mà làm xuất hiện các cuộn xoay có tổ chức.

Việc đưa cơ học thống kê vào nghiên cứu các dòng chảy hai chiều chứng tỏ rằng, trường vận tốc (một biến vĩ mô) về lý thuyết là có thể tiên đoán được. Điều này liệu có mâu thuẫn với những tính toán của Arnold không? Hoàn toàn không. Bởi vì những tính toán của ông chứng tỏ rằng các qũy đạo (vi mô) của các hạt là không ổn định theohàm mũ với thời gian, tức là các qũy đạo sẽ phân kỳ bằng cách trộn lẫn những con quay quay chậm với các con quay quay nhanh. Hiện tượng này gây ra những dao động hỗn độn về độ xoáy ở thang nhỏ và rút cục, những dao động hỗn độn này sẽ làm nảy sinh một trường vận tốc tiên đoán được ở thang vi mô.

Những dự báo dài hạn

Chúng ta đã kiểm chứng cách tiếp cận này bằng cách thực hiện những mô phỏng bằng số cho phương trình chất lưu lý tưởng hai chiều và dùng một số lớn bậc tự do. Nói một cách khác là chúng ta làm lại những tính toán của Lorenz, nhưng một số lớn bậc tự do thay vì chỉ có vài chục như trước. Để làm điều đó chúng ta chọn một điều kiện ban đầu, xác định độ xoáy tại mọi điểm, rồi để mặc cho hệ tiến triển. Trạng thái ban đầu cụ thể nào sẽ cho nảy sinh những cấu trúc có tổ chức sau một pha chuyển tiếp diễn ra rất nhanh. Bằng cách thay đổi trạng thái ban đầu, người ta nhận được hai loại trạng thái cuối cùng: hoặc là một cấu trúc kết hơn ba cực, tức là ba cuộn xoay dính với nhau được kích thích bởi chuyển động toàn cực quay đều (xem hình 6d) hoặc là bốn cuộn xoáy tạo thành hai cặp quay ngược chiều nhau, mọi cặp gồm hai cuộn xoáy dính với nhau và truyền theo một đường thẳng với vận tốc không đổi. Những cấu trúc như vậy đã được quan sát thay trong khí quyển và đại dương.

Thế còn hiệu ứng con bướm? Trên những mô phỏng trước, người ta thực hiện một nhiễu động nhỏ đối với các điều kiện ban đầu. Trong trường hợp ba cuộn xoáy, nhiễu động này không có ảnh hưởng gì đến sự tạo thành các cấu trúc: người ta vẫn tìm lại được ba cuộn xoáy đó dính với nhau. Khi tính toán sự tiến hoá theothời gian của năng lượng nhiễu động, người ta thấy rằng nó ổn định rất nhanh và còn rất nhỏ so với năng lượng toàn phần của hệ. Trong trường hợp thứ hai (tức trường hợp 4 cuộn xoáy) nhiễu động cũng không ảnh hưởng gì rõ rệt và người ta cũng vẫn tìm lại được hai cặp cuộn xoáy. Tuy nhiên, khác với trường họp trước, lần nay năng lượng của nhiễu động tăng tuyến tính theo thời gian. Cũng tồn tại một trường hợp thứ ba, trường hợp ngoại lệ, và đây cũng là trường hợp tới hạn, là ranh giới giữa hai trường hợp trước, trong đó hệ còn “lưỡng lự, phân vân” không biết chọn trạng thái cuối cùng nào. Trong trường hợp đó và cũng chỉ trong trường hợp đó, các hệ bị nhiễu động hay không bị nhiễu động mới có hành trạng khác biệt hẳn nhau. Năng lượng nhiễu động ban đầu tiến triển như trong hai trường hợp trước, nhưng rồi nó đột ngột tăng vọt theohàm mũ. Do đó, ta thay rằng sự không ổn định kiểu hàm mũ chỉ xuất hiện trong tình huống ngoại lệ nay, tình huống được gọi là sự chuyển pha, trong đó hệ lưỡng lự giữa hai con đường khả dĩ.

Nếu chúng ta làm lại những tính toán trên, nhưng chỉ giam số bậc tự do (còn các thứ khác vẫn giữ như cũ) thì ta thấy rằng sẽ không có một cấu trúc nào được tạo thành mà chỉ có sự hỗn độn chảy rối xuất hiện và chiếm toàn không gian trong khi đó năng lượng nhiễu động tăng nhanh tới cỡ năng lượng toàn phần của hệ và khi đó ta tìm lại được những quan sát của Lorenz.

Như vậy, những mô phỏng số chứng tỏ rằng hệ sẽ tiến triển rất khác nhau tùy theo ta tính tới một số nhỏ hay số lớn các bậc tự do: mặc dù do sự chảy rối hỗn độn ở thang nhỏ, qũy đạo của các hạt là không thể tiên đoán được, nhưng ta lại có thể tiên đoán được trường vận tốc của chất lưu, túc là không có sự nhạy cảm theo hàm mũ đối với các điều kiện ban đầu như hiện nay người ta vẫn tưởng…

Nhưng có thể phản bác lại rằng khí quyền phức tạp hơn một chất lưu tưởng hai chiều mà chúng ta nghiên cứu ở đây rất nhiều. Chúng ta có thể trả lời sự phản bác đó thế này: một mặt, khi xét cùng một hệ như Lorenz nhưng ta lại đi tới một kết luận ngược hẳn lại, mặt khác, những mô hình phức tạp gắn với dòng chảy thực của khí quyển hơn, cũng có cùng những tính chất như phương trình của chất lưu lỹ tưởng hai chiều (nghĩa là hôn độn ở thang nhỏ, không nên đoán được quỹ đạo của các hạt chất lỏng và sự hình thành các cấu trúc kết hợp). Thêm nữa, những cấu trúc kết hợp này đã được quan sát thấy trong khí quyến và đại dương.

Tóm lại, ta có thể kết luận rằng sự tăng trưởng của năng lượng nhiễu động không phải là hàm mũ mà thường xảy ra nhất chỉ là tuyến tính theothời gian. Điều này cũng phù hợp với những quan sát của các nhà khí tượng học. Do đó, sai số của dự báo không phải tăng gấp đôi mỗi khi thời gian tăng một lượng cho trước như Lorenztiên đoán mà là tàng tuyến tính, tức sai số tăng gấp dôi khi thời gian tăng gấp đôi. Những dự báo thời tiết sớm hai tuần không còn là giới hạn định mệnh nữa. Ta vẫn có thể làm những dự báo dài hạn nếu ta biết tốt hơn trạng thái ban đầu của khí quyển. Vì vậy ta có quyền hi vọng trong thời gian tới sẽ có những tiến bộ quan trọng về độ tin cậy trong những dự báo thời tiết, nhờ những máy tính mạnh hơn, mạng lưới các trạm quan sát dày đặc hơn và các mô hình hoàn chỉnh hơn.

Hiệu ứng con bướm đã trở thành câu cửa miệng, thậm chí cả trong kinh tế và xã hội học, mỗi khi người ta muốn nhấn mạnh sự không thể dự báo những hậu quả của các nhiễu động rất nhỏ. Từ những điều trình bày ở trên ta có thể khẳng định rằng trong những hệ phức tạp có một số lớn bậc tự do và ta cần phải dự báo những đại lượng trung bình thống kê, tức là các đại lượng vi mô, thì sự không ổn định kiểu hàm mũ của hệ vĩ mô hoàn toàn không đồng nghĩa với tính không tiên đoán được.

Categories
General

Tìm kiếm sự sống trên các địa cầu trong dải Ngân hà

Sinh vật là hậu duệ cuả những ngôi sao? Nền văn minh công nghệ tiên tiến đã giúp nhân loại khám phá ngày càng sâu trong vũ trụ bao la. Kính viễn vọng đặt trên mặt đất và phóng lên không gian, hoạt động trong nhiều miền phổ điện từ, từ bước sóng gamma, X, khả kiến, hồng ngoại đến bước sóng vô tuyến, được dùng để quan sát những thiên thể xa xôi, nhằm tìm hiểu nguồn gốc và sự tiến hóa cuả vũ trụ. Phổ của bức xạ tùy thuộc vào điều kiện lý-hóa như nhiệt độ, từ trường và bản chất của vật chất trong thiên thể. Quan sát nhiều miền phổ là để xác định những nét đặc trưng của từng thiên thể.

Trong những thập niên gần đây, sự tìm kiếm sự sống trong dải Ngân hà là một đề tài hấp dẫn của ngành thiên văn hiện đại. Trong giai đoạn cuối cùng của quá trình tiến hóa, những ngôi sao phun ra hết vật chất và còn có khả năng nổ tung. Vật chất trong những ngôi sao đang hấp hối lại được dùng để tạo ra những ngôi sao và những hành tinh thế hệ sau. Nhiều hóa chất, thành phần cơ bản của những phân tử sinh học, đã được phát hiện trong dải Ngân hà. Do đó, các nhà thiên văn mạnh dạn cho rằng sinh vật, kể cả loài người trên trái đất và nếu có trên các hành tinh khác, cũng là hậu duệ của những ngôi sao.

Trạm tự hành (rover) Curiosity vừa được phóng lên hành tinh Hỏa ngày 6 tháng 8 năm 2012 để thăm dò môi trường của hành tinh xem có khả năng làm nảy sinh và nuôi dưỡng sự sống. Sự kiện Curiosity hạ cánh an toàn trên hành tinh Hỏa đã  được các phương tiện truyền thông đại chúng toàn cầu theo dõi. Tổng thống Obama cũng đích thân gọi điện để nói chuyện với các nhà khoa học của Cơ quan Hàng không Vũ trụ  NASA và Phòng thí nghiệm JPL. Tổng thống  ca ngợi họ đã phóng thành công trạm Curiosity và còn dí dỏm yêu cầu, nếu các nhà khoa học tìm thấy người ngoài trái đất thì vui lòng thông báo ngay cho ông biết.

Lý do để quan sát những địa cầu trong các hệ sao

Sinh vật không thể sinh sôi nảy nở trên những ngôi sao vì thiên thể này là những khối khí khổng lồ cực kỳ nóng. Tâm của ngôi sao là một lò phản ứng nhiệt hạch, tổng hợp các hạt nhân, chủ yếu là hydro và heli. Nhiệt độ trên bề mặt những ngôi sao “lạnh” nhất tối thiểu cũng phải cao khoảng 2000-3000 độ C. Những hành tinh lớn quay xung quanh ngôi sao cũng thường là những khối khí, nhưng không đủ nóng để “nhóm” những phản ứng tổng hợp hạt nhân, do đó hành tinh không tự phát ánh sáng mà chỉ phản chiếu ánh sáng cuả ngôi sao. Trong số những hành tinh cũng có loại địa cầu có vỏ rắn, có khí quyển và khí hậu ôn hòa như trái đất, nên là nơi có khả năng có sinh vật. Trong Ngân hà có thể có hàng tỷ địa cầu tương tự như thế. Tuy nhiên, sự tìm kiếm những địa cầu xa xôi không phải là công việc dễ dàng. Hành tinh quay trên quỹ đạo sát cạnh ngôi sao, nên kính viễn vọng không đủ độ phân giải để phân biệt hai thiên thể. Ngôi sao sáng chói nên độ tương phản giữa ánh sáng của ngôi sao và cuả hành tinh cũng rất cao. Muốn phát hiện hành tinh trong những hệ sao, các nhà thiên văn phải sử dụng những phương pháp tinh vi, như đo đạc sự thay đổi của tốc độ ngôi sao do sức hút hấp dẫn của hành tinh quay xung quanh, hoặc sự thay đổi độ sáng của ngôi sao khi hành tinh đi qua trước mặt. Tuy nhiên, biên độ thay đổi tốc độ và độ sáng của ngôi sao bị nhiễu bởi hành tinh đồng hành là ở mức độ vi mô, nên sự phát hiện hành tinh đòi hỏi những kỹ thuật đo đạc rất chính xác và tỉ mỉ. Hành tinh càng nhỏ và nhẹ càng ít tác động đến ngôi sao. Những hành tinh nhỏ như trái đất khi di chuyển qua trước mặt ngôi sao chỉ làm giảm khoảng 1/100.000 độ sáng cuả ngôi sao. Tới nay, ngót một nghìn hành tinh đã được phát hiện trong những hệ sao bằng những phương pháp nói trên.

Trạm tự hành Curiosity thám hiểm hành tinh láng giềng

Thế giới quanh ta trong hệ mặt trời, ngoài trái đất ra, còn có 7 hành tinh. Những hành tinh gần trái đất đã được thăm dò trực tiếp bằng những trạm tự hành phóng lên bề mặt hành tinh. Hành tinh Kim và hành tinh Hỏa có vỏ rắn và là láng giềng gần gũi nhất của trái đất, nên là những mục tiêu lý tưởng. Khí quyển của hành tinh Kim dày đặc và chứa nhiều khí CO2 gây ra hiệu ứng nhà kính. Môi trường trên hành tinh Kim nóng ngột ngạt tới hơn 400 độ C, nên không thích hợp với sự sống. Hành tinh Hỏa nhỏ bằng nửa trái đất đã được chọn là mục tiêu của trạm tự hành Curiosity, bởi vì hành tinh không quá nóng và có một số đặc điểm tương đồng với trái đất. Mục tiêu của các nhà khoa học lần này là phóng trạm Curiosity lên hành tinh Hỏa để khám phá môi trường trên hành tinh và quan sát xem sự sống, dù ở dạng vi sinh vật, có thể đã nảy sinh trong quá khứ và còn tồn tại đến ngày nay hay không? Đo đạc hàm lượng cuả nguyên tố carbon và những  hợp chất có liên quan, cùng với nước tích trữ trên hành tinh là mục tiêu quan trọng của chuyến thám hiểm này. Nghiên cứu quá trình tiến hóa của khí hậu và khí quyển của hành tinh Hỏa là để chuẩn bị những vụ phóng tàu có người lái đổ bộ lên hành tinh sau này.

Từ năm 1960 tới nay đã có tới 25 vụ phóng trạm tự động để đi vào quỹ đạo quanh hành tinh Hỏa và quan sát từ trên cao, hoặc hạ cánh để thám hiểm trực tiếp bề mặt hành tinh. Ngoài Hoa Kỳ và Nga là hai quốc gia thực hiện nhiều nhất những vụ phóng trạm vũ trụ lên hành tinh Hỏa, còn có sự tham gia khiêm tốn của cộng đồng Châu Âu và Nhật Bản. Tuy nhiên, chỉ có một số ít trạm vũ trụ được phóng thành công. Cơ quan NASA đã phóng được 7 trạm tự hành lên bề mặt hành tinh.

Trong 5 thập niên gần đây, hành tinh Hỏa đã từng là mục tiêu thám hiểm của nhiều tàu vũ trụ, chủ yếu phóng bởi cơ quan vũ trụ Hoa Kỳ và Nga. Nhiều vụ phóng tàu không thành công. Hiện nay chỉ có một số ít trạm tự hành di chuyển trên bề mặt hành tinh (Hình NASA).

Trạm Curiosity được phóng lên bề mặt hành tinh Hỏa để quan sát điều kiện lý-hóa có khả năng làm nảy nở sự sống. Những chuyến thăm dò trước đây phát hiện là xưa kia trên hành tinh Hỏa đã từng có những dòng nước chảy xiết tạo ra những cái kênh làm xói mòn bề mặt hành tinh, nhưng nay kênh đã khô cạn. Nước ở thể lỏng là yếu tố cốt yếu trong quá trình sinh sản và nuôi dưỡng sinh vật, vì nước là dung môi để hòa tan các chất hữu cơ tạo ra sự sống. Bầu khí quyển cuả hành tinh Hỏa tương đối loãng và tầng ozone mỏng manh, nên tia tử ngoại độc hại cuả mặt trời dễ đột nhập vào bề mặt hành tinh. Hành tinh Hỏa cũng không có từ trường để làm bình phong ngăn chặn những hạt ion của luồng gió mặt trời. Cho nên sự sống trên hành tinh Hỏa có thể bị tổn thương phần nào. Trên bề mặt hành tinh Hỏa, áp suất chỉ bằng 6/1000 áp suất khí quyển trái đất và nhiệt độ thường thấp dưới 0 độ C. Vì áp suất và nhiệt độ thấp nên nước trên bề mặt hành tinh không tồn tại được lâu ở thể lỏng mà thăng hoa (sublimate), tức là  chuyển  thẳng từ trạng thái đặc (đóng băng) đến trạng thái hơi. Nước ở thể lỏng cần thiết cho sự sống có nhiều khả năng tồn tại ớ bên dưới bề mặt hành tinh.

Sự sống trên hành tinh Hỏa có khả năng nảy sinh cùng thời với sự sống trên trái đất cách đây khoảng 3,8 tỷ năm. Hiện nay liệu hành tinh Hỏa vẫn còn có những điều kiện lý-hóa để sinh vật tồn tại được hay không? Nhiệm vụ cuả trạm Curiosity là tìm kiếm những chất hữu cơ, trong đó có nguyên tử carbon, hydro, oxy, nitơ, có khả năng dẫn đến sự hình thành sự sống. Sự hiện diện của khí methane cũng là dấu hiệu cuả những phản ứng có tính sinh học. Tuy hành tinh Hỏa được tạo cùng thời với trái đất cách đây hơn 4 tỷ năm và đã có một môi trường nguyên thủy tương tự như trái đất, nhưng qua quá trình tiến hóa, hai hành tinh đã trở nên khác hẳn nhau. Quan sát môi trường trên hành tinh Hỏa cũng giúp các nhà thiên văn so sánh và tìm hiểu quá trình tiến hóa cuả trái đất.

Địa hình khu vực trạm tự hành Curiosity hạ cánh (khoanh hình elip). Địa điểm hạ cánh nằm dưới đáy miệng một núi lửa và ở dưới chân một ngọn núi (màu nâu ở giữa hình) cao 5000 m (Hình NASA/JPL-Caltech).

Curiosity mang theo những thiết bị quan sát tinh vi. Con tàu tự hành này là một phòng thí nghiệm lưu động có khả năng xử lý những mẫu đá lượm được trên hành tinh, nhằm phát hiện thành phần hoá học liên quan đến những phân tử sinh học tạo ra sự sống. Những thiết bị chủ yếu gồm có camera và phổ kế tối tân nhất. Một máy laser được dùng để bắn vào những mục tiêu làm vật chất tan ra để xác định những thành phần hóa học.

Tàu thám hiểm tự hành Curiosity là con tàu nặng gấp 5 lần những con tàu như Opportunity phóng trước đây. Điều đáng chú ý là NASA đã khắc phục được kỹ thuật thả tàu Curiosity an toàn dưới chân một ngọn núi cao khoảng 5000 m trên hành tinh Hỏa, sau một cuộc hành trình dài 9 tháng và để tàu hạ cánh không xa vị trí đã định trước. Nhiên liệu nguyên tử phóng xạ có thể cung cấp năng lượng để Curiosity hoạt động được trong tròn một năm trên hành tinh Hỏa. Một năm trên hành tinh Hỏa tương đương với khoảng hai năm trên trái đất. Những kết quả kỹ thuật đạt được cũng sẽ là một khích lệ lớn đối với những nhà khoa học có đề án phóng tàu có người lái sau này. Tuy nhiên, cuộc hành trình khứ hồi kể cả thời gian ở lại trên hành tinh cũng phải dài ít nhất một năm rưỡi và đòi hỏi kỹ thuật phóng vệ tinh có  độ an toàn tuyệt đối và do đó cần nhiều kinh phí.

Những bước kế tiếp của chương trình phát hiện sự sống trong dải Ngân hà

Sự hình thành sự sống từ các chất hữu cơ, bắt đầu từ vi sinh vật cho tới loài người, là một quá trình phức tạp lâu dài và cần đến những yếu tố thích hợp, về mặt khí quyển, nhiệt độ v.v … . Tuy nhiên, trong dải Ngân hà có thể có nhiều hành tinh có điều kiện lý-hóa làm nảy nở và nuôi dưỡng sự sống. Muốn tìm thấy sinh vật kể cả loài người, nếu có, sinh sống trên những hành tinh khác thì cần phải mở rộng sự tìm kiếm ra những hành tinh ở bên ngoài hệ mặt trời. Khoảng cách cuả những hành tinh này rất lớn nên các nhà thiên văn chỉ dùng kính viễn vọng để quan sát. Họ đã phát hiện được hàng trăm hành tinh trong dải Ngân hà  và một số có khí quyển và có khí hậu ôn hòa. Quan sát bằng kính viễn vọng những hành tinh xa xôi và phân tích khí quyển của hành tinh là điều kiện tiên quyết cho sự phát hiện sinh vật. Các nhà thiên văn cũng đang sử dụng những kính viễn vọng thế hệ mới để phát hiện những phân tử hữu cơ liên quan đến sự sống trong những hệ sao có hành tinh đồng hành.

Phân tử quay và rung động nên phát ra những vạch phổ trên bước sóng hồng ngoại và vô tuyến. Sự chuyển động vi mô của phân tử và những đặc trưng cuả phổ tuân theo định luật của cơ học lượng tử. Amino acid là những chuỗi phân tử hữu cơ, một đầu có nhóm chức hóa học amin NH2 và đầu kia có nhóm chức acid COOH. Amino acid là thành phần cơ bản của chất đạm trong tế bào sinh vật. Các nhà hóa học đã điều chế được amino acid trong phòng thí nghiệm từ một hỗn hợp khí hydro, methane, amoniac và hơi nước. Hỗn hợp  hóa chất này được coi là tồn tại trong khí quyển nguyên thủy của trái đất.

Phổ chúng tôi quan sát được từ Tinh vân Lạp hộ (Orion Nebula) nhằm tìm kiếm phân tử amino acid đơn giản nhất mang tên là glycine. Tinh vân Lạp hộ là cái nôi cuả nhiều ngôi sao đủ lứa tuổi và là môi trường phong phú về mặt hóa học. Nhiều phân tử hữu cơ như acetic acid CH3COOH và cồn ethyl C2H5OH được phát hiện trong phổ, nhưng những vạch phân tử glycine không xuất hiện trên những tần số mong đợi (Francoise Combes, Nguyen Quang Rieu, Georges Wlodarczak, in Astron.Astrophys vol.308, p.618, 1996). Trục hoành ghi tần số bằng Megahertz, trục tung ghi cường độ của vạch phổ.

Chúng tôi cùng đồng nghiệp tại Đài Thiên văn Paris đã dùng kính viễn vọng vô tuyến có đường kính 30 m của Viện Thiên văn vô tuyến IRAM (Pháp-Đức) để tìm kiếm trong trung tâm Ngân hà và trong Tinh vân Lạp hộ (Orion Nebula) một loại amino acid đơn giản nhất gọi là glycine có công thức NH2CH2COOH. Một số phân tử hữu cơ như acetic acid CH3COOH và cồn ethyl C2H5OH xuất hiện trong phổ, nhưng không có tín hiệu của phân tử glycine. Biên độ dao động trong phổ cao hơn tiếng ồn của thiết bị thu tín hiệu. Những dao động có thể tạo ra  một “rừng” vạch phổ rất yếu chưa nhận biết được. Phải chăng vạch glycine bị lẫn lộn với những vạch phân tử khác cũng có cường độ rất thấp và chìm đắm trong “rừng” vạch phổ?

Kính viễn vọng ngày càng lớn đặt trên mặt đất và phóng lên không gian sẽ được dùng để phát hiện thành phần hóa học thích hợp với sự sống và sẽ mở một kỷ nguyên mới trong chiến dịch phát hiện sự sống trong vũ trụ. Một chương trình quan sát đại trà nhằm thu tín hiệu vô tuyến cuả những nền văn minh ngoài trái đất cũng đang được tiến hành.

Mới đây, một loại vi khuẩn đã được tìm thấy trong trẩm tích lắng dưới đáy hồ Mono ở California. Hồ nước mặn Mono chứa rất nhiều arsenic nên dường như không phải là một môi trường thân thiện với sự sống. Nếu sự phát hiện này được khẳng định thì các nhà khoa học phải có quan niệm rộng rãi hơn về khả năng tồn tại của sự sống khi họ tìm kiếm những địa cầu có sinh vật.

Categories
General

Trại Thiên Văn Học – HAAC 2008 (10-11/5/2021)

Để kỉ niệm 14 năm hoạt động 19/5/2007 -19/5/2021, CLB Thiên Văn Nghiệp Dư TP.HCM sẽ tổ chức hội trại Thiên Văn Học vào 2 ngày 10-11/5/2021 tại khu du lịch Thác Giang Điền, Đồng Nai. Đây là Trại Thiên Văn Học tổ chức cho giới trẻ và những người yêu thích thiên văn với các hình thức vui chơi và các hoạt động gắn liền với chủ đề thiên văn học. Những người tham gia sẽ trải qua 1 đêm đầy sao đáng nhớ cùng với các kính thiên văn tự chế đó độ phóng đại cao của HAAC giúp chúng ta nhìn được các vật thể mà từ trước đến nay chỉ biết qua sách vở. Bên cạnh đó các bạn trẻ sẽ được tham gia các hoạt động lý thú khác như : Bắn tên lửa nước, Trò chơi lớn “Khám phá Thiên Văn, Truy tìm kho báu”.

 

THÁC GIANG ĐIỀN

Thời gian: 14 giờ ngày 10/5 đến 14 giờ ngày 11/5/2021
Ngày khởi hành: 14 giờ ngày 10/5/2021
Chi phí:
120.000 VND/người
Phương tiện:
Xe buýt


Đối tượng tham gia: Tất cả những ai quan tâm đến thiên văn.

Chương trình :
Chiều ngày 10/5/2021 :
13h00 :Tập trung tại bệnh viện Sài Gòn số 125 Lê Lợi , Phường Bến Thành , Quận 1(đối diện chợ Bến Thành)
14h00 : Khởi hành đi thác Giang Điền
15h00 : Đến nơi nhận lều trại , sắp xếp & nghĩ ngơi
16h30 : Tự do tham quan , sinh hoạt cá nhân
17h30 : Ăn cơm chiều
18h30 : Chương trình sinh nhật , giao lưu
21h30 : Quan sát thiên văn: Trải dài cả đêm
Quan sát với kính thiên văn
+ Quan sát hiện tượng thiên văn đặc biệt
Mặt trăng che Sao Hỏa vào lúc 22h
+ Quan sát Sao Thổ

+ Quan sát các tinh vân và cụm sao: Cụm sao Tổ o­ng (Beehive -M44), Thiên Hà Andromeda (M31), Cụm sao cầu Hercules (M13)…

+ Quan sát các sao đôi như: Apha Centauri (chòm Nhân Mã), Algieba (chòm Sư Tử)…
+ Quan sát Sao Mộc khi gần sáng.


Đặc biệt nếu thời tiết tốt các bạn có thể chiêm ngưỡng dải Ngân Hà, Các sao băng η-Aquariids (ETA), và các chòm sao trong đêm với sự hướng dẫn của thầy Trần Thời – tác giả quyển sách ” Nhìn lên những chòm sao”.

Ngày 11/5/2021 :
5h00 : Chiêm ngưỡng vẻ đẹp bình minh của thác Giang Điền
6h30 : Ăn sáng
7h30 : Chơi trò chơi lớn
9h00 :
+Bắn tên lửa nước
+Quan sát vết đen của Mặt Trời.
10h00 : Tắm thác
11h30 : Ăn cơm trưa
12h30 : Nghĩ ngơi, sinh hoạt cá nhân
13h30 : Chuẩn bị ra về
14h00 : Khởi hành về TP. Hồ Chí Minh
chia tay & hẹn gặp lại

Chi phí : 120 ngàn đồng/ người

  • Ăn chính (2 buổi ) :25.000 đồng / 1 buổi , ăn phụ :10.000 đồng
  • Uống : thùng nước khoáng 20 lít
  • Vé cổng : 25.000 đồng
  • Xe buýt :30.000 đồng ( lượt đi và về )
  • Chi phí dựng lều trại :

Lưu ý :

  • Chuẩn bị quần áo để tắm thác, 1 số túi nilong để đựng đồ dơ
  • Mang theo máy chụp hình để lưu lại những khoảnh khắc đáng nhớ
  • Mang theo thuốc y tế thông thường& những thuốc đặt trị (nếu bạn nào có những bệnh riêng như bệnh tim, cao huyết áp…. )
  • Mang theo giấy tờ tuỳ thân.
  • Mang theo bàn chải, kem đánh răng , khăn tắm , đồ để thay, áo khoác , mũ , mềm, đèn pin, kem chống muỗi, dầu gió , chén dĩa cá nhân. những vật dụng cá nhân cần thiết

Bao gồm:
– Xe buýt
– Ăn tiêu chuẩn : chiều, khuya, sáng , trưa
– Nước uống
– Thuốc y tế thông thường.
– Vé cổng.
Chưa bao gồm:
– Chi phí cá nhân ngoài chương trình
– Chi phí vui chơi trong thác :

  • Thuyền thúng : 20.000 đồng
  • Thuyền đụng : 20.000 đồng
  • Xe đạp đôi : 20.000 đồng
  • Tắm lại : 5.000 đồng
  • Áo phao : 5.000 đồng

Chúc thành viên HAAC, và những người yêu thiên văn có một đêm trại thiên văn thật vui và đầy ý nghĩa

admin@vatlyvietnam.org

Categories
General

Sự lãng mạn của vật lý

Vật lý có lẽ là môn khoa học tự nhiên lãng mạn nhất trong các môn khoa học cơ bản. Sự lãng mạn của vật lý là ánh lấp lánh của những tinh cầu, là sự lung linh của những hành tinh trên dải Ngân Hà, là sự long lanh của những hạt cơ bản cấu thành nên vũ trụ, là sự tương đối và tuyệt đối của thời gian – không gian, và cả sự im lặng thách thức của siêu nhiên…

Như cái vòng xoáy âm dương trong Thái cực đồ phương Đông, vật lý nghiên cứu từ những vấn đề vi mô nhất đến những vấn đề vĩ mô nhất của tự nhiên mà cuộc sống nhân loại không ngừng đi tìm lời giải đáp. Cuộc sống vốn chứa đầy những huyền ẩn, thậm chí những điều tưởng như giản đơn nhất cũng chứa đựng muôn vàn bí ẩn mà ta chưa khám phá hết. Thế nên trong hành trình đầy gian khó, với thiên chức nặng nề của mình, vật lý học đã hóa giải những bí huyền của tự nhiên và xã hội. Và nó còn tiếp tục giải mã những huyền bí ấy…

Cái nhìn của vật lý là cái nhìn chính xác, thậm chí là chính xác đến từng micromet, nanômet và hơn thế nữa, nhưng đôi mắt của vật lý là đôi mắt thi vị và lãng mạn khi nó hướng cái nhìn ấy lên bầu trời đầy sao, vào khoảng không bao la và thăm thẳm Thái dương hệ, vào tận thấu bản chất và những vận động bất tận của sinh thể, vật thể… Và đôi mắt lãng mạn đó thấu thị quá vãng, tiên lượng tương lai để rồi trở về với ánh mắt hồn nhiên mà thấu cảm, uyên thâm mà trong sáng ngây thơ thuở ấu thơ nhân loại.

Đôi mắt vật lý có phải là đôi mắt luôn suy tư, ưu trầm? Bất giác tôi chợt thấy đôi mắt ấy rất đỗi quen thuộc. Dường như là cái đăm chiêu trầm tư trong bức tượng Người suy tư thế kỷ của một nhà điêu khắc thời kỳ Phục Hưng.

Nhà khoa học vĩ đại – Albert Einstein
(Ảnh: Time)

Bức tượng đá tạc hình người đàn ông trong tư thế ngồi, cánh tay trần đặt lên vầng trán cao, ánh mắt miên man suy nghĩ. Người đàn ông vẫn ngồi đó từ thế kỉ ánh sáng, vẫn trăn trở những dòng ý nghĩ. Xung quanh pho tượng trắng, hàng bạch dương vẫn xào xạc lá và làn tuyết trắng vẫn rơi ngọt xuống bàn chân chàng. Và quanh đầu chàng là những dấu hỏi tại sao, những nguyên tử electron chuyển động theo quỹ đạo của vòng nguyệt quế khi chàng thốt lên “Oreka”… Hay dường như là ánh mắt ưu tư khi ngàn lần nhìn trái táo rơi của Isaac Newton, ánh mắt tinh anh trên Gương mặt thế kỷ XX A. Einstein pha chút mộng mị trong giấc chiêm bao với khát vọng ánh sáng về bản giao hưởng dở dang của Lý thuyết trường thống nhất. Hay ánh mắt cười vô ngần nhẹ mà thiên cao của Copernic, ánh mắt kiên nghị của Bruno trước khi bước lên giàn hỏa thiêu…

Niềm đam mê khoa học và cả lòng dũng cảm nữa đã chắp cánh cho sự lãng mạn của vật lý bay lên tới đỉnh Olympia của mình. Ở nơi đó sẽ không phải là nơi trú ngụ của các vị thần linh như trong thần thoại Hy Lạp, La Mã mà là nơi ngự trị của trí tuệ loài người, của niềm tin và những thành quả nghiên cứu khoa học của loài người. Ở nơi đó sẽ tràn ngập ánh sáng, đẹp đẽ và thiên lương. Vật lý lãng mạn hơn hẳn toán học, hóa học… và lãng mạn hơn bội phần có lẽ bởi nó nghiên cứu quang học và tương tác ánh sáng (dù là ánh sáng chói chang của vầng thái dương, ánh sáng lạnh cung Quảng Hà hay ánh le lói hắt ra từ phía cuối đường hầm) để thấy được ánh sáng khi là hạt khi là sóng và sự chuyển hóa thần kỳ giữa hai trạng thái đó…

Đức hạnh của nghệ thuật là niềm rung cảm hướng tới chân – thiện – mỹ và những giá trị nhân văn. Phẩm hạnh của triết học là hoài nghi. Và tôn giáo nặng trĩu đức tin. Còn phẩm chất của khoa học là ngạc nhiên trước những điều tưởng như hiển nhiên nhất. Ngạc nhiên ngước nhìn trái táo rụng xuống đất mà vật lý có được định luật vạn vật hấp dẫn, ngạc nhiên khi ngâm mình trong bồn tắm mà vật lý có được định luật Achimet. Ngạc nhiên, ngạc nhiên và ngạc nhiên… Những cái ngạc nhiên vĩ đại và lãng mạn.

Nếu thi ca đi tìm cái đẹp, triết học đi tìm sự khôn ngoan, tôn giáo đi tìm thần linh thì khoa học đi tìm sự thông thái. Vật lý trên con đường đi tìm sự thấu hiểu đã ấp iu một ước vọng khôn cùng là Lý thuyết cuối cùng (The Final Theory)

Lý thuyết cuối cùng – The Final Theory
(Ảnh: codap)

như một biểu hiện tột cùng của sự lãng mạn.

Liệu chúng ta có thể nhận thức được bí mật cuối cùng của vũ trụ không? Thế giới hiện thực, vừa cụ thể vừa hết sức trừu tượng, vừa hỗn mang vừa trật tự, vừa mâu thuẫn lại vừa thống nhất. Vật chất và trường, năng lượng và khối lượng, không gian và thời gian, sóng và hạt, hạt và phản hạt… Những đặc tính đó lại chuyển hóa nhau bằng chữ Dịch.

Liệu chúng ta có thể biết cái không thể biết được hay không? Vật lý, cũng như thế giới khách quan mang trong mình những tính chất trái ngược nhau, mô tả khái quát hiện thực bằng những định lý, định luật, lý thuyết vừa hết sức chính xác, rõ ràng song cũng chính vì thế mà nó có một vẻ lãng mạn riêng…

Giấc mơ chú Cuội cung trăng bây giờ không phải là điều quá vời xa với loài người nữa, motip du hành xuyên không – thời gian trong chuyện Từ Thức gặp tiên về mặt lý thuyết cũng không phải là hoang đường nữa. Vật lý lãng mạn nhất trong các khoa học tự nhiên không phải vì nó gần gụi với thi ca bởi việc giải thích những bí ẩn mã hóa trong những huyền thoại ngàn xưa hay những chuyện viễn tưởng, giả tưởng mà vì nó triết thuyết. Như một vị thiền sư già ngồi công án bên gốc cây cổ thụ để chứng ngộ bản thân và cộng đồng trong tổng hòa các mối quan hệ tương hỗ trên hết thảy các lĩnh vực: tự nhiên, xã hội và tư duy.

Vật lý học không chỉ song hành cùng những bước tiến thăng trầm của văn minh loài người, nó cũng chính là lịch sử sự sống. Khoa học không biên giới, nghệ thuật có cội nguồn như ai đó đã từng nói thì vật lý học trên hành trình phát triển của mình đã bắt gặp nguồn cội sự sống. Là một khoa học chuyên ngành nhưng ở một góc độ, vật lý chạm đến những vấn đề cốt lõi của triết học là bản thể luận, nhận thức luận.

Không phải ngẫu nhiên mà Fritjof Capra thấy cái đạo của vật lý và viết thành sách nếu vật lý chỉ là một cái gì đó khô khan mà thiếu đi vẻ lãng mạn của mình. Chính sự lãng mạn sâu xa của vật lý đã cho ông cái nhìn uyên nguyên về thế giới và xã hội, về cội nguyên sự sống và ý nghĩa thâm nguyên của cuộc sống. Cuốn sách Đạo của vật lý (Nguyễn Tường Bách biên dịch, NXB Trẻ, 1999) của ông là một tiếng nói về sự gặp gỡ giữa vật lý học hiện đại và triết học phương Đông ngàn xưa.

“Vật lý học hiện đại xác nhận một cách kỳ lạ một trong những ý tưởng cơ bản của đạo giáo Đông phương: tất cả mọi khái niệm mà ta dùng để mô tả thiên nhiên đều bị giới hạn; đó không phải là những đặc tính của thực tại như ta đã từng có khuynh hướng tin tưởng, mà chỉ là những sáng tạo của trí óc, chỉ là cái bản đồ chứ không phải sông núi, đất đai. Cứ mỗi lần ta nới rộng lĩnh vực của kinh nghiệm, những giới hạn của tư tưởng thuần lý trở thành hiển nhiên và ta phải thay đổi, có khi phải từ bỏ, một vài khái niệm mà ta có”.

Tự bản thân vật lý từ sâu xa đã mang trong mình tính lãng mạn, và điều lãng mạn nhất và cũng là huyền nhiệm nhất chính là nơi khởi thủy vạn vật mà vật lý học và tất thảy mọi khoa học cổ xưa và hiện đại đã, đang và sẽ mãi còn kiến giải. Cuộc thảo luận giữa các thuyết trình viên là các nhà khoa học GS.TS thiên văn học Nguyễn Quang Riệu, GS.TS vật lý Phạm Xuân Yêm, TS vật lý kiêm nhà Phật học Nguyễn Tường Bách tại Phật đường Khuông Việt (Paris, Pháp) ngày 29/5/2005 nói về sự tương đồng giữa thế giới quan vật lý học hiện đại và triết lý Phật giáo cũng minh chứng điều đó.

Bohm du nhập thuyết âm dương, Erwin Shrodinger viết Vệ Đà của một nhà vật lý, Nguyễn Tường Bách trình bày trong cuốn Lưới trời ai dệt? (NXB Trẻ, 2004) từng bước đi lần mò của khoa học từ Aristote để giải thích vũ trụ và những lý thuyết của Phật giáo xưa 25 thế kỉ rồi mà nay hầu như mới là một tổng hợp so sánh lý thú giữa sự phát triển của nhận thức về vũ trụ trong khoa học vật lý và vũ trụ quan Phật giáo để thấy các nhà vật lý thiên văn đã gõ cửa tìm vào tòa nhà minh triết phương Đông, thắp thêm ánh sáng cho những câu hỏi mới mà họ đặt ra trong đầu.

Quả thực tôi không có ý định nói về sự gặp gỡ của văn minh phương Tây và văn hóa cổ phương Đông nhưng sự lãng mạn của vật lý đã dẫn tôi đến giao điểm huyền vi đó. Có nhà vật lý trứ danh nào không mang một câu hỏi triết lý ở trong đầu về vật chất, về vũ trụ và có bao nhiêu những người khai phá ra Cơ học lượng tử cũng đồng thời là triết gia?

Max Planck có bao giờ giấu giếm mình có một tâm hồn tôn giáo sâu sắc, Einstein có ngại ngần gì thốt ra những câu thán phục Phật giáo? Tách ra khỏi tôn giáo và thần quyền để trưởng thành, khoa học vật lý dường như bao giờ cũng trường tương tư với triết lý và tính thiêng liêng. Khoa học cứ là khoa học và tôn giáo cứ là tôn giáo, nhưng hai dòng chảy thiên thu đó có chung một nhánh là vẻ đẹp tiềm ẩn của đời sống, sự lãng mạn của tâm hồn. Thế thì, sự lãng mạn của vật lý hay là sự lãng mạn của con người?…

Phucnv87
Categories
General

News

Nếu bạn là người mộ đạo, bạn sẽ thấy việc này giống như là đi gặp Chúa vậy”- Đó là câu nói của George Smoot, thuộc Viện Nghiên cứu Quốc gia tại Lawrence Berkeley, vào một buổi báo cáo năm 1992 của ông về việc nghiên cứu các dao động nhỏ của bức xạ tàn dư từ vụ nổ Bigbang. Smoot (một trong những người đạt giải Nobel vật lý 2006) cho rằng có khả năng các thăng giáng nhiệt độ của bức xạ vi ba nền, được đo đạc bởi vệ tinh COBE, sẽ tiết lộ các nguyên nhân hình thành nên thiên hà, các sao, hành tinh và cả sự sống.