Tuyển những bài báo vật lí hay năm 2010 - thuvienvatly.com

TUY�N NH�NG BÀI BÁO HAY V�T LÍ 2010

Tr�n Nghiêm - http://www.thuvienvatly.com

TUY�N NH�NG BÀI BÁO HAY V�T LÍ 2010 Tr�n Nghiêm d ch

[email protected]

N"I DUNG Truy tìm cánh h c �en ................................................................................... 1 M�t Trái ��t dành cho các nhà v�t lí ........................................................... 9 ��a k" thu�t h# khí h�u ................................................................................ 17 Các công th(c ch) bi)n hành tinh .............................................................. 24 Du hành v. tr/ có ng12i lái: khoa h4c hay vi5n t16ng? ........................ 33 �o cái (h:u nh1) b<ng không ..................................................................... 37 T1=ng lai c>a �i#n h4c không dây ............................................................. 46 NhBng nhà thiên vDn �:u tiên x( Australia ............................................ 52 Con ng12i ho t ��ng nh1 th) nào? ........................................................... 58 SK th�t vL giai tho i quN táo Newton ........................................................ 65 Có hay không nhBng ng12i ngoài hành tinh thân thi#n ? ..................... 69 M/c tiêu Phobos: b1Qc nhNy lQn ti)p theo c>a loài ng12i .................... 77 V�t lí h4c 6 Trung QuUc ............................................................................... 84 SK im l�ng �)n kì l ...................................................................................... 96 �=n v� v�t lí nào �1Vc 1a dùng nh�t ? .................................................... 108 Khoa h4c trong th) giQi H[i giáo ............................................................. 115 K\ ni#m 50 nDm laser: T] súng b_n tia �)n �"a Blu-ray ........................ 123 T1=ng lai c>a khoa h4c h�u laser ............................................................. 132 Bình minh mQi cho sK nhi#t h ch h t nhân ............................................ 142 V�t lí h4c và Bóng �á ................................................................................. 151 Hành vi c>a b n chbng có gì bí hicm ...................................................... 160 Thuy)t t1=ng �Ui r�ng: Quá kh(, hi#n t i và t1=ng lai ........................ 170

Trần Nghiêm dịch 1

Truy tìm cánh hạc đen

Truy tìm cánh hạc đen

Hồi năm 1890, một công ti điện đã cám dỗ nhà vật lí người Đức Max Planck hỗ trợ họ trong những nỗ lực của họ nhằm sản xuất các bóng đèn hiệu quả hơn. Planck, với tư cách là một nhà lí thuyết, đương nhiên đã bắt đầu với những điều cơ bản và sớm trở nên bị vướng vào vấn đề gai góc là giải thích phổ của bức xạ vật đen, bài toán cuối cùng ông đã giải bằng cách đưa ra quan niệm – một giả thuyết “hoàn toàn mang tính hình thức”, như khi đó ông nhìn nhận – rằng năng lượng điện từ chỉ có thể phát ra hoặc bị hấp thụ thành từng lượng tử rời rạc. Cái còn lại là lịch sử. Các bóng đèn điện và quy luật toán học tất yếu đã đưa Planck đến khám phá ra lí thuyết lượng tử và đã kích hoạt cuộc cách mạng khoa học lớn nhất của thế kỉ 20.

Max Planck (trái) và Wilhelm Röntgen (phải) đều có những khám phá quan trọng hết sức bất ngờ (Ảnh [trái]: American Institute of Physics/Science Photo Library; [phải]: Jean-Loup Charmet/Science Photo Library)

2 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Cùng khoảng thời gian đó, người đồng nghiệp của Planck, Wilhelm Röntgen, đang làm thí nghiệm với tia ca-tôt khi ông lưu ý đến lóe sáng kì quặc phát ra từ màn hình huỳnh quang nằm cách đấy khá xa không có liên quan gì trong thí nghiệm đã dự tính; khi làm như vậy, ông đã phát hiện ra tia X, và đã giúp thúc đẩy nền y khoa vào thời kì hiện đại. Tất nhiên, không phải chỉ có các nhà khoa học Đức tiến hành những khám phá làm thay đổi thế giới bằng những con đường bất ngờ. Năm 1964, các nhà vật lí người Mĩ Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện ra bức xạ nền vi sóng vũ trụ nổi tiếng trong tín hiệu nhiễu bực mình mà họ không thể nào loại trừ hết ra khỏi máy thu vi sóng lạnh lẽo của họ tại Phòng thí nghiệm Bell.

Transistor (trái) và laser (phải) cũng là những sản phẩm của sự may mắn (Ảnh [trái]: Ton Kinsbergen/Science Photo Library; [phải]:Giphotostock/Science Photo Library)

Đây là cách thức sự khám phá được thực hiện: các phản hồi của sự đầu tư cho nghiên cứu không đến một cách đều đặn và tiên liệu được, mà đến một cách thất thường và không thể đoán trước, theo kiểu giống như những trận động đất trí tuệ. Thật vậy, quan điểm này có vẻ không hẳn chỉ đơn thuần là định tính. Dữ liệu về sự phát minh của loài người, cho dù về khoa học cơ bản hoặc công nghệ hoặc kinh doanh, cho thấy các tiến bộ xuất hiện từ một quá trình thất thường đi cùng với tính không thể tiên đoán nỗi. Chẳng hạn như nhà vật lí Didier Sornette thuộc trường ETH ở Zurich và các cộng sự chỉ ra cách nay vài năm trước, rằng số liệu thống kê mô tả những khoản thu kếch sù của những bộ phim Hollywood trong 20 năm qua không tuân theo tập hợp thống kê bình thường mà tuân theo một đường cong quy luật hàm số mũ – rất giống với định luật nổi tiếng Gutenberg— Richter cho những trận động đất – với một cái đuôi dài cho những bộ phim thu nhập cao. Một hình ảnh tương tự mô tả sự phản hồi tài chính cho những loại thuốc mới được sản xuất ra bởi ngành công nghiệp công nghệ sinh học, cho những khoản tiền đầu tư mà các trường đại học được tài trợ, hay cho các phản hồi thị trường chứng khoán từ các công ti khởi nghiệp công nghệ cao.

Cái chúng ta biết về những quá trình có động lực học tuân theo quy luật hàm mũ là những sự kiện lớn nhất rất không tương xứng với các hệ quả của chúng. Theo phép ẩn dụ của cuốn sách best seller năm 2007 của Nassim Nicholas Taleb, Cánh hạc đen, đó không phải là những sự kiện bình thường, “những cánh hạc trắng” trần tục và như đa số mọi người trông đợi, mà là “những cánh hạc đen” nằm cách biệt, hoàn toàn không báo trước. Trong ngữ cảnh lịch sử, bạn hãy nghĩ tới sự kiện ngày 11 tháng 9 năm 2001 hoặc sự phát minh ra web. Tương tự, lịch sử khoa học dường như xoay


chuyển trên những dịch chuyển địa chấn hiếm gặp mà không có thể tiên đoán hoặc có cơ hội tiên đoán, và trên những khám phá hết sức sâu sắc làm biến chuyển thế giới. Chúng không trôi chảy theo cái nhà triết lí khoa học Thomas Kuhn gọi là “nền khoa học bình thường” – được xây dựng vững chải và hoạt động trên những ý tưởng đã có sẵn – mà từ nền khoa học “mang tính cách mạng”, dễ đổ vỡ và đầy rủi ro.

Cuộc sống tầm thường nằm ngoài sự cách tân, đổi mới

Tất cả những yếu tố đó, như Sornett đã tranh luận trong nhiều năm, có hàm ý quan trọng đối với cách thức chúng ta suy nghĩ và phán xét các đầu tư cho nghiên cứu. Nếu con đường dẫn đến khám phá là hoàn toàn bất ngờ, và nếu đa số thành tựu có được chỉ xuất hiện trong một nhóm sự kiện hiếm có và đặc biệt, thì cả việc phán xét một chương trình nghiên cứu có được thai nghén tốt hay không là cả một vấn đề. “Hầu như bất kì nỗ lực nào nhằm ước định tác động của nghiên cứu trong một thời gian hữu hạn”, Sornett nói, “cũng sẽ chỉ bao gồm một vài khám phá chủ yếu và vì thế không đáng tin cậy cho lắm, cho dù là có một xu hướng tích cực lâu dài đi chăng nữa”.

Vấn đề này làm phát sinh một câu hỏi quan trọng: nền văn hóa khoa học ngày nay có tôn trọng thực tại này hay không? Chúng ta có đang làm những gì tốt đẹp nhất để cho những khám phá quan trọng nhất và đột phá nhất xuất hiện hay không? Hay chúng ta có đang trở nên quá bảo thủ và bị gượng ép bởi áp lực xã hội và nhu cầu phản hồi nhanh chóng và dễ đo đạc hay không? Khả năng thứ hai, dường như thế, thuộc về một vấn đề đang phát sinh đối với nhiều nhà khoa học, họ cho rằng nền khoa học hiện đại đang ở trong trạng thái nguy hiểm mất tính sáng tạo của nó, trừ khi chúng ta có thể tìm ra một phương pháp có hệ thống xây dựng một nền văn hóa kiểm soát rủi ro tốt hơn.

Lí lẽ đưa ra lập luận này có nhiều bất đồng.Ví dụ, nhà vật lí Geoffrey West, người hiện là chủ tịch Viện Santa Fe (SFI) ở New Mexico, Mĩ, chỉ ra rằng trong những năm sau Thế chiến thứ hai, nền công nghiệp Mĩ đã tạo ra một luồng ổn định những cách tân làm thay đổi kiểu thức, trong đó có transistor và laser, và điều đó xảy ra vì những nơi như Phòng thí nghiệm Bell đã thai nghén ra một nền văn hóa đổi mới hết sức tự do. “Họ đã mang những nhà khoa học lớn – nhà vật lí, kĩ sư và nhà toán học – lại với nhau từ những ngành khoa học khác nhau”, West nói, “và đã tạo ra một nền văn hóa tự do suy nghĩ mà không có nó thì thật khó mà tưởng tượng nổi làm thế nào những ý tưởng này có thể xoay chuyển bất ngờ tình thế như vậy”.

Thật đáng tiếc, các nền văn hóa hàn lâm và hợp tác ngày nay dường như đang tiến triển theo xu hướng ngược lại, với thói quen dập tắt ngay những người không theo lề thói mà có một quan điểm rộng về khoa học. Tại các trường đại học và các cơ quan tài trợ nghiên cứu, chẳng hạn, giới lãnh đạo và các ủy ban tai to mặt lớn đưa ra quyết định dựa trên những điều kiện hẹp hòi (tập trung vào cách danh sách đã công bố, danh sách trích dẫn và hệ số tác động) hoặc dựa trên những kế hoạch đặc biệt cho những kết quả ngắn hạn, tất cả vốn dĩ nghiêng về những người đang làm việc trong những lĩnh vực đã hiểu rõ với mẫu hình được chấp nhận rộng rãi. Trong những năm qua, các thói quen thương mại gò bó và những nỗ lực nhằm cải thiện hiệu quả cũng đã chi phối các chương trình hợp tác theo chiều hướng tương tự. “Điều đó có thể tốt trong khâu quản lí hành chính”, West nói, “nhưng cuộc sống tầm thường thì nằm ngoài sự cách tân”.


Cánh hạc đen của khoa học

Một vấn đề thiết yếu, như đề xuất của nhà vật lí toán Eric Weinstein thuộc Nhóm Natron, một cơ quan tài trợ ở New York, là thật quá dễ dàng cho các nhà khoa học trong bất kì lĩnh vực nào “đã xác lập” đưa ra những ý tưởng mới, và họ làm như thế mà thật sự chẳng chịu chút rủi ro nào, từ đó đưa đến một nền văn hóa có thiên hướng nghiêng lệch một cách có hệ thống về phía thận trọng. “Nền khoa học rủi ro cao đồng hành nhiều hơn với những nhân vật từ quá khứ”, ông nói.

Kết quả, ông đề xuất, là khoa học đang trở thành một sự nghiệp khảo sát bánh-xe-tự-do kém mang tính “từ dưới lên” hơn – như loại suy nghĩ đã đưa Einstein đến thuyết tương đối – và là một quá trình “từ trên xuống” nhiều hơn bị trói buộc bởi ý chí xã hội, với tiền chi cho tài trợ khoa học tuân theo những lộ trình hợp mốt. Nguyên tắc công-bố-hay-là-chết, đặc biệt, thưởng công xứng đáng cho những nhà khoa học tiến hành kĩ thuật ít hay nhiều mang tính thường lệ trong những lĩnh vực đã xác lập rõ ràng, và đối xử không tốt với sự nghiên cứu rủi ro hơn đang khảo sát những ý tưởng chưa được chứng minh có thể mất một khoảng thời gian lớn để đạt tới chín muồi.

Vấn đề này đặc biệt đang gây hại cho những lợi ích không tương xứng phát sinh từ những khám phá quan trọng nhất, cái dường như vốn dĩ không có khả năng đoán trước được cả về thời gian lẫn bản chất. Như Taleb biện luận hết sức thuyết phục trong Cánh hạc đen, bất kì chiến lược lâu dài có thể nhận thức được nào trong một thế giới bị thống trị bởi những sự kiện cực độ và không thể tiên đoán cũng phải chấp nhận, và thậm chí phải tóm bắt lấy, tính không thể tiên đoán ấy. Ông minh họa quan điểm này trong ngữ cảnh tài chính. Những người đang đầu tư vào những công ti khởi nghiệp tư bản mạo hiểm, chẳng hạn, phải đặt kì vọng vào những đợt thua lỗ liên tiếp trong thời gian ngắn, và đầu tư tiền của vào thực tế rằng cuối cùng họ sẽ thu xếp xong những thua lỗ ấy bằng cách tác động lên một vài kẻ chiến thắng thật sự to lớn trong cuộc đua dài hơi.

Nói chung, chiến lược đầu tư cơ bản của Taleb – có thể dễ dàng dịch sang các thuật ngữ nghiên cứu – là đưa một phần hợp lí nguồn quỹ vào những quá trình rất thận trọng sẽ không đánh mất giá trị của chúng, cho dù chúng có ít cơ hội tạo ra những món lợi lớn; và đưa một phần nhỏ nhưng hợp lí vào những tiến trình rủi ro cao, mang lại phần thưởng lớn, từ đó thu được sự quảng bá những món lợi kếch sù có thể có từ những khoản đầu tư này. Những tiến trình này không thể dự đoán trước một cách tường tận, nhưng thống kê đưa ra tỉ suất về lâu dài là rất cao.

Tuy vậy, cần có tinh thần kỉ luật và tính chịu đựng để trung thành với chiến lược này. Như Taleb vạch rõ, nếu mọi người xung quanh bạn tin vào ưu thế của số liệu thống kê bình thường, thì họ sẽ nghĩ rằng bạn thật dại dột, và bằng chứng trước mắt có thể sẽ ủng hộ họ. Bạn sẽ mất tiền trong cuộc đua ngắn hạn, chẳng nhìn thấy phản hồi gì, và điều này có thể tiếp diễn trong một khoảng thời gian đáng kể. Điều tương tự xảy ra đối với nền khoa học rủi ro cao so với nghiên cứu theo đuổi những mục tiêu ngắn hạn hơn. Trong cuộc đua ngắn hạn, cái do kẻ cuồng ngông làm sẽ dường như hoàn toàn kém thành công, có lẽ còn làm lãng phí thời gian của họ, và người ta dễ nghĩ rằng đây là loại nghiên cứu chúng ta không nên theo đuổi, cho dù đây thật sự rất có khả năng là sai lầm.

Đây là một cái bẫy, West đề xuất, mànhững người làm kế hoạch khoa học hiện đại đã rơi vào. “Lo ngại của tôi”, ông nói, “là khi loại trừ những kẻ cuồng ngông không theo quy tắc, chúng ta cũng đã đặt dấu chấm hết cho khả năng của chúng ta phát hiện ra những ý tưởng mới, to tát – transistor thế hệ tiếp theo. Đó là một sai lầm nghiêm trọng và thật bi kịch”.


Viện Santa Fe (trái) và Viện Peremete (phải) đang xúc tiến một phương pháp độc lập, chi phối bởi sự ham hiểu biết, đối với vật lí học (Ảnh [trái]: Viện Santa Fe Institute; [phải]: Viện Perimeter)

Người leo đồi và kẻ băng qua thung

Vậy người ta đã làm gì? Một số cơ quan tài trợ, tất nhiên, từ lâu đã nhận ra nhu cầu tài trợ cho nghiên cứu “bầu trời xanh” – công trình có thể rủi ro cao nhưng đồng thời mang lại giải thưởng lớn. Ở Mĩ, chẳng hạn, Quỹ Khoa học quốc gia có những chương trình rủi ro cao dành cho những lĩnh vực đa dạng từ vật lí cho đến nhân chủng học. Tương tự, Ủy ban châu Âu, còn dành cho cả lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông mang tính thực tiễn cao, có hẳn một chương trình cho những công nghệ tương lai và công nghệ đang xuất hiện chỉ tài trợ cho nghiên cứu được nhận ra là có tiềm năng đánh đổ những mô hình hiện có. Có lẽ trung tâm nổi tiếng nhất ủng hộ cho nghiên cứu khoa học dài hạn mang tính rủi ro cao là Viện Santa Fe (SFI), được cá nhân tài trợ. Trong vài năm qua, SFI đã được hậu thuẫn bởi ông chủ của những trung tâm mới, ví dụ như Viện Vật lí Lí thuyết Peremeter ở Waterloo, Canada, một sáng kiến cá nhân được chính phủ Canada hỗ trợ và thành lập vào năm 1999 bởi Mike Lazaridis, ông chủ cơ quan Research in Motion, nơi chế tạo ra BlackBerry.

Nhưng nhà vật lí Lee Smolin, hiện ở Viện Peremeter, cho rằng nền khoa học nói chung đòi hỏi một cách tiếp cận rộng rãi hơn và đồng nhất hơn với nền khoa học rủi ro. Để xem loại chính sách nào là cần thiết, ông đề nghị, thật hữu ích là hãy lưu ý rằng các nhà khoa học, ít nhất là trong chừng mực nào đó, theo đuổi những phong cách làm việc thuộc hai loại rất khác nhau, phản ánh sự khác biệt của Kuhn giữa khoa học bình thường và khoa học cách mạng.

Một số nhà khoa học, ông đề xuất, là cái chúng ta có thể gọi là “người leo đồi”. Họ có khuynh hướng thành thạo về thao tác kĩ thuật và công việc của họ chủ yếu đi theo những lối đã có sẵn đưa họ tiến xa hơn; họ leo lên trên những ngọn đồi trong không gian có phần trừu tượng của trạng thái khoa học, luôn luôn tiến những bước nhỏ để cải thiện sự ăn khớp của lí thuyết và quan sát. Những nhà khoa học này làm khoa học “bình thường”. Trái lại, các nhà khoa học khác thì có tinh thần phiêu lưu và quyết liệt hơn, và họ có thể xem là “những kẻ băng qua thung”. Họ có thể kém kĩ


năng công nghệ hơn, nhưng họ có khuynh hướng trực giác khoa học mạnh mẽ - khả năng vạch ra những giả định tiềm ẩn và nhìn vào cũng những chủ đề đó bằng những phương thức hoàn toàn mới.

Để đạt hiệu quả nhất, Smolin tranh luận, khoa học cần đến một sự phối hợp của những người leo đồi và kẻ băng qua thung. Có quá nhiều người leo đồi đang làm khoa học bình thường, thì sớm hay muộn bạn sẽ thấy rất nhiều trong số họ bị mắc kẹt trên những ngọn đồi cục bộ, mỗi người phòng thủ một lãnh thổ riêng của họ. Nền khoa học khi đó sẽ thiếu những người băng qua thung có khả năng bứt phá ra khỏi tình thế ngăn nắp trí tuệ đó để thám hiểm những vùng đất xa hơn và tìm thấy những đỉnh cao hơn.

“Đây là tình huống tôi tin rằng chúng ta đang ở trong đó”, Smolin nói, “và chúng ta ở trong đó vì khoa học đã trở nên chuyên nghiệp hóa theo kiểu những đặc điểm của một người leo đồi giỏi là tiêu biểu cho đặc điểm của một nhà khoa học giỏi, hay triển vọng. Những người băng qua thung mà chúng ta cần đã bị ngăn chặn hoặc tống khứ ra rìa”.

Smolin cho rằng chúng ta cần phải dịch chuyển cán cân sao cho có nhiều kẻ băng qua thung hơn, và việc này thật ra chẳng quá khó thực hiện nếu chúng ta có phương pháp làm việc rõ ràng, dứt khoát. Cái chúng ta cần, nói chung, là đặt ra các chính sách ở nơi sẽ đánh giá các nhà khoa học trẻ không phải xem họ có dính líu vào những chương trình đã được thiết lập hàng thập kỉ trước đây bởi các nhà khoa học thâm niên hiện nay hay không, mà chỉ dựa trên cơ sở năng lực cá nhân, sự sáng tạo và tính độc lập của họ. Có thể có một số bước đặc biệt nào đó, ông đề xuất, để đảm bảo rằng các khoa mạnh về những lĩnh vực đã có nào đó cũng có các nhà khoa học với các quan điểm chia rẽ. Tương tự, các hội nghị tập trung vào một chương trình nghiên cứu nên khuyến khích sự tham gia của các đối tác đến từ những chương trình đang cạnh tranh sống còn.

Ngoài ra, các cơ quan tài trợ nên phát triển một phương tiện trừng phạt các nhà khoa học vì bỏ qua những vấn đề thật sự “khó”, và trao giải cho những ai công phá vào những vấn đề mở tồn tại từ lâu. Có lẽ, Smolin đề xuất, cơ quan hay quỹ tài trợ nên có một số suất học bổng thật sự dài hơi để tài trợ các nhà nghiên cứu trẻ, nói ví dụ, trong 10 năm, như vậy sẽ cho phép họ theo đuổi những ý tưởng sâu sắc mà không bị gây áp lực cho các kết quả nhanh chóng.

Sự thông thái của số đông

Weinstein đề xuất một ý tưởng khác – cái chúng ta sẽ phải vay mượn một số ý tưởng từ kĩ thuật tài chính và lại làm cho các nhà khoa học hồi sinh những chỉ trích của họ khi xem xét những rủi ro tài chính thật sự. Bạn nghĩ rằng lí thuyết có phần mới đó thật hết sức vô giá trị và đáng bị giễu cợt? Trong thế giới Weinstein hình dung ra, bạn không thể vứt một nghiên cứu vào sọt rác trong một bài đánh giá nặc danh, nhưng bạn sẽ mua một số loại lựa chọn cho bạn món cược tài chính vào tương lai khoa học của nó, một món hời sẽ tuột khỏi tay nếu, như bạn trông đợi, công trình trôi êm ả vào trong tăm tối. Tiền sẽ đến từ những người đề xướng của lí thuyết đó, họ cũng thu lợi như vậy nếu cát đã được đãi thành vàng.

Quan điểm của Weinstein là thị trường, ít nhất là trên lí thuyết, hoạt động hiệu quả và - hãy đặt cuộc suy thoái tài chính hiện nay sang một bên – dẫn tới sự định giá chính xác của các sản phẩm. Họ khai thác “sự từng trải của đám đông”, như một quyển sách nổi tiếng cùng tên gần đây đã nêu ra. Hãy xét thị trường dự báo điện tử tại trường Đại học Iowa, gồm quan điểm của hàng nghìn cá nhân


đa dạng và dường như luôn cho tiên đoán tốt hơn bất kì chuyên gia nào. Chẳng hạn, họ đã dự đoán cuộc bầu cử tổng thống Mĩ hồi năm ngoái chính xác đến nửa phần trăm.

Điều tương tự có thể nào thực hiện đối với việc cân đong giá trị của các ý tưởng khoa học hay không? Những ý tưởng đó, Weinstein tranh luận, ngày nay không nặng cân lắm. Như ông chỉ rõ, những kẻ cuồng ngông vô tổ chức có những bài báo của họ thường bị từ chối vì cái họ cảm thấy là những lí do không hợp lí, và họ thường cảm thấy bị cản trở bởi cộng đồng đang xuôi theo dòng chảy chung, trong khi các nhà khoa học đang xuôi dòng chính đó nghĩ thật hoàn toàn hiển nhiên rằng các ý tưởng của họ thật buồn cười và không nên lãng phí thời gian của cộng đồng. Thực tiễn nghiên cứu hiện nay thiếu cơ chế sắp xếp một cuộc gặp hiệu quả giữa hai bên – khiến cho ý tưởng của những kẻ vô tổ chức kia bị chèn ép tự do trong khi đó thì những người phê bình tha hồ vung búa vung đe dựa trên kiến thức của riêng họ.

“Bạn sẽ làm gì khi bạn đối mặt với một số người cuồng ngông với một ý tưởng rồ dại?”, ông hỏi. “Bạn đã thử, học trò của bạn đã thử, và bạn biết hầu như chắc chắn nó thất bại. Tại sao bạn không sử dụngkiến thức này làm lợi thế của riêng bạn? Hiện tại, bạn chỉ không thể trình bày quan điểm của bạn một cách hiệu quả trước công chúng”.

Tình huống na ná như một người kinh doanh trên thị trường vốn nghe biết được rằng, ví dụ, một tài sản nhất định nào đó hiện bị đánh giá thấp, nhưng, vì những lí do gì đó, không thể nào mua nó và hưởng lợi từ sự hiểu biết đó. Trong lí thuyết tài chính, một thị trường thuộc loại này được gọi là “không đầy đủ”, và tính không đầy đủ của nó dẫn đến sự không hiệu quả, vì mọi kiến thức có liên quan không được thể hiện trong thị trường.

Để đối phó với tính không hiệu quả tương tự trong trường hợp khoa học, Weinstein đề xuất, có thể cho nhà phê bình chọn một chỗ đứng trên ý tưởng đó. “Sẽ hiệu quả hơn”, ông nói, “nếu kẻ ngông cuồng có thể yêu cầu nhà phê bình, nếu lí thuyết của tôi hiển nhiên sai như vậy, thì tại sao ông không định lượng nó bằng cách viết cho tôi hợp đồng cá cược dựa trên những trích dẫn tương lai trên top 20 tạp chí hàng đầu được đảm bảo bởi nhà cửa, nội thất, nhà nghỉ và lương hưu của ông?”

Mang những cơ hội như vậy vào cuộc chơi, Weinstein đề xuất, sẽ đưa thực tiễn nghiên cứu đến gần hơn với “tiền tuyến hiệu quả” – nơi các ý tưởng được phán xét công bằng dựa trên toàn bộ những kiến thức đã có, thay vì phải chịu sức ép từ lề thói xã hội, khuyến khích những người đặt cược tài chính vào hàng loạt hệ quả tiềm tàng của sự thành công của chúng. Những cơ chế như vậy, Weinstein đề xuất, sẽ giúp tranh đi sự kiểm duyệt đang tồn tại thường gây khó cho việc đánh giá ngang hàng, và hiện giữ nghiên cứu ở trên phía thận trọng của tiền tuyến hiệu quả.

Là một ý tưởng đặc biệt, Weinstein hình dung ra cái ông gọi là sự chiếm hữu tổng hợp, cái cộng hưởng với lời kêu gọi của Smolin cho những suất học bổng dài hạn. Ngày ngay, ông đề xuất, các nhà khoa học trẻ có thể dễ dàng thoái chí từ việc xử lí những vấn đề thật sự khó vì họ lo sợ cho sự nghiệp của họ nếu như họ nghiên cứu một vấn đề trong một thập kỉ và không đạt được sự tiến bộ đáng kể nào. Để mang lại cho các nhà nghiên cứu ngoại hạng sự yên tâm xử lí những vấn đề khó, ông đề xuất rằng cơ quan hay quỹ tài trợ có thể đưa ra một thỏa thuận trong đó họ hoan nghênh người nào có được địa vị tốt trong tương lai trong một số lĩnh vực hào hứng nào đó, nếu dự án của họ không đi tới kết quả cuối cùng.


Những Einstein mới

Đây đúng là thứ cần thiết, Smolin tranh luận. Nếu như có người nhà khoa học trở lại với nền khoa học độc lập, chi phối bởi sự ham hiểu biết, thì điều này còn có thể khuyến khích các cơ quan tài trợ lớn và những nguồn quỹ cá nhân mới, ví dụ như Viện Peremeter hay Howard Hughes and Gates Foundations. Thật vậy, Weinstein đề xuấ, những cấu trúc mới này có thể có những tương tự với những phát triển gần đây trong kĩ thuật tài chính với những cấu trúc mới đang xuất hiện là “nguồn quỹ rào cản trí tuệ” đối phó với sự không hiệu quả nhận thấy được của việc có nhiều tác nhân truyền thống hơn, cái giữ vai trò của các nguồn quỹ tương trợ chống rủi ro.

Cái giá phải trả cho việc không chuyển sang thiết lập lại sự độc lập như thế sẽ nằm ở sự thất bại trước việc nhận ra những khám phá lớn và không thể đoán trước làm chuyển dịch nền khoa học về trước nhiều nhất trong thời gian dài –những khám phá chỉ có thể thực hiện khi các cá nhân thoát ra khỏi cái tiện nghi và được chấp nhận, và tha thẩn vào những không gian chưa biết. Đó là tầm vóc thật sự của những món lợi tiềm tàng làm cho mục tiêu đạt tới “tiền tuyến hiệu quả này” thật quan trọng. Nếu ngày nay dường như chúng ta có quá ít những Einstein mới, Smolin đề xuất, thì điều này có lẽ chỉ phản ánh rằng chúng ta đã trở thành kẻ chống rủi ro hơi nhiều.

Những Einstein mới, ông chỉ rõ, sẽ không hoạt động trong những lĩnh vực đã được thiết lập sẵn trong hàng thập kỉ qua. Họ có lẽ cũng không hoạt động trong một lĩnh vực liên quan đến tên tuổi của bất kì nhà khoa học chủ đạo, đã có danh tiếng nào. Những Einstein mới có thể đi trượt quan điểm và bị đẩy ra khỏi khoa học hoàn toàn chỉ bởi vì nền văn hóa khoa học của chúng ta hiện nay đơn giản là chẳng có phương thức nào khuyến khích họ cả.

Mark Buchanan là một nhà viết sách khoa học sinh sống ở Anh. Cuốn sách gần đây nhất của ông là Nguyên tử Xã hội(2007, Cyan Books).

Trần Nghiêm dịch (theo Physics World, số tháng 4/2009)


Một Trái đất dành cho các nhà vật lí

John Baez (Physics World, tháng 8/2009)

Các nhà khoa học đang bắt đầu tìm hiểu ngữ cảnh trong đó sự tiến hóa của hành tinh chúng ta đã được định hình bởi những cú va chạm, những cú bắn phá, và những tai biến lớn. John Baez kể về lịch sử dữ dội của cái chấm xanh trên nền trời kia.

Viễn cảnh biến đổi khí hậu do con người gây ra khiến cho nhiều người lo ngại. Ngoài quy mô rộng lớn của vấn đề, còn có thách thức của việc nó tồn tại quá phức tạp. Hành trạng của Trái đất hết sức khó tiên đoán một cách cụ thể. Công suất máy tính không đủ: các mô hình cần xây dựng trên những kiến thức vật lí chắc chắn và một sự hiểu biết tốt về hành trạng hiện nay của Trái đất – cũng như lịch sử của nó.

Ảnh: Lynette Cook/Science Photo Library

Thật may mắn, trong thập niên vừa qua, chúng ta đã học được rất nhiều về lịch sử này. Những bức màn che thời gian đang dần sáng tỏ. Có vẻ như chúng ta chẳng hề đơn độc trong việc đi qua những thời khắc hiểm nghèo. Trái đất đã chứng kiến một số thảm họa lớn. Để tập trung vào câu chuyện chính của chúng ta, chúng ta hãy tập trung vào bốn thứ: “vụ va chạm lớn” chừng 4,55 tỉ năm trước; “đợt bắn phá nặng nề muộn” khoảng 4 tỉ năm trước; “tai biến oxygen” chừng 2,5 tỉ năm trước; và sự kiện “quả cầu tuyết Trái đất” chừng 850 triệu năm trước. Chi tiết của những sự kiện này – và


thật sự chúng có xảy ra hay không – vẫn đang gây tranh cãi. Tuy nhiên, chúng là những lí thuyết được chấp nhận rộng rãi. Trong mỗi trường hợp, có những cơ sở vật lí hấp dẫn liên quan trong việc kiểm tra những lí thuyết này.

Sự ra đời của Mặt trăng

Mặt trời có lẽ đã hình thành từ sự co sập hấp dẫn một đám mây khí và bụi. Các mô hình ban đầu của sự hình thành sao giả sử sự đối xứng cầu, nhưng nếu bạn biết nói đùa với điểm nút là “hãy xét một con bò hình cầu”, thì bạn sẽ nghi ngờ đây là một sự đơn giản hóa quá mức nguy hiểm. Thật vậy, xung lượng góc giữ một vai trò quan trọng. Khi một đám mây như thế co sập do hấp dẫn, thì nó phải hình thành nên một “đĩa bồi tụ” xoay tít.

Khi tâm của cái đĩa này trở nên đủ đậm đặc cho áp suất của nó giữ nó lại, thì Mặt trời của chúng ta ra đời dạng một “tiền sao”. Pha này tồn tại khoảng chừng 100 000 năm; sau đó nhiệt độ tăng đến điểm mà sự phun trào của khí nóng ngăn cản Mặt trời bồi tụ thêm bất kì chất liệu gì nữa. Tại điểm này, Mặt trời trở thành cái chúng ta gọi là “sao Tauri T”, được cấp nguồn chỉ bởi năng lượng hấp dẫn khi nó từ từ co lại. Sau chừng 100 triệu năm nữa, nó trở thành một ngôi sao bình thường khi hydrogen tại tâm của nó bắt đầu chịu sự nhiệt hạch.

Một số bụi xoay tròn xung quanh Mặt trời sơ khai trở nên nóng bỏng và tan đi, và một số trong những giọt tan chảy này sau đó đông lại thành “cục” – những quả cầu kích cỡ milimet của những khoáng chất đơn giản, như pyroxene và olivine, chủ yếu cấu thành từ sodium, calcium, magnesium, nhôm, sắt, silicon và oxygen. Những cục này là thành phần chính của một số trong những vật thể nguyên thủy nhất vẫn miệt mài hành trình của chúng trong hệ mặt trời: các thiên thạch phủ đá gọi là “chondrite”.

Bụi quay xung quanh Mặt trời sơ khai bắt đầu hình thành nên các tảng gọi là “tảng hành tinh”. Khi các tảng này va chạm nhau, chúng trở nên to hơn, cuối cùng hình thành nên các tiểu hành tinh và hành tinh và chúng ta thấy ngày nay. Một số tảng đã tan chảy, để các kim loại nặng co vào trong lõi của chúng trong khi vật chất nhẹ hơn vẫn ở trên bề mặt. Và một số tảng đâm sầm vào nhau, vỡ tan ra và hình thành nên chondrite và những thiên thạch khác, ví dụ như các thiên thạch sắt-nickel và các thiên thạch phủ đá gọi là “achondrite”.

Bằng cách sử dụng các kĩ thuật định tuổi phóng xạ trên thiên thạch, các nhà nghiên cứu khẳng định một kiến thức chính xác bất ngờ về thời điểm khi toàn bộ những sự kiện này xảy ra: đâu đó giữa 4,56 và 4,55 tỉ năm trước. Cho nên, Trái đất có khả năng đã hình thành đâu đó khoảng thời gian trên – và câu chuyện của chúng ta chính thức bắt đầu từ chỗ này.

Lịch sử của Trái đất được phân chia thành bốn kỉ nguyên: Hadean, Archean, Proterozoic và Phanerozoic. Khi tôi còn nhỏ thì “kỉ Cambri” đã lùi xa vào dĩ vãng như sách vở của tôi bảo thế, ngoại trừ “kỉ Tiền Cambri” u ám. Nhưng kỉ Cambri chỉ mới bắt đầu 540 triệu năm trước. Kỉ Cambri đánh dấu sự bắt đầu của thời kì hiện đại, Phanerozoic, nghĩa là “tuổi của sự sống khả kiến”. Đây là lúc các sinh vật đa bào thống lĩnh thế giới, để lại các hóa thạch mà chúng ta thấy ngày nay. Nhưng chúng ta sẽ đào sâu thêm nhiều nữa: đại Phanerozoic sẽ kết thúc câu chuyện của chúng ta.

Ngược thời gian về đại Hadean. Đúng như tên gọi của nó, đây là thời điểm khi Trái đất cực kì nóng bỏng. Nó bắt đầu với một sự kiện hình thành nên Mặt trăng cách nay khoảng 4,53 tỉ năm. Cái gì đã tạo ra Mặt trăng? Lời giải thích phổ biến nhất hiện nay là “lí thuyết va chạm lớn” – thỉnh thoảng được gọi là lí thuyết “miếng ván lưng ghế lớn”.


Quan điểm là một hành tinh khác hình thành tại một trong các điểm Lagrange của quỹ đạo Trái đất. Năm 1772, Joseph Louis Lagrange đã chứng tỏ được rằng nếu bạn có một hành tinh ở trong một quỹ đạo tròn xung quanh Mặt trời, thì một vật thể nhẹ hơn nhiều sẽ quay ổn định xung quanh Mặt trời ở cùng khoảng cách đó nếu nó nằm trước hoặc sau hành tinh 60o. Thật ra có nhiều tiểu hành tinh nằm gần điểm các điểm Lagrange của Mộc tinh, và còn một số nằm tại điểm Lagrange của Hỏa tinh và Hải vương tinh. Không có tiểu hành tinh nào được tìm thấy ở các điểm Lagrange của Trái đất. Nhưng theo lí thuyết va chạm lớn, một hành tinh đã thật sự hình thành tại một trong những điểm này. Khi nó đạt được khối lượng cỡ bằng khối lượng của Hỏa tinh, nó không còn nằm ổn định ở điểm này nữa. Nó từ từ trôi giạt về phía Trái đất, và cuối cùng thì đâm thẳng vào! Cú va chạm này có thể đã hình thành nên Mặt trăng.

Một mô phỏng máy tinh cho thấy sự va chạm giữa Theia và Trái đất. Theo lí thuyết “miếng ván lưng ghế lớn”, Theia là một hành tinh hình thành tại điểm Lagrange của Trái đất. Là kết quả của cú va chạm hành tinh này, Mặt trăng đã ra đời

(Ảnh: Robin Canup, Viện Nghiên cứu Tây Nam)

Thật là một lí thuyết ngoạn mục, nhưng có một trường hợp chắc chắn cho nó, được mô tả đẹp đẽ trong cuốn sách mới đây của nhà văn khoa học Dana Mackenzie, Miếng ván lưng ghế lớn, Hay Mặt trăng của chúng ta đã đến như thế nào. Ví dụ, ma sát thủy triều đang làm cho Mặt trăng dần tiến xa ra khỏi Trái đất. Chúng ta biết nó đang di chuyển ra xa ở tốc độ chừng 3,8 cm mỗi năm. Các lớp trầm tích cổ đại ghi lại vết thủy triều và cho thấy các tháng đã dài hơn ít nhất là kể từ thời kì tiền Cambri. Việc ngoại suy ngược trở lại chúng ta tìm thấy trong đại Hadean Mặt trăng ở rất gần Trái đất. Có thể nào nó bị vứt ra khỏi Trái đất bởi lực li tâm, hoặc là hình thành gần Trái đất ở nơi đầu tiên, hoặc là bị bắt giữ bởi trường hấp dẫn của Trái đất? Toàn bộ những lí thuyết này phải được xem xét, nhưng lí thuyết va chạm lớn dường như phù hợp tốt nhất với số liệu. Người ta xem xét nó một


cách nghiêm túc đến mức hành tinh thủ phạm giả thuyết đã va chạm vào Trái đất còn có một cái tên: Theia. Theo thần thoại Hi Lạp, Theia là vị nữ thần đã khai sinh ra Mặt trăng.

Năm 2004, nhà thiên văn vật lí Robin Canup thuộc Viện Nghiên cứu Tây Nam ở Boulder, Colorado, đã công bố một số chương trình mô phỏng máy tính đáng chú ý của vụ va chạm lớn. Để cho một mặt trăng giống như mặt trăng của chúng ta hình thành – thay vì một mặt trăng quá giàu sắt, hay quá nhỏ, hay không thích hợp ở những khía cạnh khác – bạn cần phải chọn những điều kiện ban đầu thích hợp. Canup tìm thấy tốt nhất là giả sử rằng Theia hơi nặng hơn Hỏa tinh một chút: chừng 10% đến 15% khối lượng của Trái đất. Nó còn phải bắt đầu di chuyển chậm về phía Trái đất, và va chạm với Trái đất ở một góc sớt qua.

Kết quả là một ngày rất tồi tệ. Theia va vào Trái đất và cắt ra một mảng lớn, hình thành một vệt dài đất đã vỡ vụn, tan chảy hoặc bốc hơi uốn thành vòng cung vào trong không gian. Trong vòng một giờ, một nửa bề mặt Trái đất bị nóng đỏ lên, và vệt mảnh vụn kéo dài gần bằng bốn lần bán kính Trái đất trong không gian. Sau ba đến năm giờ, lõi sắt của Theia và phần lớn các mảnh vụn lại rơi trở xuống. Toàn bộ lớp vỏ và lớp bao ngoài của Trái đất bị tan chảy. Tại thời điểm này, một phần tư Theia thật sự bốc hơi hết.

Sau một ngày, vật chất không còn rơi trở xuống hình thành nên một vành mảnh vụn bay xung quanh Trái đất. Nhưng một vành như thế là không bền: trong vòng một thế kỉ, nó sẽ tập hợp lại hình thành nên Mặt trăng mà chúng ta biết đến và yêu thích. Trong khi đó, lõi sắt của Theia co vào tâm của Trái đất.

Lí thuyết va chạm lớn vẫn gây nhiều tranh luận, một phần vì có ít bằng chứng trực tiếp còn sót lại: những tảng đá già nhất được biết trên Trái đất được hình thành gần như nửa tỉ năm sau đó.

Đợt bắn phá muộn nặng nề

Đại Archean bắt đầu với sự hình thành của những tảng đất đá đầu tiên tồn tại cho đến ngày nay. Chuyện này xảy ra khoảng 4 tỉ năm trước. Nhiều tảng đá lửa, đặc biệt là ba-zan, phải hình thành trước thời kì này. Thật ra, các đại dương có lẽ đã hình thành cách nay 4,2 tỉ năm. Nhưng chúng ta không thấy bất kì vết tích nào của địa mạo sơ khai này. Một lí do có thể là sự bắt đầu của đại Archean không phải là một thời điểm hòa bình.

Sau khi Mặt trăng hình thành, Trái đất tiếp tục chịu nhiều cú va chạm. Thật kì lạ, thay vì tần suất đều đặn của chúng theo thời gian, nó có thể bị bắn phá trong một thời kì gọi là đợt bắn phá muộn nặng nề, xảy ra chừng 4 đến 3,8 tỉ năm trước. Rất nhiều miệng hố lớn trên Mặt trăng có niên đại trong thời kì nay, cho nên có khả năng là Trái đất cũng chịu sự va chạm – nhưng ở đây, những miệng hố cũ như thế đã bị mất do hoạt động thời tiết và hoạt động địa chấn. Cho nên, Mặt trăng là chỉ dẫn của chúng ta.

Trong đợt bắn phá muộn nặng nề, Mặt trăng bị bắn phá bởi 1700 thiên thạch tạo ra những miệng hố rộng hơn 100 km. Trái đất có thể dễ dàng nhận nhiều gấp 10 lần những cú va chạm thuộc cỡ này, với một số hố lớn hơn nhiều. Để hình dung ra cường độ của đợt bắn phá túi bụi này, hãy nhớ lại cú va chạm thiên thạch có lẽ đã làm tiệt diệt loài khủng long vào cuối kỉ Phấn trắng cách nay 65 triệu năm. Cú va chạm này để lại một miệng hố rộng 180 km. Những cú va chạm thuộc cỡ này xảy ra như cơm bữa trong thời kì bắn phá muộn nặng nề.


Một mô phỏng máy tính cho thấy những hành tinh nhóm ngoài – Mộc tinh (màu lục), Thổ tinh (màu cam), Thiên vương tinh (màu lam nhạt) và Hải vương tinh (màu lam sậm) – và vành đai Kuiper trước khi có sự cộng hưởng quỹ đạo Mộc tinh/Thổ tinh 2:1 (hình bên trái), trong khi làm tán xạ các vật thể vành đai Kuiper vào trong hệ mặt trời sau sự dịch chuyển quỹ đạo của Hải vương tinh (hình giữa), và sau khi Mộc tinh bắn vọt các vật thể vành đai Kuiper (hình bên

phải). (Ảnh: Mark Wyatt, University of Cambridge)

Tại sao thời kì này dữ dội như vậy? Một lí thuyết cho rằng khoảng thời gian này, Mộc tinh và Thổ tinh di chuyển vào sự cộng hưởng quỹ đạo 2:1 (khi Mộc tinh hoàn thành hai vòng quỹ đạo thì trong thời gian ðó Thổ tinh chỉ hoàn thành một vòng), do đó gây ra một sự chia sẽ to lớn trong sự phân bố ban đầu của các tiểu hành tinh và các vật thể băng giá đang quay xung quanh Mặt trời. Năm 2005, một chương trình hợp tác quốc tế của các nhà vật lí hành tinh, trong đó có Hal Levison đến từ Viện Nghiên cứu Tây Nam – một trong những người thúc đẩy quan điểm rằng Diêm vương tinh là một “hành tinh lùn” – đã công bố một bài báo về một số mô phỏng máy tính hấp dẫn của hệ mặt trời (Nature435 466). Chọn điều kiện ban đầu, họ lấy cả bốn hành tinh khí khổng lồ nằm trong quỹ đạo tròn ở gần nhau hơn vị trí của chúng ngày nay. Do tương tác với các tảng hành tinh, Thổ tinh, Thiên vương tinh và Hải vương tinh đã dần dần di cư ra bên ngoài. Khi Thổ tinh đi tới điểm nơi nó quay xung quanh Mặt trời một vòng trong mỗi hai vòng của Mộc tinh, thì toàn bộ hệ mặt trời phía ngoài bị mất ổn định. Quỹ đạo của Hải vương tinh và Thiên vương tinh trở nên lệch tâm nhiều hơn và chúng ném nhiều tảng hành tinh ra khỏi quỹ đạo ban đầu của chúng. Một số bị kéo giật vào hệ mặt trời phía trong, cái giải thích cho đợt bắn phá muộn nặng nề.

Tai biến oxygen

Người ta tin rằng bề mặt của Trái đất đủ lạnh để hình thành nên một lớp vỏ ngay trước đợt bắn phá muộn nặng nề đó. Trong khi đó, hoạt động núi lửa sẽ giải phóng rất nhiều hơi nước, carbon dioxiode và ammonia. Hoạt động này hình thành nên cái gọi là “khí quyển thứ hai” của Trái đất. “Khí quyển thứ nhất” của Trái đất, chủ yếu gồm hydrogen và helium, đã bị thoát vào trong không gian. Khí quyển thứ hai chủ yếu gồm carbon dioxide và hơi nước, với một phần nitrogen nhưng có khả năng không có nhiều oxygen. Khí quyển thứ hai này có nhiều chất khí hơn gấp 10 lần so với “khí quyển thứ ba” ngày nay.

Khi Trái đất lạnh đi, các đại dương hình thành. Chúng có lẽ đã sôi hết hoàn toàn trong một số cú va chạm lớn nhưng sau đó đã định hình lại. Cuối cùng, phần nhiều carbon dioxide trong khí quyển hòa tan vào trong biển nước. Hoạt động này sau đó làm kết tủa carbonate, từ đó bắt đầu một pha mới trong cái nhà địa chất học Robert Hazen thuộc Viện Carnegie ở Phòng thí nghiệm vật lí địa cầu Washington gọi là “sự tiến hóa khoáng chất”. Đây không phải là sự tiến hóa theo ý nghĩa Darwin luận, mà chỉ là sự đa dạng hóa dần dần của các kháng chất trong lịch sử Trái đất. Năm 2008, một đội các nhà địa chất đứng đầu là Hazen đã ước tính 350 loại khoáng chất có thể tìm thấy trên Trái đất trong đại Hadean. Nhưng khi lịch sử Trái đất tiếp diễn, con số đếm của họ lại tăng lên. Vào


cuối đại Archean, nó đạt tới con số 1500, một phần nhờ sự hình thành của các đại dương – nhưng còn nhờ sự phát triển của sự kiến tạo mảng.

Bước thứ nhất trong hoạt động kiến tạo mảng là sự hình thành “các vùng im lìm”: các mảnh cổ, đan xen chặt chẽ của lớp vỏ và lớp bao của Trái đất, hàng tá trong số đấy còn tồn tại ngày nay. Ví dụ, ở Anh, đông nam xứ Wales và một phần miền tây Anh quốc nằm trong vùng im lìm Midlands. Trong khi đa số các vùng im lìm chỉ hoàn thành việc hình thành cách nay 2,7 tỉ năm, thì gần như toàn bộ đã bắt đầu phát triển sớm hơn. Các vùng im lìm cấu thành phần lớn từ đá lửa như granite, loại đá phức tạp hơn so với ba-zan. Granite hình thành theo nhiều kiểu, ví dụ bằng sự tan chảy trở lại của đá trầm tích. Đá kiểu granite buổi đầu thì có khả năng đơn giản hơn.

Các vùng im lìm khớp lại với nhau hình thành nên những mảng lớn hơn cấu thành nên lớp vỏ của Trái đất ngày nay. Thật vậy, sự kiến tạo mảng mà chúng ta biết đã bắt đầu khoảng 3 tỉ năm trước. Một mặt quan trọng của tiến trình này là hồi phục của lớp vỏ Trái đất qua “sự trừ rút”: các mảng đại dương trượt bên dưới các mảng lục địa và bị đẩy vào lớp bao. Một đặc điểm nữa là hoạt động núi lửa dưới nước, dẫn tới các lỗ thông nhiệt động – những vết nứt trên đáy biển phun trào nước nóng.

Có khả năng là những lỗ thông hơi này giữ một vai trò nào đó trong phần ngoạn mục nhất của tất cả các phát triển thời kì Archean: nguồn gốc của sự sống. Vì Trái đất sơ khai thiếu oxygen tự do, cho nên sự sống đầu tiên phải là kị khí. Ngay cả ngày nay, phần nhiều trong số những vi khuẩn cổ xưa nhất được biết tới, ví dụ như các vi khuẩn tìm thấy trong các lỗ thông hơi nhiệt động, không thể chịu đựng sự có mặt của oxygen. Những sinh vật đó gây ra một chu kì sulphur hoạt động và sự lắng đọng quặng sulphate đã bắt đầu khoảng 3,6 tỉ năm trước. Sau này, chúng đã làm cho khí quyển giàu thêm nhiều khí methane.

Ở một số nơi, các vi khuẩn đã bắt đầu quang hợp và đưa oxygen vào trong khí quyển. Có vẻ như là những cây xanh đầu tiên cần đến khả năng của chúng để quang hợp bằng cách cộng sinh với các vi khuẩn đó. Thật vậy, chất lạp lục trong cây xanh có ADN riêng của chúng.

Không rõ khi nào thì sự quang hợp bắt đầu – ước tính chừng giữa 3,5 và 2,6 tỉ năm trước. Một manh mối có thể - những viên đá gọi là “vật hình thành sắt dải” cấu thành từ những lớp mỏng sắt oxide xen kẽ với đá nghèo sắt – bắt đầu xuất hiện khoảng thời gian này. Chúng có thể đã hình thành khi oxygen từ các sinh vật quang hợp đầu tiên phản ứng với sắt trong nước biển. Chẳng ai biết chắc chắn tại sao những thời kì trầm tích giàu sắt đó lại xuất hiện và đi qua.

Phải mất một thời gian dài cho sự quang hợp có tác động đáng kể lên khí quyển của Trái đất – nhưng khi chúng đã tác động, chừng 2,5 tỉ năm trước, kết quả thật ngoạn mục. Sau hết thảy, oxygen có hoạt tính cao ở dạng khí của nó, và đa số sự sống sơ khai không thể chịu được nó. Cho nên, chương đoạn này trong lịch sử Trái đất được đặt tên là tai biến oxygen. May thay, sự tiến hóa đã tìm thấy một lối ra: ngày nay thì nhiều loài cần đến oxygen.

Tai biến oxygen đánh dấu sự kết thúc của đại Archean và bắt đầu một đại mới, Proterozoic. Những tỉ năm tiếp theo được thống trị bởi cái gọi là “trung đại dương”: nước biển chứa rất nhiều oxygen hơn so với trước đó, nhưng vẫn còn ít hơn nhiều so với ngày nay.

Quả cầu tuyết Trái đất

Bắt đầu khoảng 850 triệu năm trước, một số điều kì diệu đã xảy ra: giai đoạn đóng băng khủng khiếp trong đó phần lớn hay toàn bộ Trái đất phủ đầy băng tuyết. Những người ủng hộ phiên


bản cực đoan của kịch bản này gọi chúng là sự kiện “quả cầu tuyết Trái đất”, còn những người khác thì biện hộ cho một “quả cầu tuyết bẩn”. Vì băng tuyết làm phản xạ ánh sáng mặt trời, làm cho Trái đất càng lúc càng lạnh hơn, cho nên người ta dễ dàng đoán được làm thế nào sự hồi tiếp phi mã như thế có thể xảy ra. Loại hồi tiếp ngược lại hiện đang xảy ra, vì băng tan chảy làm cho Trái đất tối hơn và do đó ngày càng ấm hơn. Những câu hỏi hấp dẫn là tại sao sự mất cân bằng này không đưa Trái đất đến những nhiệt độ cùng cực theo kiểu này hoặc kiểu kia, tại sao các sự kiện quả cầu tuyết Trái đất bắt đầu khi chúng xuất hiện, và tại sao Trái đất không còn băng giá nữa.

Đây là câu trả lời phổ biến hiện nay cho câu hỏi sau cùng. Các tảng băng làm chậm lại sự phong hóa của đá. Sự phong hóa này là một trong những quá trình dài hạn chủ yếu hấp thụ carbon dioxide khí quyển, chuyển hóa thành những khoáng chất carbonate khác nhau. Mặt khác, ngay cả trên một Trái đất phủ băng, thì hoạt động núi lửa sẽ tiếp tục đưa carbon dioxide vào khí quyển. Cho nên, cuối cùng thì carbon dioxide sẽ tích lũy thêm và hiệu ứng nhà kính sẽ làm ấm mọi thứ trở lại. Khi băng tan đi, sự phong hóa sẽ tăng lên và lượng carbon dioxide trong khí quyển giảm trở lại. Tuy nhiên, vòng hồi tiếp này rất chậm. Thật vậy, người ta cho rằng trong pha nóng, đến 13% khí quyển có thể là carbon dioxide – gấp chừng 350 lần so với cái chúng ta thấy ngày nay!

Theo giả thuyết “quả cầu tuyết Trái đất”, cách đây 850 triệu năm, bề mặt hành tinh của chúng ta hoàn toàn băng giá (Ảnh: Simon Terrey/Science Photo Library)

Vào cuối những chu kì băng giá này, người ta tin rằng oxygen đã tăng từ 2% khí quyển lên 15% (Bây giờ nó là 21%). Đây có thể là nguyên do các sinh vật đa bào hít thở oxygen có tuổi từ thời kì này. Những người khác thì cho rằng chu kì “băng khô” gây áp lực tiến hóa dữ dội lên sự sống và dẫn đến sự phát triển của các sinh vật đa bào. Cả hai lí thuyết này đều có thể đúng (Muốn tìm hiểu chi tiết, hãy đọc quyển Quả cầu tuyết Trái đất của Gabrielle Walker).


Sự phát triển của các sinh vật đa bào đánh dấu sự kết thúc của đại Proterozoic và bắt đầu đại hiện nay: Phanerozoic. Đây là phần kết câu chuyện của chúng ta – nhưng tất nhiên lịch sử của Trái đất không dừng lại ở đây.

Chúng ta hiện ở trong kỉ Cenozoic của đại Phanerozoic. Kỉ Holocene chỉ vừa kết thúc và kỉ Anthropocene vừa mới bắt đầu, đặc trưng bởi sự tác động đáng kể của con người lên các hệ sinh thái và khí hậu. Bằng việc phá hủy môi trường tự nhiên, loài người đã đưa vào chuyển động một sự kiện diệt vong có thể xếp ngang hàng với sự kết thúc của kỉ Phấn trắng cách đây 65 triệu năm. Chúng ta còn làm tăng thêm hàm lượng carbon dioxide khí quyển ở tốc độ không thể tin nổi. Nếu nhiệt độ tăng lên thêm một độ, thì nhiệt độ của Trái đất sẽ nóng nhất trong 1,35 triệu năm qua, trước khi chu kì băng hà hiện nay bắt đầu. Chúng ta đang đi về đâu? Chẳng ai biết cả.

Tuy nhiên, nghiên cứu lịch sử của Trái đất sẽ đưa chúng ta vào một tình thế tốt hơn để dự báo. Chúng ta không thể chạy các thí nghiệm để kiểm tra phản ứng của Trái đất với những hàm lượng khác nhau của khí nhà kính. Các mô phỏng máy tính là cần thiết, nhưng bằng chứng từ quả cầu tuyết Trái đất và những tình tiết khác trong quá khứ của Trái đất là những kiểm tra quan trọng cho những mô hình này. Tương tự, việc nghiên cứu các sự kiện diệt vong trong quá khứ, và sự hồi sinh của Trái đất từ chúng, có thể cung cấp các manh mối về tương lai của giới sinh vật trên hành tinh này.

John Baez là nhà vật lí toán tại trường Đại học California, Riverside, Mĩ.

(theo Physics World, số tháng 8/2009)


Địa kĩ thuật hệ khí hậu Từ trước đến nay, địa kĩ thuật vẫn được xem là đề tài cấm kị đối với các nhà khoa học khí hậu. Trong bài viết, Peter Cox và Hazel Jeffery giải thích tại sao lúc này cần phải xem xét vấn đề đó một cách nghiêm túc.

Sự biến đổi khí hậu mà chúng ta đang chịu hiện nay gây ra bởi sự gia tăng lượng khí nhà kính do các hoạt động của con người, đáng kể nhất là việc đốt các nhiên liệu hóa thạch, thâm canh nông nghiệp và tàn phá rừng. Mặc dù sự ấm lên toàn cầu đã có mặt trong tác phẩm khoa học kể từ một bài báo đánh dấu bước ngoặc của nhà vật lí người Thụy Điển, Svante Arrhenius, viết hồi năm 1896, nhưng chỉ đến những thập niên gần đây thì kiến thức khoa học của chúng ta về hệ thống khí hậu mới làm sáng tỏ được rằng một sự ấm lên toàn cầu cao hơn 2oC so với mức thời kì tiền công nghiệp có thể là nguy hiểm và vì thế cần nên tránh.

Các thí dụ công nghệ có thể sử dụng để làm biến đổi các điều kiện khí quyển của Trái đất nhằm làm giảm các tác dụng của sự biến đổi khí hậu. Từ trên xuống: hai loại kính phản xạ mặt trời; một khí cầu gieo mầm cho mây và máy bay thả hơi nước; du thuyền gieo mầm cho mây; các bộ phản xạ mặt trời trên biển và trên đất liền; và bón chất dinh dưỡng cho sinh vật phù du trên biển sinh sôi. (Ảnh: Henning Dalhoff/Bonnier Publications/Science Photo Library)

Trong khi các chất khí nhà kính không chỉ có cacbon đi-ôxit (CO2) mà còn cả mêtan, ni-tơ ôxit, ô-zôn và CFC, thì những cuộc thương thuyết chính trị quốc tế lại tập trung vào nhu cầu cắt


giảm phát thải CO2. Trong thời gian ba tháng, Hội nghị lần thứ 15 của các đảng cầm quyền (CoP15), bộ phận của Hội nghị Liên hiệp quốc về Biến đổi khí hậu ở Copenhagen, sẽ hướng tới thiết lập những mục tiêu liên kết cho sự cắt giảm phát khí thải (cái gọi là bản thỏa ước cắt giảm). Nhưng cho dù sự phát khí thải CO2 toàn cầu được cắt giảm 50% vào năm 2050, thì hiện nay yêu cầu này dường như không đủ để giữ cho sự ấm lên toàn cầu dưới 2oC trong thế kỉ này. Thật vậy, kể từ khi hiệp định Kyoto được đưa ra hồi năm 1997, sự phát khí thải CO2 vẫn tiếp tục leo thang bất chấp những lo ngại ngày càng tăng về sự biến đổi khí hậu. Biết rằng bản thỏa ước cắt giảm hiện nay không đủ hiệu quả để tránh sự biến đổi khí hậu nguy hiểm, vậy chúng ta có nên có một kế hoạch B hay không? Đây là một động cơ thúc đẩy cho địa kĩ thuật, một thuật ngữ mô tả sự can thiệp có cân nhắc và hệ thống khí hậu để chống lại sự ấm lên toàn cầu do con người gây ra. Kĩ thuật này có thể thu được theo hai cách, bằng cách dọn dẹp trực tiếp cacbon đi-ôxit hoặc bằng cách điều khiển bức xạ mặt trời, cái nhắm tới làm nguội hành tinh bằng cách cho phản xạ ánh sáng nhiều hơn vào trong không gian.

Loại trừ cacbon đi-ôxit

Cách tiếp cận dễ thấy nhất để loại trừ CO2 là rừng cây xanh, nhưng cách này tương đối không hiệu quả và yêu cầu những diện tích đất đai lớn. Một đề xuất triệt để hơn là chăm bón đại dương với một chất dinh dưỡng hạn định ví dụ như sắt trong niềm hi vọng tăng cường bồn chứa cacbon đại dương (đối tượng hiện nay hấp thụ khoảng 25% lượng khí thải CO2 do con người). Các thí nghiệm chăm bón đại dương quy mô nhỏ đã tạo ra những bông hoa nhân tạo trôi nổi trên biển qua việc thêm sắt, nhưng điều đáng ngờ là không biết hoạt động này có chuyển thành sự cải thiện lâu dài bể chứa cacbon hay không. Một rủi ro lớn với phương thức tiếp cận này là các dòng hải lưu khiến người ta không thể xử lí khu vực trên đó các hệ sinh vật biển bị biến đổi bởi việc bón chất dinh dưỡng.

Một phương pháp an toàn hơn lọc bỏ cacbon đi-ôxit là bẫy không khí, sử dụng phương pháp chiết tách bằng hóa chất hoặc bằng tác nhân vật lí lọc CO2 ra khỏi không khí và chôn cacbon trong các kho địa chất. Bộ phận trữ của phương pháp này giống với phương pháp bắt và trữ cacbon thông thường, nhắm tới việc loại CO2 ra khỏi các chất khí thải của các nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch. Bẫy không khí trên nguyên tắc có thể thực hiện ở bất kì địa điểm nào, mặc dù nó hữu dụng nhất là ở gần các kho trữ địa chất. Các phương pháp hóa học của bẫy không khí thường đi cùng với phản ứng của cacbon đi-ôxit với natri hyđrôxit để tạo ra natri cacbonat, trong khi phương pháp bẫy vật lí sử dụng các chất nhựa trao đổi ion có khả năng lọc CO2 ra khỏi không khí, sau đó có thể rửa sạch chúng từ các bộ lọc với nước. Có những ưu điểm nổi trội đối với các kĩ thuật bẫy không khí vì chúng loại bỏ được nguyên do chính của sự ấm lên toàn cầu và, không giống như các phương pháp khác, nó mang lại khả năng hạ hàm lượng CO2 xuống dưới mức hiện nay. Tuy nhiên, những kĩ thuật này hiện nay thật tốn kém và còn gặp khó khăn ở chỗ tìm các kho trữ địa chất ổn định thích hợp cho cacbon.

Chắn bớt mặt trời hoặc làm cho hành tinh sáng hơn

Một phương pháp khác lọc loại cacbon đi-ôxit là điều khiển bức xạ mặt trời, bao gồm việc làm giảm lượng ánh sáng mặt trời bị hấp thụ bởi Trái đất như một tổng thể. Nhiệt độ trung bình toàn cầu của hành tinh được xác định bởi sự cân bằng giữa bức xạ mặt trời bị hấp thụ và bức xạ hồng ngoại bị mất bởi Trái đất vào trong không gian. Người ta có thể làm nguội hành tinh bằng cách hoặc tăng lượng bức xạ hồng ngoại bị mất vào trong không gian (như trong các kĩ thuật lọc loại CO2), hoặc giảm lượng bức xạ mặt trời bị hành tinh hấp thụ. Điểu khiển bức xạ mặt trời là hoặc chặn bớt


một phần ánh sáng mặt trời bằng những tấm chắn mặt trời đặt trong không gian, hoặc là tăng độ sáng (hệ số phản xạ) của hành tinh chúng ta.

Một lá chắn mặt trời có diện tích khoảng 3 × 106 km2 đặt cao 1.5 × 103 km phía trên hành tinh chúng ta sẽ là cần thiết để chống lại sự tăng gấp đôi hàm lượng cacbon đi-ôxit trong khí quyển của Trái đất. (Ảnh: Victor Habbick Visions/Science Photo Library)

Có nhiều kĩ thuật khác nhau để làm chủ bức xạ mặt trời đặt trên mặt đất: cái gọi là phương pháp nóc nhà trắng, trong đó những công trình ở của con người, chủ yếu là mái nhà và mặt đường lát, được sơn những chất liệu phản xạ; chọn trồng các loại hoa màu sáng hơn và nuôi động vật chăn thả; và những kế hoạch triệt để hơn còn đề xuất phủ lên các sa mạc những tấm plastic có hệ số phản xạ cao. Lợi ích về mặt khí hậu của những kĩ thuật này thay đổi theo khu vực được cải tạo. Ví dụ, các


phương pháp nóc nhà trắng có tác động tương đối nhỏ lên nhiệt độ trung bình toàn cầu, vì các công trình ở của con người vẫn chỉ chiếm có 2% diện tích đất liền toàn cầu. Mặt khác, sự cải tạo ở quy mô lớn suất phản chiếu của hành tinh có thể mang lại sự nguội đi toàn cầu đủ để bù lại sự ấm lên toàn cầu tính cho tới nay, nhưng những áp lực khẩn cấp khác đặt lên nền sản xuất nông nghiệp có thể khiến cho phương pháp này không khả thi về mặt thực tế. Việc làm các sa mạc sáng hơn lên có thể có tác dụng làm nguội còn lớn hơn, nhưng sự cưỡng ép cục bộ như thế của hệ khí hậu mang lại mối rủi ro là làm thay đổi vòng tuần hoàn khí quyển hết sức quan trọng, ví dụ như gió mùa mang mưa đến cho những phần lớn dân cư của Trái đất.

Những rủi ro tương tự đi cùng với các kĩ thuật trên là làm cho các đám mây sáng lên, vì những kĩ thuật này rõ ràng chỉ hoạt động nơi tồn tại các đám mây. Tuy nhiên, việc cải tạo suất phản chiếu của mây có khả năng là một đòn bẩy lớn đối với khí hậu có thể mang lại sự nguội đi toàn cầu để bù trừ sự gấp đôi hàm lượng cacbon đi-ôxit khí quyển. Đề xuất cải tạo mây tiên tiến nhất là gieo rắc thêm muối biển để cung cấp thêm nhân ngưng tụ mây có thể làm cho những đám mây tích đại dương sáng hơn lên – đây là những đám mây thấp trên các vùng duyên hải và đại dương. Đề xuất cải tạo mây còn tiến xa đến chỗ thiết kế những con tàu tự động phân phối muối biển cho những đám mây tích tầng thấp. Chi phí cho phương pháp này thì không rõ, nhưng chúng có khả năng thấp hơn đáng kể so với phương pháp làm nguội tương tự bằng những kĩ thuật hạ nhiệt thông thường khác.

Một kĩ thuật còn rẻ tiền hơn nữa có thể là bắt chước các tác động lên khí hậu của những đợt phun trào núi lửa quan trọng bằng cách bơm các hạt nhỏ li ti hay "aerosol" vào tầng bình lưu của Trái đất (khí quyển tầng trên). Những hạt aerosol này sẽ phản xạ ánh sáng mặt trời giống hệt như chúng đã làm sau đợt phun trào của núi lửa Pinatubo hồi năm 1991, dẫn đến sự nguội đi toàn cầu chừng 0,5oC. Các ý tưởng thuộc loại này có khả năng xuất phát từ nhà vật lí người Nga Mikhail Budyko vào những năm 1970, người đề xuất sử dụng sunphua làm cơ sở cho aerosol tầng bình lưu như trong trường hợp núi lửa phun. Khái niệm địa kĩ thuật thông qua các hạt aerosol tầng bình lưu sau đó được theo đuổi vào những năm 1990 bởi nhà vật lí và là người phát minh ra bom H, Edward Teller, người đã dự tính tới các hạt phản xạ phức tạp hơn. Nhưng việc bàn tới các đề xuất địa kĩ thuật vẫn là thứ cấm kị trong số các nhà khoa học khí hậu chính thống mãi cho đến năm 2006, khi nhà hóa học đoạt giải Nobel Paul Crutzen đánh giá lại lợi ích của việc bơm sunphua vào tầng bình lưu bắt chước các tác động lên khí hậu của đợt phun trào núi lửa Pinatubo. Các e ngại còn lại là những sự không chắc chắn ở phản ứng vùng của lượng mưa đối với sự kết hợp của việc lọc loại CO2 và làm giảm ánh sáng mặt trời, và ở tác động tiềm tàng của việc thêm aeosol đối với sự hồi phục của lỗ thủng tầng ô-zôn. Tuy nhiên, chi phí theo ước tính của việc duy trì một tấm chắn aerosol sunphat, có khả năng nhất là thông qua một số máy bay tầm cao chuyên dụng, rẻ hơn đáng kể so với chi phí thỏa ước cắt giảm đến hàng trăm hay hàng nghìn lần. Vì những lí do đó, các kĩ thuật aerosol tầng bình lưu được nhiều người xem là giải pháp thay thế hứa hẹn nhất cho thỏa ước cắt giảm.

Mang tính khoa học viễn tưởng nhất trong số các kĩ thuật điều khiển bức xạ mặt trời ở trên là việc đặt những lá chắn mặt trời giữa Mặt trời và Trái đất. Vị trí đặt tấm chắn triển vọng nhất hình như là tại điểm Lagrange L1, nơi cách Trái đất khoảng 1.5 × 106 km về phía Mặt trời, tại đó lực hút hấp dẫn của hai thiên thể triệt tiêu nhau. Tại điểm này, những tấm chắn khoảng chừng 3 × 106 km2 sẽ là cần thiết để chống lại sự tăng gấp đôi lượng CO2. Có những thách thức ghê gớm đi cùng với việc thiết kế và sản xuất các chất liệu nhẹ, bền có thể dùng cho các tấm chắn mặt trời, nhưng sự tốn kém lâu dài có thể đi cùng với việc phóng các bộ phận của tấm chắn cũng như việc sửa chữa và thay thế định kì của chúng. Cho dù một phương pháp địa kĩ thuật như vậy tỏ ra khả thi về mặt công nghệ và


kinh tế, thì vẫn còn đó những vấn đề chính sách quốc tế cần phải dàn xếp trước khi triển khai được. Những vấn đề ấy cũng phổ biến đối với những kĩ thuật quy mô lớn khác, ví dụ như cải tạo suất phản chiếu của sa mạc, cải tạo suất phản chiếu mây và bơm aerosol tầng bình lưu, tất cả những kĩ thuật này đều làm nguội khí hậu toàn cầu nhưng sẽ không bù đắp được những biến đổi khí hậu vùng miền và có khả năng còn làm trầm trọng thêm sự biến đổi khí hậu ở một số nơi. Ngoài ra, các kĩ thuật xây dựng trên việc điều khiển bức xạ mặt trời rõ ràng không giải quyết được những tác dụng không chắc chắn của sự axit hóa đại dương do CO2 tăng thêm.

Bớt cấm kị

Theo Stern Riview, xuất bản hồi năm 2006 và là một trong những tư liệu có sức ảnh hưởng nhất về tính kinh tế của sự biến đổi khí hậu, việc sử dụng thỏa ước cắt giảm để tránh một sự ấm lên toàn cầu có khả năng nguy hiểm cỡ 2oC là tiêu tốn tới 1% tổng GDP toàn cầu, khoảng chừng 350 tỉ đôla mỗi năm ở thời giá hiện nay. Con số trên tổng kết tiềm năng của các đề xuất địa kĩ thuật khác nhau xây dựng trên một bản đánh giá do Hội Hoàng gia Anh công bố trong tháng này. Ngoài ra, nó còn so sánh từng kĩ thuật với thỏa ước cắt giảm, vì đây là giải pháp rõ ràng nhất đối với sự ấm lên toàn cầu và nó nằm tại trọng tâm của những cuộc đàm phán khí hậu quốc tế.

So sánh giá thành theo lợi ích của các đề xuất địa kĩ thuật với thỏa ước biến đổi khí hậu. Những rủi ro đi cùng với những đề xuất này được biểu thị là thấp (màu xanh), trung bình (màu vàng) và cao (màu đỏ). Lựa chọn thay thế an toàn nhất đối với thỏa ước cắt giảm là bẫy cacbon đi-ôxit không khí, nhưng giải pháp bơm aerosol tầng bình lưu có tỉ số lợi ích trên giá thành cao nhất.


Các giải pháp địa kĩ thuật thay thế có thể ước định dựa trên chi phí thường niên, lợi ích thu được tính theo độ giảm nhiệt độ trung bình toàn cầu và những rủi ro đi cùng với từng kĩ thuật một. Những yếu tố này được trình bày dưới dạng giản đồ trong hình trên. Trong khi một số phương pháp, ví dụ như bón phân đại dương hoặc kĩ thuật nóc nhà trắng, có thể bị bác bỏ vì chúng không có khả năng có lợi ích khí hậu toàn cầu đáng kể, thì đa số đề xuất địa kĩ thuật dường như rẻ tiền so với thỏa ước cắt giảm. Quan trọng hơn, nhiều phương pháp có lợi ích khí hậu tính trên chi phí thường niên cao hơn so với thỏa ước cắt giảm (tức là chúng nằm phía trên đường đứt nét).

Tỉ số lợi ích trên giá thành dường như là lớn nhất đối với giải pháp bơm aerosol tầng bình lưu, mặc dù phương pháp này mang lại rủi ro là làm biến đổi khí hậu vùng miền và làm chậm sự hồi phục của lỗ thủng tầng ô-zôn. Ngoài ra, các kĩ thuật hiệu quả cao đối với việc làm chủ bức xạ mặt trời ví dụ như bơm aerosol sunphua mang lại cái đôi khi gọi là “rủi ro chết người”, nghĩa là rủi ro của việc ấm lên toàn cầu một cách đột ngột nếu như phương pháp địa kĩ thuật đó không thành công. Mặt đối lập của rủi ro chết người này là những phương pháp như thế có thể cho dừng lại có cân nhắc nếu xuất hiện những hệ quả không như dự tính.

Lựa chọn an toàn nhất cho thỏa ước cắt giảm là bẫy CO2 không khí, loại bỏ nguyên do chủ yếu của sự ấm lên toàn cầu và do đó tránh được những rủi ro đi cùng với sự biến đổi vùng miền chết người và sự axit hóa đại dương. Tuy nhiên, hiện nay, bẫy không khí dường như tương đối tốn kém so với thỏa ước cắt giảm và rất đắt tiền so với các kĩ thuật quy mô lớn nhằm làm chủ bức xạ mặt trời.

Nguyên do chính khiến ít có sự tranh luận về địa kĩ thuật giữa các nhà khoa học khí hậu là người ta e ngại rằng một cuộc tranh luận như thế sẽ ngụ ý một lựa chọn khác để làm giảm trách nhiệm phát thải cacbon của con người. Trong trường hợp tệ hơn, điều này có thể làm chậm tiến trình đàm phán khí hậu quốc tế. Nhưng hiện nay có cảm giác đang tăng lên là thời gian đã nâng điều cấm kị địa kĩ thuật đến chỗ những nghiên cứu khoa học thích hợp có thể được thực hiện trước khi có bất kì sự thực thi quy mô lớn có khả năng gây nguy hại nào lên hệ khí hậu, như bản báo cáo trong tháng này của Hội Hoàng gia Anh nêu bật. Ưu tiên nghiên cứu lúc này sẽ là việc đánh giá tác động của các kĩ thuật làm chủ bức xạ mặt trời lên khí hậu vùng miền, sử dụng các mô hình khí hậu và những cái tương tự như các đợt phun trào núi lửa từ quá khứ của Trái đất, và sự phát triển ngày càng nhanh của các kĩ thuật bẫy không khí, bao gồm cả ngành khoa học vật liệu hết sức tinh vi. Đối với các nhà khoa học muốn cứu lấy hành tinh, thì không có lĩnh vực nghiên cứu nào có sức cuốn hút hơn là địa kĩ thuật.

Tóm tắt

• Ngày nay, dường như việc nghiêm khắc cắt giảm 50% lượng khí thải cacbon đi-ôxit vào năm 2050 là không đủ để ngăn cản sự ấm lên toàn cầu nguy hiểm.

• Địa kĩ thuật mang lại một giải pháp thay thế nhằm cắt giảm phát thải cacbon đi-ôxit, mặc dù cần có thêm nhiều nghiên cứu được thực hiện để xác thực tính hiệu quả và rủi ro đi cùng với những sự can thiệp quy mô lớn lên hệ khí hậu.

• Có hai loại đề xuất địa kĩ thuật: lọc loại cacbon đi-ôxit trực tiếp và làm chủ bức xạ mặt trời. • Nhiều đề xuất địa kĩ thuật có tỉ số lợi ích khí hậu trên giá thành thường niên cao hơn thỏa ước

cắt giảm.


Peter Cox là giáo sư động lực học hệ khí hậu tại trường Đại học Exeter, Anh, và Hazel Jeffery là trưởng ban điều hành chiến lược tại Trung tâm Nghiên cứu Môi trường Tự nhiên của Anh. Bài báo này ra mắt trong bản báo cáo Địa kĩ thuật Hệ khí hậu của Hội Hoàng gia Anh, công bố trong tháng này, nhưng các quan điểm thể hiện ở đây là của các tác giả.


Các công thức chế biến hành tinh

Các quan trắc về những hành tinh ngoại đang định hình quan niệm của chúng ta về cách thức các hệ hành tinh hình thành và tiến hóa. Michael R Meyer mô tả cái đang xào nấu ở đâu đó trong thiên hà của chúng ta – và cả ngoài thiên hà nữa.

Các thế giới đất đá, kiểu địa cầu giống như các hành tinh nhóm trong trong hệ mặt trời của chúng ta có thể vừa phong phú, vừa đa dạng trong phần còn lại của vũ trụ, như các minh họa ấn tượng ở đây. (Ảnh: NASA/JPL-Caltech)

Ai từng sử dụng soda thay cho bột nổi khi làm bánh đều biết một sự thật đơn giản: công thức pha chế là cả một vấn đề. Điều đó cũng đúng đối với sự hình thành hành tinh. Các hành tinh cấu thành từ những chất liệu kết tập trong một đĩa quay tròn xung quanh những ngôi sao trẻ - về cơ bản “phần thừa còn lại” khi bản thân các ngôi sao hình thành qua sự co sập hấp dẫn của đám mây khí và bụi đang quay tròn. Do đó, cái đĩa sinh ra hành tinh ấy ban đầu phải có tỉ số khí-trên-bụi bằng với môi trường giữa các sao: khoảng chừng 100 trên 1, tính theo khối lượng. Tương tự, có vẻ thật hợp lí là thành phần cơ bản của cái đĩa ấy phải phù hợp với thành phần cơ bản của ngôi sao, phản ánh các điều kiện ban đầu lại nơi đặc biệt đó trong thiên hà.

Nhưng chúng ta thấy một sự đa dạng lớn ở thành phần hóa học của các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta, là hàm của cả khối lượng hành tinh và khoảng cách tính từ Mặt trời ra (hai biến tự chúng không hoàn toàn độc lập nhau). Hãy xét hệ mặt trời nhóm trong, nơi là vương quốc của các hành tinh “đất đá” – Hỏa tinh, Trái đất, Kim tinh và Thủy tinh. Trong chừng mực chúng ta có thể


nói, Kim tinh, Trái đất, Hỏa tinh và những vật thể bố mẹ của những thiên thạch đá rơi xuống Trái đất đều có một thành phần giống nhau. Thủy tinh là một kẻ lập dị với thành phần giàu sắt và nghèo silicate một cách dị thường: người ta nghĩ nó là lõi của một hành tinh đã mất lớp bao và lớp vỏ ngoài trong một cuộc chạm trán giàu năng lượng với một tiền hành tinh khác. Nhưng cả những hành tinh đất đá kia cũng biểu hiện những khác biệt kì lạ ở tỉ số của những nguyên tố nhất định so với Mặt trời. Tỉ số cacbon trên silicon trên Trái đất, chẳng hạn, là nhỏ hơn so với trên Mặt trời đến 20 lần. Những khác biệt ấy có thể mang lại những manh mối quan trọng về sự hình thành hệ mặt trời của chúng ta.

Mộc tinh và Thổ tinh thì ở xa bên ngoài, lần lượt quay ở bán kính bằng 5 và 10 lần khoảng cách trung bình giữa Trái đất và Mặt trời (một đơn vị thiên văn, hay AU). Chúng cũng khác hoàn toàn với những anh em đất đá của chúng. Giống như Mặt trời, những hành tinh “khí khổng lồ” này chủ yếu là hydrogen và helium. Tuy nhiên, các phép đo phức tạp của trường hấp dẫn của Mộc tinh, suy luận từ phi thuyền bay trên quỹ đạo, cho thấy nó chứa hơn 30 khối lượng Trái đất các nguyên tố nặng hơn helium. Điều này có nghĩa là Mộc tinh – hành tinh lớn nhất của hệ mặt trời nặng khoảng 318 lần Trái đất – giàu hơn Mặt trời ở những nguyên tố này đến 3 lần. Điều tương tự cũng đúng đối với Thổ tinh.

Bên ngoài Thổ tinh trong hệ mặt trời nhóm ngoài là Thiên vương tinh và Hải vương tinh. Những cái gọi là những kẻ khổng lồ băng giá này hình thành ở bán kính tại đó người ta cho rằng cacbon, nitrogen và oxygen đều ngưng tu từ pha khí để hình thành nên băng ở thể rắn. Hai hành tinh xa xôi này cấu thành từ hydrogen và helium ở tỉ lệ đại khái bằng ới các nguyên tố nặng. Điều này cho thấy lõi của chúng được tạo ra ngay sau khi đĩa khí từ đó Mộc tinh và Thổ tinh hình thành bay hơi ra phía ngoài. Sự kiện này được cho là xảy ra lúc hơn 10 triệu năm sau khi sự cô đặc tiền sao đầu tiên hình thành từ đám mây phân tử đang quay tròn, đang co lại để trở thành Mặt trời.

Các nhà thiên văn có thể thu được nhiều manh mối khác cho sự hình thành và tiến hóa của hệ mặt trời từ việc nghiên cứu thành phần của các vệ tinh hành tinh, các hành tin lùn trong vành đai Kuiper nằm ngoài Hải vương tinh, các sao chổi, những mảnh vụn khác, và chính bản thân Mặt trời. Nhưng suốt thập niên vừa qua, chúng ta cũng đã bắt đầu học được thêm nhiều điều về các hành tinh nằm ngoài hệ mặt trời của chúng ta, đang quay xung quanh những ngôi sao vừa giống như Mặt trời vừa kì lạ (Xem bài “Đi tìm những thế giới mới” của Alan Boss, Physics World tháng 3/2009). Điều này có nghĩa là lần đầu tiên chúng ta đã có thể nghiên cứu các hệ hành tinh tiến hóa độc lập với hệ hành tinh của chúng ta. Cái chúng ta đang tìm kiếm là ở trong gian bếp này, các thành phần pha chế cho những loại bánh khác nhau được giữ riêng biệt, và mang lại những loại bánh có hương vị rất khác nhau.

Quyển sách ‘nữ công gia chánh’ hành tinh

Mặc dù quyển Thú vui bếp núc với các hành tinh cho đến nay vẫn chưa được viết xong, nhưng chúng ta thật sự có một số gợi ý từ các “bếp trưởng” làm bếp hành tinh thuộc ngân hà. Công thức cổ điển làm món hành tinh có thể đọc ra như sau.

Bắt đầu với một đĩa khí và bụi, ban đầu chừng 10-20% khối lượng của ngôi sao trẻ. Cái đĩa sẽ nóng nhất ở bán kính nhỏ (vài lần bán kính của ngôi sao) và lạnh nhất ở bán kính lớn nhất (thường hơn 10 AU) do các tác dụng kết hợp của sự giải phóng thế năng hấp dẫn và sự chiếu xạ giữa các sao.


Ở gần ngôi sao, cái đĩa sẽ chỉ có chất khí, vì các hạt bụi sẽ thăng hoa. Rìa bên trong của vùng chỉ có chất khí này đi vào tương tác với ngôi sao trẻ, vì áp suất từ của lưỡng cực sao cạnh tranh với áp suất khí đang cố rơi lên ngôi sao. Bên ngoài vùng này, khí và bụi sẽ trộn lẫn với nhau. Mật độ khối lượng mặt trong đĩa (đo bằng cách lấy tích phân dọc theo chiều dày của đĩa) có khả năng sẽ lớn nhất tại rìa của vòng bên trong và sẽ giảm nhẹ theo bán kính tăng dần.

Nếu cái đĩa đủ nặng, bạn có thể quan sát thấy các sóng mật độ xoắn ốc đang phát triển, không hẳn không giống như các xoắn trông thấy ở những thiên hà có những cánh tay xoắn ốc rõ rệt. Đừng lo lắng gì cả. Điều này thật ra có thể giúp thu thập các hạt chất rắn cần thiết để hình thành nên những mảng hành tinh lớn, hay thậm chí lõi của những hành tinh khổng lồ, như mô tả dưới đây.

Ảnh giản đồ của đĩa tiền hành tinh đang quay xung quanh một ngôi sao trẻ thể hiện những vùng khác nhau, nơi các hành tinh có thể hình thành. Ở bán kính nhỏ nhất (< 0,05 AU), khoảng trống hình thành trong đĩa đang quay tròn do các tương tác từ với ngôi sao trẻ. Đĩa bên trong (0,05 < r < 0,1 AU) gồm chủ yếu là chất khí vì nhiệt độ ở những bán kính này làm cho các hạt bụi bị thăng hoa. Nằm ngoài vùng này là phần đĩa ngoài, nơi bụi và khí trộn lẫn vào nhau. Các chất bồi tụ sền sệt trong đĩa ở bán kính lên tới 1 AU. Ở ngoài nữa, sự bồi tụ chỉ có thể xảy ra trong một lớp mặt, để lại một “vùng chết” ở phía trong của đĩa. Đường băng tuyến, nơi cacbon, nitrogen và oxygen ngưng tụ, nằm ngoài 3 AU. Ảnh: C P Dullemond, 2001 ApJ 560 957)

Tiếp theo, xảy ra chuyển động khuấy hỗn loạn khi hệ trải qua sự bồi tụ sền sệt. Cơ chế mang lại sự nhớt cần thiết không hoàn toàn rõ ràng. Tuy nhiên, nếu cái đĩa bị ion hóa đủ mức, thì lí thuyết cho thấy một sự mất cân bằng cố hữu trong các đĩa Kepler của chất khí dẫn – gọi là sự mất cân bằng magneto-quay (MRI) – có thể tạo ra sự xáo trộn cần thiết. Nếu cái đĩa dày về mặt quang tính (như đa số như thế khi bạn bắt đầu), thì một “vùng chết” có thể hình thành trong mặt phẳng giữa của đĩa từ chưa tới 1 AU cho đến hơn 190 Au, nơi MRI không thể hoạt động do sự ion hóa thấp. Tuy nhiên, bề mặt đĩa phải bị ion hóa đủ mức để cho phép sự bồi tụ sền sệt: đa số chất liệu chuyển động vào trong hướng về phía ngôi sao trong khi một số chất liệu chuyển động ra phía ngoài, làm bảo toàn xung lượng góc. Trong suốt quá trình pha trộn này, các hạt bụi nhỏ va chạm và dính vào nhau, hình thành nên những vật thể lớn hơn theo thời gian. Khi điều này xảy ra, cái đĩa sẽ trở nên kém trong suốt hơn, vì các hạt lớn có tỉ số khối lượng trên diện tích bề mặt lớn hơn so với các hạt nhỏ.


Một khi các vật thể nhỏ đạt tới 1m đường kính, chúng có thể bị đẩy vào ngôi sao ở giữa qua một hiện tượng gọi là “lưỡi kéo chất khí”. Hiện tượng này xảy ra vì chất khí ở trong đĩa một phần được nương đỡ bởi áp suất chất khí, cho nên nó quay tròn chậm hơn so với các tảng đá cuội lân cận. Vì thế, những tảng đá này cảm thấy một “cơn gió ngược” từ phía chất khí, làm mất xung lượng góc và xoắn ốc về phía một điểm chết nảy lửa ở gần ngôi sao. Nếu quá nhiều vật chất rắn bị mất, thì bạn sẽ không thể làm ra hành tinh của mình. Kiểu pha bột này không dành cho những người yếu bóng vía!

Nhưng ít nhất cũng có một cách tránh được vấn đề trên. Ken Rice thuộc trường Đại học Edinburgh ở Anh, Anders Johansen thuộc trường Đại học Leiden ở Hà Lan, và các nhà khoa học hành tinh khác, đã đề xuất rằng các bếp trưởng hành tinh có thể sử dụng lưỡi kéo chất khí làm lợi thế của mình. Hễ nơi nào có sự tăng cường mật độ trong chất khí, các nhà nghiên cứu đề xuất, thì các hạt rắn cũng sẽ có xu hướng tập trung lại. Và bên trong những vùng đậm đặc hơn này của đĩa vật chất, những vật thể lớn hơn có thể được tạo ra thông qua các va chạm ở tốc độ nhanh hơn nhiều so với tốc độ chúng bị thất thoát do lưỡi kéo chất khí.

Nếu quá trình này thành công, nó sẽ để lại một vài vật thể lớn chừng 100 km đường kính sẵn sàng cho việc nhào nặn tiền hành tinh. Sự kết tập hấp dẫn, trong đó quỹ đạo của các hạt nhỏ bị nhiễu loạn đáng kể bởi sự chạm trán với những vật thể lớn hơn, có thể làm tăng tốc quá trình này, dẫn đến sự tăng trưởng phi mã trong đó các vật thể to ngày một to hơn. Nhưng một khi các tiền hành tinh đã lớn hơn Mặt trăng, thì còn có một vấn đề nữa: sự kết hợp của mômen quay và cộng hưởng giữa các tiền hành tinh đá và chất khí còn lại có thể đẩy và hút phôi mầm hành tinh vào một quỹ đạo xoắn ốc hướng vào trong, một hiện tượng gọi là sự di trú loại I. Điều này có thể mang lại sự thất thoát thêm chất liệu rắn cần thiết vì nó rơi vào bên trong ngôi sao trẻ. Tuy nhiên, nếu phần đĩa bên trong có thể duy trì sự xáo trộn MRI cảm ứng, thì Richard Nelson ở trường Đại học Nữ hoàng Mary ở London đề xuất rằng sự tăng mật độ cục bộ có thể tạo ra một hiệu ứng “bắn bi”, làm tán xạ các tiền hành tinh ra xung quanh và làm chậm dần sự mất mát chất liệu rắn. Điều này còn có thể dẫn đến sự va vào nhau của các vật thể cỡ mặt trăng tại nơi chuyển tiếp giữa vùng bồi tụ mạnh và vùng chết của đĩa vật chất.

Đường băng tuyến, nơi các nguyên tốt nặng quan trọng đặc lại thành băng, là một nơi nữa để tìm kiếm dấu hiệu của sự hình thành hành tinh sơ khai. Nếu toàn cacbon, nitrogen và oxygen trong vùng ấy chuyển từ thể khí sang pha rắn, thì mật độ mặt của các chất rắn (bụi cộng với băng) trong đĩa sẽ tăng gấp bốn lần, do đó đẩy mạnh sự hình thành của các lõi hành tinh khổng lồ. Cuối cùng, vùng này sẽ để lại một số lượng nhỏ các tiền hành tinh “đầu sỏ” lớn, thành phần của chúng sẽ tùy thuộc vào các điều kiện địa phương của từng vùng trong đĩa. Đây là những viên gạch cấu trúc cho sự hình thành hành tinh khác nữa. Trong hệ mặt trời phía trong, những vật thể này sẽ có khối lượng nhỏ hơn khối lượng của Hỏa tinh, dẫn đến sự hình thành sau rốt của các hành tinh cỡ Trái đất trong hàng chục triệu năm. Tuy nhiên, các tiền hành tinh trong đĩa bên ngoài có thể lớn như Trái đất.


Nghệ thuật xào nấu cao cấp

Bốn chiếc kính thiên văn quang học/hồng ngoại 8,2 m tạo nên trận địa Kính thiên văn Rất lớn tại Đài thiên văn Paranal, Chile, có thể phân biệt những vật thể 4 tỉ lần mờ hơn so với cái mắt trần có thể trông thấy. Ảnh: ESO

Tuy nhiên, những tiền hành tinh đang hình thành chỉ là bước đầu tiên. Nếu bạn muốn hình thành một hành tinh khí khổng lồ, bạn cần phải xây dựng một cái lõi cỡ chừng 1-10 khối lượng Trái đất trước khi đĩa khí biến mất. Từ 0,1 đến 10 triệu năm sau khi cái đĩa trên hình thành, mật độ khối lượng mặt của nó sản xuất giảm vì vật chất bị mất vào ngôi sao ở giữa, và vì bán kính ngoài của đĩa tăng lên do vật chất phân tán ra để bảo toàn xung lượng góc. Đồng thời, bức xạ tử ngoại năng lượng cao và tia X phát ra ngôi sao trẻ có thể làm phân li các phân tử và ion hóa các nguyên tử, chúng có thể giải phóng một số vật chất có động năng đủ mức để thoát ra khỏi hệ hoàn toàn. Quá trình này được gọi là quang bay hơi. Các quan sát cho thấy cái đĩa khí thường sẽ biến mất trong vòng 10 triệu năm – cho nên cánh cửa cho sự hình thành các hành tinh giàu chất khí khá ngắn ngủi xét theo các tiêu chuẩn thiên văn.

Tuy nhiên, nếu bạn có thể tạo ra phần lõi của hành tinh khí khổng lồ của bạn đủ nhanh, thì bạn có thể kích hoạt sự bồi tụ nhanh của chất khí, dẫn tới sự hình thành một hành tinh khổng lồ. Nhưng ngay cả khi đó, hành tinh khí khổng lồ của bạn có thể vẫn không an toàn! Hành tinh ấy có thể bị kéo lê theo đĩa bồi tụ sền sệt kia theo mộ kiểu quá trình di cư khác, gọi là di cư loại II. Nếu điều này xảy ra, hành tinh của bạn có thể đi đến “đỗ lại” trong phần đĩa ở sâu bên trong (giống như cái gọi là Mộc tinh nóng người ta tìm thấy ở rất gần ngôi sao chủ của chúng) hoặc thậm chí bị đẩy vào chính ngôi sao trẻ ấy.

Toàn bộ những hoạt động mạnh mẽ và năng động này có tác động nổi bật lên hóa học của cái đĩa và do đó lên thành phần của các hành tinh hình thành ở bất cứ chỗ đặc biệt nào. Hans Peter Gail ở trường Đại học Heidelberg và các cộng sự đã tính toán được rằng ở nhiệt độ trên 800 K, các phân tử hydroxide giúp chuyển hóa các chất rắn giàu cacbon thành những dạng khác, làm giảm thành phần cacbon của chúng trong quá trình trên. Các nguyên tử cacbon “tự do” này nhanh chóng phản ứng với đĩa khí giàu oxygen, hình thành nên cacbon monoxide.


Phân tử khí này có thể hoặc là bồi tụ lên ngôi sao trẻ, hoặc là quang bay hơi ra bên ngoài. Cho dù xảy ra trường hợp nào thì hàm lượng cacbon trong khối rắn hình thành nên hành tinh đều giảm, điều này có thể giải thích vì sao tỉ số cacbon-trên-silicon của các hành tinh đất đá quá khác so với tỉ số đó tìm thấy ở Mặt trời. Nhưng việc định lượng độ lớn của bí ẩn này yêu cầu chúng ta phải biết sự đa dạng nguyên tố trên Mặt trời với độ chính xác cao, và những kết quả này hiện đang tràn ngập, thấu hiểu bởi các mô hình mới của phổ mặt trời do Martin Asplund thuộc Viện Thiên văn Vật lí Max Planck ở Đức và các cộng sự phát triển.

Về nguyên tắc, việc hình thành một hành tinh cỡ Trái đất qua các va chạm sẽ dễ hơn nhiều so với hình thành một hành tinh khí khổng lồ (cái đòi hòi hình thành nên lõi hành tinh trước khi chất khí biến mất), cho bạn khả năng giải bài toán chất khí kéo theo và sự di trú loại I của các chất rắn. Theo các mô hình của John Chambers tại Viện Carnegie ở Washington, Scott Kenyon thuộc Trung tâm Thiên văn Vật lí Harvard-Smithsonian và những người khác, thì sẽ mất khoảng đâu đó chừng 10 đến 100 triệu năm để hình thành ên một hành tinh với khối lượng cỡ Trái đất ở bán kính chưa tới 3 AU. Nếu quá trình này tỏ ra phổ biến, thì nó sẽ dẫn đến sự dồi dào các hành tinh đất đá trong thiên hà – chứ chưa nói tới toàn thể vũ trụ.

Cuối cùng, trong khi dường như khá dễ tạo ra các hành tinh “siêu Trái đất” với khối lượng lớn hơn Trái đất vài lần – những hành tinh như thế đã được quan sát thấy đang quay xung quanh chừng 30% các ngôi sao trong chương trình kháoats HARPS do Đài thiên văn Geneva đứng đầu – thì có thể có một “khe trống khối lượng” khiến khó hình thành những hành tinh nhẹ hơn Thổ tinh nhưng nặng hơn Hải vương tinh. Một khe trống như thế đã được tiên đoán trong các mô hình của Shigeru Ida thuộc trường Đại học Tokyo, Doug Lin thuộc trường Đại học California, Santa Cruz, cũng như Willy Benz ở trường Đại học Bern và các đồng sự. Chúng ta vẫn thiếu một công thức có sức thuyết phục cho sự hình thành những hành tinh băng giá khổng lồ trong hệ mặt trời của chúng ta.

Nhìn ra bên ngoài

May thay, những quan sát mới về các hành tinh ngoại đang diễn ra ngày một nhanh chóng và dồn dập. Càng lúc chúng ta càng học được nhiều điều về thành phần của chúng - và, trong một vài trường hợp, cả cấu trúc hệ hành tinh của chúng. Hành tinh ngoại đầu tiên được tìm thấy đang quay xung quanh một ngôi sao giống như Mặt trời được phát hiện ra vào giữa thập niên 1990, bởi Michel Mayor ở Đài thiên văn Geneva và các cộng sự, họ đã sàng lọc qua quang phổ sao nhằm tìm kiếm sự dịch chuyển Doppler trong các vạch phổ hấp thụ của các nguyên tử và phân tử. Những dịch chuyển ấy có thể phát sinh do chuyển động lắc lư của ngôi sao phản ứng với lực hút hấp dẫn của một hành tinh ở gần. Sử dụng kĩ thuật này, các nhà nghiên cứu tìm thấy ngôi sao 51 Pegasi có một hành tinh đồng hành cỡ Mộc tinh nằm tại một bán kính quỹ đạo đưa nó tiến gần ngôi sao của nó hơn với Thủy tinh trong hệ Mặt trời.

Kể từ đó, hàng trăm hành tinh ngoại đã được phát hiện ra bởi các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới, sử dụng kĩ thuật “vận tốc hướng tâm” (RV) này, nhiều hành tinh trong các hệ đa hành tinh thỉnh thoảng nằm trong quỹ đạo cộng hưởng với nhau. Biết được chu kì quỹ đạo và vận tốc cực đại quan sát thấy đối với một hệ, người ta có thể suy luận ra khối lượng của hành tinh (giả sử đã biết khối lượng của ngôi sao). Thường thì độ nghiêng chưa rõ của quỹ đạo mang đến một số thứ nhập nhằng, vì vận tốc quan sát thấy chỉ là thành phần chuyển động chiếu lên đường nhìn.


Đối với các hệ sao-hành tinh xuất hiện trước tầm nhìn gần như ngay mép rìa từ phía Trái đất, tính không rõ ràng trục nghiêng này không còn. Quan trọng hơn, trong những hệ như vậy, các nhà thiên văn có thể quan sát phần đĩa không trong suốt của hành tinh khi nó đi qua phía trước bề mặt phát sáng của ngôi sao. Những quan trắc chính xác của những lần đi qua này cho phép các nhà thiên văn đo được bán kính tương đối của hành tinh và ngôi sao, đồng thời các biến thiên khoảng thời gian trong thời kì đó có thể tiết lộ các nhiễu loạn quỹ đạo báo hiệu sự có mặt của những hành tinh khác. Biết khối lượng của hành tinh từ các quan sát vận tốc và bán kính từ những sự đi qua ấy, người ta có thể suy ra mật độ khối của hành tinh. Phạm vi quan sát tính cho đến nay thật đáng ngạc nhiên, biến thiên hơn 20 lần, cho thấy các hệ hành tinh hình thành, cũng như tiến hóa, theo những cách khác nhau. Trong xưởng bánh mì thiên hà, bạn có thể tìm thấy mọi thứ từ các hành tinh “thiên sứ” kiểu như TrES 3 nổi trong nước cho dến các hành tinh “bánh trái cây” đặc sẽ chìm trong nước giống như đá (ví dụ COROT 7b).

Một kĩ thuật nữa dùng trong mô tả đặc trưng các hành tinh ngoài hệ mặt trời được phát triển tiên phong bởi các nhà khoa học nghiên cứu số liệu từ kính thiên văn vũ trụ Spitzer và Hubble. Bằng cách chia sự phát xạ của hệ sao-hành tinh thành sự phát xạ của riêng ngôi sao, khi hành tinh đi qua phía sau nó, chúng ta có thể phát hiện ra những hành tinh ngoài hệ mặt trời một cách trực tiếp, thay vì suy ra sự tồn tại của chúng từ sự chao đảo hấp dẫn của ngôi sao chủ của chúng. Hồi năm ngoái, các nhà thiên văn còn xem xét những bức ảnh chụp trực tiếp đầu tiên của những hành tinh ngoại từ kính thiên văn mặt đất lẫn kính thiên văn vũ trụ. Những phát hiện trực tiếp này mang lại thông tin độc nhất vô nhị về nhiệt độ và thành phần của những thế giới mới này. Đối với những hành tinh nằm xa ngôi sao chủ của chúng, xa đến mức nguồn quỹ năng lượng của chúng không bị thống trị bởi “ánh sáng sao” mà chúng nhận được, các quan sát phổ phát xạ của các hành tinh đã cung cấp các ước tính năng lượng nội tại của bản thân các hành tinh – một ràng buộc quan trọng đối với các mô hình về sự hình thành và tiến hóa của chúng.

Tương lai của các hành tinh ngoại

Dưới sự chỉ dẫn của kĩ thuật RV, và gần đây được cách mạng hóa trở lại bởi những phát hiện sự đi qua, ngành khoa học nghiên cứu hành tinh ngoại đã phát triển nhanh chóng khi các kĩ thuật chụp ảnh trực tiếp, vi thấu kính và trắc sao đã trở thành thủ tục hàng ngày. Sự khám phá ra những hành tinh ngoại mới từ mặt đất và không gian sẽ tiếp tục tăng tốc. Trong năm nay, sứ mệnh Kepler của NASA đã hợp nhất với sứ mệnh chung CNES/Cơ quan Không gian châu Âu, CoRoT, trong việc tiến hành những cuộc khảo sát sự đi qua từ trên không gian. Vệ tinh MOST của Canada và dự án EPOCh của NASA, cùng với các kính thiên văn Hubble và Spitzer, sẽ tiếp tục đóng góp qua những quan trắc sự đi qua chuyên dụng.


Với gương chính có đường kính 42 m, Kính thiên văn Cực Lớn châu Âu sẽ đủ nhạy để phát hiện ra những hành tinh kiểu Mộc tinh và có lẽ cả những hành tinh kiểu Trái đất đang quay xung quanh những ngôi sao khác. Ảnh: ESO

Trong khi Kepler có khả năng xác định tần số của các hành tinh đất đá trong vòng 1 AU xung quanh các ngôi sao giống Mặt trời, thì những cuộc khảo sát vi thấu kính có thể cung cấp các thống kê về tần số của các hành tinh đá nhỏ cỡ Hỏa tinh trong khoảng cách 1 – 10 AU. Thật trêu ngươi, các thiết bị đang phát triển cho những chiếc kính thiên văn lớn nhất thế giới có lẽ có khả năng, chỉ vừa vặn, trông thấy các hành tinh kiểu Trái đất đang quay xung quanh một số ngôi sao ở gần. Trong thời gian vài ba năm, Kính thiên văn vũ trụ James Webb của NASA sẽ mang lại những khả năng hồng ngoại không có tiền lệ ở độ phân giải góc tăng thêm so với Spitzer. Nhiều sứ mệnh không gian mới trên cơ sở trắc sao, nhật hoa phổ, vi thấu kính, và truyền qua đang phát triển có thể đặt nền tảng cho những khám phá trong tương lai. Việc đạt tới mục tiêu tối hậu của chúng ta là thu được những bức ảnh và phổ của các hành tinh đất đá quay xung quanh những ngôi sao ở gần sẽ đòi hòi phát triển những thiết bị mới cho một thế hệ tương lai của những thiết bị cực lớn đặt trên mặt đất, ví dụ như Kính thiên văn Cực Lớn của châu Âu, cũng như các kính thiên văn vũ trụ phức tạp sẽ được xây dựng trên di sản phong phú của sự khám phá.


Khi chúng ta tăng thêm số lượng hành tinh ngoại đã biết rõ mật độ khối, thành phần khí quyển, khối lượng và vị trí quỹ đạo, và đang quay xung quanh các ngôi sao với nhiều tính chất đa dạng, thì chúng ta sẽ bắt đầu hiểu được cần có những yếu tố gì để tạo ra các hành tinh phong phú mà chúng ta đã khám phá ra. Với những công cụ mới này, sẽ thật ngạc nhiên khi thấy cái đang xào nấu xung quanh những ngôi sao kiểu Mặt trời trong thiên hà của chúng ta. Nếu những hệ này mang lại bất cứ sự tương đồng nào với sự đa dạng của những kết cục từ phần thừa lại trong tủ lạnh nhà tôi, thì chúng có lẽ đang nhìn chằm chằm sau gáy chúng ta.

Xào nấu các hành tinh ngoại

Số liệu thống kê của những khám phá hành tinh ngoại tiết lộ một số chiều hướng thú vị. Andrew Cumming thuộc trường Đại học McGill và các cộng sự mới đây đã tiến đoán rằng khoảng 20% các ngôi sao kiểu Mặt trời hóa ra sẽ có các hành tinh khí khổng lồ. Tiên đoán của họ dựa trên cơ sở ngoại suy tần số và phân bố khối lượng của các hành tinh (như đã quan sát với các phép đo vận tốc hướng tâm) quay trên quỹ đạo trong vòng 3 AU tính từ ngôi sao chủ của cúng với bán kính quỹ đạo từ 3 đến 20 AU (1 AU là khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời). Tuy nhiên, có một số yếu tố có thể làm tăng thêm lợi thế của những bếp trưởng sẽ-là-hành-tinh-khí-khổng-lồ. Ví dụ, những cái đĩa quay xung quanh những ngôi sao nặng hơn thì to hơn, do đó, làm cho quá trình hình thành một lõi hành tinh khí khổng lồ dễ dàng hơn, ít nhất là trên nguyên tắc. Mặt hạn chế là những cái đĩa quay xung quanh những ngôi sao như vậy không tồn tại được lâu: mối liên hệ giữa những kết cục trông đợi từ các mô hình hình thành hành tinh là hàm của khối lượng sao là không rõ ràng. Như thế, dường như những ngôi sao khối lượng lớn hơn hình thành nên những hành tinh lớn hơn ở bán kính quỹ đạo lớn hơn so với những ngôi sao khối lượng nhỏ hơn.

Mặt khác, đối với những cái đĩa cực nặng có thể nguội đi rất hiệu quả ở bán kính lớn, các mô hình của Lucio Mayer thuộc trường Đại học Zurich và những người khác cho thấy các bếp trưởng hành tinh có thể tránh qua nhiều vấn đề hình thành lõi đối với những hành tinh khí lớn, và thay vào đó tạo ra những hành tinh khổng lồ thông qua sự mất cân bằng hấp dẫn tức thời. Nhưng sự khan hiếm những hành tinh khí khổng lồ quan sát thấy ở bán kính lớn bằng các kính thiên văn mặt đất (ví dụ như Kính thiên văn Rất Lớn, Gemini, Keck, và Kính thiên văn Gương bội) cho thấy những trường hợp được điều chỉnh tinh vi như thế có lẽ tương đối hiếm. Tuy nhiên, có một vài phản thí dụ thật lạ lùng, trong đó có những bức ảnh mới đây của các hành tinh quay xung quanh những ngôi sao ví dụ như HR 8799, Fomalhaut và Beta Pictoris.

Còn hấp dẫn hơn nữa là thực tế trong khí quyển của một ngôi sao càng phong phú nguyên tố nặng, thì nó càng có khả năng có một hành tinh khí khổng lồ kiểu như Mộc tinh. Điều này phù hợp với một lí thuyết đã biết của sự hình thành hành tinh khí khổng lồ, nó đòi hỏi một lõi đá hình thành khi một vị trí tạo hạt nhân cho các hành tinh khổng lồ xuất hiện trong những cái đĩa giàu chất khí. Với độ chính xác vận tốc của những phép đo RV đạt tới 10 cm/s (chậm hơn 20 lần so với tốc độ đi bộ trung bình điển hình của một người), các hành tinh nhỏ cỡ vài lần khối lượng Trái đất đã được nhận ra đang quay xung quanh một số ngôi sao tĩnh lặng kiểu Mặt trời. Như đối với quy luật những hành tinh khí khổng lồ càng có khả năng hình thành ở xung quanh những ngôi sao kiểu Mặt trời với nhiều nguyên tố nặng, còn có bằng chứng cho thấy có thể phá vỡ quy luật cho những hành tinh nhỏ hơn hình thành xung quanh những ngôi sao khối lượng nhỏ hơn.

Michael R. Meyer là người đứng đầu Nhóm nghiên cứu hình thành sao và hành tinh tại Viện Thiên văn học, Đại học Zurich, Thụy Sĩ.


Du hành vũ trụ có người lái: khoa học hay viễn tưởng?

Với việc NASA đang xét lại những nỗ lực du hành vũ trụ có người lái của mình, David Clements cho rằng các sứ mệnh rô-bôt có khả năng thám hiểm vũ trụ nhiều hơn, nhưng Ian Crawford thì cho rằng việc đưa con người vào không gian có thể mang lại nhiều lợi ích khoa học và công nghệ.

Khi tham gia thám hiểm vũ trụ, cả con người lẫn rô-bôt đều có những lợi thế riêng. (Ảnh” NASA)

Vào hôm 20 tháng 7 năm 1969, sứ mệnh Apollo 11 của NASA đã hạ cánh xuống bề mặt Mặt trăng. Apollo đã thành công, như tổng thống Mĩ John F Kennedy diễn giải dông dài, vì công việc ấy thật khó, và chuyến bay không gian có người lái vẫn là cái rất khó. Thật vậy, kể từ chuyến hạ cánh mặt trăng Apollo thứ sáu và cuối cùng vào tháng 12 năm 1972, toàn bộ những chuyến bay có người lái chỉ hạn chế với quỹ đạo tầm thấp xung quanh Trái đất – chỉ cách mặt đất vài ba trăm dặm.

Nhưng cũng trong khoảng thời gian đó, những sứ mệnh khoa học rô-bôt đã nghiên cứu Mặt trời, các sao chổi, tiểu hành tinh và các vệ tinh, và đã đi đến mỗi hành tinh trong hệ mặt trời. (Chúng ta vẫn đang chờ đợi sự xuất hiện của sứ mệnh Chân trời Mới gần đây đã giáng cấp Diêm vương tinh). Chúng cũng đã khảo sát gió mặt trời và thám hiểm phần còn lại của vũ trụ trong vùng phổ điện từ, từ vô tuyến cho đến tia gamma – truy ngược lại đến Big Bang và phông nền vi sóng vũ trụ.

Trong khi Apollo mang lại thông tin sâu sắc về địa chất của sáu vùng nhỏ trên Mặt trăng, thì phần kiến thức khoa học thu được kể từ đấy thực hiện bởi một sứ mệnh có người lái thật quá khiêm tốn. Có nhiều nguyên do, nhưng vấn đề chính là khó khăn của việc giữ con người sống sót trong không gian và đưa họ trở về Trái đất an toàn. An toàn cho phi hành đoàn phải là ưu tiên số một, cho nên khoa học không bao giờ ưu tiên cho một sứ mệnh có người lái. Khoa học luôn luôn phải lùi bước khi cần thiết phải cắt giảm cái gì đó, trước khi xảy ra cái có thể ảnh hưởng đến sự an toàn của phi hành đoàn.

Các sứ mệnh khoa học không gian và chuyến bay vũ trụ có người lái diễn ra ở những quy mô rất khác nhau. Apollo ước tính tiêu tốn khoảng 25 tỉ đô la với thời giá năm 1969, tương đương với


145 tỉ đô la với thời giá hiện nay. Kế hoạch đưa các nhà du hành trở lại Mặt trăng hiện được ước tính tốn khoảng 97 tỉ đôla, mặc dù có khả năng sẽ bội chi quá con số này, và một sứ mệnh có phi hành đoàn lên sao Hỏa sẽ tốn gấp vài lần chi phí nữa. Chi phí của mỗi chương trình Apollo có thể so sánh với tổng chi phí của tất cả những sứ mệnh không gian rô-bôt kể từ khi chúng ta rời khỏi Mặt trăng. Nếu khoa học là mục tiêu chính của những hậu duệ này của Apollo, thì công việc có thể được thực hiện rẻ hơn, tốt hơn và nhanh hơn mà không cần có người lái.

Lấy thí dụ, các tàu thám hiểm Spirit và Opportunity đã và đang chạy trên Hỏa tinh trong 5 năm qua. Cho đến nay, sứ mệnh ấy tiêu tốn chưa tới 1 tỉ đô la. Mặc dù mỗi cỗ xe chỉ di chuyển khoảng 10 dặm trên hành tinh đỏ, nhưng với chi phí của một sứ mệnh có con người lên sao Hỏa chúng ta có thể gửi khoảng 600 cỗ xe như thế và tiến hành cái gì đó gần như là một cuộc khảo sát địa chất của toàn hành tinh (tất nhiên, ở đây bỏ qua lạm phát kinh tế và những tiến bộ công nghệ kể từ khi những cỗ xe được thiết kế). Đây là cái mà một sứ mệnh có con người lên sao Hỏa, ngay cả với nhiều tháng ở trên bề mặt hành tinh đỏ, không thể đạt được.

Ngay cả những câu chuyện thành công kết hợp chuyến bay vũ trụ có người lái với khoa học cũng không trụ vững qua sự thẩm tra chặt chẽ. Nổi tiếng nhất trong số này là Kính thiên văn vũ trụ Hubble, thiết bị nhiều năm qua đã mang lại những bức ảnh ngoạn mục của vũ trụ. Tất nhiên, nó là một sứ mệnh rô-bôt, nhưng nó đã được sửa chữa và nâng cấp 5 lần bởi các nhà du hành, bằng tàu con thoi. Chi phí ban đầu của Hubble là khoảng 1,5 tỉ đô la, gồm sự đóng góp từ NASA lẫn Cơ quan Không gian châu Âu. Các sứ mệnh dịch vụ sau đó tiêu tốn thêm khoảng 3 – 4,5 tỉ đô la nữa, phần lớn là chi phí đắt đỏ của việc phóng tàu con thoi. Với chi phí nâng cấp và sửa chữa ấy, chúng ta có thể phóng hai hoặc ba Kính thiên văn vũ trụ Hubble nữa. Hậu duệ của Hubble, Kính thiên văn vũ trụ James Webb, sẽ không cần phải cung ứng dịch vụ, chủ yếu vì nó sẽ nằm xa hơn cả Mặt trăng, cách Trái đất chừng 1,5 triệu kilomet.

Biết tất cả những điều trên, nói thẳng ra thì tại sao chúng ta cứ phải quan tâm đến chuyến bay vũ trụ có con người chứ. Rõ ràng nó không mang lại nhiều khoa học trên mỗi bảng, mỗi đô la, hay mỗi euro như các sứ mệnh rô-bôt. Vấn đề là chuyến bay vũ trụ có con người chưa bao giờ mang tính khoa học. Từ lúc bắt đầu, với sứ mệnh Vostok của Liên Xô và dự án Mercury của NASA, mỗi bên đi tìm phương án đưa con người vào vũ trụ, nó là, và vẫn là, uy thế và tiềm lực quốc gia chứ không phải khoa học. Khoa học có thể là một nhãn mác có ích giúp quảng bá một sứ mệnh không gian, nhưng uy thế quốc gia luôn luôn là động cơ chính. Một sứ mệnh có con người lên Hỏa tinh hay Mặt trăng cuối cùng sẽ là một chương trình trình diễn TV trực tiếp, nhưng nó có đáng giá trị hàng trăm tỉ đô la mà nó tiêu tốn hay không? Đây là câu hỏi mà Ủy ban Augustine đang nêu ra ở Mĩ, và câu trả lời của nó có thể làm thất vọng cộng đồng ủng hộ những chuyến bay vũ trụ có người lái.

Phải thừa nhận rằng chuyến bay vũ trụ có con người là một trong những thành tựu ngoạn mục nhất của thế kỉ 20, nhưng khoa học chưa bao giờ, và có khả năng không bao giờ trở thành, động lực chính cho một chương trình có con người. Con đường hiệu quả nhất thu được những mục tiêu khoa học trong vũ trụ là qua việc sử dụng các tàu thăm dò rô-bôt không người lái.

Du hành vũ trụ có người lái có xu hướng là một vấn đề gây tranh luận, vì nhiều nhà khoa học tin rằng các nguồn tài nguyên hạn chế sẵn có cho thám hiểm không gian nên tốt hơn là đầu tư cho các sứ mệnh rô-bôt. Mặt khác, chỉ có con người mới đủ điều kiện tiến hành nột vài nghiên cứu khoa


học then chốt trong vũ trụ, từ nghiên cứu khoa học sự sống và khoa học vật chất trong môi trường không trọng lượng cho đến lĩnh vực địa chất và sinh học trên bề mặt hành tinh.

Đúng là đa số các quan trắc thiên văn, kể từ khi bắt đầu cuộc chạy đua không gian, thu được lợi ích từ phi thuyền rô-bôt đặt cao phía trên tác dụng mờ đục của bầu khí quyển của Trái đất. Tuy nhiên, một trong những bài học chính rút ra từ sự thành công lớn nhất trong số những thiết bị này, Kính thiên văn vũ trụ Hubble, là việc tiếp cận đến một hạ tầng du hành vũ trụ có người lái có thể làm tăng đáng kể thời gian tồn tại và hiệu quả của các thiết bị thiên văn đặt trên không gian. Kể từ khi phóng lên vào năm 1990, Hubble đã được phục vụ bởi 5 sứ mệnh tàu con thoi, mà nếu không có thì nó đã đoản thọ hơn nhiều, và kém linh hoạt hơn nhiều.

Có lẽ những sứ mệnh Apollo lên Mặt trăng là sự trình diễn tốt nhất của các nhà du hành với tư cách là những người thám hiểm bề mặt hành tinh. Chúng đã nhấn mạnh cách thức con người mang sự nhanh nhẹn, tháo vát và thông minh của mình để thám hiểm theo một kiểu mà các rô-bôt không thể làm được. Mặc dù đúng là con người sẽ phải đối mặt trước nhiều nguy hiểm và trở ngại khi hoạt động trên những hành tinh khác, nhưng chủ yếu do những giới hạn tâm sinh lí của họ khi so sánh với rô-bôt, cho nên khả năng phản hồi khoa học (thu được từ sự thu mẫu nhanh chóng, khả năng đưa dữ liệu và kinh nghiệm đã qua vào một bức tranh kết hợp, và khả năng trực giác nhận ra những quan sát có tầm quan trọng) hiệu quả hơn đó bào chữa cho việc sử dụng các nhà du hành làm các nhà khoa học tiên phong trên những hành tinh khác.

Thật vậy, những ưu điểm này được ghi nhận trong một bản báo cáo của Hội Thiên văn học Hoàng gia Anh hồi năm 2005, trong đó kết luận rằng “những câu hỏi khoa học nổi bật liên quan đến lịch sử của hệ mặt trời và sự tồn tại của sự sống ngoài Trái đất có thể, chỉ có lẽ, thu được tốt nhất bởi con người thám hiểm trên Mặt trăng hay Hỏa tinh, được hỗ trợ bởi những hệ thống tự động thích hợp”.

Gần địa cầu hơn, môi trường không trọng lượng của quỹ đạo Trái đất tầm thấp như môi trường trên Trạm Không gian quốc tế (ISS) mang lại một cơ hội vô song dành cho nghiên cứu các khoa học sự sống (kể cả sinh lí học người và y khoa), khoa học vật liệu và vật lí học cơ bản. Loại môi trường này có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc có một không hai vào những lĩnh vực như biểu hiện gen, chức năng miễn dịch, sinh lí học xương và chức năng tim mạch, chúng quan trọng cho việc tìm hiểu nhiều chứng bệnh dưới địa cầu như chứng loãng xương, teo cơ và suy tim. Vì con người là đối tượng của những thí nghiệm sinh lí học này, nên rô-bôt không thể nào là vật thay thế được. Sự tiến bộ trong những lĩnh vực này sẽ dựa trên sự tài trợ cho ISS duy trì hoạt động trong những thập kỉ tới. Mặc dù khoa học sẽ không phải là kẻ thừa hưởng chính của việc có con người trong không gian, nhưng nó không phải, vừa không bao giờ có thể, là động cơ chính cho sự thám hiểm không gian có con người. Những lợi ích khác của việc đầu tư vào sự thám hiểm không gian có con người bao gồm việc kích thích nó vì mục tiêu giáo dục khoa học và kĩ thuật: thám hiểm không gian vốn gây hấp dẫn, và là một phương thức rõ ràng truyền cảm hứng cho những người trẻ tuổi tăng thêm niềm yêu thích đối với khoa học và công nghệ. Du hành vũ trụ có con người cũng tốt đối với những ngành nghề công nghệ cao và có thể thúc đẩy sự đổi mới. Cuối cùng, nó cung cấp một tiêu điểm cho sự hợp tác quốc tế có thể giúp xây dựng một môi trường địa chính trị ổn định hơn.

Ích lợi nhiều mặt của sự thám hiểm vũ trụ có con người được ghi nhận bởi ấn phẩm hồi tháng 5 năm 2007 của bản báo cáo Chiến lược Thám hiểm Toàn cầu của 14 cơ quan không gian trên thế


giới. Việc phát triển một chương trình thám hiểm toàn cầu, với mục tiêu tối hậu là đưa các nhà du hành trở lại Mặt trăng và lên sao Hỏa, là một tầm nhìn xung quanh cho thế kỉ 21, là sự hiện thực hóa của cái sẽ mang lại những lợi ích khoa học, kinh tế và văn hóa quan trọng trong thế giới của chúng ta. Như vậy, du hành vũ trụ có người lái phải được xem là một sự đầu tư cho tương lai của nhân loại và nó xứng đáng được sự ủng hộ của toàn thể cộng đồng khoa học, và thật ra là của mọi công dân của hành tinh chúng ta.

David Clement là giảng viên thiên văn học vật lí tại trường Imperial College London. Ian Crawford là một độc giả yêu thích khoa học hành tinh và sinh vật học vũ trụ, tại trường Birkbeck College, London.


Đo cái (hầu như) bằng không

Chad Orzel

Mô men lưỡng cực điện của electron nhỏ một cách khó tin – và có thể còn không tồn tại nữa. Nhưng như Chad Orzel giải thích, điều đó không khiến các nhà thực nghiệm chùng bước trước việc thử đo nó, vì một kết quả khác không có thể hàm ý sự tồn tại của nền vật lí mới.

Đo cái (hầu như) bằng không. (Ảnh: physicsworld.com)

Khi đa số chúng ta nghĩ tới việc tìm kiếm nền vật lí ngoài Mô hình Chuẩn – mô hình thống trị của ngành vật lí hạt cơ bản – điều đầu tiên nảy ra trong đầu có lẽ là một cỗ máy gia tốc hạt khổng lồ kiểu như Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) của CERN. Bên trong vòng tròn 27 km của cỗ máy va chạm hạt số một hành tinh này, các proton lao vào nhau ở tốc độ 99.9999991% tốc độ ánh sáng. Những detector kích cỡ bằng tòa nhà tạo ra hàng terabyte dữ liệu cho các nhà vật lí sàng lọc, tìm kiếm vết tích khó nắm bắt của những loại hạt mới.

Nhưng còn có một loại tìm kiếm nền vật lí mới đang diễn ra khá suôn sẻ, lần này ở trong phòng thí nghiệm vật lí nguyên tử. Sử dụng các thiết bị kích cỡ không hơn vài ba mét, và năng lượng một nghìn tỉ lần thấp hơn năng lượng tại LHC, những nhà thực nghiệm này cũng đang cố gắng phát hiện ra những hạt mới – bằng cách đo mô men lưỡng cực điện (EDM) của electron.

Cơ sở cho sự tìm kiếm của họ là theo Mô hình Chuẩn, một EDM electron có thể phát hiện ra là bị cấm. Vì thế, việc tìm ra một EDM nhỏ xíu những hữu hạn sẽ cho biết rằng Mô hình Chuẩn cần


phải sửa đổi, từ đó mở ra cánh cửa cho một họ những ‘hạt ảo’ mới. Từ quan điểm thực nghiệm, công việc thật chẳng dễ dàng gì: làm thế nào bạn đo được cái gần như, nhưng không bằng, zero? Tuy nhiên, cho đến nay, những cuộc tìm kiếm EDM này có thể là cơ hội tốt nhất của chúng ta nhằm phát hiện ra nền vật lí mới trong khi chờ đợi LHC đạt tới tiềm năng trọn vẹn của nó – và có lẽ còn vượt xa hơn nữa.

Các quy luật và ngoại lệ

Thí dụ quen thuộc nhất của một lưỡng cực là một cái nam châm. Nếu bạn đặt một thanh nam châm thông dụng, kiểu như cái la bàn, trong một từ trường, thì các cực bắc và nam của nó sẽ sắp thẳng hàng theo trường ngoài. Tương tự, một lưỡng cực điện có thể được tạo ra bằng cách đặt hai vật tích điện trái dấu ở gần nhau. Mô men lưỡng cực điện, de, của hệ đơn giản này bằng độ lớn của điện tích, q, nhân với khoảng cách giữa hai điện tích, r, tức là de = qr. Giống như một lưỡng cực từ, một lưỡng cực điện có một hướng (cả r và de đều là vec-tơ), và nó sẽ có xu hướng tự sắp thẳng hàng theo điện trường ngoài. Đối với các hạt cơ bản, de được đo theo e cm, trong đó e là điện tích mang bởi electron (1.6 × 10–19 C).

Từ những năm 1920, các nhà vật lí đã biết rằng electron hành xử giống như một lưỡng cực từ, nhờ ‘spin’, hay xung lượng góc nội tại của nó. (Electron không đơn giản chỉ quay tròn, mà sự tương tự với một quả cầu điện tích đang quay tròn là một thí dụ hữu ích). Tuy nhiên, là một hạt cơ bản, electron sẽ không có một mô men lưỡng cực điện vĩnh cửu – ít nhất là không, theo phiên bản đơn giản nhất của Mô hình Chuẩn. Sự có mặt của một EDM electron là một hệ quả của ‘đối xứng nghịch đảo thời gian’, một nguyên lí vật lí cơ bản chi phối các tương tác vật chất sẽ trông như nhau nếu như hướng của dòng thời gian bị đảo ngược lại.

Hình 1. (a) Một điện tích đang quay tròn tác dụng giống như một vòng dây điện tạo ra một mô men lưỡng cực từ (mũi tên màu lam). (b) Việc làm biến dạng sự phân bố điện tích của electron tạo ra một mô men lưỡng cực điện có cùng hướng (mũi tên đỏ). (c) Nếu thời gian đảo ngược lại, thì điện tích quay tròn theo hướng ngược lại. Hệ quả là làm đảo hướng lưỡng cực từ, nhưng lưỡng cực điện thì không, cho nên hai lưỡng cực không còn thẳng hướng với nhau nữa – vi phạm đối xứng nghịch đảo thời gian và ngăn cấm electron có một mô men lưỡng cực điện vĩnh cửu, theo Mô hình Chuẩn cơ bản của ngành vật lí hạt.


Nhằm tìm hiểu tại sao một EDM vĩnh cửu đối với electron sẽ vi phạm đối xứng nghịch đảo thời gian, hãy xét bức tranh của chúng ta xem electron là những quả cầu điện tích nhỏ xíu đang quay tròn. Điện tích đang quay tròn tác dụng giống như một vòng dây điện nhỏ và tạo ra một mô men lưỡng cực từ hướng dọc theo trục quay (mũi tên màu lam trong hình 1 a). Để tạo ra một EDM, chúng ta phải làm biến dạng sự phân bố điện tích của electron đi một chút, tạo ra một lưỡng cực điện hướng dọc theo trục quay (mũi tên màu đỏ trong hình 1b). Khi chúng ta đảo ngược thời gian, chúng ta đảo chuyển động quay tròn của quả cầu, và do đó làm đảo hướng của lưỡng cực từ. Nhưng sự phân bố điện tích không thay đổi, cho nên lưỡng cực điện không đổi hướng. Do đó, khi thời gian trôi về phía trước, cả hai lưỡng cực hướng cùng chiều, nhưng với thời gian đảo ngược lại, thì hai lưỡng cực hướng ngược chiều nhau (hình 1c). Điều này rõ ràng vi phạm đối xứng nghịch đảo thời gian, và vì thế loại trừ khả năng có một EDM vĩnh cửu cho electron (hay, thật ra, cho bất kì hạt sống bền nào khác) bên trong Mô hình Chuẩn cơ bản.

Tuy nhiên, như với mọi quy luật, có những ngoại lệ đối với đối xứng nghịch đảo thời gian. Những phiên bản phức tạp hơn của Mô hình Chuẩn thật sự cho phép sự vi phạm đối xứng nghịch đảo thời gian, cho thấy còn có một sự bất đối xứng trong hành trạng của các hạt khi điện tích của chúng bị đảo dấu và ‘bên trái’ và ‘bên phải’ hoán đổi cho nhau. Đây là sự vi phạm đối xứng điện tích – chẵn lẻ (CP). Chúng ta biết rằng vi phạm CP sẽ phải xảy ra, vì chúng ta đã thấy một sự bất đối xứng nổi bật giữa vật chất và phản vật chất trong vũ trụ khả kiến: thí dụ, chúng ta thấy có nhiều electron hơn positron, cho nên một thế giới trong đó điện tích của chúng bị đảo dấu sẽ trông hơi khác. Vì thế, thật hợp lí, vi phạm nghịch đảo thời gian cũng phải xảy ra, và do đó cho phép electron có một mô men lưỡng cực điện vĩnh cửu nhỏ xíu.

Nhưng nhỏ xíu là nhỏ xíu dường nào? Cỡ của EDM electron có thể tinh ra bằng cách xét đến tương tác phù du giữa electron và các ‘hạt ảo’ xuất hiện từ năng lượng chân không của không gian trống rỗng và biến mất trước khi chúng có thể được đo trực tiếp (xem “Biểu đồ Heynman cho một electron tương tác với một trường điện từ’). Một số trong những tương tác hạt ảo này vi phạm đối xứng nghịch đảo thời gian, và vì thế Mô hình Chuẩn tiên đoán một EDM cùng lắm là 10–39 e cm. Giá trị này quá nhỏ để mà đo được. Tuy nhiên, đa số lí thuyết tiến xa hơn Mô hình Chuẩn đều đưa ra những loại hạt mới vi phạm đối xứng nghịch đảo thời gian một cách dễ dàng hơn. Những lí thuyết như thế tiên đoán một EDM electron lớn hơn nhiều bậc độ lớn – 10–25–10–30 e cm. Giá trị này đủ lớn nên chúng ta có thể hi vọng phát hiện ra nó trong những phép đo chính xác, và từ đó bắt đầu loại trừ một số họ hàng mở rộng Mô hình Chuẩn.

Tương tác electron với trường điện từ được mô tả theo ‘giản đồ Feynman’, những hình ảnh thể hiện những chuỗi sự kiện có thể xảy ra khi electron tương tác với môi trường của nó. Mỗi hình đại diện cho một phép tính góp phần vào năng


lượng cuối cùng của tương tác, cái chúng ta tìm ra bằng cách cộng gộp kết quả của tất cả những giản đồ có thể có. Giản đồ Feynman đơn giản nhất được cho ở bên trái. Thời gian trôi từ trái sang phải, nên minh họa thể hiện một electron đang di chuyển trong không gian, sau đó hấp thụ hoặc phát xạ một photon từ trường điện từ và đổi hướng của nó.

Dạng tổng quát của kiểu giản đồ quan trọng nhất tiếp theo được cho ở hình giữa. Ở đây, electron chuyển động trong không gian như trước, nhưng trước khi tương tác với photon, nó phát ra một hạt ‘ảo’, cái nó hấp thụ trở lại sau khi tương tác với photon. Hạt ảo có thể là bất cứ cái gì đó tương tác với electron, khiến nó biến mất đủ nhanh sao cho nó không thể bị phát hiện ra trực tiếp. Những giản đồ kiểu ‘vòng’ như vậy làm thay đổi phương thức electron tương tác với ánh sáng, và hệ quả là một mô men lưỡng cực điện (EDM) electron. Đa số lí thuyết vật lí vượt xa Mô hình Chuẩn tiên đoán sự tồn tại của những hạt mới có thể tạo ra một EDM thông qua những giản đồ đơn giản kiểu như những giản đồ thể hiện ở đây.

Bên trong Mô hình Chuẩn, khó tạo ra một EDM hơn nhiều. Giản đồ đơn giản nhất tạo ra một EDM, ngoài photon và electron ra còn bao hàm ba boson W (những đường màu đỏ) và một cặp quark (những đường màu xanh lá), và giản đồ này được thể hiện trong hình phía bên phải. Một quá trình phức tạp như vậy cực kì khó có khả năng xảy ra, và do đó tạo ra một EDM rất nhỏ.

Tìm kiếm một EDM

Nếu như tồn tại một EDM electron khác không, thì làm thế nào chúng ta có thể đo nó? Một lần nữa, thật hữu ích là hãy so sánh hành trạng của electron như một lưỡng cực từ. Theo cơ học lượng tử, spin của electron có hai trạng thái rạch ròi, ‘up’ và ‘down’. Vì năng lượng của một lưỡng cực phụ thuộc vào sự định hướng của nó với trường ngoài, nên hai trạng thái spin này có năng lượng hơi khác nhau một chút trong từ trường: một electron với spin của nó sắp thẳng hàng với trường ngoài có năng lượng hơi thấp hơn một chút so với electron có spin của nó đối song với trường ngoài. Sự chênh lệch năng lượng này dẫn tới những thay đổi nhỏ ở các mức năng lượng của một electron trong một nguyên tử, làm chuyển dịch năng lượng của một số trạng thái nguyên tử, và làm cho một số trạng thái năng lượng đơn lẻ phân tách thành hai trạng thái khác nhau.

Tương tự, khi đặt trong một điện trường, một electron với một EDM nhỏ sẽ có năng lượng hơi thấp hơn một chút khi lưỡng cực sắp thẳng hàng với trường so với khi lưỡng cực sắp ngược lại với trường. Tuy nhiên, với bất kì giá trị hợp lí nào của EDM electron, thì tác dụng của tương tác lưỡng cực cũng sẽ bị lấn át bởi tương tác giữa điện tích và điện trường. Nếu chúng ta thiết đặt một điện trường lên một electron tự do, chẳng hạn, electron sẽ bị đẩy về phía cực dương.

Để tránh né vấn đề này, điều quan trọng là hãy nhìn vào các electron bên trong các nguyên tử hoặc phân tử. Những hệ như vậy trung hòa về điện và do đó không chuyển động đối với điện trường, nhưng các mức năng lượng của chúng vẫn bị chuyển dịch do EDM. Để quan sát một sự chuyển dịch như thế trong phòng thí nghiệm, electron bên trong nguyên tử phải chịu một điện trường lớn hơn 106 V cm–1. Những trường như thế không dễ gì thu được, vì khi đặt một điện trường lên một nguyên tử, thì các electron bên trong nó phản ứng bằng cách chuyển dịch vị trí tương đối của chúng so với hạt nhân, từ đó triệt tiêu mất đa phần trường bên trong nguyên tử. Dù vậy, các hiệu ứng tương đối tính giữ cho sự triệt tiêu đó không hoàn toàn, và trong mỗi nguyên tử nặng, nơi các electtron chuyển động ở tốc độ gần tốc độ ánh sáng, có thể còn có sự tăng cường của trường ngoài đặt vào.

Vì lí do này, những phép đo chính xác nhất của EDM electron thực hiện từ trước đến nay sử dụng các nguyên tử thallium. Thallium, với khối lượng nguyên tử 205, có hệ số tăng cường trường là 585 – nghĩa là, điện trường chịu bởi các electron bên trong các nguyên tử thallium lớn hơn 585 lần điện trường thiết đặt trong phòng thí nghiệm. Trong một loạt thí nghiệm hồi đầu những năm 2000, các nhà nghiên cứu thuộc nhóm Eugene Commins ở trường Đại học California, Berkeley, trước tiên gửi một chùm nguyên tử thallium vào trong một từ trường khiêm tốn nhất. Sự có mặt của trường thiết lập một trục ưu tiên đối với spin electron, và do đó đối với EDM electron (phải hướng theo trục


giống như spin). Sau đó, họ thiết đặt một điện trường lên tới 1.23 × 105 V cm–1 theo cùng trục đó và tìm kiếm những dấu hiệu của sự chuyển dịch các mức năng lượng nguyên tử có thể gây ra bởi EDM.

Để tối đa hóa độ nhạy của họ đối với một sự chuyển dịch do EDM, nhóm Berkeley đã sử dụng một kĩ thuật giao thoa tương tự như kĩ thuật dùng trong các đồng hồ nguyên tử, sử dụng sự giao thoa lượng tử giữa hai trạng thái của cùng một nguyên tử (xem “Phát hiện sự chuyển dịch do EDM bằng phương pháp giao thoa”). Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm một sự chuyển dịch trong vân giao thoa phụ thuộc vào điện trường đặt vào, và lặp lại thí nghiệm với vô số kết hợp của điện trường và từ trường. Tập hợp 44 bộ dữ liệu lại với nhau, mỗi bộ gồm những phép đo dưới 128 điều kiện khác nhau, họ nhận thấy EDM electron, nếu như nó tồn tại, phải nhỏ hơn 1.6 × 10–27 e cm.

Hình 3. Giản đồ đơn giản này (hình trên) thể hiện cấu trúc cơ bản của một thí nghiệm mô men lưỡng cực điện (EDM) do chùm hạt gây ra. Một cái lò nóng với một lỗ trống trên nó tạo ra một chùm nguyên tử (hay phân tử) truyền đi theo cùng một hướng. Sau đó, các nguyên tử đi qua một vùng “chuẩn bị trạng thái” trong đó laser kích thích chúng từ trạng thái cơ bản sang sự chồng chất ngang nhau của hai trạng thái khác nhau có cùng năng lượng. Mỗi nguyên tử đồng thời ở cả hai trạng thái, giống như con mèo trong thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Schrödinger đồng thời vừa sống vừa chết. Tiếp theo đó, các nguyên tử đi qua một vùng chứa một từ trường khiêm tốn và một điện trường lớn có cùng trục. Tại đây, chúng tương tác với laser làm đảo ngược hoạt động đã chuẩn bị trạng thái chồng chất. Trong sự vắng mặt của EDM electron, hai electron, hai trạng thái trong sự chồng chất có cùng năng lượng. Vì thế, hoạt động cuối cùng sẽ phục hồi sự chồng chất, và 100% nguyên tử sẽ kết thúc ở trạng thái cơ bản. Tuy nhiên, sự có mặt của một EDM sẽ làm chuyển dịch năng lượng của một trong hai trạng thái lên một lượng nhỏ, và làm chuyển dịch trạng thái kia xuống một lượng nhỏ. Sự chênh lệch năng lượng thu được sẽ làm cho hai trạng thái tiến triển ở những tốc hơi khác nhau một chút, và làm thay đổi số nguyên tử đi đến trạng thái cơ bản.

Một cách hình dung ra điều này là hãy tượng tượng hai trạng thái ở trong sự chồng chất đó giống như những cái đồng hồ bấm giờ nhỏ xíu, chúng khởi đầu với những cái kim của chúng chỉ theo cùng một hướng (hình dưới bên trái). Tốc độ những cái đồng điểm ‘tíc tắc’ phụ thuộc vào năng lượng: trạng thái chuyển dịch năng lượng lên thêm ‘tíc tắc’ hơi nhanh hơn trạng thái chuyển dịch năng lượng xuống bớt. Sau một thời gian nào đó, những cái đồng hồ sẽ không còn đồng bộ với nhau – hay, theo ngôn ngữ lượng tử, các phần của hàm sóng tương ứng với hai trạng thái khác nhau đã phát triển lệch pha nhau. Chừng nào độ lệch pha là nhỏ, thì các nguyên tử có thể vẫn trở lại trạng thái cơ bản, nhưng nếu độ lệch pha đạt tới 180o – nếu những cái kim đồng hồ chỉ ngược hướng nhau – thì sẽ có sự giao thoa giữa hai phần của hàm sóng, sao cho không có nguyên tử nào có thể quay về trạng thái cơ bản. Khi độ lệch pha lớn hơn nữa (hoặc do sự chuyển


dịch năng lượng lớn hơn, hoặc do thời gian tương tác lâu hơn), đạt tới 360o, thì số nguyên tử trở về trạng thái cơ bản sẽ tăng trở lại, mang lại hình ảnh giao thoa tương tự như hệ vân quan sát thấy với ánh sáng.

Từ nguyên tử tới phân tử

Kết quả này là đủ để bác bỏ một mở rộng Mô hình Chuẩn (gọi là “siêu đối xứng chất phác” do một cựu thành viên của nhóm Berkeley đặt tên) tiên đoán một EDM lớn hơn. Nhưng thí nghiệm Berkeley đã đẩy lùi giới hạn của những tìm kiếm EDM trong nguyên tử. Ba yếu tố hạn chế độ nhạy của phép đo là: sự nhiễu do điện trường và từ trường tản lạc; thời gian tương tác của các nguyên tử trong điện trường; và cỡ của sự chuyển dịch năng lượng do EDM.

Ở lần thực nghiệm thứ nhất, nhóm Berkeley đã đi đến những chiều dài khác thường hạn chế các tác động của sự nhiễu. Các thí nghiệm đủ nhạy để lọc ra sự nhiễu điện do xe điện ngầm gây ra ở xa gần như một dặm. Kết quả là đa phần dữ liệu của các nhà nghiên cứu phải thu thập vào lúc 1 giờ sáng đến 5 giờ sáng, khi các đoàn tàu ngưng hoạt động. Họ còn sử dụng các chùm song song của nguyên tử sodium làm “đồng-từ kế” để loại bỏ các nguồn giao thoa khác; các nguyên tử sodium nhẹ hơn không nhạy với EDM, nhưng sẽ nhạy với từ trường tản lạc.

Như đối với hai giới hạn kia, thời gian tương tác trong các thí nghiệm được xác định bởi tốc độ của chùm nguyên tử, cái được thiết đặt bởi hoạt động 920 K của nguồn thallium của chúng, và không dễ gì thay đổi. Sự tăng cỡ chuyển dịch năng lượng liên quan đến EDM này là niễm hi vọng còn lại cho việc cải thiện độ nhạy. Làm như vậy sẽ đòi hỏi hoặc là những điện trường lớn hơn đáng kể, hoặc là một hệ có hệ số tăng cường trường lớn hơn. Thật không may, việc thiết đặt một trường lớn hơn mang lại những thách thức kĩ thuật đáng kể, và thallium thì đã ở gần hệ số tăng cường trường cực đại – ít nhất là đối với các nguyên tử.

Nhà lãnh đạo dự án Eugene Commins trước thí nghiệm EDM tại trường Đại học California, Berkeley.


Tuy nhiên, một sự cải thiện đáng kể sự tăng cường trường là có thể, trong các hệ phân tử - đặc biệt các phân tử có cực gồm một nguyên tố nặng và một nguyên tố nhẹ. Trường ngoài đặt vào hiệu quả trong thí nghiệm Berkeley, bao gồm hệ số tăng cường thallium, vào khoảng 72 × 106 V cm–

1, nhưng các phân tử có cực có thể có trường lên tới 20 × 109 V cm–1 – lớn hơn gần 300 lần. Do đó, việc sử dụng các phân tử thay cho các nguyên tử làm tăng độ nhạy của các thí nghiệm EDM lên cùng cỡ trên, đến 10–30 e cm hoặc tốt hơn. Kết quả là có một sự bùng nổ hứng thú mới đây với các phân tử có cực, cùng với các nhóm nghiên cứu bắt đầu tìm kiếm EDM electron tại trường Imperial College London và ở các trường đại học Yale, Michigan, Oklahoma và Colorado ở Mĩ.

Một trong những người đứng đầu hiện nay trong nỗ lực này là nhóm của Edward Hinds tại trường Imperial, họ sử dụng các phân tử ytterbium-fluoride và một thiết bị chùm phân tử tương tự như thiết bị sử dụng trong các thí nghiệm Berkeley. Một chùm gồm những phân tử này đi qua một vùng chứa một điện trường lớn (13 kV cm–1), và sự giao thoa trạng thái lượng tử được sử dụng để tìm kiếm những chuyển dịch nhỏ xíu gây ra bởi một EDM electron. Phép đo đầu tiên của họ đã công bố hồi năm 2002 và có độ nhạy 0.2 × 10–26 e cm, hơi tệ hơn thí nghiệm Berkeley một chút. Tuy nhiên, sau một sự nâng cấp hệ thống gần đây, họ trông đợi thu được độ nhạy ít nhất là 5 × 10–28 e cm vào cuối năm 2009, và đang hi vọng một sự tăng khác của ba thông số này vào cuối năm 2010.

Một đối thủ triển vọng khác là thí nghiệm của David DeMille tại trường Đại học Yale. Nhóm Yale sử dụng một kĩ thuật khác giữ các phân tử chì oxide trong một tế bào thủy tinh thay vì gửi chúng qua thiết bị thí nghiệm trong một chùm hạt. Mặc dù tế bào trên cần được duy trì ở khoảng 973 K (một thách thức kĩ thuật đáng kể), nhưng kĩ thuật này có nghĩa là các nhà nghiên cứu có thể giữ các phân tử tương tác với điện trường trong thời gian lâu hơn so với được phép với các thí nghiệm chùm hạt. Đội nghiên cứu trông đợi bắt kịp hoặc vượt qua độ nhạy của thí nghiệm Berkeley vào đầu năm 2010.

Trong khi đó, những kiểu tìm kiếm khác cũng đang diễn ra. Một đội đứng đầu là Steve Lamoreaux tại Yale và Larry Hunter tại Amherst College đang cố gắng phát hiện ra EDM trong chất rắn từ tính thay vì cho khuếch tán các chất khí phân tử. Phương pháp của họ là sử dụng từ trường để sắp thẳng hàng toàn bộ spin electron (và do đó toàn bộ EDM) trong một mẫu chất rắn ngọc hồng lựu gadolinium sắt và sau đó đo mô men lưỡng cực tích lũy của toàn bộ mẫu. Một lợi thế của phương pháp này là mật độ electron trong chất rắn cao hơn nhiều so với trong chất khí, cho nên độ nhạu của EDM cũng sẽ cao hơn so với trong các thí nghiệm nguyên tử và phân tử.

Giả sử không có thí nghiệm nào trong số này tìm ra một EDM khác không, thì chuyện gfi xảy ra sau đó? Trước mắt, sự cải thiện quan trọng tiếp theo sẽ đến từ việc tăng thời gian các phân tử trải qua tương tác với điện trường. Điều này có thể thực hiện bằng cách tiến hành các thí nghiệm sử dụng các phân tử lạnh, chúng chuyển động chậm hơn các phân tử ở nhiệt độ phòng. Nhóm của David Weiss tại tại trường Đại học bang Pennsylvania đang sử dụng phương pháp này trong một thí nghiệm gốc nguyên tử mới, trong đó các nguyên tử caesium làm lạnh bằng laser bị bẫy lên tới vài phút mỗi lần, dẫn tới độ nhạy theo kế hoạch tốt hơn 200 lần so với thí nghiệm thallium Berkeley.

Các nhóm Imperial và Yale đang hi vọng những sự tăng tương tự khi họ bắt đầu làm việc trên các thí nghiệm phân tử lạnh. Nhóm Imperial có kế hoạch làm lạnh trước các phân tử ytterbium–fluoride của mình bằng cách đặt chúng tiếp xúc với hơi hellium ở 4 K trước khi cho đi vào chùm hạt. Nhóm Yale cũng đang nghiên cứu một nguồn làm lạnh bằng chất khí đệm, nhưng các nhà nghiên cứu và cộng tác viên của họ tại Harvard có kế hoạch chuyển sang một phân tử mới, thorium monoxide, chúng mang lại hệ số tăng cường trường cao hơn chì oxide đồng thời mang lại thời gian tương tác lâu hơn.


Thời gian khó khăn cho các nhà lí thuyết đang ở phía trước?

Từ quan điểm lí thuyết, có một số phương pháp làm giảm cỡ đã tiên đoán của một EDM electron. Ví dụ, những hiệu ứng vi phạm đối xứng nhất định có thể triệt tiêu nó một phần.Tuy nhiên, phần lớn các mở rộng cho Mô hình Chuẩn tiên đoán một EDM trong ngưỡng một vài bậc độ lớn của giới hạn thực nghiệm hiện nay (hình 2). Vì thế, nếu bất kì một trong những mô hình này là đúng, và nếu các thí nghiệm phân tử lạnh hiện đang nghiên cứu đạt tới tiềm năng trọn vẹn của chúng, thì một EDM khác không sẽ phải đo được trong tương lai gần. Một phép đo như vậy sẽ cung cấp thông tin quan trọng về sự vi phạm đối xứng trong vũ trụ, cái sẽ giúp giải thích tại sao mọi thứ chúng ta thấy cấu thành từ vật chất nhiều hơn từ phản vật chất. Mặt khác, nếu các thí nghiệm đã đề xuất không tìm thấy một EDM electron khác không nào vào mức 10–32 e cm, thì cuộc sống có thể trở nên thật sự rất khó khăn cho các nhà lí thuyết hạt. Một kết quả vô hiệu sẽ bác bỏ gần như mọi tiếp cận lí thuyết hiện có, và khiến người ta khó giải thích nổi thành phần của vũ trụ khả kiến trong khuôn khổ lí thuyết hiện nay của chúng ta.

Hình 4. Các thí nghiệm tiến hành vào năm 2002 tại trường Đại học California, Berkeley, cho thấy nếu mô men lưỡng cực điện (EDM) tồn tại, thì nó phải nhỏ hơn 10–27 e cm. Kết quả này bác bỏ lí thuyết “siêu đối xứng chất phác” (naive SUSY). Những lí thuyết khác sẽ chịu áp lực nếu những cuộc tìm kiếm đang diễn ra tại Đại học Yale và Imperial College London không tìm ra một EDM dưới mức độ nhạy cực đại hiện nay của họ (đường liền nét thẳng đứng). Đường đứt nét thể hiện độ nhạy ước tính có thể có với thế hệ tiếp theo của các thí nghiệm phân tử lạnh, trong khi đường chấm chấm là độ nhạy tối đa theo ước tính của một thí nghiệm Yale/Harvard đã đề xuất, sử dụng thorium monoxide làm “phân tử kiểm tra”.

Đối với đa số các kịch bản lí thuyết, các thí nghiệm dựa trên máy va chạm và tìm kiếm EDM là bổ sung cho nhau. Các máy va chạm, chẳng hạn, có thể tạo ra và phát hiện ra những loại hạt mới, cái những cuộc tìm kiếm EDM không thể làm được, nhưng mặt khác, LHC không thể đo các tính chất vi phạm đối xứng của các hạt. Độ nhạy của hai phương pháp còn tương đương nhau: nếu như có những loại hạt mới trong tầm với của LHC, thì cũng sẽ có một EDM electron trong tầm với của thế


hệ tiếp theo của những tìm kiếm EDM. Có lẽ chúng ta sẽ cần đến một sự kết hợp của cả hai phép đo để giải thích trọn vẹn vũ trụ mà chúng ta đang sống trong đó.

Tuy nhiên, có một cơ hội mà sự vi phạm đối xứng do các hạt mới mang lại sẽ mạnh và không bị triệt tiêu bởi những tác dụng khác. Nếu đúng là trường hợp này, và EDM nhỏ hơn khoảng 10–29 e cm, thì bất kì hạt mới nào cũng sẽ có khối lượng lớn hơn cái LHC – hoặc bất kì máy va chạm nào khác – có thể phát hiện ra. Trong trường hợp này, các thí nghiệm EDM sẽ là hi vọng duy nhất của chúng ta nhằm học hỏi về nền vật lí nằm ngoài Mô hình Chuẩn – tất cả thậm chí không cần phân tích một phân tử nào, mà hãy để cho một mình các proton va chạm nhau.

Mô men lưỡng cực điện của electron

• Mô men lưỡng cực điện de của hai vật tích điện trái dấu bằng độ lớn của điện tích, q, nhân với khoảng cách r giữa hai điện tích, tức là de = qr

• Theo Mô hình Chuẩn cơ bản của ngành vật lí hạt, các electron không thể có một mô men lưỡng cực điện (EDM) vĩnh cửu vì điều này sẽ vi phạm đối xứng nghịch đảo thời gian, đối xứng phát biểu rằng các tương tác vật lí sẽ trông như nhau nếu như thời gian chảy theo hướng ngược lại

• Các phiên bản phức tạp hơn của lí thuyết Mô hình Chuẩn thật sự cho phép một EDM electron tồn tại, nhưng họ tiên đoán nó sẽ quá nhỏ để đo được trong phòng thí nghiệm. Vì thế, nếu các nhà thực nghiệm có thể tìm ra một EDM khác không, thì điều này sẽ hàm ý sự tồn tại của nền vật lí mới nằm ngoài Mô hình Chuẩn

• Một vài nhóm thực nghiệm hiện đang tìm kiếm một EDM trong các hệ nguyên tử hoặc phân tử. Kết quả từ những phép đo chính xác này đã bác bỏ một mở rộng Mô hình Chuẩn đã đề xuất, và một thế hệ mới của các thí nghiệm với các nguyên tử hay phân tử lạnh sẽ đưa những lí thuyết khác vào kiểm tra

Tài liệu tham khảo

S Bickman et al. 2009 Preparation and detection of states with simultaneous spin alignment and selectable molecular orientation in PbO Phys. Rev. A 80 023418 J J Hudson et al. 2002 Measurement of the electron electric dipole moment using YbF molecules Phys. Rev. Lett. 89 023003 B C Regan et al. 2002 New limit on the electron electric dipole moment Phys. Rev. Lett. 88 071805 A C Vutha et al. 2009 Search for the electric dipole moment of the electron with thorium monoxide arXiV: 0908.2412v1

Chad Orzel là nhà vật lí nguyên tử tại trường Union College ở Schenectady, New York, Mĩ, và là tác giả của quyển sách How to Teach Physics to Your Dog (Phương pháp Dạy Vật lí cho Chú cún nhà bạn), xuất bản trong tháng này bởi Nhà xuất bản Simon and Schuster.


Tương lai của điện học không dây Trong tương lai không xa, điện học không dây có thể thay thế hết các tuyến cáp cấp điện hiện có mặt khắp nơi. Trong bài, Aristeidis Karalis bàn về một phương pháp mới mang tính cách mạng của việc truyền tải điện không cần dây dẫn.

Vị thẩm phán lái xe về muộn trong một đêm mùa đông lạnh giá. Vừa vào ga ra, đèn báo sạc điện trên chiếc xe hơi điện cấp nguồn không dây của ông bật sáng. “Cuối cùng đã tới nhà rồi”, ý nghĩ lóe lên trong đầu ông. Ông giơ chiếc thẻ thông minh chứa thông tin cá nhân của ông lên trước detector cửa trước để đi vào trong. Ông nghe một tiếng bíp “tích điện” phát ra từ chiếc điện thoại di động của mình. Con trỏ chuột nhấp nháy trên bức e-mail mới hoàn thành một nửa trên cái laptop đã đợi suốt cả ngày ở trên bàn. Ông cầm chiếc máy tính lên và tiến về phía bàn làm việc. “Chào buổi tối, ông chủ. Cái áo khoác của ngài nóng rồi đấy”, con rô-bôt quản gia từ trong bếp vọng gia nhắc nhở ông. Cởi bộ quần áo điện ra, ông ngồi vào chiếc ghế bành y tế. Trái tim nhân tạo của ông giờ đang đập nhanh lên.

Ảnh: Sheila Terry/Science Photo Library

Truyện khoa học viễn tưởng thường khai thác những khát vọng đang gặp vướng mắc của xã hội và ý nghĩa của việc đề phòng trước những phép màu công nghệ nhất định xảy ra. Một xã hội không có đường cáp điện sẽ trông thật đẹp như trong đa số truyện khoa học viễn tưởng. Thật vậy, ngày nay chúng ta đang sống trong “kỉ nguyên không dây”, trong đó không khí mà chúng ta vẫn thở có khả năng chứa nhiều thông tin hơn là oxygen. Tuy nhiên, đây cũng là thời đại mà điện thoại di động, máy hát nhạc MP3, laptop vi tính và các rô-bôt gia dụng tồn tại song song bên cạnh hệ thống dây dẫn điện kiểu cũ và pin khối. Không giống như thông tin, điện năng vẫn bị giới hạn vật lí với những thiết bị lỗi thời có ranh giới này. Việc vượt qua những cản trở này cuối cùng sẽ làm cho thế giới này thành một thế giới thật sự không dây. Khoa học ư? Vâng. Hay là viễn tưởng? Chưa chắc đâu.


Mọi thứ bắt đầu cách nay vài năm trước khi Marin Soljačić, một nhà vật lí tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mĩ, đang lái xe về nhà trong một đêm mùa đông lạnh giá và ông nghe thấy một tiếng bip khó chịu phát ra từ chiếc điện thoại di động của ông. Đó là một báo hiệu bực bội rằng pin điện thoại lại đang cạn rồi. Rồi ý tưởng đột ngột đến với Soljačić là nếu chiếc điện thoại có thể tự quản lí việc tích điện của nó thì điều đó thật tốt biết mấy. Sáng hôm sau, ông trở lại phòng làm việc của mình tại MIT, quyết định đi tìm lời giải cho bài toán.

Tìm kĩ lưỡng trong sách vở sẽ thấy ngay rằng sự truyền điện không dây không phải là một ý tưởng gì mới mẻ. Ngược về những năm 1890, Nikola Tesla, một trong những nhà tiên phong vĩ đại của điện từ học, là người đầu tiên dự tính rằng điện năng, khi ấy là một dạng năng lượng mới tìm ra, sẽ được phân phối đến mọi nhà, trong mọi thành phố, ở mọi quốc gia trên khắp hành tinh. Tuy nhiên, Tesla không nhìn thấy trước rằng người ta sẽ sẵn sàng kéo dây đi khắp địa cầu để sử dụng điện. Thay vào đó, ông mơ đến một phương thức truyền tải điện năng không dây trên những cự li dài. Điều này có thể thu được bằng cách sử dụng những bộ cộng hưởng điện từ kép to lớn có khả năng phát ra những điện trường rất lớn, nghĩa là có khả năng truyền đi hoặc qua sự dẫn trên tầng điện li (có lẽ có những tia lửa điện dữ dội) hoặc qua Trái đất (có lẽ qua sự ghép cặp trung gian với sự cộng hưởng điện tích của Trái đất, cái gọi là cộng hưởng Schumann). Hình ảnh tiêu biểu của những nỗ lực của Tesla nhằm đạt tới mục tiêu này là Tháp Wardenclyffe, cấu trúc cao 57 m trên đảo Long Island với mong muốn phân phối điện năng đến toàn bộ hành tinh. Việc xây dựng bị gián đoạn khoảng năm 1905, không phải vì phương pháp bị xem là không thực tiễn hoặc nguy hiểm, mà bởi vì nhà tài trợ, nhà tư bản và ông chủ nhà băng danh tiếng J P Morgan, lo ngại rằng sẽ không có cách nào tính tiền với những người dùng điện ở xa. Ngày nay, hơn một thế kỉ sau thời Tesla, điện năng đã đi tới hầu như mọi nhà qua mạng lưới điện toàn cầu. Dẫu sao, sự phản đối của J P Morgan cũng đã đặt dấu kết thúc sớm cho nỗ lực đầu tiên nhắm tới điện học không dây.

Không cần gắn dây

Ngày nay, chúng ta biết có nhiều phương pháp truyền điện mà không cần dây dẫn. Thí dụ đơn giản nhất là bức xạ điện từ, ví dụ như sóng vô tuyến. Các anten bức xạ theo mọi hướng là một trong những công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất, chúng được tận dụng tối đa trong việc cung cấp dịch vụ Internet không dây, điện thoại di động, radio và truyền hình. Những anten này thường hoạt động ở ngưỡng tần số MHz-cao/GHz-thấp. Mặc dù những anten này hoạt động tốt và thích hợp cho sử dụng với máy thu di động, vì chúng có thể hoạt động ở mọi hướng và không cần một hướng nhìn thẳng đến máy thu, nhưng chúng rất không hiệu quả. Chỉ một phần hết sức nhỏ của năng lượng bức xạ theo hướng của máy thu thật sự được thu nhận, vì đa phần bức xạ bị thất thoát theo mọi hướng khác. Việc sử dụng anten định hướng cao, ví dụ như anten chùm vi sóng, trên nguyên tắc giải quyết được vấn đề này và thu được hiệu suất cao trong việc truyền điện cả trên những cự li dài (tức là hàng km). Mặt khác, loại anten này yêu cầu một đường nhìn không bị đứt quãng, tức là đòi hỏi một cơ chế lài chùm và theo vết dụng cụ phức tạp. Đồng thời, các chùm bức xạ tập trung điện năng cao có thể gây nguy hiểm.

Một giải pháp khác cho anten là sử dụng máy biến áp cảm ứng, một dụng cụ thường sử dụng trong các mạch điện và động cơ điện (ví dụ bàn chải điện và bộ nạp điện). Máy biến áp thường hoạt động đến tần số trung-kHz. Về cơ bản, nó biến đổi điện năng từ một mạch điện này sang mạch điện khác thông qua sự cảm ứng: từ thông biến thiên theo thời gian gây ra bởi cuộn dây sơ cấp đi qua cuộn thứ cấp và cảm ứng trong nó một điện áp. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp thường không được nối với nhau trên phương diện vật chất, vì vậy phương pháp này là không dây. Máy biến áp có thể rất hiệu quả nhưng khoảng cách giữa các cuộn dây phải rất nhỏ (thường là vài milimet). Đối với những khoảng cách bằng vài lần kích cỡ các cuộn dây, hiệu suất giảm đi đáng kể.


Phần cơ sở vật lí cho đa số các phương pháp hiện có cho sự truyền tải điện không dây là nguyên lí cơ bản của sự cộng hưởng: tính chất của những hệ vật lí nhất định dao động với biên độ cực đại ở những tần số nhất định. Với bất kì loại kích thích nào (cơ, âm, điện từ, hạt nhân) có một tần số cho trước, một máy thu sẽ thu nhận năng lượng truyền tải hiệu quả chỉ khi nó được thiết kế để cộng hưởng ở tần số kích thích đó. Chỉ khi đó thì những kích thích liên tiếp sau mỗi chu kì dao động cộng gộp kết hợp cùng pha và dẫn tới sự tích góp năng lượng bên trong máy thu.

Để minh họa, hãy xét 100 cốc thủy tinh chứa đầy rượu ở mức khác nhau sao cho chúng ủng hộ sự cộng hưởng âm ở những tần số khác nhau. Giờ thì hãy để một tay chơi ghita điện tạo ra và duy trì một nốt rất rõ ràng. Chỉ một trong các cốc, cái cộng hưởng với tần số của nốt này, sẽ phản ứng với kích thích, co giãn nên nó có thể thậm chí bị vỡ, trong khi phần còn lại sẽ vẫn không bị ảnh hưởng gì. Tương tự, chúng ta điều chỉnh anten điện từ của một máy radio cho cộng hưởng với tần số của đài phát mà chúng ta muốn nghe. Nhiều máy biến áp sử dụng trong mạng lưới điện và ở mọi nơi còn được thiết kế khai thác sự cộng hưởng để tăng cường sự truyền công suất.

Thí nghiệm tại MIT

Vì ngày nay, điện năng được phân phối đến từng nhà một trên khắp thế giới, nên không cần thiết truyền điện đi những khoảng cách xa như Tháp Wardenclyffe nữa. Truyền điện bên trong một căn phòng, ấy là trên khoảng cách vài lần lớn hơn cỡ của các dụng cụ thu (cái các kĩ sư gọi là khoảng cách tầm trung), là đủ cho đa số các ứng dụng hiện đại. Việc đạt tới mục tiêu này với hiệu suất thỏa mãn, an toàn và giá thành thấp vẫn là một bài toán chưa được giải. Đó là thách thức đối với Soljačić và các cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm MIT: John Joannopoulos, Peter Fisher, Andre Kurs, Robert Moffatt và tôi.

Trở lại với nguyên lí cơ bản của sự cộng hưởng, chúng ta có câu hỏi là những điều kiện vật lí nào làm tối đa hóa hiệu suất truyền năng lượng giữa hai vật cộng hưởng. Năng lượng của bất kì bộ cộng hưởng nào cũng tự nhiên bị suy thoái do các cơ chế mất năng lượng nội tại (ma sát đối với sự cộng hưởng cơ, sự bức xạ và hấp thụ do điện trở đối với cộng hưởng điện từ, sự va chạm với phonon và sự phát xạ tự phát đối với cộng hưởng nguyên tử). Các mất mát thường được định lượng bởi số chu kì dao động cần thiết để năng lượng giảm đi 2,72 lần. Con số này, được thể hiện bằng “hệ số phẩm chất” Q, là một tính chất nội tại của các bộ cộng hưởng và phụ thuộc vào cường độ của cơ chế thất thoát. (Là một trường hợp tương tự đơn giản, nước bên trong cái xô có một lỗ xì sẽ rò rỉ ra ở tốc độ phụ thuộc vào kích cỡ của cái lỗ).

Nếu hai vật cộng hưởng trao đổi năng lượng, thì còn cần một số đặc trưng các chu kì dao động để truyền năng lượng từ vật cộng hưởng A sang vật cộng hưởng B, con số này tỉ lệ với một hằng số định lượng cường độ ghép cặp giữa hai vật cộng hưởng, Qk. (Nếu nước được bơm từ xô này sang xô kia qua một cái vòi, thì thời gian truyền nước phụ thuộc vào cường độ bơm). Rõ ràng, để cho sự truyền năng lượng hiệu quả, Q cần phải lớn hơn Qk nhiều, tức là tốc độ truyền năng lượng cần lớn hơn nhiều so với tốc độ năng lượng bị thất thoát. (Nước sẽ được truyền hiệu quả hơn giữa hai cái xô bị rỉ nếu như máy bơm hoạt động nhanh hơn sự rò rỉ từ các lỗ xì). Hiệu suất của hệ khi đó có thể đặc trưng bởi thương số Q/Qk. Sự truyền năng lượng chỉ hiệu quả khi tỉ số này lớn hơn một, cái gọi là chế độ ghép cặp mạnh.


”Hệ số phẩm chất”, Q, của một cuộn dây (xem chi tiết trong phần văn bản) có thể dùng để truyền tải điện không dây ở

tần số khoảng 107 Hz khi Q đạt cực đại của nó, khi sự tổn thất kết hợp do hấp thụ điện trở (màu lục) và bức xạ (màu lam) là nhỏ nhất.

Đối với phương pháp không dây của chúng tôi, chúng tôi sử dụng một trong những mạch điện cơ bản nhất là vật cộng hưởng: mạch LC. Mạch điện này là một mạch cộng hưởng điện từ gồm một cuộn cảm (L), chế tạo bằng dây dẫn, và một tụ điện (C). Hai cuộn dây như vậy truyền năng lượng qua sự cảm ứng, giống như một dụng cụ biến áp, và Qk rõ ràng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cuộn dây. Đối với những khoảng cách tầm trung và bước sóng đủ dài, tốc độ suy thoái trong không gian của từ trường nghĩa là Qk đại khái tỉ lệ với lập phương của tỉ số khoảng cách giữa hai cuộn dây, D, và cỡ của mỗi cuộn dây, d, đồng thời biểu hiện sự phụ thuộc chút ít vào tần số và hình dạng của các cuộn dây. Điều này có nghĩa là, đối với những khoảng cách tầm trung, Qk sẽ lớn và sự ghép cặp rất yếu.

Kết quả là cách tốt nhất để tối đa hóa hiệu suất là thao tác kĩ thuật trên các bộ cộng hưởng để có giá trị khả dĩ cao nhất của Q (cố gắng hàn kín các lỗ xì trong cái xô). Tần số cộng hưởng của mỗi cuộn dây (phải bằng nhau đối với cả hai cuộn dây) có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi điện dung (và việc điều chỉnh một thành phần mạch điện chính là xoay cái nút vặn trên anten radio). Q biến thiên theo tần số có thể điều chỉnh đó, và sự biến thiên này được thể hiện trong hình ở trên đối với một cuộn dây có đường kính 60 cm cấu tạo từ ống dây đồng có bán kính 2 cm. Có thể thấy rõ, đối với những tần số MHz-cao, vật cộng hưởng mất năng lượng nhanh (Q thấp, thường nhỏ hơn 10) do bức xạ. Đây chính là cách thức một cái anten được thiết kế hoạt động như vậy. Tương tự, đối với những tần số trung-kHz, nó mất năng lượng nhanh (Q nhỏ hơn 100) qua sự hấp thụ do điện trở, hiện tượng điển hình của các máy biến áp. Điều này giải thích tại sao cả anten đa định hướng và máy biến áp đều không phải là những máy truyền tải điện năng hiệu quả ở những khoảng cách tầm trung: số đo thời gian truyền Qk lớn do D, và Q nhỏ. Mặt khác, trong chế độ MHz-thấp, trung bình, người ta thấy thời gian tổn thất dài hơn nhiều, với Q thường lớn hơn 1000. Đó là chế độ chúng tôi đã chọn.


Dựa trên lí thuyết của mình, chúng tôi bắt đầu các thí nghiệm vào cuối năm 2006. Những thách chủ yếu gồm việc thiết kế một mạch điều khiển sẽ hoạt động trong chế độ MHz-thấp như mong muốn của chúng tôi và chế tạo những cuộn dây cộng hưởng với giá trị đủ cao của Q. Sau một pha thử nghiệm và tìm sai sót, chúng tôi nhận ra rằng một thiết kế cuộn dây đơn giản không có một tụ rời, mà sử dụng điện dung riêng của cuộn dây để thu được sự cộng hưởng, là lựa chọn tốt nhất xét theo Q.

Chúng tôi đã chế tạo hai cuộn dây đồng với đường kính 60 cm và 5 vòng, sao cho chúng cộng hưởng ở 100 MHz và có Q = 1000. Một bóng đèn 60W là dụng cụ chúng tôi chọn, vì nó hoạt động ở tần số đã kiểm tra (và cái gì có thể là dấu hiệu rõ ràng hơn của sự hoạt động của một hệ so với việc bật một cái bóng đèn?). Chúng tôi treo các cuộn dây dưới trần nhà với dây lưới cá, ở cách nhau 2 m, bật chúng lên và…có ánh sáng. Ở hiệu suất 45%, với kiến thức của chúng tôi thì đây là minh chứng đầu tiên của sự truyền điện không dây hiệu quả tầm trung.

Về phương diện an toàn

Tính chất cộng hưởng chọn lọc có nghĩa là hầu như toàn bộ điện năng cung cấp sẽ được truyền tới dụng cụ đích và không bị thất thoát nơi nào khác. Đây là vì mọi vật thể ngẫu nhiên, kể cả cơ thể sinh vật, gần như luôn luôn có một cấu trúc không cộng hưởng. Cho dù một vật có vẻ như cộng hưởng, thí dụ cái anten điện thoại di động, thì sự cộng hưởng của nó sẽ rất khác với tần số cộng hưởng nguồn chính xác (giống hệt như 99 cốc thủy tinh kia). Hơn nữa, ngay cả trong trường hợp cực kì không chắc có cùng tần số cộng hưởng, thì giá trị Q của nó vẫn quá thấp nên không có lượng điện năng đáng kể nào truyền tới nó.

Martin Soljačić (trái), tác giả hiện nay (ở giữa) và John Joannopoulos ở Viện Công nghệ Massachusetts, cùng với minh

chứng phòng thí nghiệm của công nghệ của họ - ở đây sử dụng một bóng đèn 60W. (Ảnh: Donna Coveney/MIT)

Trong chế độ hoạt động bước sóng dài của chúng tôi (bước sóng 30 m ở 10 MHz so với các cuộn dây 60 cm), điện năng được truyền từ vật này sang vật kia bởi sự phân tán khởi bộ cộng hưởng nguồn và rồi “tập trung” trở lại vào dụng cụ cộng hưởng. Trái với ở những tần số cao, trong đó điện năng sẽ phát xạ như một chùm hội tụ với tiết diện nhỏ hơn nhiều, cơ chế trước hàm ý rằng, trong hệ của chúng tôi, mật độ năng lượng cục bộ và do đó các trường sẽ nhỏ hơn đáng kể tại mọi điểm, ngoại trừ có lẽ là những điểm ở gần các cuộn dây. Những trường nhỏ hơn rõ ràng ngụ ý sự thực hiện an toàn hơn.

Ngoài ra, phương pháp điện không dây của chúng tôi sử dụng từ trường, thay vì điện trường, để truyền năng lượng. Từ điểm nhìn từ trường, đa số các chất dẫn điện nghèo nàn, ví dụ nưh gỗ, gạch, plastic và con người, trông rất giống như không khí. Mặt khác, điện trường thật sự có mối


nguy hại cho sức khỏe, vì chúng có thể tương tác với các cơ quan sinh học. Với phương pháp của chúng tôi, những điện trường này bị giới hạn với tụ điện bên trong bộ cộng hưởng của chúng tôi. Phương pháp khá giống với loại lò cảm ứng dùng trong nấu nướng, nhờ đó một cái lò có thể truyền hàng kilowatt điện năng lên một chão kim loại qua sự cảm ứng, nhưng thật an toàn nếu dùng tay không dẫn điện của chúng ta chạm vào. Cũng lưu ý là ngay cả những từ trường “lớn” trong hệ của chúng tôi thật ra có cường độ hết sức nhỏ, xấp xỉ 10-4 T ở gần các cuộn dây đối với 60W công suất truyền tải, cùng cỡ với từ trường bất biến theo thời gian của Trái đất. Đó là sự cộng hưởng Q cao biến đổi một cách kì diệu từ trường nhỏ xíu này thành điện năng có thể sử dụng được.

Sự linh động không dây

Các trường bước sóng dài tự nhiên bao trùm và tự phân bố lại xung quanh những vật ngẫu nhiên trong vùng phụ cận của chúng hoặc nhưng vật nằm giữa nguồn và máy thu di động. Do đó, trong khi một chùm bức xạ sẽ lập tức bị gián đoạn bởi những chướng ngại vật, thì phương pháp của chúng tôi vẫn tráng kiện và không yêu cầu đường nhìn không gián đoạn đến nguồn. Các nguồn có thể ẩn bên dưới sàn nhà, đằng sau bức tường hoặc bên trong đồ đạc, và dụng cụ thu không cần tìm bóng chắn trong khi rong ruổi tự do phía sau những vật ngẫu nhiên hoặc tích hợp bên trong những hệ thống khác.

Trường gần tạo ra bởi một cuộn dây nguồn cộng hưởng phân tán khá đều theo mọi hướng, trái với một chùm bức xạ trực tiếp. Như vậy, sự dịch chuyển thích hợp của một hoặc nhiều cuộn dây của dụng cụ có thể đảm bảo bao quát mọi hướng với tính phức tạp thấp và do đó giá thành thấp.

Phản ứng của hệ với những biến thiên động lực học của các thông số của nó do tương tác biến thiên với môi trường của nó trong khi chuyển động có thể nhanh trong vòng 0,1 ms, dựa trên băng thông tần số sẵn có của các cộng hưởng MHz sắc nét. Như thế là đủ cho những biến đổi đi cùng với chuyển động hàng ngày.

Ray Bradbury, nhà văn khoa học viễn tưởng có nhiều sáng tác, có lần từng nói “Mọi thứ anh mơ tới là viễn tưởng, và mọi thứ anh đạt tới là khoa học”. Nếu như sự cách tân của chúng tôi được thương mại hóa thành công, thì quan niệm về một thế giới hoàn toàn không dây có thể sớm nhảy ra khỏi giấc mơ trở thành một thành tựu phổ biến. Chúng ta sẽ quên việc nạp điện chiếc điện thoại di động, laptop và dụng cụ cá nhân kĩ thuật số khác của mình. Mê cung lưới điện đằng sau mỗi ngôi nhà hay thiết bị văn phòng sẽ không còn nữa. Xe hơi sẽ chạy bằng điện năng đi đường dài hơn và chi phí rẻ hơn. Các rô-bôt sẽ hoàn toàn quên bẵng đi việc quay trở lại trạm nạp điện của chúng. Các micro rô-bôt sẽ mãi mãi sống ẩn bên trong các chip điện tử. Các bộ cảm biến cấp nguồn bằng pin chôn dưới lòng đất sẽ không bao giờ chết. Và câu chuyện về vị thẩm phán sẽ sớm thuộc về lịch sử.

“Cha ơi, con tìm được một ngọn đèn trong tầng hầm, nhưng nó không hoạt động, cha xem này?”, lời của cậu con trai 10 tuổi, nói vọng lên trong khi leo lên gác. “Nó hoạt động chứ con trai”, vị thẩm phán trả lời, “nhưng nó phải nối với ổ cắm trên tường và ngôi nhà mới của chúng ta thì không có ổ cắm nào như thế”.

Aristedis Karalis (Viện Công nghệ Massachusetts, Mĩ)


Những nhà thiên văn đầu tiên xứ Australia

Maryke Steffens

Bạn có biết, nền thiên văn học đã không ra đời với những người Hi Lạp. Hàng nghìn năm trước, những người Thổ dân Úc châu đã săm soi bầu trời đêm, sử dụng những bí mật của nó để sống sót trên lục địa Australia.

Ngày xưa, có một người đàn ông mù sống cùng vợ anh ta trong bụi rậm. Mỗi ngày, anh bảo vợ đi ra ngoài săn trứng chim emu về cho anh ta ăn. Mặc dù vợ anh đã hết sức cố gắng làm hài lòng người chồng, nhưng anh ta luôn nổi giận với cô, bảo cô rằng các trứng chim sao mà nhỏ quá.

Một ngày nọ, trong khi đang đi săn, cô vợ bắt gặp những vết chân chim emu rất lớn. Cô nghĩ tới người chồng ở nhà và có lẽ anh ta đã đói lắm rồi, và cô đi theo những vết chân ấy dẫn tới tổ chim. Cô thấy một con emu khổng lồ ở đó và ném đá vào nó để cướp lấy trứng, nhưng nó đã đứng dậy và chạy về phía cô vợ, giết chết cô ta.

Người đàn ông mù ở nhà cảm thấy đói và lo lắng cho cô vợ của anh ta. Anh mò mẫm xung quanh lều trại cho đến khi anh đến được một bụi rậm với những quả mọng và anh đã ăn một số quả. Bất ngờ, anh có thể nhìn thấy. Anh tự tạo một số mũi giáo và một cái woomera, rồi đi tìm vợ. Anh đi theo vết chân của vợ và cuối cùng nhìn thấy con emu khổng lồ và xác của người vợ. Anh dùng giáo đâm chết con emu và trục xuất linh hồn của nó lên Dải Ngân hà, nơi nó vẫn được trông thấy cho đến ngày nay.

- một câu chuyện kể của người Papunya, Bắc Territory

Emu trên Trời trải ngang qua Dải Ngân hà. (Ảnh: Barnaby Norris)


Emu trên Trời sắp thẳng hàng với một hình chạm đá ở Công viên quốc gia Ku-Ring-Gai (Ảnh: Barnaby Norris)

Nếu ngước nhìn lên bầu trời đêm nay, bạn có thể vẫn phát hiện ra Emu [loài đà điểu châu Úc] trên Trời. Hầu như chắc chắn bạn đã từng nhìn vào nó rồi, nhưng có lẽ bạn chưa bao giờ trông thấy nó.

Emu trải ngang qua một trong những vật thể quen thuộc nhất trên bầu trời đêm, đó là Dải Ngân hà. Hãy nhìn kĩ vào Bội tinh phương Nam, bạn sẽ thấy cái đầu của nó là một vết tối gấp nếp ở gần góc dưới bên trái của chòm sao. Cổ của nó nối giữa hai ngôi sao chỉ hướng, và thân thể tối của nó trải theo chiều dài của thiên hà rực rỡ của chúng ta.

Emu trên Trời đã được mô tả trong truyền thuyết Thổ dân Úc châu trong hàng nghìn năm qua.

Nhiều nhóm ngôn ngữ khác có lời giải thích riêng của họ cho số phận thiên định của Emu, cùng với những câu chuyện phong phú và đa dạng về đà điểu, vẹt, cá, cá đuối gai độc, người đi săn, đàn ông, phụ nữ, con gái và con trai.

Một khi bạn đã nghe qua những câu chuyện này, thì bầu trời đêm sẽ không bao giờ còn trông như cũ nữa. Và nó không chỉ là những câu chuyện bạn sẽ tìm gặp – nền thiên văn học Thổ dân có một bản đồ để bạn tìm hiểu, tồn tại và sống dung hòa với mảnh đất phương nam rộng lớn này.

Những mảng tối trên bầu trời

Không giống như truyền thống thiên văn Hi Lạp, nơi hầu như tập trung chủ yếu vào những ngôi sao, nền thiên văn học Thổ dân tập trung vào Dải Ngân hà và thường hợp nhất những mảng tối giữa các vì sao.


Emu trên Trời, một câu chuyện phổ biến với nhiều nhóm Thổ dân, là một thí dụ cho điều này – cơ thể của nó cấu thành từ những mảng tối trong Dải Ngân hà. Người Boorong thì nhìn những mảng tối ấy là khói phát ra từ ngọn lửa Nurrumbunguttias, những linh hồn xưa cũ. Người Kaurna thì nhìn Dải Ngân hà – gọi là Wodliparri – là một con sông lớn nơi Yura (yêu quái) sống trong những mảng tối.

Với người Ngarrindjeri, hình dạng tối hình thành bởi Bội tinh phương Nam là con cá đuối gai độc Nunganari và những ngôi sao chỉ hướng là Ngarakani, hay cá mập.

Những nhà thiên văn đầu tiên

Người Thổ dân đã từng được mô tả là “những nhà thiên văn đầu tiên của thế giới”.

Người Yolngu ở Arnhem Land, chẳng hạn, có những câu chuyện thơ mộng giải thích thủy triều, nhật thực, sự mọc và lặn của mặt trời, mặt trăng, và sự thay đổi vị trí mọc lên của các vì sao và hành tinh trong năm.

Chàng thợ săn Orion mang tên Djulpan đối với người Yolngu ở Bắc Territory. (Ảnh: Ray Norris)

Trong một trong những câu chuyện của họ, thần mặt trời Walu là một phụ nữ thắp lửa mỗi buổi sáng và gieo rắc đất đỏ trên những đám mây, tạo ra bình mình. Rồi vị nữ thần mang đuốc của mình trên khắp bầu trời, tạo ra ánh sáng ban ngày. Lúc cuối ngày, vị nữ thần lùi xuống, tắt đuốc đi, và đi xuống đất qua đêm tối trở lại doanh trại ban mai của mình.

Nhà vật lí thiên văn Ray Norris đã sưu tập và lắng nghe những câu chuyện kể Thổ dân về bầu trời đêm trên khắp lục địa Australia.


Một trong những câu chuyện ưa thích của ông là chuyện kể Yolngu về ba người anh em trên một chiếc xuồng trong chòm sao Djulpan (theo thần thoại Hi Lạp là chàng thợ săn Orion [Thiên lang]). Ba ngôi sao trong vành đai Orion là những người anh em ngồi bên nhau, với ngôi sao Betelgeuse và Rigel đánh dấu phía trước mũi và sau lái của chiếc xuồng. Các ngôi sao trong tinh vân Orion thể hiện một con cá, và các ngôi sao thuộc phần thanh kiếm của Orion thể hiện lưới cá kéo phía sau chiếc xuồng.

“Tôi thích câu chuyện này vì nó trông thật sự giống như một chiếc xuồng khi bạn ngắm nó”, Norris nói.

Có nhiều câu chuyện kể về chòm sao Orion trên khắp đất nước Australia, và chúng gần như luôn luôn kể về một nhóm người đàn ông săn bắn hoặc đánh cá, Norris nói. Thường thì chúng có một nhóm phụ nữ trẻ đi theo phía sau, thể hiện bởi những ngôi sao trong cụm Pleiades [Nhóm Thất tinh] thuộc chòm sao Taurus [Kim ngưu].

Thật bất ngờ, những câu chuyện này rất giống với thần thoại Hi Lạp, trong đó chàng thợ săn Orion đuổi theo các chị em Pleiades trên bầu trời.

Nữ thần báo ứng của Orion, Scorpius, cũng được mô tả là một con bọ cạp trong một số câu chuyện kể Thổ dân.

Ví dụ, một câu chuyện Yolngu kể về thần bọ cạp Bundungu tập trung dân chúng của mình dọc theo bờ sông Milnguya (Dải Ngân hà) với các họ hàng Baripari (chuột túi) và Wahk (quạ) của họ.

“Loại câu chuyện đó đã mê hoặc tôi, ở chỗ những nền văn hóa khác cũng đi đến những kết luận tương tự”, Norris nói.

Con rắn trời

Những câu chuyện kể Thổ dân thơ mộng có thể giúp định vị các sự kiện thiên văn học – theo thời gian và trong không gian - Duane Hamacher, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại trường đại học Macquarie, nói.

Hamacher đang sưu tầm những câu chuyện kể Thổ dân về sao chổi và thiên thạch – thường được mô tả là con mắt phát sáng của một con rắn trời đang bay trên trời – và xem ông có thể sử dụng chúng cùng với bản đồ Google để xác định vị trí của những miệng hố va chạm chưa được phát hiện ra trước đây hay không, kiểu như miệng hố tại Wolf Creek (Thung lũng Chó sói) ở miền tây Australia.

Ông đã tìm thấy một câu chuyện kể về một ngôi sao từ trên trời rơi xuống và gây ra lửa cháy, chết chóc và phá hủy từ một nơi cách vùng ngoại ô Alice Springs khoảng 100 kilo mét ở miền bắc Territory, dường như tương ứng với một cấu trúc lớn, hình tròn mà ông tìm thấy trên các bản đồ Google.

“Khi tôi trông vào nó, nó đã bị xói mòn mạnh, cho thấy nó đã hàng triệu năm tuổi, tuy nhiên, nếu chúng ta có thể tìm ra một miệng hố va chạm dựa trên một câu chuyện kể thơ mộng, thì điều đó khá quan trọng”.


Bầu trời là một quyển lịch

Người Thổ dân có một lí do rất thực tế cho sự say mê thiên văn học của họ: bầu trời là một quyển lịch cho biết khi nào thì các mùa chuyển dịch và khi nào thì những loại thực phẩm nhất định có sẵn để dùng – theo lời Roslynn Haynes, một phó giáo sư tại trường đại học New South Wales và là tác giả của quyển Explorers of the Southern Sky (Thám hiểm Bầu trời phương Nam), một quyển lịch sử của nền thiên văn học Australia.

“Các chòm sao xuất hiện trên bầu trời, thường thì lúc mặt trời mọc và lúc mặt trời lặn, là rất quan trọng. Chúng giúp [người Thổ dân] dự báo cái gì đang xảy ra trong thế giới xung quanh họ”, Haynes nói.

Thí dụ, vào những thời điểm khác nhau trong năm, Emu trên Trời định hướng sao cho nó dường như hoặc đang chạy hoặc đang ngồi xuống. Tùy vào vị trí của nó, mọi người ở sa mạc phía tây [Australia] biết được thời điểm thích hợp để đi săn chim emu hay thu gom trứng của chúng.

Khi chòm sao Scorpius [Cung Bọ cạp] có thể nhìn thấy trên bầu trời đêm về cuối tháng 4, người Groote Eylandt ở vùng Vịnh Carpentaria biết là mùa ẩm ướt đã qua và những cơn gió tây nam khô cằn sẽ sớm bắt đầu thổi.

Người Boorong ở tây bắc Victoria nhìn vào chòm sao chim mallee, Neilloan (Lyra [Thiên cầm]) để biết khi nào họ nên khai thác trứng chim. Khi Neilloan xuất hiện ở bầu trời tây bắc vào khoảng tháng 4, họ biết chim chóc đang chuẩn bị làm tổ kiểu ụ của chúng. Sự biến mất của Neilloan vào cuối tháng 9 hay đầu tháng 10 có nghĩa là đã đến lúc bắt đầu thu gom trứng chim.

“Toàn bộ những thứ này rất quan trọng vì là nguồn thức ăn”, Haynes nói.

Trong khi bầu trời đêm có công dụng rất thực tế đối với người Thổ dân, thì nó còn có giá trị về mặt tâm linh, là một phương tiện củng cố văn hóa và cộng đồng, Haynes nói.

“[Các vật thể trên bầu trời] có những câu chuyện gắn liền với những công việc họ phải làm với những giá trị và đạo đức của cộng đồng. Cho nên, khi các chòm sao xuất hiện, những câu chuyện lại được kể cho nhau nghe và những bài học đó sẽ ăn sâu vào tiềm thức của thế hệ trẻ”.

“Họ rất thích cái nhìn chính thể đó, nó đã mang lại cho họ cả thế giới, mang bầu trời đến gần họ như môi trường mặt đất xung quanh”.

Giữ cho bầu trời đêm Thổ dân sống mãi

Phần nhiều sự phong phú của bầu trời đêm Thổ dân đã không còn, Norris nói.

“Một số nền văn hóa đã bị phá vỡ nghiêm trọng, nên không thể xem cái gì còn lại, và bạn chỉ còn có trong tay những mảnh vỡ chắp ghép mà thôi”.

Ngay cả người Yolngu ở Arnhem Land, những người vẫn tiến hành những buổi lễ chính thức để truyền đạt kiến thức, cũng đang nhận thấy rằng nền thiên văn học Thổ dân không dễ gì phù hợp với thế giới thế kỉ 21.

“Nó đang biến mất rất nhanh”, Norris nói. “Bạn thấy đấy, mọi người thật ra chẳng muốn đi dự những buổi tế lễ nữa, họ nên đi vào trường đại học hơn”.

Norris nói người Yolngu đang giải quyết vấn đề này, họ đang thảo luận sôi nổi trong cộng đồng về việc làm thế nào giữ cho nên văn hóa của họ tồn tại trong khi vẫn cho bọn trẻ của họ những cơ hội mà chúng đáng được hưởng.


Trong khi đó, các nhà nghiên cứu đang chuyển đến những tập san và bài báo viết về những người Australia da trắng thời xa xưa, ví dụ như các nhà thám hiểm, các nhà truyền giáo và các nhà nhân chủng học xa xưa, cũng như các địa điểm khảo cổ, để hé lộ những ghi chép lâu nay bị bỏ quên của nền thiên văn học Thổ dân.

Thí dụ, Norris và Hamacher đang ghi chép lại thông tin từ một địa điểm đá khối ở gần Geelong ở Victoria dường như sắp thẳng hàng với các điểm chí mùa hạ và mùa đông – một loại Stonehenge của Úc châu.

Điều quan trọng là nên giữ gìn những câu chuyện kể và công trình tạo tác này làm bằng chứng của niềm say mê mà những nhà thiên văn học đầu tiên của thế giới đã có với bầu trời đêm, Norris nói.

“Chúng ta đều đã quen với nghệ thuật, didgeridoo, và nhảy múa kiểu Thổ dân, và thường thì mọi người không đánh giá đúng chiều sâu và tính phức tạp và tính trí tuệ phản ánh trong [những câu chuyện kể Thổ dân]”.

Haynes đồng ý rằng nền thiên văn học Thổ dân có thể giúp mọi người dân Australia suy nghĩ khác đi về thế giới – đặc biệt là xem xét những mối quan hệ phức tạp giữa sinh vật sống và môi trường.

“Sinh thái học là một cách rất quan trọng để suy nghĩ về thế giới. Theo một kiểu nào đó, đó là cái mà nền thiên văn học Thổ dân đã làm, mặc dù nó mô tả trên trời cũng như dưới đất, cho nên bạn có một vũ trụ đan xen phức tạp”.

Thông tin thêm về những câu chuyện kể trong bài báo này, vui lòng viếng thăm những website sau đây:

• Australian Aboriginal Astronomy: http://www.atnf.csiro.au/research/AboriginalAstronomy/whatis.htm

• Astronomy and Australia's Indigenous People: http://www.assa.org.au/nacaa/aaaip.pdf

Theo abc.net.au


Con người hoạt động như thế nào?

Roland Ennos

Bất chấp hàng thế kỉ nghiên cứu, cơ chế hoạt động của cơ thể con người vẫn giữ trong nó một số bất ngờ. Vấn đề là nêu ra những câu hỏi thích hợp, và đi trả lời chúng.

Ảnh: Edward Kinsman/Science Photo Library

Hãy đặt quyển sách xuống bàn và thả bộ một vòng trong phòng nào. Trước tiên hãy bước đi bình thường, hai tay đong đưa tự nhiên. Sau đó, hãy thử đi với hai tay khoanh trước ngực. Cuối cùng, hãy bước đi với tay và chân mỗi bên đồng bộ với nhau, đong đưa tới trước và ra sau đồng thời – một chuyển động ‘kiểu tíc tắc’. Hãy mặc kệ ánh mắt trố lên vì kinh ngạc của những người xung quanh. Xét cho cùng, bạn đang làm vật lí đấy.

Nếu bạn đã từng thực hiện thí nghiệm nhỏ này, thì sẽ có khả năng bạn lưu ý rằng cách đi bộ thứ hai và thứ ba ở trên khó thực hiện hơn. Nhưng tại sao vậy? Câu trả lời – giống như nhiều câu hỏi quan trọng trong ngành cơ sinh vật học – phức tạp hơn bạn có thể nghĩ nhiều lắm. Phần lớn nghiên


cứu sinh lí học tập trung vào việc nhà vật lí hỗ trợ nhà sinh học như thế nào trong việc nghiên cứu hoạt động của các tế bào. Theo nhiều cách nghĩ, điều này không có gì lạ. Các kĩ thuật sinh lí phức tạp thường được đòi hỏi để khảo sát sự hoạt động của những thứ diễn ra ở cấp độ micro và nano, và các quá trình trao đổi chất thậm chí còn bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng lượng tử.

Trái lại, người ta có thể cho rằng chúng ta đã biết mọi điều về sự hoạt động các cơ quan và toàn bộ cơ thể của các sinh vật – đặc biệt là giống người Homo sapiens. Các chuyển động và lực ở cấp độ vĩ mô, xét cho cùng, tương đối dễ đo và chỉ tuân theo các định luật vật lí cổ điển. Hơn nữa, giải phẫu cơ thể người đã được tìm hiểu chi tiết trong hàng trăm năm so với hàng chục năm chúng ta có được sự chỉ dẫn toàn diện đối với hệ gen con người. Tuy nhiên, thật bất ngờ, nghiên cứu của các nhà cơ sinh vật học – những người kết hợp sự tinh thông chuyên môn cả sinh học và vật lí học – tiếp tục hé lộ và làm sáng tỏ những lĩnh vực cho đến nay vẫn không ngờ về sự ngu dốt của chúng ta về bản thân mình.

Điều quan trọng để tìm hiểu cách thức cơ thể của chúng ta hoạt động là thay đổi quan điểm của chúng ta: hãy nhìn thế giới với những con mắt mới và từ đó nêu lên câu hỏi và đi trả lời những câu hỏi mới và vụng về ấy. Chẳng hạn, tại sao chúng ta đong đưa cánh tay tới lui khi đi bộ? Tại sao răng của chúng ta lại có cấu trúc chữ V, và tại sao bằng mọi giá chúng ta phải nhai nghiền thức ăn? Tại sao móng tay của chúng ta không ăn vào trong thịt mềm? Và tại sao chúng ta lại có dấu vân tay chính xác? Đây chỉ là một vài trong số những câu hỏi mà trong thời gian gần đây các nhà cơ sinh vật học đã nêu ra. Câu trả lời cho những câu hỏi này có lẽ xuất hiện hiển nhiên hoặc thậm chí tầm thường, nhưng suy nghĩ và thí nghiệm sâu xa hơn đang tiết lộ rằng thế giới của chúng ta quyến rũ hơn nhiều so với chúng ta có thể mơ tưởng.

Tại sao chúng ta đong đưa cánh tay khi đi ?

Quá trình cơ bản của sự đi bộ đã được tìm hiểu lâu rồi. Ở mỗi bước đi, chúng ta nhảy trên chân đang đứng, cơ thể chúng ta chuyển động giống như một con lắc ngược với bàn chân đứng yên là trục quay. Năng lượng cần thiết để chuyển động là tối thiểu vì có sự chuyển đổi qua lại liên tục của động năng và thế năng hấp dẫn: chúng ta chậm lại khi cơ thể nâng lên ở giữa mỗi bước đi, sau đó tăng tốc trở lại khi cơ thể hạ xuống vào cuối mỗi bước đi. Một lượng nhỏ năng lượng chắc chắn bị mất thành âm và nhiệt khi chúng ta đặt mỗi bàn chân xuống nền đất, nhưng về cơ bản chúng ta chuyển động ít nhiều mang tính liên tục, chỉ đòi hỏi một cú đẩy nhỏ từ bàn chân để giữ cho chuyển động tiếp tục.

Vậy thì hai cánh tay có vai trò gì trong bức tranh trên? Chắc chắn việc đong đưa cánh tay chỉ là sử dụng năng lượng một cách không cần thiết? Có lần Steven Collins và các đồng nghiệp tại khoa kĩ thuật y khoa và cơ học tại trường đại học Michigan ở Mĩ đã nêu ra câu hỏi này (mới đây nhất là hồi năm 2009), họ đã có thể, khá dễ dàng, đi tới những giả thuyết khác để giải thích nó. Họ lí giải, có khả năng là việc đong đưa cánh tay giúp làm giảm chuyển động theo phương thẳng đứng của khối tâm của người, và vì thế giảm tối thiểu lực đặt lên bàn chân. Khả năng khác là việc đong đưa cánh tay giúp chống lại các tác dụng quán tính của hai chân mà nếu không có thể gây ra mô men quay xung quanh trục thẳng đứng của cơ thể.

Việc kiểm tra hai giả thuyết này yêu cầu mọi người đi bộ theo ba kiểu khác nhau, giống như tôi đã đề nghị ở đầu bài viết: với hai tay đong đưa tự nhiên; giữ hai tay lại hoặc không cho chúng đong đưa; và với mỗi cánh tay đong đưa cùng pha với chân tương ứng, đi kiểu ‘tíc tắc’. Nhóm của Collins đã chụp ảnh 10 đối tượng đi bộ, đồng thời còn đo sự tiêu thụ oxygen của họ và lực tạo ra bởi bàn chân của họ khi họ đi bộ trên những “tấm lực” được thiết kế đặc biệt lún vào nền đất. Những


tấm lực này sử dụng cân điện tử để đo lực tức thời trong cả ba mặt phẳng, cũng như mô men quay hoặc mô men xoắn xung quanh trục thẳng đứng.

Các phép đo oxygen cho thấy các đối tượng sử dụng nhiều hơn khoảng 10% năng lượng để đi bộ mà không đong đưa tay so với khi họ đong đưa tay bình thường, còn đi kiểu ‘tíc tắc’ tiêu thụ năng lượng nhiều hơn 26%. Bước tiếp theo là giải thích tại sao. Ghi hình cho thấy không có sự thay đổi nào ở chuyển động của hai chân hoặc cơ thể, nhưng các số ghi tấm lực cho thấy trong khi lực liên quan không thay đổi, thì mô men quay xung quanh trục quán tính của cơ thể cao gấp hai lần với trường hợp hai tay không đong đưa và gấp ba lần với trường hợp đi kiểu ‘tíc tắc’ so với khi đi bộ đong đưa tay bình thường. Do đó, rõ ràng việc đong đưa tay của chúng ta làm giảm mô men quay chúng ta cần phải tác dụng để chống lại quán tính của hai chân chúng ta, và vì thế làm giảm năng lượng cần thiết để đi bộ và lực xoắn tác dụng lên khớp gối.

Tại sao chúng ta có phiến răng hình chữ V ?

Cơ chế của sự ăn là một lĩnh vực nữa nơi việc nêu ra những câu hỏi thích hợp sẽ làm thay đổi cái nhìn của chúng ta. Người ta đã nói nhiều về răng cửa ‘cắt’, răng nanh ‘xé’ và răng hàm ‘nghiền’. Nhưng những thuật ngữ này là mơ hồ và không cho chúng ta biết điều gì về mối quan hệ giữa hình dạng răng và loại thức ăn chúng có thể xử lí. Khi muốn cải thiện kiến thức của chúng ta về răng, cái có ích hơn là hãy xét các tính chất cơ giới và đứt gãy của những loại thức ăn khác nhau, như Peter Lucas thuộc khoa nhân loại học tại trường đại học George Washington đã trình bày trong quyển sách của ông Hình thái học chức năng răng (Dental Function Morphology, Nhà xuất bản Đại học Cambridge, 2004). Răng cửa, chẳng hạn, sẽ xử lí tốt các thức ăn mềm như thịt và rau củ, nhưng sẽ bị cùn nếu cắn xương hoặc hạt cứng. Những loại thức ăn cứng nhưng giòn này dễ vỡ hơn khi sử dụng răng hàm đã bị cùn đỉnh, cho phép những thức ăn loại này bị bẻ cong và gãy vỡ. Các chất liệu sinh học vừa cứng vừa dai, ví dụ như gỗ cây, sẽ không thể cắn vỡ; thật vậy, đa số động vật hiếm khi sử dụng chúng làm thức ăn.

Những lí giải này dường như dễ hiểu, nhưng tại sao nhiều răng cắt, trong đó có răng tiền hàm của chúng ta, lại có những phiến hình chữ V? Một lần nữa, những giả thuyết khác có thể được đặt ra. Một phiến hình chữ V có thể giúp giữ lấy thức ăn, không cho nó bị ép dẹt ra khi nó bị cắt xét, hoặc có lẽ nó giúp cho răng tác dụng cắt lát xiên. Cả hai tác dụng có thể làm giảm năng lượng cần thiết để cắn xé thức ăn.

Để kiểm tra những khả năng này, vào năm 2009, nhà cổ sinh vật học Philip Anderson ở khoa Khoa học Trái đất tại trường đại học Bristol ở Anh đã thực hiện các thí nghiệm trên hai loại thức ăn: thịt cá hồi và măng tây. Ông đã đo năng lượng cần thiết để cắn thịt cá hồi (rất dễ biến dạng) và măng tây (khó biến dạng hơn nhiều) sử dụng các phiến sắc nhọn giữ ở bốn cấu hình khác nhau. Trong cấu hình thứ nhất, hai phiến sắc được giữ song song nhau. Trong cấu hình thứ hai, phiến ở trên nghiêng một góc 30o, tạo ra sự cắt lát. Trong cấu hình thứ ba, các phiến song song nhưng thức ăn không bị ép dẹt vì nó được giữ ở bên hông bởi hai “bẫy” thẳng đứng do mặt sau của các phiến tạo ra. Trong cấu hình thử thứ tư, phiến ở trên có hình chữ V, tạo ra tác dụng cắt lát và giữ lại.

Anderson nhận thấy sử dụng các phiến hình chữ V làm giảm đáng kể năng lượng cần thiết để cắt cả hai loại thức ăn. Ở thịt cá hồi, đây một phần là vì thức ăn bị ngăn không cho biến dạng: các bẫy bên hông hiệu quả giống như các phiến xiên ở việc giảm năng lượng cần thiết. Với măng tây, trái lại, sử dụng một phiến nghiêng làm giảm năng lượng giống hệt như sử dụng phiến chữ V, do đó cho thấy sự giảm năng lượng chỉ do tác dụng xiên của sự cắt. Cho nên lần sau bạn có ăn thịt cá hồi


và măng tây, thì hãy nhớ nghiên cứu xem răng tiền hàm hình chữ V của bạn có xử lí những loại thức ăn này tốt hơn răng cửa của bạn không nhé.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những cấu hình phiến khác nhau để kiểm tra xem hình dạng răng ảnh hưởng như thế nào đến năng lượng cần thiết để nhai. (Ảnh: P S L Anderson 2009 J. Exp. Biol. 212 3627)

Tại sao chúng ta phải nhai thức ăn ?

Nhưng tại sao bằng mọi giá chúng ta phải nghiền nhỏ thức ăn ra? Đa số sách vở nói là để tăng diện tích bề mặt và vì thế tăng tốc độ tiêu hóa, và nhai thức ăn đủ nhỏ để nuốt mà không bị mắc lại ở thực quản. Những giả thuyết này đã bị nghi ngờ hồi giữa thập niên 1990 bởi Jon Prinz và Lucas, khi đó họ đang làm việc tại khoa giải phẫu của trường đại học Hong Kong. Họ trình bày rằng, khi động vật có vú nuốt, thức ăn đi qua con đường thở vào đường xuống dạ dày, cho nên có một nguy cơ tiềm tàng là các hạt thức ăn đi nhầm đường. Vì thế, họ đề xuất, việc nhai cho phép chúng ta nén thức ăn thành viên nhỏ - thuật ngữ kĩ thuật gọi là bolus - ở phía trên của miệng với lưỡi. Khi đó, nó có thể được nuốt xuống một cách an toàn.

Để kiểm tra ý tưởng này, họ đã yêu cầu các tình nguyện viên ăn cà rốt thái nhỏ và đậu hạt, đếm số lần các đối tượng nhai thức ăn trước khi nuốt nó. Sau đó, họ lập mô hình cường độ cố kết của


viên thức ăn sau những số lần nhai khác nhau, bằng cách tính toán lực dính cần thiết để tách các hạt ra nhỏ hơn nữa. Họ nhận thấy với cả hai loại thức ăn, sức bền của viên thức ăn ban đầu tăng theo số lần nhai, vì những hạt nhỏ hơn có diện tích bề mặt lớn hơn, nghĩa là viên thức ăn được giữ với nhau bởi lực kết dính tăng lên. Tuy nhiên, khi sự nhai tiếp tục, có nhiều nước bọt bị ép vào trong viên thức ăn hơn, cuối cùng làm tăng khoảng cách giữa các hạt, do đó làm giảm lực kết dính và làm yếu viên thức ăn. Để nhai thức ăn một cách tự nhiên, không bị vướng víu bởi các nhà nghiên cứu tò mò, người ta sẽ nuốt viên thức ăn vào lúc khi nó bền nhất - ủng hộ thêm cho lí thuyết của Prinz và Lucas.

Tại sao móng tay của chúng ta không ăn vào trong thịt mềm ?

Nhóm nghiên cứu của tôi tại trường đại học Manchester ở Anh đã chứng tỏ được rằng một phương pháp nêu những câu hỏi thích hợp giống như vậy còn có thể làm cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về cấu tạo của đầu ngón tay của mình. Tất cả chúng tôi đều cắn móng tay của mình hoặc cho chúng bị xước nhưng móng tay bị xước hầu như không bao giờ ăn vào trong phần thịt mềm. Thay vào đó, chúng mọc đều ra, tự cắt tỉa lại. Nhưng tại sao thế? Khi lần đầu tiên tôi có câu hỏi này trong đầu cách nay 10 năm, hình như nó là một câu hỏi mới; một lần nữa, đây là một hiện tượng mà mọi người đã từng trải qua nhưng không ai nghiên cứu thêm nữa.

Ảnh hiển vi của một bề mặt móng tay bị rách cho thấy những lớp sợi khác nhau mang lại cho móng tay sức bền của chúng.


Tôi đặt vấn đề này cho một nhóm sinh viên sinh vật học năm thứ hai – họ nhanh chóng đi đến câu trả lời. Hóa ra là phần chính, ở giữa của móng tay có toàn bộ các sợi keratin của nó sắp xếp song song với “nửa vầng trăng” ở phần gốc móng tay, cho nên vết xước di chuyển về phía gốc móng tay bị chệch ra rìa móng tay. Sau đó, chúng tôi đã tiến hành các kiểm tra để nghiên cứu xem mất bao nhiêu năng lượng để cắt móng tay theo những hướng khác nhau. Những phép kiểm tra này, sử dụng kéo và kìm bấm móng tay gắn theo kiểu máy kiểm tra cơ thông dụng, cho thấy mất nhiều năng lượng gấp đôi để cắt móng tay hướng vào gốc của móng tay so với trường hợp cắt ngang xung quanh rìa của chúng.

Tuy nhiên, nếu móng tay chỉ cấu tạo gồm những sợi định hướng song song với “nửa vầng trăng”, thì nó sẽ tiếp tục bị xước luôn luôn. Để chống lại điều này, móng tay còn có những lớp mỏng ở phía trên và phía dưới trong đó các sợi định hướng theo mọi phương. Những lớp này cho móng tay sức bền uốn cong, và vì chúng bọc xung quanh rìa của móng, nên chúng còn giúp ngăn không cho vết xước hình thành ở vị trí đầu tiên. Chỉ có một nhược điểm cấu trúc trong sự cấu tạo kiểu sandwich khéo léo này: vì rìa bên ngoài không có lớp ở giữa, nên các vết xước có thể đi theo mọi hướng. Đây là nguyên do vì sao những vết xước móng tay có thể ăn sâu vào trong rất sắc, làm cho sườn bên của móng tay chảy máy – thường rất đau đớn.

Tại sao chúng ta có dấu vân tay ?

Giờ thì tiếp tục một câu hỏi khác về ngón tay của chúng ta. Chúng ta đều biết rằng đầu ngón tay của mỗi người là khác nhau và vì thế chúng có ích trong việc truy tìm tội phạm. Từ lâu người ta cho rằng – ít nhất là với các tác giả của sách giáo khoa y học – đầu ngón tay giúp chúng ta nắm các vật bởi sự tăng hệ số ma sát của các ngón tay.

Thật không may, ma sát học – khoa học của các bề mặt tương tác đang trong chuyển động tương đối với nhau - đã chứng tỏ rằng việc có một bề mặt gồ ghề không làm tăng ma sát của các chất liệu mềm như cao su và da. Đó là vì ma sát ở những chất liệu giống cao su không bị gây ra – như trong các chất liệu cứng – bởi sự mắc kẹt của những cấu trúc sắc nhọn, gồ ghề. Thay vào đó, những chất liệu mềm này dễ dàng biến dạng, chảy ra không theo quy tắc nào hết; ma sát giữa cao su và những chất liệu khác vì thế là do lực hút phân tử tầm ngắn hay các lực Van der Waals. Điều này có nghĩa là ma sát tăng theo diện tích tiếp xúc, chứ không theo lực pháp tuyến như ở các chất liệu cứng.

Để kiểm tra xem các ngón tay của chúng ta có hành xử giống như cao sau không, nhóm của tôi đã đo lực ma giữa của các ngón tay trên một tấm thủy tinh acrylic trong khi thay đổi lực pháp tuyến và diện tích tiếp xúc một cách độc lập. Để làm như vậy, ngón tay được giữ ở những góc khác nhau và đo lực ma sát trên những tấm có bề rộng khác nhau. Chúng tôi nhận thấy lực ma sát tăng theo diện tích tiếp xúc, chứng tỏ các ngón tay của chúng ta hành xử giống như cao su. Vì các ngón tay thật sự làm giảm diện tích tiếp xúc, cho nên chúng cũng phải làm giảm ma sát.

Vậy thì tại sao chúng ta lại có dấu vân tay? Chúng tôi hiện đang kiểm tra một vài giả thuyết thay thế khác. Có thể là dấu vân tay thật sự làm tăng ma sát trên những bề mặt gồ ghề - không phải trên những bề mặt nhẵn như thủy tinh. Li kì hơn, chúng có thể tác dụng giống như ta lông trên lốp xe, chúng loại bỏ nước vì thế làm tăng ma sát dưới những điều kiện ẩm ướt. Dấu vân tay có thể còn làm cho da linh hoạt hơn và vì thế giúp ngăn cho nó không bị phồng rộp.

Những kiểm tra ban đầu cho thấy ma sát giữa các ngón tay và bề mặt thật sự giảm khi độ gồ ghề bề mặt tăng lên. Kết quả này mang lại sự nghi ngờ đối với giả thuyết thứ nhất, mặc dù có khả năng là các ngón tay nhẵn có lẽ còn tệ hơn. Công trình nghiên cứu khác của Thibault Andre thuộc bộ môn


vật lí y khoa tại trường đại học Công giáo Louvain ở Bỉ vừa chứng tỏ rằng sự cầm chặt là tối đa ở những mức độ ẩm da trung bình. Điều này cho thấy việc loại bỏ nước thật sự có vai trò ở đây. Tuy nhiên, thực tế chúng ta có xu hướng bị phồng da chủ yếu ở những chỗ trên bàn tay thiếu dấu vân tay cho thấy tác dụng chống phồng da cũng quan trọng. Chỉ có thêm thời gian và thí nghiệm nữa mới cho câu trả lời trọn vẹn.

Những câu hỏi vụng về khác

Như những thí dụ này cho thấy, vấn đề trở nên rõ ràng đối với chúng tôi, những người nghiên cứu trên ranh giới giữa vật lí và sinh học, là chúng ta có nhiều thứ để tìm hiểu về bản thân mình hơn chúng ta có thể nghĩ. Nhưng còn có nhiều cái để học hơn nữa từ những sinh vật khác: chúng ta vẫn đang cố gắng lượm lặt thêm thông tin từ cách thức loài tắc kè bò trên tường hay loài rắn trườn đi trên đất, chẳng hạn. Cả hai loài động vật này đều đã được nghiên cứu rộng rãi, phần lớn vì chúng ta có thể sử dụng kiến thức ấy, thí dụ, để chế tạo “băng dính tắc kè” không cần chất kết dính hay những khớp nối nhân tạo trượt tự do hơn. Kể từ khi có mặt của khóa Velcro bắt chước tác dụng cầm nắm của các hạt giống thực vật hình móc câu, lĩnh vực phỏng sinh vật học ngày càng mở rộng đã và đang đi tìm nguồn cảm hứng mới từ thế giới tự nhiên.

Nhưng, tất nhiên, các ứng dụng không chỉ là nguyên do duy nhất để tiến hành những nghiên cứu như vậy: niềm vui thuần khiết của sự khám phá cái mới cũng là một món quà đáng kể. Và không giống như nhiều lĩnh vực vật lí, loại nghiên cứu này không nhất thiết phải đắt tiền hay khó khăn về mặt toán học. Thật vậy, phần nhiều nghiên cứu thế này có thể thực hiện bởi bất kì nhà vật lí nào có trí sáng tạo. Mọi thứ bạn cần là đầu óc ưa tìm hiểu, một chút khéo léo và sự can đảm dám nêu ra những câu hỏi vụng về.

Roland Ennos (Physics World, tháng 1/2010)


Sự thật về giai thoại quả táo Newton

Tập bản thảo viết tay đã làm lan truyền một trong những giai thoại nổi tiếng nhất của lịch sử khoa học vừa được Hội Hoàng gia Anh cho công bố trên Internet.

Steve Connor

Người ta đồn đại với nhau rằng ngài Isaac Newton đã khám phá ra lực hấp dẫn trong khi ngồi trong mảnh vườn nhà của mẹ ông ở Lincolnshire.

Đó là một trong những giai thoại nổi tiếng nhất trong lịch sử khoa học. Chàng trai trẻ Isaac Newton đang ngồi trong vườn nhà mình khi một quả táo rơi trúng đầu anh ta và, trong một lóe sáng của trí tuệ tột đỉnh, anh đột ngột đi tới lí thuyết của mình về sự hấp dẫn. Câu chuyện trên chắc chắn đã bị thêm mắm dặm muối, bởi chính Newton lẫn nhiều thế hệ nhà viết truyện về ông. Nhưng từ hôm nay, bất kì ai truy cập Internet đều có thể tự tìm thấy lời giải thích căn bản làm thế nào một quả táo rơi có thể truyền cảm hứng cho sự tìm hiểu lực hấp dẫn.

Hội Hoàng gia ở London đang đưa ra công khai ở dạng kĩ thuật số một bản thảo gốc quan trọng mô tả cách thức Newton nghĩ ra lí thuyết của ông về sự hấp dẫn sau khi chứng kiến một quả


táo đang rơi từ trên cây xuống trong mảnh vườn nhà của mẹ ông ở Lincolnshire, mặc dù không có bằng chứng nào cho thấy nó rơi trúng đầu ông.

Đó là vào năm 1666, và dịch bệnh đã làm đóng cửa nhiều công sở và những cuộc hội họp. Newton phải bỏ Cambridge đến Woolsthorpe Manor, gần Grantham ở Lincolnshire, ngôi nhà khiêm tốn nơi ông chào đời, để chiêm nghiệm những vấn đề hóc búa mà ông đã và đang theo đuổi ở trường đại học.

Ông đặc biệt bị ám ảnh bởi quỹ đạo của Mặt trăng xung quanh Trái đất, và cuối cùng đã lí giải rằng tác dụng của trọng lực phải trải rộng đến những khoảng cách rất lớn. Sau khi trông thấy làm thế nào những quả táo luôn luôn rơi thẳng đứng xuống mặt đất, ông đã bỏ ra nhiều năm nghiên cứu cơ sở toán học chứng tỏ trọng lực giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.

Nhưng có bằng chứng nào cho thấy Newton thật sự được truyền cảm hứng bởi một quả táo đang rơi hay không? Ông không để lại bản viết tay nào cho thấy điều này, mặc dù có những tư liệu khác cho rằng ông đã từng nói với những người khác như thế lúc ông đã là một người lớn tuổi.

Các nhà sử học hướng tới một tư liệu đặc biệt viết bởi một trong những người đương thời trẻ tuổi hơn của Newton, một nhà sưu tầm đồ cổ và là nhà tiền khảo cổ học tên gọi William Stukeley, người đồng thời là tác giả đã viết quyển tiểu sử đầu tiên của nhà khoa học vĩ đại người Anh, mang tựa đề Hồi kí về Cuộc đời của Ngài Isaac Newton.

Stukeley cũng sinh ra ở Lincolnshire, và đã sử dụng quan hệ này để kết bạn với Newton vốn khét tiếng hay gắt gỏng. Stukeley đã vài lần trò chuyện với anh bạn thâm niên hơn kia, và hai người gặp nhau đều đặn vì là thành viên của Hội Hoàng gia, và trao đổi với nhau. Vào một dịp đặc biệt trong năm 1726, Stukeley và Newton đã có một buổi ăn tối chung với nhau ở London.

“Sau buổi tối, tiết trời đang ấm áp, chúng tôi đã tản bộ ra vườn và uống trà dưới tán một số cây táo, chỉ có ông và tôi”, Stukeley viết trong tập bản thảo viết tay kĩ càng mà Hội Hoàng gia cho công bố.

“Giữa những bài thuyết giảng khác, ông bảo tôi, ông lại ở trong tình huống tương tự, như trước đây khi quan điểm lực hấp dẫn xuất hiện trong đầu của ông. Tại sao quả táo đó luôn luôn rớt thẳng đứng xuống đất, ông tự nghĩ mãi; nhân lúc một quả táo rơi xuống, khi ông ngồi trong tư thế suy tư.

“Tại sao nó không rớt sang bên, hay rớt lên trên cao? Mà cứ luôn phải rớt xuống tâm Trái đất? Nhất định lí do là Trái đất đã hút nó xuống. Phải có một sức mạnh hút kéo nào đó ở vật chất. Và tổng sức mạnh hút kéo trong vật chất của Trái đất phải nằm ở tâm của Trái đất, chứ không nằm ở bất kì chỗ nào khác của Trái đất.

“Vì thế, quả táo này có rơi vuông góc hay tiến về phía tâm ấy hay không? Nếu vật chất theo cách đó hút lấy vật chất, thì nó phải tỉ lệ với lượng của nó. Do đó, quả táo hút lấy Trái đất, đồng thời Trái đất hút lấy quả táo”.


Đây là bản viết chi li nhất của giai thoại quả táo rơi, nhưng nó không phải là bản viết duy nhất từ thời Newton còn lại. Ông cũng đã dùng nó để tiêu khiển với John Conduitt, chồng của cô cháu gái của Newton và là người trợ lí của ông tại Sở đúc tiền Hoàng gia, cơ quan do Newton lãnh đạo trong những năm tháng sau này của cuộc đời ông. Conduitt viết: “Vào năm 1666, một lần nữa ông rời Cambridge về nghỉ với mẹ ông ở Lincolnshire. Trong khi đang đi lang thang trầm tư trong vườn, thì trong đầu ông chợt xuất hiện ý tưởng rằng sức mạnh của trọng lực (cái mang quả táo từ trên cây xuống đất) không bị hạn chế với một khoảng cách nhất định đến Trái đất, mà sức mạnh này phải trải rộng ra xa hơn người ta thường nghĩ.

“Tại sao không cao đến Mặt trăng kia chứ, ông tự bảo mình, và nếu như thế, thì sức mạnh đó phải ảnh hưởng đến chuyển động của mặt trăng và có lẽ duy trì quỹ đạo của nó, từ đó ông lao vào tính toán xem kết quả của giả thiết đó sẽ là gì”.

Cả hai bản viết về tình tiết quả táo đều được Newton nhắc lại khoảng 50 năm sau này. Liệu nó có thật sự xảy ra, hay nó chỉ là một câu chuyện mà Newton đã thêm thắt hay thậm chí là bịa ra?

“Newton đã khéo léo mài giũa giai thoại này cho tồn tại với thời gian”, phát biểu của Keith Moore, trưởng phòng lưu trữ tại Hội Hoàng gia. “Câu chuyện ấy nhất định có thật, nhưng chắc là đã bị thêm bớt nhiều”. Câu chuyện quả táo phù hợp với quan điểm rằng một vật hình quả đất bị hút về phía Trái đất. Nó còn cộng hưởng với bản viết trong kinh thánh về ba cây kiến thức, và được biết Newton là người có quan điểm tôn giáo cực đoan, ông Moore nói.

Tại Woolsthorpe Manor, ngày nay thuộc sở hữu quốc gia, người quản gia, Margaret Winn, cho biết chính cây táo ấy vẫn lớn lên ở phía trước ngôi nhà, ngay trước cửa sổ phòng ngủ của Newton.

“Ông đã từng kể câu chuyện ấy lúc về già nhưng bạn thật sự nghi vấn không biết nó thật sự có xảy ra hay không nhỉ”, cô Winn, người từng buôn chuyện với những quả táo, nói. Nhưng cho dù câu chuyện có là sức tưởng tượng đồng bóng của một ông cụ già, thì câu chuyện quả táo rơi đã đi vào lịch sử với vai trò là “thời khắc eureka” thứ hai trong khoa học, sau sự kiện Archimedes phát hiện ra cách xác định thể tích của các vật khi ông ở trong nhà tắm.

Những thời khắc eureka: Làm thế nào họ ‘có được nó’

* Archimedes được cho là nhà khoa học đầu tiên hét toáng câu nói Hi Lạp "Eureka!" đánh dấu một bước đột phá, khi ông phát hiện ra nguyên lí của ông về sự nổi. Nhà văn La Mã Vitruvius đã viết rằng Archimedes đang tắm khi ông nhận ra rằng lúc ông bước vào trong bồn tắm, khối lượng cơ thể của ông thay thế cho một trọng lượng nước nhất định. Người ta nói nhà khoa học đã nhảy ra khỏi bồn tắm và trần truồng chạy ra đường phố Syracuse ở Sicily, hét toáng lên: "Eureka, eureka!" (Tôi tìm ra rồi!). Tính xác thực của câu chuyện này bị nghi ngờ, vì rằng Vitruvius viết về nó gần 200 năm sau này.

* Otto Loewi, nhà sinh lí học người Đức, bỏ ra 17 năm cố gắng tìm ra bằng chứng dứt khoát rằng các xung thần kinh được truyền bằng hóa chất, và cuối cùng đã bắt gặp sức mạnh sáng tạo trong một đêm khi ông nằm mơ thấy mình tiến hành một thí nghiệm quan trọng sử dụng trái tim của con ếch. Ông lập tức đi vào phòng thí nghiệm của mình thực hiện thí nghiệm trên, để ý thấy dây thần


kinh phế vị của con ếch giải phóng một hóa chất, ngày nay gọi là chất truyền xung thần kinh acetylcholine, chất này điều khiển nhịp tim.

* Mặc dù người ta thường bảo rằng Charles Darwin đã đi tới lí thuyết của ông về sự chọn lọc tự nhiên trong khi ở trên quần đảo Galapagos vào năm 1835, nhưng ông chỉ bắt đầu tin vào sự tiến hóa sau khi ông trở lại Anh. Thay vì có một “thời khắc Eureka”, nhà khoa học đã bỏ ra hai thập kỉ cân nhắc những quan sát của ông, cuối cùng trình bày lí thuyết gây tranh cãi của ông trong quyển sách năm 1859 Về nguồn gốc của các loài.

Theo independent.co.uk


Có hay không những người ngoài hành tinh thân thiện ?

Michael Hanlon

Những con quái vật trơn ướt có sáu mắt. Những kẻ khủng bố có xúc tu. Chỉ nghe tả đã gợn tóc gáy rồi. Nhưng như các nhà khoa học tranh luận, Michael Hanlon nói rất có khả năng chúng ta không đơn độc trong Vũ trụ...

Là một người viết về khoa học, tôi thường tự hỏi đâu là câu chuyện lớn nhất có thể phá vỡ dòng suy nghĩ của mình, cái sẽ dẫn đến sự đấu tranh giành quyền phán quyết cuối cùng có xuất hiện ngay trang nhất hay không.

Có lẽ là sự có mặt của những dòng người vô tính đầu tiên? Hấp dẫn đấy, nhưng không phải một thế giới thật sự đang thay đổi.

Hay một phương thuốc điều trị ung thư ? Đó sẽ là câu chuyện của thế kỉ, nhưng thật đáng buồn là có khả năng nó không bao giờ xuất hiện (ung thư, trong mọi trường hợp, là nhiều thứ bệnh, chứ không phải một).

Không, sự kiện lớn nhất sẽ là khám phá được xác nhận về sự sống thông minh ngoài địa cầu.

Các vi khuẩn trên sao Hỏa, nói thí dụ thôi, sẽ là một câu chuyện đủ to tát, mặc dù sau sự hào hứng ban đầu thì đây được xem chủ yếu là hứng thú mang tính hàn lâm viện, chứ không hấp dẫn công chúng.

Nhưng sự khám phá ra sự sống thông minh ngoài địa cầu sẽ có những hệ quả hầu như không thể tưởng tượng nổi.

Thật sự có ai đó ở ngoài kia không? Tàu thám hiểm của chúng ta không tìm thấy dấu hiệu của sự sống thông minh, nhưng có dấu hiệu của vi sinh vật nguyên thủy.

Nếu biết trí tuệ con người không phải là độc nhất sẽ buộc chúng ta suy nghĩ lại mọi thứ chúng ta biết về sự sống, về Vũ trụ và về tất cả. Nhiều người sẽ thật phấn chấn.


Nhưng một số nhà khoa học lo ngại những hậu quả khi mà nền văn minh ‘ban sơ’ của chúng ta bị khám phá bởi những người ngoài hành tinh tân tiến mới thật là đáng sợ. Cuộc chiến của Những thế giới có thể là một sự miêu tả chính xác hơn là Chạm trán gần.

Trong tuần này, một nhà khoa học nêu ý kiến rằng nếu chúng ta thật sự phát hiện ra người ngoài hành tinh, thì chúng ta nên giữ im lặng. Tuy nhiên, những lo sợ như thế, trong thời điểm hiện nay, là không thực tế. Bất chấp nửa thế kỉ tìm kiếm, chúng ta vẫn không có manh mối thật sự nào rằng sự sống trong vũ trụ là phổ biến – hay chỉ độc nhất trên Trái đất mà thôi.

Nhớ lại, vào tháng 4 năm 1960, một nhà thiên văn trẻ tên gọi là Frank Drake đã điều khiển một chiếc kính thiên văn vô tuyến ở Tây Virginia, và hướng nó vào một ngôi sao giống mặt trời gọi là Tau Ceti, nằm cách xa 66 nghìn tỉ dặm, và lắng nghe.

Ông không biết Tau Ceti có hành tinh nào quay xung quanh nó hay không, hay có bất cứ hành tinh nào trong số này giống với Trái đất không, hay chúng có những sinh vật sống biết sử dụng sự truyền phát vô tuyến hay không. Nhưng, ông lí giải thật hợp lí, ông phải bắt đầu ở đâu đó.

Hồi năm 1960, nhà thiên văn Frank Drake đã điều khiển một kính thiên văn vô tuyến ở Tây Virginia và hướng nó vào một ngôi sao giống mặt trời tên gọi là Tau Ceti, nằm cách xa 66 nghìn tỉ dặm, để xem ông có thể nghe được những gì.

Trong tuần này, một hội nghị được tổ chức tại Hội Hoàng gia Anh nhằm kỉ niệm chương trình Tìm kiếm Sự sống thông minh Ngoài địa cầu, gọi tắt là SETI, nhằm lắng nghe bằng chứng ủng hộ và phản bác khả năng có sự sống ngoài địa cầu.


Ngày hôm qua [25/1], Frank Drake, giờ đã 79 tuổi, trình bày rằng hồi năm 1960 ông không có kết luận nào hết. Có lẽ mọi ngôi sao đều đang phát sóng.

Tất nhiên, Drake đã chẳng nghe được gì. Cũng chẳng có tín hiệu gì từ ngôi sao tiếp theo mà ông khảo sát, Epsilon Eridani. Trong nhiều năm kể từ nỗ lực ngập ngừng đầu tiên để lắng nghe đó, dự án SETI đã được mở rộng và hiện nay đã quét qua hàng nghìn ngôi sao trên vô số tần số vô tuyến.

Nhưng việc tìm kiếm không dừng lại ở đó. Chúng ta đã gửi tàu thám hiểm lên sao Hỏa và mọi nơi để tìm nhưng không thấy dấu hiệu của sự sống thông minh (chúng ta chắc chắn rằng Trái đất là nơi duy nhất trong hệ mặt trời của chúng ta về phương diện này), mà có dấu hiệu cho vi sinh vật nguyên thủy.

Các nhà thiên văn thuộc chương trình SETI đã bắt đầu tìm kiếm những loại tín hiệu khác, có lẽ là những chớp sáng laser thay cho sự truyền sóng vô tuyến.

Và một thế hệ mới của những siêu kính thiên văn, trên mặt đất và trong không gian, đã bắt đầu một cuộc tìm kiếm những thế giới kiểu Trái đất đang quay xung quanh những ngôi sao lân cận.

Có người ngoài hành tinh hay không? Một số kính thiên văn đã được dành trọn cho việc tìm kiếm những nơi mà sự sống ngoài địa cẩu có thể tồn tại

Nhưng, cho đến nay, vẫn chẳng phát hiện gì. Chúng ta có bằng chứng mạnh mẽ rằng những thế giới kiểu Trái đất có lẽ có ở ngoài kia. Có những dấu hiệu trêu ngươi của sự sống vi sinh trên sao Hỏa. Nhưng, chừng nào còn đề cập đến dấu hiệu của sự sống thông minh, thì vẫn chẳng có gì.

Điều này tự nó thật sự khá bất ngờ. Mười năm trước khi Frank Drake lần đầu tiên lắng nghe, nhà vật lí vĩ đại Enrico Fermi, cha đẻ của năng lượng nguyên tử, đã hỏi: ‘Địa ngục ở đâu thế mọi người?’ Nói cách khác, những dân cư khác của vũ trụ sinh sống ở đâu chứ?

Lúc Fermi phát biểu những lời này, kích cỡ tương đối và tính cổ xưa của vũ trụ đã trở nên rõ ràng; những con số đang gây sửng sốt. Đúng 50 năm trước đây, các nhà thiên văn học nghĩ rằng vũ trụ gồm có một thiên hà, Dải Ngân hà, cấu thành gồm một vài triệu ngôi sao.

Điều đó đủ khó tin rồi. Nhưng vào năm 1950 chúng ta đã biết rằng những mảng sáng mờ nhạt, những ‘tinh vân’ tô điểm cho bầu trời đêm, và cái đã thách đố các nhà thiên văn trong thời gian khá lâu, thật ra là những thiên hà hoàn toàn tách biệt.

Vũ trụ to lớn hơn hàng tỉ lần so với chúng ta nghĩ về nó – và nó già hơn nhiều, nhiều lắm.

Thật vậy, ngày nay chúng ta biết rằng vũ trụ đã biết nằm trong một quả cầu bề ngang chừng 94 tỉ năm ánh sáng, và cấu tạo gồm vài tỉ thiên hà, mỗi thiên hà chứa hơn nửa nghìn tỉ ngôi sao.

Những con số khổng lồ như thế nằm ngoài sự lĩnh hội của con người, nhưng một chuẩn so sánh có ích là hãy tưởng tượng (rất thô) có nhiều ngôi sao Ở Ngoài Kia như có nhiều hạt cát trên tất cả những bãi biến của Trái đất.


Fermi lí giải rằng nếu Trái đất không phải là độc nhất, thì Vũ trụ sẽ dồi dào sự sống.

Phải có ít nhất một vài nền văn minh ở ngoài kia, và xét đến tuổi của vũ trụ thì một vài trong số này phải là những nền văn minh rất tiên tiến (hay ít nhất cũng đã biết truyền phát sóng vô tuyến).

Vậy thì, ông hỏi, tại sao chúng ta không thấy bằng chứng nào về họ?

Câu hỏi này trở nên nổi tiếng từ đó là ‘nghịch lí Fermi’ và, nếu có thể nói được như thế, bí ẩn đó đã khắc sâu thêm kể từ năm 1950.

‘Có sự sống, nhưng tôi không nghĩ chúng ta có thể gọi nó là thông minh’

Lúc ấy, chúng ta không thể chắc chắn rằng các hành tinh, nơi đảm bảo thích hợp cho sự sống tiến hóa, thậm chí có tồn tại bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta hay không.

Nhưng kể từ giữa thập niên 1990, khoảng 400 hành tinh ‘ngoài hệ mặt trời’ đã được khám phá – đó là những hành tinh đang quay xung quanh những ngôi sao khác ngoài Mặt trời của chúng ta ra. Con số hành tinh cứ tăng dần theo thời gian.

Thỉnh thoảng, chúng ta lại thoáng trông thấy những hành tinh này một cách trực tiếp, nhưng thường thì chúng ta biết chúng có mặt ở đó bằng cách theo dõi sự ‘lắc lư’ do hấp dẫn mà chúng gây ra với ngôi sao bố mẹ của chúng.

Một số cỗ máy hùng vĩ nhất mà Con người từng chế tạo – ví dụ như ma trận Kính thiên văn Rất Lớn ở Chile, kính thiên văn vũ trụ COROT của châu Âu, Kính thiên văn vũ trụ Hubble và ‘Kẻ tìm kiếm Trái đất’ Kepler của NASA, một đài quan sát vũ trụ khác vừa được phóng lên trong năm 2009 – hiện dành trọn thời gian cho việc săn tìm những nơi khả dĩ cho sự sống.

Cho đến nay, đa số những hành tinh này quá lớn, hoặc quá nóng, hoặc quá lạnh để có thể là ngôi nhà hợp lí cho người ngoài hành tinh. Nhưng một vài hành tinh khác thì không như thế.

Năm 2007, người ta công bố rằng một ngôi sao nhỏ tên là Gliese 581, cách xa 20 năm ánh sáng trong chòm sao Libra (Thiên bình), có một cặp thế giới nhỏ, có lẽ là đá, kiểu Trái đất, đang xung quanh nó, hình như có nhiệt độ vừa thích hợp cho sự sống tồn tại.


Hồi tháng 12, một hành tinh gọi là GJ1214b được tìm thấy đang quay xung quanh một ngôi sao láng giềng. Các nhà thiên văn nghĩ đây là một thế giới nước, có phần lớn hơn Trái đất một chút và hoàn toàn chìm trong một đại dương sâu 100 dặm bên dưới một lớp khí quyển dày.

Chúng ta không biết có sự sống trên thế giới này không, hoặc có trên bất kì hành tinh nào trong số có lẽ hàng tỉ hành tinh đại khái cỡ Trái đất nằm ngoài kia hay không. Nhưng lô gic dường như cho thấy phải có một vài sự sống, và một vài trong số này là thông minh. Vậy thì, một lần nữa, mọi người ở đâu thế?

Mỗi nhà thiên văn mà tôi biết đều có một lí thuyết ưa thích riêng của họ.

Có những dấu hiệu trêu ngươi của sự sống vi khuẩn trên sao Hỏa. Nhưng, chừng nào còn đề cập đến sự sống thông minh, thì chúng ta vẫn chưa tìm thấy gì.

Thật vậy, thật hiếm một cách bất ngờ nếu tìm ra một nhà khoa học vũ trụ đáng kính nghĩ rằng chúng ta là đơn độc trong vũ trụ.

Bản thân Drake bị thuyết phục rằng có ‘khoảng 10.000’ nền văn minh nằm ngay trong thiên hà của chúng ta.

Quan điểm chung là ‘họ có ở ngoài kia, nhưng đơn giản là vì chúng ta chưa tìm thấy họ, và họ cũng chưa tìm thấy chúng ta mà thôi’.

Chúng ta có thể bỏ qua một cách an toàn lí thuyết cho rằng chúng ta đã tìm thấy người ngoài hành tinh rồi, và chính phủ đã giấu nhẹm thông tin đó. Bất chấp mọi khẳng định kiểu X-File và những lí thuyết thông đồng, vẫn chẳng có lời giải thích đáng tin nào của một chuyến viếng thăm bằng đĩa bay từ ngoài địa cầu đến Trái đất.

Vũ trụ, rốt cuộc, là rất, rất lớn. Ngay cả những tín hiệu vô tuyến, truyền đi ở tốc độ ánh sáng, cũng mất hàng năm hoặc hàng thập kỉ để đi đến hoặc đến từ những ngôi sao gần nhất.


Nhiều nhà thiên văn cho rằng ngay cả những phần láng giềng thuộc thiên hà của chúng ta cũng có thể là ngôi nhà cho hàng trăm nền văn minh tiên tiến, và đơn giản là chúng tôi không biết mà thôi.

Cũng rất có khả năng là người ngoài hành tinh không sử dụng vô tuyến gì cả, họ nói, và tại sao họ phải đi tìm các tín hiệu vô tuyến gửi đến Trái đất bằng mọi giá chứ? Như vậy, có vấn đề thời gian. Vũ trụ 13,7 tỉ năm tuổi. Người ngoài hành tinh có thể tiến hóa, đạt tới đỉnh cao sức mạnh của họ, rồi trở nên tuyệt duyệt vô số lần trong thời gian đó.

Để tìm trí thông minh ngoài địa cầu, chúng ta phải cầu may trên một nền văn minh ở không quá xa trong vũ trụ, nhưng còn đang tồn tại hiện nay.

Những ngôi sao như Gliese 581 có thể là ngôi nhà cho người ngoài hành tinh vẫn còn ở giai đoạn tiền sử, hoặc những người hành tinh khác đã bị tuyệt diệt cách nay một triệu năm. Nói cách khác, người ngoài hành tinh không có nhu cầu sử dụng những bộ phát vô tuyến.

Xét cho cùng, nếu như người ngoài hành tinh đã từng lỡ bước đến Trái đất 100.000 năm trước, thì họ chẳng tìm thấy gì ngoài những con người đầy lông lá cùng với giáo mác.

Nhưng chắc chắn bí ẩn lớn nhất, không được biết nhiều bởi nhóm SETI (họ có xu hướng quá lạc quan về việc đi tìm người ngoài hành tinh), là bí ẩn của bản thân sự sống. Chúng ta không biết sự sống đã phát sinh như thế nào trên Trái đất.

Một số người khẳng định hành tinh của chúng ta khá khắc nghiệt trong những năm tháng đầu tiên mà sự sống phải vừa mới đến, hình thành trọn vẹn, từ đâu đó, do sao chổi hoặc thiên thạch mang đến đây dưới dạng ‘mầm mống vũ trụ’.

Một đề xuất, của nhà vật lí và vũ trụ học Paul Davies, là sự sống có lẽ đã đến đây từ Hỏa tinh, nơi trước đây đã từng ôn hòa hơn so với Trái đất, nơi nhỏ hơn và nhận ít ‘cú hích’ từ những mảnh vỡ vũ trụ.

Trong trường hợp đó, mọi người chúng ta đều là dân sao Hỏa và nên đi tìm hóa thạch tổ tiên xa xưa của chúng ta trên Hành tinh Đỏ.

Davies, tác giả quyển sách mới Sự Im lặng Kì lạ, trình bày toàn diện về nghi vấn trí thông minh ngoài địa cầu, nghĩ rằng có lẽ tìm kiếm vô tuyến là cách không nên làm. Thay vào đó, có lẽ chúng ta nên đi tìm bằng chứng trực tiếp rằng người ngoài hành tinh đã đến viếng những khu rừng thiên hà của chúng ta trong quá khứ.

Có lẽ trí thông minh ngoài địa cầu sẽ chẳng là cái gì được công nhận ‘còn sống’ cả - cấu tạo từ silicon thay vì carbon, hoặc từ vật chất tối bí ẩn cấu thành nên đa phần Vũ trụ.

Có lẽ Trái đất thật sự đã được người ngoài hành tinh viếng thăm mọi lúc và đơn giản là chúng ta đã không để ý đến họ.

Những người khác thì không đồng ý. Nhà sinh vật học Cambridge, Simon Conway-Morris, nêu rằng trên Trái đất những dạng giải phẫu tương tự đã tiến hóa lặp đi lặp lại, trước những áp lực tiến hóa giống nhau.

Một thí dụ của sự “hội tụ” như thế là cá heo và ngư long. Cá heo là loài thú đại dương hiện đại, còn ngư long là một loài bò sát kỉ Jura đã tuyệt chủng – nhưng nhìn bên ngoài thì chúng hầu như giống hệt nhau.


Tiến sĩ Conway-Morris nghĩ rằng nếu có trí thông minh ở ngoài kia, thì nó có lẽ trông y hệt như chúng ta (ông còn nghĩ người ngoài hành tinh có lẽ còn hành xử giống như chúng ta nữa – tức là xấu xa – trong trường hợp đó ‘nếu chuông điện thoại liên thiên hà reo vang, thì chúng ta không nên nhấc máy’).

Thay vì tập trung vào các tín hiệu vô tuyến, Davies nói, chúng ta nên đi tìm ‘đồ tạo tác’, những mảnh máy móc bỏ đi có lẽ phân tán khắp hệ mặt trời của chúng ta. Ông nói, tìm kiếm như thế ‘trông có khả năng hơn’.

Mặc dù chúng ta không tìm thấy người ngoài hành tinh nào, hoặc máy móc của họ, nhưng chúng ta có thể nói về cái họ trông như thế nào. Câu trả lời cũ rích là à họ sẽ là người ngoài hành tinh; rằng vô số vòng xoáy ngẫu nhiên và sự biến chuyển tiến hóa mà chúng ta trông thấy trên Trái đất sẽ không được lặp lại trong một thế giới khác.

Đa số các nhà ‘sinh vật học vũ trụ’ (các nhà khoa học chuyên nghiên cứu những sinh vật ngoài hành tinh có thể có) vạch ra những khả năng kiểu khoa học viễn tưởng – những con quái vật có xúc tu, những sinh vật trơn tuột có sáu mắt, những cái đầu tổ ong kiểu côn trùng, những phiên bản người ngoài hành tinh kiểu côn trùng siêu sáng.

Một trường hợp nữa cho Mulder và Scully? Bất chấp những khẳng định X-File và các lí thuyết thông đồng, vẫn chưa có lời giải thích đáng tin nào cho một chuyến viếng thăm bằng đĩa bay.

Cho đến nay, thực tế vẫn là không ai đi tới một lời giải thuyết phục cho câu hỏi căn nguyên của Fermi. Địa ngục nằm ở đâu thế hả mọi người?

Tôi nghĩ có ba khả năng. Thứ nhất, và khả năng này cực kì hợp lí, là sự sống thật sự có ở mọi nơi – trong đó có sự sống thông minh. Trong trường hợp đó, nó phải là trường hợp đơn giản là chúng ta không trông thấy nó. Yêu cầu này không có gì bất ngờ với chúng ta. Liệu loài kiến sống trong hang của chúng có để ý thành phố tấp nập phía trên ngưỡng cửa nhà chúng hay không?

Khả năng thứ hai là có một vài nền văn minh giống như nền văn minh của chúng ta, nhưng do vực thẳm bao la của vũ trụ nên chúng ta chưa bao giờ từng gặp họ, và có lẽ sẽ không bao giờ gặp.

Nhưng một lần nữa, biết rằng tuổi của Vũ trụ là rất lớn, nếu sự thông minh rốt cuộc là hưng thịnh, thì lúc này chúng ta chắc chắn phải trông thấy những dấu hiệu của nó.

Rồi còn một khả năng thứ ba, là trong khi sự sống là phổ biến (và tôi tin như thế), nhưng sự sống thông minh thì không. Xét cho cùng, không có loài nào khác ở xa giống như giống loài homo sapiens đã tiến hóa trong toàn bộ lịch sử ba tỉ năm tiến hóa.

Nhưng có một lí thuyết cuối cùng còn khó tin hơn nữa. Chúng ta phải đối mặt trước khả năng rằng chúng ta – và các loài sinh vật và thực vật cùng chia sẻ Trái đất này – là đơn độc.

Một ngày nào đó, biết đâu sẽ xuất hiện trong quãng ngày tôi còn sống, các nhà khoa học sẽ khám phá ra cái gì đó cơ bản về sinh vật học – có lẽ về cách thức sự sống đã phát sinh, hoặc thậm chí trí não của chúng ta thật sự hoạt động như thế nào – có thể buộc chúng ta kết luận rằng Trái đất thật sự là độc nhất vô nhị trong vũ trụ mênh mông.


Và, theo suy nghĩ của tôi, đó sẽ là một câu chuyện còn gây kinh hoàng hơn cả việc phát hiện ra rằng chúng ta không hề đơn độc.

Trần Nghiêm dịch (theo New Scientist)


Mục tiêu Phobos: bước nhảy lớn tiếp theo của loài người

Stuart Clark

Phobos là cái tên bạn sẽ nghe nói nhiều trong những năm sắp tới. Nó có lẽ chẳng gì hơn là một tiểu hành tinh – chỉ nặng bằng hai phần tỉ khối lượng hành tinh chúng ta, không có khí quyển và lực hấp dẫn thì tệ hại – nhưng vệ tinh lớn nhất trong hai vệ tinh của sao Hỏa này đã sẵn sàng trở thành trạm tiền đồn tiếp theo của chúng ta trong vũ trụ, ngôi nhà thứ hai của chúng ta.

Mặc dù mặt trời của chúng ta thật sự hấp dẫn, nhưng lực hấp dẫn của nó đòi hỏi phải sử dụng những tên lửa tương đối lớn để đưa các nhà du hành đi lên và đáp xuống bề mặt. Điều tương tự đúng đối với sao Hỏa, khiến việc phóng các sứ mệnh vũ trụ từ đó cũng tốn kém – có lẽ còn đắt tới mức không đạt tới nổi nếu tổng thống Obama xét lại chính sách thám hiểm vũ trụ có người lái của NASA. Tháng 10 năm ngoái, một ủy ban gồm các chuyên gia độc lập do nhà tư bản công nghiệp Norman Augustine chủ trì đã kết luận rằng NASA sẽ phải đối mặt trước một sự thâm hụt khoảng 3 tỉ đô la mỗi năm nếu cơ quan này vẫn dự tính đưa các nhà du hành trở lại mặt trăng vào năm 2020. Nhưng điều đó không có nghĩa là con người chẳng còn có nơi nào để đi.

Một lựa chọn mà bản báo cáo Augustine đưa ra là đưa phi hành đoàn NASA đến những tiểu hành tinh ở gần và đến các vệ tinh của sao Hỏa. Pascal Lee, viện trưởng Viện Sao Hỏa ở Moffett Field, California, nói: “Nếu bạn chờ cho mọi thứ sẵn sàng, thì sẽ mất hàng thập kỉ. Phobos mang lại cho chúng ta một cách tiến đến một ngưỡng cửa rất gần của sao Hỏa”.

Có thể đây là trạm dừng chân tiếp theo trong vũ trụ ? (Ảnh: Đại học Arizona/NASA)


Vì Phobos quá nhỏ, nên trường hấp dẫn nó tạo ra yếu, vì thế một khi bạn đã tự đưa mình vào quỹ đạo quanh sao Hỏa, thì việc hạ cánh và cất cánh từ Phobos chỉ cần những sức đẩy nhỏ nhất thôi. Điều đó có nghĩa là việc đưa phi thuyền đến Phobos xa xôi sẽ rẻ tiền hơn và dễ dàng hơn so với gửi chúng lên bề mặt chị Hằng của chúng ta.

Từ Phobos, chúng ta có thể dễ dàng khảo sát bề mặt Hỏa tinh bằng kính thiên văn hoặc những cỗ xe điều khiển từ xa trước khi đáp xuống bề mặt hành tinh lúc chi phí cho phép.

Sự chuyển dịch đêm sao Hỏa

Scott Maxwell nghiên cứu sự luân phiên đêm sao Hỏa. Ông làm việc tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở Pasadena, California, và là một trong những người điều khiển hai cỗ xe tự hành thám hiểm sao Hỏa Spirit và Opportunity. Được cấp điện bằng năng lượng mặt trời, hai cỗ xe ngừng hoạt động mỗi khi mặt trời lặn trên sao Hỏa, nơi có “ngày” kéo dài 24,6 giờ. Việc cuối cùng các cỗ xe làm trước khi đi ngủ là gửi những tấm ảnh chụp nơi chúng đang ở về, để Maxwell và các đồng sự có thể tính xem sẽ yêu cầu chúng làm những việc gì trong ngày hôm sau. Khi chúng thật sự di chuyển, mỗi ngày chúng thận trọng nhích lên chỉ vài mét.

Việc lái các cỗ xe tương tác tức thời từ Trái đất là điều không thể. Ngay cả ở điểm cận nhất của Hỏa tinh, thì tổng thời gian đi về cho các tín hiệu chưa bao giờ ngắn hơn 8 phút. “Lúc bạn trông thấy vách đá xuất hiện, là bạn đã tông lên nó rồi”, Maxwell nói. Cho nên mọi thứ phải được vạch kế hoạch và lên chương trình với những sai số an toàn nhất định. Thí dụ, nếu cỗ xe nghiêng hơn trông đợi hoặc bắt đầu trượt trên bụi mịn, thì nó sẽ tự dừng lại và những người điều khiển sẽ định mức lại vào ngày hôm sau.

Một quá trình cần cù như thế sẽ không nhất thiết nếu như cỗ xe được điều khiển bởi các nhà du hành sống trên Phobos. Do vị trí của nó ở gần sao Hỏa, nên tín hiệu lệnh sẽ mất chỉ vài phần trăm của một giây là tới được cỗ xe. “Nó giống như lực lượng hải quân điều khiển tàu ngầm rô bôt; nó sẽ là một phương thức điều khiển hoạt động hiệu quả hơn nhiều”, Maxwell nói.

Những lữ đoàn xe như thế có thể sục sạo khắp bề mặt hành tinh đỏ, bảo vệ hành tinh khỏi sự ô nhiễm sinh học do con người cho đến khi một cuộc tìm kiếm sự sống thật kĩ lưỡng diễn ra. Khi đó, chúng có thể tiếp tục do thám tìm nơi tốt nhất cho sự hạ cánh có người lái cuối cùng.

Nhưng Phobos không chỉ là một điểm chân tiện lợi mà thôi đâu. Bản thân Phobos là một bí ẩn thiên thể lớn. “Chúng ta biết mọi vật thể thuộc hệ mặt trời mà chúng ta đã khảo sát là cái gì, trừ Phobos”, Lee nói. “Chúng ta thật sự không biết nó hình thành như thế nào”.

Phobos đã được khám phá, cùng với vệ tinh Deimos nhỏ hơn của sao Hỏa, vào năm 1877 bởi nhà thiên văn học người Mĩ Asaph Hall tại Đài Thiên văn Hải quân Mĩ ở thủ đô Washington. Trong phần lớn lịch sử sau đó của chúng, kích cỡ bé xíu của hai vệ tinh đã đưa chúng xuống những lời chú thích cuối trang trong các sách vở thiên văn học. Phobos là một khối đá hình thù kì dị chưa tới 28 km bề ngang, trong khi Deimos còn nhỏ hơn nữa (xem biểu đồ). Cho nên chúng được cho là những tảng đá vũ trụ nhỏ đã đi lạc quá gần sao Hỏa và không đủ may mắn nên bị lực hấp dẫn của Hỏa tinh bắt giữ lại.

Quan điểm này được ủng hộ bởi những phép đầu tiên của thành phần Phobos, thực hiện bởi phi thuyền Mariner 9 và Vikings 1 và 2 trong thập niên 1970. Ánh sáng mặt trời phản xạ khỏi bề mặt


vệ tinh cho thấy Phobos tối đen, hấp thụ hơn 90% ánh sáng mặt trời tới và giống với các thiên thạch chondrite có chứa carbon. Những thiên thể cổ xưa này được cho là phát sinh trong những phần xa xôi nhất của vành đai tiểu hành tinh, nằm xa mặt trời hơn hai lần so với sao Hỏa. Những phép đo gần đây nhất của Phobos tiết lộ một sự tương tự gần gũi hơn với những tiểu hành tinh còn già hơn nữa chỉ được tìm thấy trong hệ mặt trời nhóm ngoài, nằm xa hơn vành đai chính. Điều tương tự đúng đối với Deimos.

Địa điểm kì lạ trong vũ trụ

Vậy thì có phải các tiểu hành tinh trên là tù binh bị bắt giữ hay không? Chưa chắc. Quỹ đạo những vệ tinh này không phải là cái bạn trông đợi cho những vật bị bắt giữ. Thay vì quay trong những quỹ đạo nghiêng ngẫu nhiên, như cái xảy ra nếu chúng bị thu tóm ở những thời điểm khác nhau, cả Phobos lẫn Deimos đều đi theo quỹ đạo nằm gần với mặt phẳng xích đạo của Hỏa tinh. Cái gì đang diễn ra thế?

Những quỹ đạo gần xích đạo gợi ý rằng những vệ tinh này hình thành ngay chỗ của nó từ chính đám mây hợp nhất đã hình thành nên sao Hỏa. Nhưng đúng là trường hợp này, thì thành phần của các vệ tinh lại không mang lại ý nghĩa gì; Phobos và Deimos phải giống đất đá sao Hỏa, chứ không phải chondrite chứa carbon. Nhằm tìm hiểu thành phần và do đó nguồn gốc của Phobos, phi thuyền châu Âu Mars Express đã thực hiện một loạt chuyến bay cận táo bạo, sà xuống trong cự li 460 kilo mét của vệ tinh trên vào năm 2006 và 270 km vào năm 2008.

Tiếp cận như thế, lực hấp dẫn nhỏ của Phobos làm thay đổi vận tốc của phi thuyền đi chỉ một vài mili mét trên giây. Tuy nhiên, những người điều khiển sứ mệnh trên Trái đất đã thành công trong việc nhận ra tác động của nó lên tín hiệu theo dõi vô tuyến – một sự biến thiên một phần nghìn tỉ trên tín hiệu mang thông tin.

“Thật là một thành tựu khó tin với người tham gia”, phát biểu của Martin Pätzold tại trường Đại học Cologne ở Đức và là người lãnh đạo thí nghiệm Khoa học Vô tuyến Mars Express. Nó cho phép khối lượng của Phobos được đo chính xác hơn 100 so với trước đây, và còn tăng khả năng vệ tinh trên có thể là một phi thuyền ủy nhiệm chi việc khảo sát cấu trúc bên trong của sao Hỏa.

Trong những chuyến bay phớt qua, Camera Ảnh nổi và Phân giải Cao của Mars Express đã lập bản đồ bề mặt của Phobos, đưa đến mô hình 3D chính xác nhất từ trước đến nay từng xây dựng và một số đo thể tích của nó. Mặc dù khối lượng tính được kém chính xác hơn, nhưng biết được thể tích cho phép tính ra mật độ trung bình bằng con số khối lượng cực kì chính xác. Cái xuất hiện là nghịch lí hấp dẫn nhất hết thảy.

“Mật độ trung bình thấp đến bất ngờ. Nó phải là một vật thể xốp tổ ong”, Pätzold nói. Thay vì là một cục đá rắn chắc, có khả năng có những hang động lớn bên trong vệ tinh trên, chúng có thể che chắn những vị khách tương lai trước sự xâm hại của bức xạ vũ trụ.

Thám hiểm sao Hỏa

Phi thuyền Mars Express đã chụp ảnh Phobos từ mọi khoảng cách để các nhà nghiên cứu có thể hiểu nhiều hơn về quỹ đạo của nó. Kế hoạch của họ là đo khối lượng của vệ tinh


lớn nhất của sao Hỏa chính xác hơn so với trước đây. Giờ thì họ nhận ra rằng có thể có một lợi ích rất lớn: bản thân Phobos có thể trở thành một tàu vũ trụ ủy nhiệm.

Bằng cách theo dõi sự uốn lượn trong quỹ đạo của nó, chúng ta có thể suy luận ra sự phân bố khối lượng bên trong sao Hỏa. Thí dụ, khi Phobos đi qua trên đỉnh Tharsis huyền thoại trên sao Hỏa, thì nó bị hạ thấp xuống một chút vì nó bị hút xuống dưới bởi khối lượng núi non bên dưới.

Phi thuyền sao Hỏa hiện nay không được định vị tốt cho lắm để làm công việc này vì chúng quay vòng quanh phía trên các cực của hành tinh đỏ. Việc hé lộ sự phân bố bên trong của khối lượng sao Hỏa thu được tốt nhất từ quỹ đạo gần xích đạo mà Phobos tuân theo.

Một khi kĩ thuật trên được hoàn chỉnh, nó sẽ cho chúng ta biết lõi của sao Hỏa có tan chảy hay không và giúp chúng ta theo dõi các mùa trên hành tinh. Đến 30% bầu khí quyển sao Hỏa bị nhốt trong những khối băng vùng cực trong mùa đông nhưng sẽ giải phóng trở lại vào mùa hè, làm ảnh hưởng đến quỹ đạo của Phobos. Việc theo dõi các mùa sẽ giúp chúng ta tìm hiểu khí hậu thời quá khứ của sao Hỏa và cung cấp những manh mối quan trọng về bản chất lịch sử ẩm ướt của nó. Nó còn có thể cho chúng ta biết về kiểu thời tiết hiện tại và chỉ ra những vùng mà tàu hạ cánh tương lai sẽ đi theo nhằm tránh những cơn bão bụi hung ác.

Nhưng vẫn còn rất nhiều việc phải làm. “Có khả năng làm những việc này nhưng rất cam go”, phát biểu của Pascal Rosenblatt thuộc Đài thiên văn Hoàng gia Bỉ ở Brussels. Các phép đo của chúng ta về quỹ đạo Phobos cần chính xác hơn 5 đến 10 lần, ông nói.

Phobos là một khối đá sao Hỏa xưa cũ bị văng ra, hay là một tiểu hành bị bắt giữ cho đến nay vẫn là câu hỏi gây tranh luận. (Ảnh: Detlev Van Ravenswaay/SPL)


Hạ cánh xuống Phobos

Không có mẫu thật từ vệ tinh trên, thành phần của nó vẫn tương đối không rõ ràng. Nếu nó là tiểu hành tinh bị bắt giữ, thì vật chất cấu thành nó sẽ kém đậm đặc hơn đá bình thường, dẫn đến tỉ lệ rỗng xốp có khả năng khoảng chừng 15%. Tuy nhiên, nếu vệ tinh trên cấu tạo tương đương như đá sao Hỏa, thì phần rỗng xốp của Phobos phải cao hơn nhiều: lên tới 45%.

Đây là cái khiến các nhà khoa học hành tinh nhức óc. Nếu Phobos hóa ra cấu tạo từ đất đá sao Hỏa, thì kích cỡ phần rỗng có nghĩa là vệ tinh trên không có khả năng hình thành từ những hạt bụi nhỏ xíu tích góp trong quỹ đạo thành sao Hỏa hình thành bên dưới nó, vì như thế này sẽ dẫn đến một vật thể rắn. Thay vì thế, Pätzold và Pascal Rosenblatt thuộc Đài thiên văn Hoàng gia Bỉ ở Brussels nghiêng về một chuỗi sự kiện trong đó một cú va chạm lớn đập lên sao Hỏa đã ném những khối vỡ lớn vào quỹ đạo. Những mảnh vỡ này sau đó tích góp lại với nhau ở những góc lộn xộn, hình thành nên khối đá kết ngày nay chúng ta gọi là Phobos.

Để kiểm tra đề xuất này, Mars Express sẽ đến thăm vệ tinh trên lần nữa vào tháng 3 trong chuyến bay tiếp cận gần nhất của nó từ trước đến nay. Phi thuyền sẽ tiếp cận trong cự li cách bề mặt cằn cỗi ấy 60 km, mang lại cho đội khoa học những gợi ý đầu tiên về trường hấp dẫn của Phobos.


“Trường hấp dẫn có liên quan đến sự phân bố bên trong của khối lượng”, Rosenblatt nói. Cho nên, khi Mars Express bay trên một chỗ rỗng, nó sẽ không bị hút mạnh như khi nó bay trên những vùng đá rắn đặc.

Họ cũng sẽ sử dụng Radar sao Hỏa Tiên tiến trên thiết bị Ghi âm Tầng Điện li và Dưới Bề mặt (MARSIS) để khảo sát bên trong Phobos. Trong những chuyến bay gần trước đây, đội MARSIS đã biết làm thế nào cho phản xạ tín hiệu radar từ vệ tinh trên. Giờ thì họ có kế hoạch sử dụng radar đâm xuyên mặt đất để săm soi phần bên trong. “Chúng tôi hi vọng nhìn thấy cấu trúc dưới bề mặt vào tháng 3 tới, nhưng còn phụ thuộc rất nhiều yếu tố”, phát biểu của Andrea Cicchetti, thuộc Viện Vật lí Khoa học Liên hành tinh Italy ở Rome, một thành viên của đội MARSIS.

Đội nghiên cứu đặc biệt thông thạo việc tóm bắt thành phần của vệ tinh có quang phổ cho biết nó có là một tiểu hành bị bắt giữ hay không. Tuy nhiên, Rosenblatt phương pháp có thể không chính xác. “Phổ bề mặt có thể kết quả của hàng tỉ năm thời tiết vũ trụ”, ông nói. Không có bầu khí quyển bảo vệ chúng, đất đá Hỏa tinh kết tập hình thành nên Phobos có thể bị biến đổi bề mặt bởi các hạt tích điện mà chúng hứng chịu từ mặt trời trong hàng tỉ năm, che đậy mất nhân dạng thật sự của chúng và đánh lừa các quang phổ kế. Làm thế nào giải quyết vấn đề này? Hạ cánh lên Phobos và mang mẫu về cho chúng ta nghiên cứu trên Trái đất này.

Đây chính là cái nước Nga có kế hoạch làm vào cuối năm 2011 với sứ mệnh Phobos-Grunt (theo tiếng Nga có nghĩa là đất Phobos). “Chúng ta không thể hiểu được nguồn gốc của Phobos nếu không biết vệ tinh trên cấu tạo từ cái gì, và Phobos-Grunt sẽ cho chúng ta biết điều đó”, Rosenblatt nói.

Phobos-Grunt có thể còn mang lại cho các nhà khoa học hành tinh thông tin thiết yếu về bản thân sao Hỏa. Trong bốn tỉ năm qua, những cú va chạm thiên thạch với sao Hỏa đã đánh bật những mảnh vỡ vào quỹ đạo. Phobos phải hứng chịu những dòng mảnh vụn này, một vài trong số chúng gồm những khối lớn, như minh họa bởi miệng hố Stickney rộng 9 km của vệ tinh trên.

Đa số những cú va chạm sẽ nhỏ hơn nhiều, lời giải thích hợp lí cho những đường rãnh thẳng hàng trên bề mặt Phobos. Bản đồ lập mới đây của Mars Express cho thấy những đường rãnh đó xuất phát từ điểm apex của Phobos, điểm luôn luôn hướng về phía chuyển động của vệ tinh trên và vì thế là miếng mồi ngon tự nhiên cho những mảnh vụn bay đến.

Thực tế hiện nay là tự nhiên đã và đang thu thập mẫu của Hỏa tinh trong hàng tỉ năm trời và trữ chúng trên Phobos – một trong những nơi dễ dàng nhất trong toàn hệ mặt trời cho chúng ta đến thăm. Mọi thứ chúng ta phải làm là đi đến đó và lấy chúng về. “Phobos là một thư viện Alexandria của sao Hỏa”, Lee nói. “Các mẫu từ Hỏa tinh sơ khai có lẽ được bảo tồn tốt hơn nhiều trên Phobos so với trên bản thân sao Hỏa”. Chúng có thể còn chứa dấu hiệu hóa học của sự sống sao Hỏa, mặc dù Lee nhấn mạnh nhiều vào từ “có thể” trong phát biểu đó.

Và Phobos-Grunt có thể chỉ là sứ mệnh đầu tiên trong một loạt sứ mệnh nhiều tham vọng đến viếng vệ tinh lớn nhất của sao Hỏa. “Sao Hỏa vẫn là đích đến tối hậu cho sự thám hiểm không gian có người lái”, nhà cựu du hành vũ trụ, Leroy Chiao, và là thành viên của Ủy ban Augustine, nói. “Nhưng nếu chúng tôi [ủy ban trên] công khai yêu cầu chi tiền cho việc hạ cánh lên sao Hỏa, thì chúng tôi sẽ bị mất uy tín”.


Để dung hòa, Lee dự tính Phobos là một điểm dừng chân lí tưởng trong khi chờ đợi kĩ thuật và thiết bị được phát triển bởi NASA cho phép chúng ta hạ cánh lên sao Hỏa. Ông đã nghiên cứu tính khả thi của một sứ mệnh Canada mang tính giả thuyết lên Phobos. Vì nghiên cứu thành công nên hiện nay Lee có mặt trong một nghiên cứu tương tự cho NASA.

Một địa điểm ấm cúng

Ông nêu rõ rằng việc đi lên Phobos sẽ cho phép các nhà du hành thực hành những kĩ thuật quan trọng cho việc tiếp cận quỹ đạo sao Hỏa, ví dụ như phanh khí động học, trong đó một phi thuyền giảm tốc độ bằng cách lướt qua bầu khí quyển của hành tinh.

Ngoài ra, vệ tinh trên có thể chứa một nhà kho các bộ phận tên lửa và thiết bị khác, xây dựng dần dần bởi những sứ mệnh thám hiểm rô bôt bay ngang qua. Khi các nhà du hành đến nơi, mọi thiết bị trục trặc hoặc hư hỏng có thể nhanh chóng được thay thế.

Nếu sứ mệnh NASA trên được triển khai suôn sẻ, nó sẽ nhắm đến một cấu trúc gây ngạc nhiên trên Phobos gọi là phiến đá nguyên khối. Phiến đá rắn chắc này bám dốc ngược trên bề mặt và vút lên 90 mét vào trong không gian. “Nó là tòa nhà Empire State của Phobos”, Lee nói đùa.

Phi thuyền trên sẽ hạ cánh xuống gần phiến đá khối, để nó có thể nghiên cứu khối đá trước mặt, sau đó bay đến một chỗ khác của vệ tinh và thu thập thêm một số mẫu nữa. Sau đó, nó sẽ cất cánh và bay sang Deimos, thu gom mẫu từ vệ tinh nhỏ hơn này. Cuối cùng, nó sẽ quay trở về Trái đất. “Đó sẽ là một sứ mệnh hấp dẫn”, Lee nói. “Chúng ta có thể bay trong vòng 5 năm tới nếu có kinh phí tài trợ”.

Hiện nay, lời giải của bài toán nằm trong tay Nhà Trắng, khi họ xem xét Bản báo cáo Augustine. Ngay cả Chiao cũng không biết trước kết cục của sự xem xét thận trọng đó. Giống như mọi người khác, tôi đang chờ đợi ban quản trị đưa ra phán xét cuối cùng, ông nói.

Hạ cánh lên Phobos là một cách tiếp cận với sao Hỏa. Nhưng chắc chắn nó sẽ có chút nguy hiểm. Có khi nào bạn sẽ lên đường tiến đến mục tiêu và sau đó không dám mở cửa bước ra hay không? Không đâu, theo như Lee nói. “Có nhiều người muốn đi lắm, trong đó có tôi”, ông nói.

Tuy nhiên, Chiao nói ông thấy một hành trình duy-Phobos chắc không ổn. “Thật khó cho tôi tưởng tượng người ta đi theo lộ trình đó mà không ghé qua thăm bề mặt của sao Hỏa”, ông nói. “Nhưng nếu đó là một sự chọn lựa một-hoặc-không-gì-hết, thì tôi chọn Phobos ngay!”

Trần Nghiêm dịch (Theo New Scientist)


V�t lí h�c Trung Qu�c

Charles Day (Physics Tosday, 03/2010)

V$i quy mô và chi*u sâu c,a nó, n*n v�t lí h�c Trung Qu�c r.t gi�ng v$i n*n v�t lí nh/ng n0$c l$n, công ngh1 tiên ti3n khác. Tuy nhiên, ng/ c7nh l8ch s9, chính tr8, xã h<i l=i mang tính r.t riêng c,a Trung Qu�c.

S� n�i lên gn �ây c�a Trung Qu�c trong l�nh v�c v�t lí th�t �áng chú ý. N"m 1986, tròn m*t th�p k- sau bài h1c kinh nghi2m �i ch2ch h34ng phát tri5n c�a Cách m7ng V"n hóa, các nhà v�t lí Trung Qu�c ch- công b� có b�n bài báo trên t7p chí Physical Review Letters. N"m 1996, t�ng s� bài báo �ã t"ng lên 28; n"m 2006, nó �7t t4i 206, ngang ng?a v4i Italy hoAc Tây Ban Nha.

ChCt l3Dng t"ng lên cùng v4i s� l3Dng. K5 tG khi xuCt bIn, b�n bài báo n"m 1986 �ó �ã tích lJy �3Dc trung bình mLi bài 25 trích dOn. HQi n"m ngoái, Thomson Reuters �ã công nh�n m*t bài báo Trung Qu�c là m*t trong nhTng bài báo “hot” nhCt c�a n"m. Bài báo �ó, tác giI là Chen Xianhui t7i tr3Xng �7i h1c Khoa h1c và Công ngh2 Trung Qu�c (USTC) \ Hefei và các c*ng s� c�a ông, �ã t3Xng thu�t s� siêu dOn \ 43K trong m*t chCt li2u g�c s`t m4i phát hi2n. Nó có 100 trích dOn. (a Trung Qu�c, h1 vibt tr34c tên, và các b7n sc �5 ý thCy t�p quán �ó \ phn d34i)

Hình 1. Zhou Xu và Zhu Zhenxi \ eài thiên v"n h1c qu�c gia thu*c Vi2n hàn lâm khoa h1c Trung Qu�c �fng bên c7nh CSTARS, m*t kính thiên v"n nhh h1 vGa l`p �At t7i Mái vòm A \ Nam C�c �5 ki5m tra khI n"ng thích hDp c�a �ja �i5m này cho s� quan sát tG xa. (knh: Wang Lifan, e7i h1c Texas A&M)


Bài báo c�a Chen và nhTng ng3Xi khác trong vài n"m qua là thành quI c�a nhTng phòng thí nghi2m m4i và tân trang l7i chfa �y thibt bj t�i tân. Oxford Instruments, m*t nhà cung cCp hàng �u sIn phqm máy �iru l7nh và nhTng công cs công ngh2 cao dành cho nghiên cfu và phát tri5n (R&D), �ã chfng kibn công vi2c kinh doanh c�a h1 \ Trung Qu�c t"ng nhIy v1t 78% trong ba n"m qua. Trung Qu�c cJng �ang tri5n khai xây d�ng nhTng trung tâm nghiên cfu m4i. Trên vùng bX bi5n Vjnh Daya, cách Hong Kong 50 km vr h34ng b`c, các nhà thu �ang s`p hoàn tCt Thí nghi2m Neutrino Lò phIn fng Vjnh Daya. D� án trj giá 100 tri2u �ô la M� này nh`m t4i msc tiêu �o θ13, m*t thông s� quan tr1ng, gn bwng zero c�a các dao �*ng neutrino. T7i Mái vòm A, m*t cao nguyên Nam C�c \ cao 4 km trên m�c n34c bi5n, Trung Qu�c �ang phát tri5n nhTng kb ho7ch xây d�ng m*t �ài thiên v"n v�nh c?u t7i m*t trong nhTng �ja �i5m cu�i cùng ch3a �3Dc khai thác hbt c�a thb gi4i dành cho thiên v"n h1c quang h1c và hQng ngo7i (hình 1).

V4i dân s� hyn 1,3 t- ng3Xi và nrn kinh tb s`p qua mAt Nh�t BIn tr\ thành nrn kinh tb l4n thf hai thb gi4i, Trung Qu�c có vz s`p tr\ thành m*t qu�c gia �fng �u vr v�t lí h1c. MAc dù các ch- s� khoa h1c c�a h1 vOn còn thCp hyn c�a M� và EU, cI vr s� l3Dng tuy2t ��i và bình quân theo �u ng3Xi, nh3ng h1 sc �u�i kjp nhanh chóng. Theo m*t báo cáo m4i �ây tG |y ban Khoa h1c Qu�c gia M�, Trung Qu�c �ã s`p qua mAt M� vr s� l3Dng các nhà nghiên cfu.

Th�t v�y, vi}n cInh v�t lí h1c \ Trung Qu�c có th5 tùy thu*c vào cách thfc h1 s? dsng nguQn tài nguyên l4n nhCt c�a mình, �ó là con ng3Xi. Và trên ph3yng di2n này, các thách thfc nwm phía tr34c ��i v4i Trung Qu�c không nhiru l`m v4i vCn �r tài trD mà \ vi2c t7o ra bu không khí thoIi mái �5 cho trí t3\ng t3Dng và tài khéo léo, chf không phIi s� làm vi2c c�t l�c và k� n"ng tinh xIo, có th5 phát tri5n và th"ng hoa.

Bài báo này vibt trên th�c tb hai chuybn �i c�a tôi �bn Trung Qu�c, vào tháng 10/2008 và tháng 12/2009. NhTng phòng nghiên cfu tôi thCy hyi khác m*t chút v4i nhTng ��i tác c�a chúng \ ph3yng Tây ngo7i trG, trong m*t s� tr3Xng hDp, tính m4i mz c�a chúng. Nh3ng Trung Qu�c khác v4i ph3yng Tây — và không ch- khác \ nrn v"n hóa �Ac thù và ljch s? lâu �Xi. S� t"ng tr3\ng kinh tb nhanh chóng và mfc �* quIn lí t�p trung cao �* c�a chính quyrn �ã t7o ra m*t ngT cInh �*c �áo ��i v4i l�nh v�c v�t lí h1c. Mô tI ngT cInh �ó là msc tiêu c�a bài vibt này.

Bôi nét l8ch s9 Nbu nh3 nrn khoa h1c hi2n �7i �3Dc �Ac tr3ng b\i các t7p chí, các hi2p h*i chuyên

nghi2p, các phòng thí nghi2m nghiên cfu, thì v�t lí h1c và nhTng ngành khoa h1c khác b`t �u hi2n �7i hóa ch- khi triru �7i phong kibn cu�i cùng, triru nhà Thanh, bj l�t �� vào n"m 1911. N"m 1937, khi Nh�t BIn xâm chibm hoàn toàn Trung Qu�c, nrn khoa h1c \ Trung


Qu�c �ã �7t �3Dc nhiru chCt l3Dng và bi5u hi2n mà m*t nhà nghiên cfu khách mXi �bn tG châu Âu hoAc M� sc công nh�n là hi2n �7i.

NhTng kz ch� m3u ch� ch�t c�a s� bibn chuy5n �ó là nhTng ng3Xi trz tu�i nhìn thCy khoa h1c là m*t nrn tIng c�a m*t �Ct n34c Trung Hoa �*c l�p, hi2n �7i và hùng m7nh. Nhiru ng3Xi trong s� h1 �ã khai thác m*t nguQn qu� thành l�p n"m 1907 b\i chính quyrn c�a t�ng th�ng M� Theodore Roosevelt bQi th3Xng cho s� thi2t h7i sau cu*c kh\i ngh�a c�a Ngh�a hòa �oàn n"m 1900. CJng s� tirn tài trD Cy �ã trI cho vi2c thành l�p tr3Xng �7i h1c Tsinghua \ B`c Kinh.

Nh3 k5 l7i b\i nhà s? h1c Wang Zuoyue thu*c tr3Xng e7i h1c Bách khoa Bang California \ Pomona, “ngh�a quân Ngh�a hòa �oàn” �ã thông qua m*t cách tibp c�n phfc t7p, �a ph3yng. N"m 1914-15, trong khi ngh�a quân còn là sinh viên \ M�, h1 �ã thành l�p H*i Khoa h1c Trung Qu�c và cho xuCt bIn m*t t7p chí g1i là Kexue (Khoa h1c). Sau khi nhTng ngh�a quân �u tiên t�t nghi2p và tr\ vr Trung Hoa, h1 �ã tranh th� nhTng ông ch� giàu có, xuCt bIn các bài báo khoa h1c, và thuybt phsc các nhà chính trj �ng h* cho khoa h1c. Phòng thí nghi2m hi2n �7i �u tiên c�a Trung Qu�c, Vi2n Sinh h1c Nam Kinh, �3Dc thành l�p b\i h*i trên vào n"m 1922.

Chibn tranh kbt thúc hfa h�n s� kh\i �u m4i. S� b7i tr�n c�a Nh�t BIn n"m 1945 sau m*t thXi kì chibm �óng tám n"m tàn phá kh�ng khibp �3Dc n�i tibp theo sau là cu*c n*i chibn kéo dài b�n n"m, trong �ó eIng C*ng sIn c�a Mao Tr7ch eông và eIng Qu�c gia c�a T3\ng Gi4i Th7ch �Cu �á giành quyrn lãnh �7o �Ct n34c. Sau chibn th`ng c�a eIng C*ng sIn vào n"m 1949, vi}n cInh tr34c m`t ��i v4i v�t lí h1c và khoa h1c là không ch`c ch`n. Mao tán thành rwng khoa h1c là cn thibt cho s� tibn b* và thjnh v3Dng c�a �Ct n34c Trung Hoa. Tuy nhiên, ông không hoàn toàn tin h�n vào khoa h1c. Cu*c cách m7ng c�a ông là m*t cu*c �Cu tranh c�a nhTng ng3Xi nông dân nghèo ch�ng l7i giai cCp t3 sIn và “nhTng tng l4p bóc l*t” khác. Các nhà khoa h1c rõ ràng ch�ng phIi là nông dân.

N"m 1954, Liên Xô tG ch�i giúp Trung Qu�c chb t7o m*t quI bom nguyên t?. Không lâu sau �ó, Trung Qu�c b`t tay vào d� án Manhattan c�a riêng mình, d� án không ch- phát tri5n vJ khí h7t nhân và tên l?a �7n �7o mà còn xây d�ng m*t s� nghi2p nghiên cfu qu�c gia quy mô l4n. Tuy nhiên, tính khiên c3�ng m4i l�p c�a nrn khoa h1c �ã không dung thf cho m*t s� nhà khoa h1c, trong �ó có các nhà v�t lí, khhi bj ng3Dc �ãi trong Phong trào ch�ng hTu khuynh n"m 1957.

N"m 1964, th� t34ng Chu Ân Lai trình bày m*t bIn báo cáo tr34c Qu�c vs vi2n báo tr34c thái �* hi2n nay c�a chính ph� Trung Qu�c h34ng �bn khoa h1c. BIn báo cáo c�a Chu nêu ra b�n l�nh v�c, sau này g1i là B�n Hi2n �7i hóa, trong �ó Trung Qu�c cn th�c hi2n s� ��i m4i: nông nghi2p, công nghi2p, qu�c phòng, khoa h1c và công ngh2. Trong bIn báo cáo c�a ông, Chu còn l3u ý rwng khoa h1c và công ngh2 là thibt ybu cho các l�nh v�c


kia, là cn thibt cho cI nrn kinh tb xã h*i ch� ngh�a và t3 bIn ch� ngh�a, trung hòa vr mAt ý thfc h2, và hTu ích ��i v4i m1i qu�c gia và t*c ng3Xi trên thb gi4i.

Tm nhìn xa trông r*ng c�a Chu h34ng �bn nrn khoa trung hòa vr mAt ý thfc h2 �ã bj trì hoãn. N"m 1966, Mao, e ng7i h2 th�ng quyrn l�c c�a ông �ang tu*t d�c, �ã kh\i x34ng Cách m7ng V"n hóa. Trong ba n"m �u tiên kh�c li2t c�a nó, các nhà khoa h1c, các bác s�, các ch� hi2u — ngh�a là nhTng ng3Xi có s� chibm hTu t3 sIn — �ã bj t� giác và �ày �i nông thôn làm vi2c cùng v4i nhTng ng3Xi nông dân nghèo, trQng hoa màu và nuôi gia súc. Tuy nhiên, khoa h1c thì không chbt. Trong Cách m7ng V"n hóa, Trung Qu�c �ã phóng m*t v2 tinh và cho n� m*t quI bom khinh khí. Các nhà v�t lí lui vr vui thú �irn viên vOn giT �3Dc kibn thfc c�a h1. N"m 1972, khi t7p chí Physics Today xuCt bIn kbt quI khIo sát �u tiên c�a mình vr nrn v�t lí \ Trung Hoa, nghiên cfu �ã �3Dc thibt l�p tr\ l7i v4i s� nhCn m7nh vào nhTng l�nh v�c fng dsng.

Cái chbt c�a Mao n"m 1976 dOn �bn m*t cu*c �Cu tranh giành quyrn l�c n*i b* tG �ó eAng Ti5u Bình �ã n�i lên là nhà lãnh �7o t�i cao c�a Trung Qu�c. eAng, gi�ng nh3 Chu, công nh�n tm quan tr1ng c�a khoa h1c và công ngh2. Trong m*t bài phát bi5u t7i m*t h*i nghj khoa h1c qu�c gia n"m 1978, ông khéo léo bào chTa cho các nhà khoa h1c có t3 t3\ng không t�t bwng cách �jnh ngh�a l7i h1: “Trí thfc là b* ph�n c�a tng l4p lao �*ng”, ông công khai không úp m\. “NhTng ng3Xi làm vi2c v4i trí não c�a h1 là m*t b* ph�n c�a nhTng ng3Xi lao �*ng”.

NhTng ng3Xi kb vj c�a eAng, Giang Tr7ch Dân và HQ Cqm eào, �ru �3Dc �ào t7o là k� s3, �ã tibp tsc chính sách c�a ông. Ba n"m sau, Trung Qu�c �ã công b� Kb ho7ch Trung h7n �bn Dài h7n 15 n"m cho S� phát tri5n Khoa h1c và Công ngh2 (MLP). Nh3 th5 tibng v1ng c�a Chu, bIn kb ho7ch �ã �At khoa h1c và công ngh2 vào tr1ng �i5m c�a nrn kinh tb Trung Qu�c. Trong s� nhTng msc tiêu c�a nó, MLP kêu g1i Trung Qu�c �u t3 2,5% t�ng sIn l3Dng qu�c n*i cho R&D vào n"m 2020 và �3a djch vs công ngh2 chibm hyn 60% s� t"ng tr3\ng kinh tb. Theo |y ban Khoa h1c Qu�c gia M�, nrn công nghi2p t�p trung vào kibn thfc và công ngh2 �óng góp 23% GDP c�a Trung Qu�c n"m 2007 (Con s� này ��i v4i M� là 38%).

Khoa h1c th�t s� �ã �qy m7nh s� thjnh v3Dng c�a Trung Qu�c. N"m 1984, 11 nhà nghiên cfu \ Vi2n Khoa h1c Máy tính thu*c Vi2n Hàn lâm Khoa h1c Trung Hoa (CAS) \ B`c Kinh �ã thành l�p m*t công ti máy tính nhh tên g1i là Lianxiang. “Killer app” c�a công ti là m*t thu�t toán giúp d} dàng nh�p các kí t� Trung Qu�c tG bàn phím chuqn. N"m 2005, công ti trên, d34i tên g1i m4i c�a nó, Lenovo, �ã l4n m7nh �bn mfc nó có th5 mua l7i toàn b* chi nhánh sIn xuCt PC c�a IBM. CAS vOn là c� �ông l4n nhCt c�a công ti trên.

Lenovo �3Dc thành l�p v4i tirn h7t gi�ng tG Vi2n Khoa h1c Máy tính. ZTE Corp, m*t nhà sIn xuCt thibt bj vi}n thông l4n thành l�p n"m 1985, ra �Xi tG b* hàng không vJ


trs c�a Trung Qu�c. Trái l7i, Suntech Power m4i thành l�p gn �ây, m*t công ti hàng �u thb gi4i vr sIn xuCt pin quang �i2n mAt trXi, �ã kh\i nghi2p vào n"m 2001 theo ki5u rCt gi�ng v4i các công ti công ngh2 cao \ M� hay làm: khi nhà sáng l�p thuybt phsc �3Dc nhà �u t3 �� u cho m*t ý t3\ng.

S� nhCn m7nh c�a MLP vào s� t"ng tr3\ng do công ngh2 �fng �u �ã m\ r*ng c?a cho nghiên cfu cy bIn, nh3 th� t34ng hi2n nay c�a Trung Qu�c, Ôn Gia BIo, làm sáng th trong m*t bài trI lXi phhng vCn t7p chí Science n"m 2008:

Cá nhân tôi xem nghiên cfu khoa h1c cy bIn là có tm quan tr1ng to l4n, vì tôi tin rwng không có nghiên cfu fng dsng hay nghiên cfu phát tri5n nào có th5 th�c hi2n �3Dc mà không có nghiên cfu cy bIn hL trD và làm �*ng l�c. Nh3ng, trong thb gi4i này c�a chúng ta, th3Xng thì do ng3Xi ta t�p trung vào nhTng lDi ích tr34c m`t và th�c ti}n, nên ng3Xi ta d} dàng bh qua khoa h1c cy bIn. eiru này cn nên tránh.

Tài trD cho v�t lí h�c Các nhà v�t lí t7i các tr3Xng �7i h1c hàng �u c�a Trung Qu�c nh�n phúc lDi tG m*t

s� nguQn tài trD, nhiru nhCt là B* Khoa h1c và Công ngh2 (MOST). B* này s`p xbp và th�c thi các 3u tiên khoa h1c qu�c gia c�a Trung Qu�c \ quy mô l4n nhCt — ngh�a là, ch1n l�a xem nhTng l�nh v�c r*ng nào, nh3 công ngh2 nano và thông tin l3Dng t?, �5 t�p trung vào, và ch1n tr3Xng �7i h1c nào �5 chfa các phòng thí nghi2m và thibt bj nghiên cfu.

Thí ds, MOST tài trD cho Phòng thí nghi2m qu�c gia Khoa h1c v�t lí \ Thang b�c micro Hefei thu*c USTC. Ph7m vi ho7t �*ng c�a phòng thí nghi2m trên th�t r*ng: thông tin l3Dng t?, s� gCp nbp protein, và các chCt li2u nano chfc n"ng ch- là ba trong s� vài l�nh v�c nghiên cfu c�a nó. MOST còn tài trD cho Phòng thí nghi2m qu�c gia Vi cCu trúc Bán dOn t7i tr3Xng �7i h1c Nam Kinh. MAc dù tên g1i gi�ng nhau, nh3ng hai phòng thí nghi2m trên là b� sung cho nhau. Phòng thí nghi2m \ Nam Kinh t�p trung vào nhTng hi2n t3Dng xIy ra \ cCp �* l4n hyn, 100-nm �bn 1-µm, thí ds nh3 các plasmon mAt, quang l3Dng t?, s� t"ng tr3\ng tinh th5, và cy s\ v�t lí dsng cs. Hình 2 th5 hi2n m*t thí ds nghiên cfu c�a phòng thí nghi2m này.

e5 tài trD cho nhTng d� án nghiên cfu cá nhân, quy mô nhh hyn, các nhà v�t lí Trung Qu�c s? dsng Qu� Khoa h1c T� nhiên qu�c gia Trung Qu�c (NSFC). Các món tài trD luôn s�n sàng chi cho m*t vài l�nh v�c r*ng rãi và �ã có nhTng thành công nhCt �jnh, nh3 minh h1a b\i s� ch- �7o tài trD hQi n"m ngoái trong ngành cy h1c chCt l3u:

NhTng fng dsng trong ngành cy h1c chCt l3u phIi quan tâm �bn nhTng nghiên cfu vr các �jnh lu�t và cy chb chi ph�i nhTng dòng chIy phfc t7p (gQm nhTng bài toán dòng chIy không �ru, xoáy cu*n, và dòng chIy nhiru pha). Phân vi2n sc tibp tsc �ng h* cho nhTng nghiên cfu vr nhTng bài toán cy chCt l3u trong ngành vJ trs và hàng không, �óng


tàu và k� thu�t hàng hIi, k� thu�t dân s� và th�y �*ng, và k� thu�t cy, và t"ng c3Xng nhTng nghiên cfu vr các vCn �r cy chCt l3u trong l�nh v�c n"ng l3Dng, môi tr3Xng, và nhTng l�nh v�c công ngh2 tiên tibn và công ngh2 cao khác.

Hình 2. Enh chFp hiHn vi c�a nhTng chuLi trân châu b7c thu �3Dc b\i kính hi5n vi �i2n t? quét phát x7 tr3Xng. CCu trúc phong phú c�a chuLi hình thành t� phát qua s� l`ng �i2n và không cn khuôn mOu, chCt ho7t tính, hoAc chCt phs gia nào. a thang b�c nhh nhCt, các chuLi có m*t cCu trúc tun hoàn có th5 th ra hTu dsng trong các fng dsng. (knh: Wang Mu, Phòng thí nghi2m qu�c gia Vi cCu trúc Bán dOn, �7i h1c Nam Kinh)

Tirn tài trD có giá trj lên t4i 600.000 nhân dân t2, t3yng �3yng 88.000 �ô la M� theo t-

giá h�i �oái chính thfc. Gi�ng nh3 cy quan gn nh3 t3yng �3yng \ M�, NSTC thqm �jnh

các �r xuCt bwng s� �ánh giá ngang hàng.

Chính quyrn các t-nh và chính quyrn �ja ph3yng cJng tài trD cho khoa h1c. An Huy, t-nh �At trs s\ c�a USTC, cCp tài trD cho sinh viên theo h1c tr3Xng �7i h1c danh tibng này. Suzhou, m*t thành ph� \ t-nh Giang Tô láng girng, dành �Ct �ai ngo7i ô cho trs s\ m4i Software College c�a USTC.

Vi2n Hàn lâm Khoa h1c Trung Hoa (CAS) �3Dc thành l�p n"m 1949. Gi�ng nh3 tirn thân c�a nó \ Trung Hoa �7i lsc, Academica Sinica, và mô hình g�c c�a nó, Vi2n Hàn lâm Khoa h1c Liên Xô, CAS vGa giT m*t vai trò m*t t� chfc chuyên nghi2p cho nhTng nhà khoa h1c xuCt s`c nhCt c�a qu�c gia, vGa tibn hành nghiên cfu t7i các h1c vi2n chuyên môn riêng c�a nó. Các h1c vi2n CAS, con s� lên t4i khoIng 100, bao quát toàn b* các l�nh v�c khoa h1c t� nhiên, gQm �y �� các ngành v�t lí h1c. CAS còn trông nom m*t vài cy s\ nghiên cfu l4n, gQm Máy Va ch7m Electron-Positron B`c Kinh (BEPC), Thibt bj Nghiên cfu Ion NAng \ Lanzhou (HIRFL), Tokamak Siêu dOn Th�c nghi2m Tiên tibn (EAST) \ Hefei, và Thibt bj Bfc x7 Synchrotron Th3Dng HIi (SSRF). M*t h1c vi2n CAS, eài Thiên v"n h1c qu�c gia Trung Qu�c, �iru hành nhTng chibc kính thiên v"n l4n c�a Trung Qu�c.


CAS không phIi là cy quan tr�c thu*c c�a MOST. CI hai t� chfc tr�c thu*c cy quan quyrn l�c cao nhCt c�a Trung Qu�c, H*i �Qng Nhà n34c. Trong khi MOST là m*t b*, thì CAS và NSFC là các h1c vi2n. CI ba t� chfc �ru th�c thi nhTng 3u tiên khoa h1c c�a qu�c gia.

Hình 3. SJ KLu t0 gLn Kây c,a Trung Qu�c cho v�t lí h1c �3Dc phIn ánh trong kibn trúc c�a các trs s\ v�t lí.

Tòa nhà D t7i Vi2n V�t lí \ B`c Kính (trái) gQm các v"n phòng và m*t h*i tr3Xng. Nó �3Dc xây d�ng n"m

2004. knh bên phIi là tòa nhà v�t lí m4i t7i tr3Xng �7i h1c Fudan \ Th3Dng HIi, gQm các phòng thí nghi2m

và v"n phòng. Nó �3Dc xây d�ng n"m 2008.

Các nhà nghiên cfu t7i m*t h1c vi2n CAS — thí ds Vi2n V�t lí \ B`c Kinh — th3Xng có

nhTng phòng thí nghi2m �3Dc trang bj t�t và �3Dc s? dsng các sinh viên t�t nghi2p tG

nhTng ngôi tr3Xng CAS, nh3ng không có trách nhi2m phIi giIng d7y. Vi2n V�t lí, cy quan

t�p trung các nghiên cfu lí thuybt và th�c nghi2m vr v�t chCt ng3ng ts, �ang �i �u trong

vi2c giIi thích nhTng tính chCt c�a các chCt siêu dOn g�c s`t m4i phát hi2n ra gn �ây.

Nhi2t �* Tc cao nhCt hi2n nay, 55 K, thu �3Dc t7i Vi2n V�t lí. Hình 3 là Inh chsp trs s\

chính c�a Vi2n.


Các tr0Mng K=i h�c Là nyi sinh viên h1c t�p và nyi các nhà khoa h1c theo �u�i nghiên cfu c�a h1, các

tr3Xng �7i h1c \ Trung Qu�c lâu nay là ��i t3Dng quan tâm và sfc Inh h3\ng c�a chính quyrn. Tr3Xng �7i h1c th�t s� �u tiên c�a Trung Qu�c, �7i h1c Peiyang (ngày nay g1i là �7i h1c Thiên Tân), �3Dc thành l�p \ Thiên Tân n"m 1885 trong m*t �Dt cIi cách chính trj v"n hóa ng`n h7n trong nhTng n"m tháng xb chiru c�a v3yng triru nhà Thanh. Các tr3Xng �7i h1c danh giá nhCt c�a Trung Qu�c �3Dc thành l�p trong vòng hai th�p niên tibp sau �ó.

Ngày nay, các tr3Xng �7i h1c c�a Trung Qu�c �7i khái xbp thành m*t h2 th�ng hai cCp. a cCp trên cùng là khoIng 100 hay chGng Cy tr3Xng �7i h1c qu�c gia do B* Giáo dsc quIn lí. D34i chúng là 2000 hay chGng Cy tr3Xng �7i h1c do chính quyrn 22 t-nh và 5 vùng t� trj quIn lí. (Các tr3Xng �7i h1c \ hai vùng �Ac khu hành chính c�a Trung Qu�c, Hong Kong và Macau, không thu*c h2 th�ng tr3Xng �7i lsc) Quybt tâm mu�n thCy các tr3Xng �7i h1c c�a mình c7nh tranh �3Dc v4i các tr3Xng ph3yng Tây, Trung Qu�c �ã b`t tay vào m*t vài làn sóng t"ng c3Xng tài trD và tái t� chfc cy cCu. Sáng kibn gn �ây nhCt, công b� hQi tháng 10 vGa qua, là thành l�p Liên �oàn C9, m*t liên minh gQm 9 tr3Xng �7i h1c hàng �u.

M*t sáng kibn cJ hyn, �ã tri5n khai r*ng rãi hyn, là bãi bh mô hình Xô Vibt c�a các tr3Xng cao ��ng chuyên ngành. e7i h1c Zhejiang \ Hàng Châu, ch�ng h7n, �ã sáp nh�p l7i tr3Xng y c�a nó. e7i h1c Nam Kinh �ang trong quá trình hDp nhCt v4i m*t tr3Xng k� thu�t. Khi chúng hDp nhCt và m\ r*ng, các tr3Xng �7i h1c Trung Qu�c �ang xây d�ng nhTng trs s\ m4i. Trs s\ m4i c�a Fudan nwm trên m*t mInh �Ct nhh thu*c khu �Ct công nghi2p cIi t7o l7i gn dòng sông Yangtze. Trs s\ m4i Cy, bao gQm cI tòa nhà v�t lí m4i (xem hình 3), �ã trI l7i không gian kibn trúc cho con �ê Th3Dng HIi, m*t tuybn ph� gQm nhTng tòa nhà thb k- 19 oai nghi trên bX �ê c�a m*t con sông khác c�a thành ph�, sông Hoàng Ph�.

Tirn tài trD cho các tr3Xng �7i h1c còn xuCt phát tG các nguQn ngoài chính quyrn trung 3yng, t-nh và thành ph�. Trung tâm Nghiên cfu Công ngh2 nano m4i c�a �7i h1c Tsinghua �3Dc thành l�p m*t phn nhX tirn �óng góp c�a Foxconn, m*t nhà sIn xuCt linh ki2n máy tính trs s\ \ eài Loan. Qu� Kavli �ã thành l�p hai h1c vi2n \ Trung Qu�c, Vi2n Thiên v"n h1c và Thiên v"n V�t lí Kavli (KIAA) t7i tr3Xng �7i h1c Peking, và Vi2n Kavli V�t lí Lí thuybt Trung Qu�c (KITPC) \ gn trs s\ CAS.

M*t sinh viên t7i các tr3Xng �7i h1c c�a Trung Qu�c nh�n �3Dc lo7i hình giáo dsc nào? Th�t khó trI lXi câu hhi �ó nbu ch- d�a trên m*t chuybn �i ng`n ng�i. NhCt �jnh, khía c7nh truyrn th�ng c�a Trung Qu�c ��i v4i s� giIng d7y vOn còn m7nh. Các tr3Xng �7i h1c Tsinghua và Zhejiang, ch�ng h7n, có nhTng tòa nhà m4i to �Q s* dành riêng cho các phòng


lab giIng d7y v�t lí. a �ó, sinh viên th�c hi2n các thí nghi2m kinh �i5n, ví ds nh3 xây d�ng và ki5m tra m*t cu Wheatstone, nh3ng h1 còn làm thí nghi2m vr chCt siêu dOn nTa. Và có lc cJng phIi nói rwng nhTng tr3Xng h1c t�t nhCt \ M� và châu Âu �ru có tuy5n sinh viên Trung Qu�c.

SJ hDp tác qu�c t3 MAc dù có MOST, CAS, và NSFC �ng h* cho nhTng msc tiêu qu�c gia, nh3ng

Trung Qu�c còn tìm kibm nhTng s� hDp tác qu�c tb. Thí nghi2m Neutrino Lò phIn fng Vjnh Daya, do Vi2n V�t lí N"ng l3Dng cao trs s\ \ B`c Kinh ch- �7o, là m*t ch3yng trình hDp tác qu�c tb. Các ��i tác c�a nó gQm hai phòng thí nghi2m qu�c gia \ M� - Brookhaven và Lawrence Livermore — 14 tr3Xng �7i h1c M�, hai h1c vi2n \ Nga, m*t tr3Xng �7i h1c Czech, và hai tr3Xng �7i h1c eài Loan. N34c M� chi trI m*t n?a chi phí.

NhTng nL l�c c�a Trung Qu�c trong l�nh v�c thiên v"n h1c th5 hi2n \ cách thfc qu�c gia này song hành nhTng ch3yng trình hDp tác qu�c tb v4i s� quan tâm c�a qu�c gia. Trung Qu�c hi2n nay thibu kinh nghi2m xây d�ng nhTng �ài quan sát \ �-nh cao công ngh2, thí ds nh3 v2 tinh hQng ngo7i m4i phóng lên gn �ây c�a Cy quan VJ trs châu Âu, Herschel. Thu nhAt kinh nghi2m qua s� nL l�c �*c l�p sc mCt thXi gian và có nguy cy �qy Trung Qu�c l7c h�u \ phía sau. e5 b`t kjp qu�c tb, Trung Qu�c �ang theo �u�i m*t chính sách hLn hDp, vGa phát tri5n m*t cách khiêm t�n, t� l�c, vGa tham gia vào nhTng d� án qu�c tb.

M4i �ây, Trung Qu�c �ã �3Dc �y quyrn kính thiên v"n LAMOST sc khIo sát bu trXi theo ki5u gi�ng nh3 cách làm c�a d� án KhIo sát Bu trXi S� Sloan — ngh�a là, nó sc t� �*ng xác �jnh quang ph� (và do �ó �* l2ch �h) c�a các ngôi sao và thiên hà trên nhTng mIng l4n c�a bu trXi. Chibc g3yng chính c�a LAMOST có di2n tích gCp b�n ln so v4i kính thiên v"n SDSS, và các camera tiêu di2n c�a nó hi2u quI hyn và nh7y hyn. Hi2u suCt c�a LAMOST bj h7n chb phn nào b\i s� l3Dng khiêm t�n nhTng �êm th�t s� trong trzo t7i �ja �i5m c�a nó \ t-nh HQ B`c. Tuy nhiên, ng3Xi ta trông �Di nó t7o ra �3Dc danh msc hoàn ch-nh nhCt c�a nhTng chuy5n �*ng sao trong thiên hà c�a chúng ta và v4i nó là bIn �Q chính xác nhCt tG tr34c �bn nay c�a s� phân b� v�t chCt hCp dOn c�a DIi Ngân hà, cI v�t chCt baryon và v�t chCt t�i.

Kính thiên v"n LAMOST mang l7i cho Trung Qu�c kinh nghi2m vô giá trong vi2c sIn xuCt và �iru hành nhTng chibc g3yng phân �o7n. Khi bài báo này lên trang in, Trung Qu�c �ang �àm phán các �iru khoIn tham gia Kính thiên v"n Ba m3yi mét (TMT), m*t d� án M�-Canada xây d�ng m*t �ài thiên v"n g3yng phân �o7n kh�ng lQ trên �-nh Mauna Kea \ Hawaii.


Trong d� án TMT, Trung Qu�c sc giT m*t vai trò thf ybu. Nh3ng trong tr3Xng hDp �ài quan sát �3Dc �r xuCt t7i Mái vòm A, Trung Qu�c sc lãnh �7o. Nh3 hình 1 cho thCy, s� chinh phsc �ja �i5m Cy �ang trong quá trình tri5n khai. NhTng thách thfc c�a vi2c quan sát xa xôi \ Nam C�c là hbt sfc ghê g4m. ei2n cn phIi phát t7i chL, và dT li2u phIi �3Dc hQi phsc trên nhTng tIng b"ng giá �ang trôi gi7t và r7n v�. e5 v3Dt qua nhTng thách thfc này, Trung Qu�c cn phIi m\ hu bao l4n.

Trung Qu�c còn h7 quybt tâm tr\ thành nyi mbn khách và phát tri5n thu�n lDi cho các vj khách qu�c tb. Hai thí ds sau �ây minh h1a xu h34ng �ó. e7i h1c Zhejiang và e7i h1c Rice \ Houston, Texas, vGa thành l�p Trung tâm HDp tác Qu�c tb vr V�t chCt L3Dng t?. Trung tâm Công ngh2 Nano London và Vi2n Max Planck V�t lí Các h2 phfc \ Dresden, efc, cJng tham gia. Ý t3\ng là thúc �qy s� hDp tác trên nhTng d� án mà �ôi bên cùng quan tâm thông qua h*i thIo và nhTng chuybn vibng th"m dài ngày. T7i tr3Xng �7i h1c Peking, KIAA hai n"m tu�i còn t� chfc nhTng cu*c h*i thIo qu�c tb (xem hình 4). Doug Lin, giám ��c sáng l�p c�a vi2n, phát bi5u rwng vi2n sc giT vai trò là nyi các nhà nghiên cfu ph3yng Tây và Trung Qu�c có th5 hDp tác và h1c hhi lOn nhau.

Hình 4. M<t h<i th7o qu�c t3 vr thiên v"n v�t lí hành tinh h1c �3Dc t� chfc vào tháng 12 n"m ngoái t7i Vi2n

Thiên v"n h1c và Thiên v"n V�t lí Kavli t7i tr3Xng �7i h1c Peking. KIAA là m*t trong hai h1c vi2n Kavli \

châu Á. CI hai vi2n �ru \ B`c Kinh.


Th�t không may, tham v1ng c�a Trung Qu�c mu�n tibn lên hDp tác v4i M� �ang bj làm cho nIn chí b\i chính sách nh�p c3 c�a M�. Th� tsc mà m*t nhà v�t lí Trung Qu�c phIi tuân theo �5 có m*t tCm visa M� th�t phirn toái, mCt thXi gian, và không �Im bIo — dOu rwng hi2n nay nhiru nhà v�t lí Trung Qu�c rCt mu�n �bn th"m M�. e5 có m*t tCm visa có th5 mCt �bn ba tháng. Trong khi �ó, các nhà v�t lí Trung Qu�c có th5 lCy visa EU ch- trong vòng b�n ngày làm vi2c mà không phIi �ích thân t4i làm th� tsc. Các vj khách M� �bn Trung Qu�c có th5 lCy visa trong vòng m*t ngày.

Y3u t� con ng0Mi Tham v1ng c�a Trung Qu�c mu�n dOn �u vr v�t lí h1c, �3Dc bIn thân các nhà v�t

lí Trung Qu�c h3\ng fng, �ã mang l7i môi tr3Xng nghiên cfu �3Dc tài trD t�t và có tính c7nh tranh cao, không phIi không gi�ng ph3yng Tây, nh3ng v4i nhTng �Ac tr3ng riêng c�a Trung Qu�c. M*t s� tr3Xng �7i h1c \ Trung Qu�c, không nhCt thibt là tr3Xng �7i h1c hàng �u, trao th3\ng cho các tác giI nhTng bài báo �"ng trên Nature, Science, và nhTng t7p chí có sfc Inh h3\ng cao khác v4i s� tirn th3\ng có th5 sánh v4i tirn l3yng cI n"m c�a m*t ng3Xi. Áp l�c công b� có lc �ã làm cho t- l2 chCp nh�n thCp d34i mfc trung bình c�a các bài báo Trung Qu�c g?i �"ng Applied Physics Letters và nhTng t7p chí khác.

S� c7nh tranh �Ac bi2t sâu s`c khi thu hút các nhà v�t lí ng3Xi Trung Qu�c tài n"ng tr\ vr n34c làm vi2c. S� c7nh tranh có hai mAt: giTa Trung Qu�c v4i ph3yng Tây, và giTa các h1c vi2n Trung Qu�c. Các tr3Xng �7i h1c và h1c vi2n \ Th3Dng HIi và B`c Kinh có th5 dùng s� giàu có, to l4n và quan tr1ng c�a thành ph� c�a h1 làm cái thuybt phsc. e7i h1c Zhejiang thì \ Hàng Châu, m*t thành ph� �3Dc các vj khách tG Marco Polo cho �bn tác giI c�a nhTng quy5n sách ch- dOn du ljch hi2n �7i mô tI là m*t trong nhTng thành ph� ��p nhCt Trung Hoa. USTC c�a Hefei, trái l7i, thì chào hàng quy mô nhh c�a thành ph� và chi phí thuê nhà thCp. e5 cán cân nghiêng vr tr3Xng �7i h1c c�a h1, m*t s� vj lãnh �7o khoa còn linh ho7t b� nhi2m nhTng ng3Xi tr\ vr trz tu�i giT nhTng chfc danh tr1n v�n. Cu�i cùng, nhTng cy h*i nghiên cfu có lc là cái có sfc nAng nhCt. Ding Hong rXi Boston College vr Vi2n V�t lí hQi n"m 2007 vì “s� �u t3 cho nghiên cfu t�t hyn, bao gQm nguQn tài trD và nguQn nhân l�c, và vì m*t sân chyi l4n hyn”.

Áp l�c c7nh tranh �7t t4i kbt quI khibn m*t s� nhà v�t lí Trung Qu�c phàn nàn rwng h1 không còn có thXi gian �5 mà suy ngh� nTa. Khi m*t msc tiêu nghiên cfu �ã rõ ràng — thí ds, b`t kjp M� vr hi2n th�c hóa v�t chCt ng3ng ts c�a �i2n toán l3Dng t? - thì s� c� g`ng h7 quybt tâm có th5 mang l7i thành công. Nh3ng không có thXi gian suy ngh�, thì vi2c sáng t7o ra nhTng l�nh v�c m4i toanh sc khó kh"n hyn. eóng góp c�a Trung Qu�c cho vi2c tìm hi5u nhTng chCt siêu dOn g�c s`t m4i và m\ r*ng nhTng fng dsng th�c ti}n c�a m�t mã l3Dng t? - trích dOn hai thí ds thôi — là th�t Cn t3Dng. Tuy nhiên, nhTng l�nh v�c nghiên cfu Cy ra �Xi bên ngoài n34c Trung Qu�c.


MAt khác, so sánh v4i M� cho thCy Trung Qu�c có lc cn phIi chX �Di s� nghiên cfu th�t s� c"n nguyên. Vào nhTng n"m 1870, nrn kinh tb M� �ã t"ng tr3\ng v3Dt mAt Anh, Pháp, và efc. Các nhà công nghi2p M� giàu có �ã tài trD và chi tirn cho các tr3Xng �7i h1c. Cu�i Thb chibn thf nhCt, nrn kinh tb M� là l4n nhCt thb gi4i, nh3ng sinh viên gihi \ M� vOn rXi M� sang nghiên cfu \ châu Âu. Ch- trong nhTng n"m 1930, n34c M� m4i th�t s� tr\ thành siêu c3Xng khoa h1c. Làn sóng nhTng nhà khoa h1c Do Thái tr�n ch7y phát xít efc ch`c ch`n có góp sfc phn nào, nh3ng nhTng nhà khoa h1c di c3 Cy �ã tìm thCy cy s\ h7 tng r*ng l4n và nhTng cy h*i tài trD t�t khi h1 �bn nyi. H1 còn tìm thCy nhTng �Qng nghi2p gihi, cây nhà lá v3Xn.

ChX �Di s� �u t3 c�a mình cho khoa h1c �5 cCt cánh có lc là không �� 5 �Im báo cho Trung Qu�c tr\ thành m*t siêu c3Xng khoa h1c. Nh3 m*t s� nhà lãnh �7o Trung Qu�c nh�n thCy, s� thay ��i là cn thibt trong h2 th�ng giáo dsc. Guo Shuqing là giám ��c Ngân hàng Kibn thibt Trung Hoa, m*t trong nhTng h1c viên tài chính l4n nhCt thb gi4i. Ông còn là �y viên trung 3yng c�a eIng C*ng sIn Trung Qu�c. Trong m*t bài vibt hQi n"m ngoái trên t7p chí Th�i báo Tài chính, Guo �ã li2t kê nhTng thách thfc mà Trung Qu�c phIi v3Dt qua trên �3Xng phát tri5n c�a mình. Thách thfc thf ba trong danh sách c�a ông nh3 sau:

Phát tri5n nguQn v�n con ng3Xi là ybu t� s�ng còn cho t3yng lai c�a Trung Qu�c, chúng ta còn bj các n34c phát tri5n bh l7i xa phía sau vr giáo dsc và �ào t7o. H2 th�ng giáo dsc c�a chúng ta không cho phép khuybn khích s� sáng t7o. eiru này gây tr\ ng7i cho s� phát tri5n mfc cao và brn vTng.

H2 th�ng giáo dsc c�a Trung Qu�c mang tính c7nh tranh cao. M*t kì thi qu�c gia ba

ngày, g1i là gaokao, xác �jnh nhTng ai �L vào nhTng tr3Xng �7i h1c t�t nhCt. S� chuqn bj �5

thành công trong kì gaokao là quá kh`c nghi2t và hao t�n nên h1c sinh có ít thXi gian �5

phát tri5n thói quen theo �u�i cái mà tính ham hi5u bibt t� nhiên c�a chúng và xúc cIm có

th5 dOn d`t chúng.

Charles Day — Trn Nghiêm djch (thuvienvatly.con)

Tham kh7o 1. 1. X. H. Chen, T. Wu, G. Wu, R. H. Liu, H. Chen, D. F. Fang, Nature 453, 761 (2008) [MEDLINE]. 2. 2. National Science Board, Science and Engineering Indicators 2010, National Science Foundation,

Arlington, VA (2010); available at http://www.nsf.gov/statistics/seind10. 3. 3. Z. Wang, Osiris 17, 291 (2002). 4. 4. P. Li, Isis 76, 366 (1985). 5. 5. H. Xin, R. Stone, Science 322, 363 (2008).


SJ im lTng K3n kì l=

Paul Davies (Physics Worlsd, tháng 3/2010)

N*a th+ k, -ã trôi qua k1 t2 khi ch34ng trình 6y b7t -8u kh9i -:ng, nh3ng cu:c truy tìm s= s>ng 9 -âu -ó trong vA trB h8u nh3 vCn mang lDi k+t quE là con s> không. Paul Davies kêu gIi ti+p tBc cu:c tìm ki+m 6y bJng cách khEo sát không ch, các tín hiKu vô tuy+n mà còn cE nhMng dN th3�ng vOt lí và thiên vPn hIc.

S� im lAng �bn kì l7. knh: David Nunuk/Science Photo Library

Chúng ta có �yn �*c hay không trong vJ trs này là m*t trong nhTng câu hhi l4n ch3a có lXi giIi �áp c�a s� tQn t7i. Trong hàng nghìn n"m, câu hhi �ó ch- h7n chb v4i l�nh v�c tribt h1c và thn h1c, nh3ng cách nay 50 n"m, nó �ã tr\ thành m*t phn c�a khoa h1c. Tháng 4 n"m 1960, m*t nhà thiên v"n trz ng3Xi M�, Frank Drake, b`t �u s? dsng m*t


chibc kính thiên v"n vô tuybn �5 nghiên cfu xem có hay không nhTng tín hi2u phát ra tG m*t c*ng �Qng ngoài hành tinh nào �ó có th5 �ang trên �3Xng truyrn �bn v4i chúng ta. e3Dc g1i là Cu*c tìm kibm Trí thông minh Ngoài �ja cqu, vibt g1n là SETI, nó �ã phát tri5n thành m*t s� nghi2p qu�c tb, lôi kéo nhiru vi2n h1c thu�t \ m*t vài qu�c gia. Tuy nhiên, ngoài m*t vài s� kì dj, thì tCt cI nhTng thf mà các nhà thiên v"n vô tuybn b`t �3Dc ch- là m*t s� im lAng �bn �áng sD. V�y thì r�t cu*c nhân lo7i chúng ta có phIi là nrn v"n minh công ngh2 duy nhCt trong vJ trs hay không? Hay có lc chúng ta �ang tìm kibm cái gì �ó không �úng t7i nyi không thích hDp, \ thXi �i5m không thích hDp?

SETI phát sinh tG s� bành tr34ng thXi h�u chibn c�a thiên v"n h1c vô tuybn, và s� nh�n thfc sy b* rwng các kính thiên v"n vô tuybn có sfc m7nh truyrn �7t thông tin xuyên khoIng cách giTa các sao. M*t bài báo b34c ngoAc công b� n"m 1959 trên t7p chí Nature c�a Giuseppe Cocconi và Philip Morrison �ã thôi thúc các nhà nghiên cfu th�c hi2n m*t cu*c tìm kibm có h2 th�ng toàn bu trXi nhwm tìm dCu hi2u c�a s� giao th3yng vô tuybn ngoài hành tinh (184 844). Drake �ã �3yng �u v4i th? thách, s? dsng cái ��a 26 m t7i Green Bank \ Tây Virginia, và nhTng ng3Xi khác trên kh`p thb gi4i s4m tham gia cùng ông.

Phn nhiru ho7t �*ng này ngày nay �3Dc ph�i hDp b\i Vi2n SETI \ California nwm gn Phòng thí nghi2m Ames NASA, nyi chuyên vr sinh v�t h1c vJ trs. Nghiên cfu trên hu nh3 �3Dc tài trD t3 nhân toàn b*. Viên �á quý g`n trên v3yng mi2n SETI là Ma tr�n Kính thiên v"n Allen, m*t h2 th�ng gQm 350 cái ��a nhh n�i m7ng v4i nhau �ang �3Dc tri5n khai xây d�ng \ B`c California và �3Dc �At tên theo nhà tài trD chính c�a nó, nhà �Qng sáng l�p Microsoft, Paul Allen. Cho �bn nay, 42 cái ��a �ã �i vào ho7t �*ng. Còn có m*t ch3yng trình quang h1c SETI quy mô nhh, tìm kibm nhTng lóe sáng laser ng`n ng�i, và chúng ta không nên quên là vô s� nhà nghiên cfu nghi2p d3 �ang tham gia trong các d� án trên nrn Internet ki5u nh3 SETI@home.

Khái ni2m SETI �ã �3Dc �7i chúng hóa nhX Carl Sagan, nhà hành tinh h1c t7i tr3Xng �7i h1c Cornell danh tibng và là tác giI quy5n Contact (Ti+p xúc), tác phqm sau �ó tr\ thành m*t b* phim Hollywood v4i ngôi sao �i2n Inh Jodie Foster th� vai nhà thiên v"n vô tuybn �ã b`t �3Dc m*t tin nh`n c�a ng3Xi ngoài hành tinh. Sagan �Cu tranh cho quan �i5m rwng m*t nrn v"n minh �* l3Dng �âu �ó trong thiên hà có lc �ang h34ng nhTng chùm tín hi2u vô tuybn vr phía Trái �Ct �5 kh�ng �jnh m*t s� uyên thâm kibn thfc vJ trs hoAc thibt l�p m*t cu*c ��i tho7i. Th�t là m*t quan �i5m r*ng l3Dng, nh3ng nó có �áng tin hay không?

M*t tr\ ng7i chính v4i lu�n �i5m c�a Sagan là nbu có bCt kì gi�ng loài ngoài hành tinh nào \ ngoài kia, thì hu nh3 ch`c ch`n h1 ch�ng có ý t3\ng rwng Trái �Ct l7i có chfa


m*t nrn v"n minh am hi5u vô tuybn. GiI s? có m*t c*ng �Qng ngoài hành tinh tibn b* \ cách xa 500 n"m ánh sáng — còn gn hyn so v4i nhTng tiêu chuqn SETI l7c quan — thì cho dù công ngh2 c�a nó có tiên tibn �bn mfc nào, ng3Xi ngoài hành tinh vOn sc thCy Trái �Ct ngày nay \ thXi �i5m n"m 1510, lâu l`m tr34c cu*c cách m7ng công nghi2p. Vr nguyên t`c, h1 có th5 phát hi2n ra nhTng dCu hi2u c�a canh tác nông nghi2p và các công trình xây d�ng nh3 V7n lí tr3Xng thành c�a Trung Qu�c, và h1 có th5 d� �oán rwng chúng ta sc �i vào phát tri5n thiên v"n h1c vô tuybn sau m*t vài thb k- hoAc thiên niên k-, nh3ng sc không có cy s\ nào cho h1 b`t �u tìm kibm dCu hi2u c�a chúng ta cho �bn khi h1 thu �3Dc m*t bwng chfng d3yng tính rwng chúng ta có hi2n di2n trong không khí. eiru này sc xuCt hi2n khi nhTng tín hi2u vô tuybn �u tiên c�a chúng ta truyrn �bn chL h1, �iru sc không xIy ra trong vòng 400 n"m t4i. RQi sc mCt thêm 500 n"m nTa cho nhTng tin nh`n �u tiên c�a h1 phIn hQi vr cho chúng ta. Cho nên, kjch bIn c�a Sagan có lc sc có th5 t3\ng t3Dng �3Dc trong m*t thiên niên k- khác hoAc cJng c� thXi gian nh3 thb trong t3yng lai.

eiru này có ngh�a SETI là m*t s� lãng phí thXi gian à? Không nhCt thibt nh3 v�y. Có lc có nhTng luQng vô tuybn khác chúng ta có th5 phát hi2n ra. Th�t không may, nhTng anten l4n nhCt trên Trái �Ct hi2n nay không �� nh7y �5 nhAt ra nhTng máy phát truyrn hình \ khoIng cách giTa các sao, và trG khi thiên hà chúng ta �ang nhung nhúc nhTng nrn v"n minh �ang �iên cuQng trao ��i nhTng tin nh`n vô tuybn, chúng ta sc không tài nào có cy h*i ‘vô phúc’ b`t dính m*t tin nh`n h34ng �bn m*t hành tinh khác �i xuyên qua hành trình vJ trs c�a chúng ta m*t cách tình cX. M*t hi v1ng th�c tb hyn là m*t nrn v"n minh ngoài �ja cu �ã xây d�ng m*t �èn hi2u m7nh quét qua mAt ph�ng thiên hà gi�ng nh3 m*t ng1n hIi �"ng. M*t �èn hi2u có th5 phsc vs nhiru msc �ích �a d7ng: là t3Dng �ài cho nrn v"n hóa �ã bibn mCt tG lâu; là m*t cách thu hút s� chú ý và th�c hi2n s� tibp xúc �u tiên; là m*t bi5u t3Dng ngh2 thu�t, v"n hóa hoAc tôn giáo; hoAc là t3yng �3yng vJ trs c�a ngh2 thu�t grafito [hình vc, chT vibt trên t3Xng c�]. Nó th�m chí có th5 là m*t tibng kêu cfu, hoAc, nh3 v4i giI thuybt ng1n hIi �"ng khiêm t�, nó là m*t s� cInh báo.

Trong nhTng n"m qua, �ã có nhiru xung vô tuybn ch3a giIi thích �3Dc. N�i tibng nhCt là cái g1i là tín hi2u Wow!, phát hi2n ra ngày 15 tháng 8, 1977, b\i Jerry Ehman s? dsng kính thiên v"n vô tuybn Big Ear c�a tr3Xng �7i h1c Bang Ohio. Tín hi2u kéo dài trong 72 s (thay vì m*t xung dài), và không �3Dc phát hi2n ra ln nào nTa. Ehman �ã phát hi2n ra nó trong khi �ang xem xét bIn in fax qua máy tính c�a anten, và bj kích �*ng �bn mfc ông vibt tG “Wow!” \ lr trang. Tín hi2u �ó ch3a bao giX �3Dc giIi thích thha mãn là m*t hi2n t3Dng nhân t7o hay m*t hi2n t3Dng t� nhiên.

Th�t không may, thiên v"n h1c vô tuybn hi2n nay không thích fng t�t l`m �5 �ánh giá nhTng cái th3Xng �3Dc cho là �èn hi2u. Cách tibp c�n SETI truyrn th�ng là l`ng nghe


nhTng ngôi sao msc tiêu hfa h�n mLi ln khoIng n?a giX �Qng hQ, �Qng thXi bao quát chGng m*t t- hoAc nhiru hyn các kênh 1 Hz trong ng3�ng tn s� gigahert (109 Hz) thCp. DT li2u ra sau �ó �3Dc phân tích bwng phn mrm có khI n"ng nh�n ra nhTng nguQn liên tsc dIi h�p (tn s� rõ nét). Nbu phát hi2n ra m*t tín hi2u nh3 v�y, thì các nhà thiên v"n th�c hi2n m*t lo7t ki5m tra �5 lo7i trG nhTng tín hi2u nhân t7o, gQm cI vi2c h34ng kính thiên v"n t`t và m\ vr phía msc tiêu �5 xem tín hi2u có mCt dn và xuCt hi2n tr\ l7i hay không, và tranh th� m*t chibc kính thiên v"n y5m trD \ xa �5 xác nh�n.

VCn �r là toàn b* công vi2c này th�t mCt thXi gian: m*t tibng rít ng`n ng�i phát ra tG m*t �èn hi2u không th5 nào ki5m tra chéo và không th5 xuCt hi2n tr\ l7i trong hàng tháng hoAc th�m chí hàng n"m trXi. Nó có khI n"ng bj lo7i trG khhi nguQn g�c t� nhiên d} dàng nh3 m*t bí qn v�y. Trên lí t3\ng, m*t cu*c tìm kibm nhTng �èn hi2u sc liên quan �bn m*t t�p hDp nhTng thibt bj chuyên dsng nhìn chwm chwm vr h34ng vùng dQi dào sao thu*c DIi Ngân hà trong nhiru n"m liên tsc. Phn này c�a thiên hà là nyi �a s� nhTng ngôi sao c� - và có lc là nhTng nrn v"n minh x3a cJ nhCt và thjnh v3Dng nhCt — �3Dc tìm thCy. Nh3ng m*t d� án có tm r*ng l4n nh3 thb này không th5 �3Dc tài trD trong t3yng lai tr34c m`t.

Ma tr�n Kính thiên v"n Allen \ B`c California (trái) �ang dOn �u cu*c tìm kibm s� s�ng ngoài �ja cu �ã b`t �u vào n"m 1960 b\i Frank Drake (phIi). knh: Seth Shostak/Science Photo Library

Ph0Wng trình Drake

Khi Frank Drake dCn thân vào ch3yng trình SETI vô tuybn, ông �ã vibt ra m*t ph3yng trình �jnh l3Dng con s� hi v1ng, N, c�a nhTng nrn v"n minh truyrn thông trong thiên hà. Nó không h�n là m*t ph3yng trình theo ý ngh�a toán h1c thông th3Xng, mà là m*t cách �jnh l3Dng s� ngu d�t c�a chúng ta. Nó là N = R*fpneflfifcL, trong �ó R* là t�c �* hình thành nhTng ngôi sao ki5u MAt trXi trong thiên hà, fp là t- l2 nhTng ngôi sao �ó có hành tinh, là ne s� trung bình nhTng hành tinh ki5u Trái �Ct trong mLi h2 hành tinh, fl là t-


l2 nhTng hành tinh có s� s�ng trên �ó s� thông minh tibn hóa, fc là t- l2 nhTng hành tinh trên �ó có nrn v"n minh công ngh2 và có khI n"ng truyrn thông xuCt hi2n, và L là thXi gian s�ng trung bình c�a m*t nrn v"n minh bibt truyrn thông.

M*t s� trong nhTng thu�t ngT này, thí ds nh3 t- l2 nhTng ngôi sao có hành tinh, ngày nay có th5 �3Dc �jnh l3Dng khá t�t — các nhà thiên v"n 34c tính fp là l4n hyn 0,5. Ngoài ra, sf m2nh Kepler tìm kibm hành tinh c�a NASA, phóng lên qu� �7o hQi tháng 3 n"m 2009, sc s4m cung cCp m*t s� dCu hi2u xác nh�n xem có bao nhiêu hành tinh ki5u Trái �Ct, tfc là ne. Tuy nhiên, �* bCt �jnh trong N bj th�ng trj hoàn toàn b\i hai bibn kh�ng lQ: fl và fi. Các nhà khoa h1c hi2n nay không có lí thuybt �áng tin c�y nào c�a nguQn g�c s� s�ng, cho nên vi2c �At ra m*t xác suCt trên nó là vô ngh�a. Khi SETI b`t �u, nhiru ng3Xi tin rwng s� s�ng trên Trái �Ct là m*t s� may m`n rCt khó có khI n"ng xIy ra, m*t tai n7n hóa chCt có xác suCt thCp nh3 thb chúng ta sc không trông �Di nó xIy ra \ �âu �ó khác trong vJ trs có th5 quan sát. Ngày nay, con l`c quan �i5m �ang �ong �3a �bn chL nhiru nhà sinh v�t h1c vJ trs tuyên b� rwng s� s�ng phát sinh m*t cách d} dàng và hu nh3 ch`c ch`n xIy ra bCt k5 khi nào m*t hành tinh có nhTng �iru ki2n gi�ng nh3 Trái �Ct. Nbu nh3 h1 �úng, thì thiên hà phIi �ang nhung nhúc nhTng thb gi4i có th5 \ �3Dc. Nhà sinh v�t h1c �7t giIi Nobel Christian de Duve th�m chí còn �i xa �bn mfc g1i s� s�ng là “m*t nhu cu vJ trs”.

Th�t không may, giI thuybt vr tính tCt �jnh sinh h1c, trong khi th�t hDp thXi, l7i không có s� �ng h* quan sát nào vào lúc này. Có m*t cách chúng ta có th5 ki5m tra nó, mAc dù, th�t s� không cn phát hi2n ra sinh v�t trên m*t hành tinh khác. Nbu s� s�ng th�t s� d} dàng xIy ra bCt ngX trong nhTng �iru ki2n gi�ng Trái �Ct, thì không có hành tinh nào gi�ng Trái �Ct hyn bIn thân �ja cu, cho nên ch`c ch`n nó phIi hình thành nhiru ln t7i nyi �ây, trên hành tinh thân yêu c�a chúng ta. Và làm thb nào chúng ta bibt nó không xIy ra chf?

Hóa ra ch�ng ai th�t s� nhìn ra hbt. ea s� sinh v�t ngoài �ja cu là vi khuqn, và các nhà sinh v�t h1c ch- m4i �ào b4i qua loa trên mAt c�a thb gi4i vi khuqn. Nhiru vi sinh v�t kì l7 �ã �3Dc phát hi2n ra, trong s� �ó có cái g1i là extremophile phát tri5n thjnh v3Dng trong nhTng �iru ki2n kh�c li2t ��i v4i �a s� nhTng d7ng s�ng �ã bibt, nh3ng cho �bn nay toàn b* nhTng sinh v�t này hóa ra là thuojc vr cùng h1 hàng cây tibn hóa nh3 b7n và tôi v�y. Tuy nhiên, �iru này có chút ý ngh�a. Các nhà sinh v�t h1c �ã tùy bibn nhTng k� thu�t c�a h1 nhwm ng`m t4i s� s�ng chuqn, cho nên bCt kì vi khuqn nào có m*t d7ng thfc hóa sinh khác bi2t hoàn toàn cJng có xu h34ng bj bh sót. Tuy nhiên, trong nhTng tháng gn �ây, �ã có m*t làn sóng �am mê trong cu*c tìm kibm m*t mOu s�ng thf hai d34i d7ng m*t “sinh quy5n bóng râm”. Cho �bn nay, �ây sc là m*t vùng bj bh sót c�a s� s�ng vi khuqn


tQn t7i lirn kr (và có lc còn xâm nh�p) sinh quy5n �ja cu chuqn v�n phong phú nhTng sinh v�t có cy chb hóa sinh khác hoàn toàn; sinh quy5n bóng râm sc có s� s�ng, nh3ng không nh3 cái chúng ta bibt. Quan �i5m là nbu chúng ta tìm thCy s� s�ng trên Trái �Ct �ã b`t �u tG s� hLn mang nhiru hyn m*t ln, thì tr3Xng hDp s� s�ng là m*t nhu cu vJ trs sc khó bh qua; nh3ng sc là bCt th3Xng nbu s� s�ng �ã b`t �u trên Trái �Ct nhiru hyn m*t ln mà r�t cu*c không xIy ra trên nhTng hành tinh ki5u Trái �Ct khác.

Cho dù s� s�ng là ph� bibn trong vJ trs, thì khI n"ng có s� s�ng thông minh — fi trong ph3yng trình Drake — vOn sc rCt thCp. Các nhà sinh h1c bCt �Qng gay g`t \ chL h1 �ánh giá s� s�ng có là m*t s� lm l7c không quan tr1ng, ki5u nh3 cái vòi c�a con voi, hay thu*c vr lo7i nhTng nét tiêu bi5u, thí ds �ôi cánh và �ôi m`t, cái �áp fng m*t vai trò sinh h1c cy bIn �bn mfc chúng �ã �3Dc “phát minh” ra b\i s� tibn hóa lAp �i lAp l7i nhiru ln trong ljch s?. Tuy nhiên, nbu s� s�ng �ang tibn di}n \ m*t nyi nào khác, thì ít nhCt nó cJng có m*t cy h*i tibn hóa thành s� s�ng thông minh. Cho nên theo quan �i5m c�a tôi, qn s� l4n trong ph3yng trình Drake vOn là f1. Cho �bn khi chúng ta có m*t ý t3\ng t�t hyn vr t- l2 �ó bwng bao nhiêu, thì bCt kì m*t s� c� g`ng nào �At ra m*t giá trj s� “hDp lí” lên N là �iru t3\ng t3Dng mà thôi.

Vi khuqn Extremophile có th5 s�ng sót trong m*t s� �iru ki2n kh`c nghi2t, k5 cI nhi2t �* cao và thCp, �* pH

c�c cao hoAc c�c thCp, trong �iru ki2n khô cwn cJng nh3 �* mAn cao. Sinh v�t này có th5 chju �3Dc nhTng

liru l3Dng bfc x7 c�c cao. (knh: Michael J Daly/Science Photo Library)


Nh/ng d.u hi1u c,a sJ s�ng thông minh

Cho dù vi2c thu nh�n m*t tin nh`n tG loài ng3Xi hóa ra là m*t hi v1ng mong manh, nh3ng chúng ta có th5 vOn góp nhAt bwng chfng, có lc là gián tibp, cho thCy chúng ta không �yn �*c trong vJ trs. Ch- duy nhCt chúng ta suy lu�n ra trí thông minh tQn t7i, hoAc �ã tGng tQn t7i, bên ngoài Trái �Ct, là thông qua vbt tích công ngh2 c�a nó. Vì chúng ta không bibt nhTng �Ac tr3ng c�a công ngh2 tiên tibn cao ngoài �ja cu, cho nên h34ng khIo sát này �hi hhi rCt nhiru kibn thfc d� �oán. eQng thXi, m*t nrn v"n minh ngoài �ja cu có th5 sc không tibn hành m*t nL l�c có cân nh`c nhwm gây s� chú ý, cho nên nhTng vbt tích ho7t �*ng c�a nó có th5 rCt huyrn Io và �òi hhi vi2n �bn nhTng ph3yng pháp khoa h1c phfc t7p.

Loài ng3Xi �ã cIi t7o �áng k5 hành tinh c�a mình trong ch- m*t vài nghìn n"m, cho nên ch�ng có gì khó t3\ng t3Dng là m*t c*ng �Qng công ngh2 nhiru tri2u n"m �ã làm thay ��i �áng k5 môi tr3Xng thiên v"n c�a nó. Cách nay �ã lâu, nhà v�t lí Freeman Dyson �r xuCt rwng m*t nrn v"n minh �ói n"ng l3Dng có th5 t7o ra l4p vh v�t chCt xung quanh ngôi sao ch� c�a nó �5 b`t lCy �a phn bfc x7. Nbu m*t “quI cu Dyson” nh3 thb tQn t7i, thì nó sc �5 l7i m*t dCu hi2u �Ac tr3ng trong vùng hQng ngo7i. Ng3Xi ta �ã b`t tay vào tìm kibm nhTng ��i t3Dng này trên bu trXi, nh3ng cho �bn nay vOn ch3a thu �3Dc thành quI gì.

NhTng d� án thiên v"n k� thu�t quy mô l4n khác có th5 bao gQm vi2c cIi t7o ngôi sao ch� bwng m*t cách nào �ó, nhX �ó làm thay ��i các �Ac tr3ng ph� và nhi2t c�a nó, và do �ó khibn nó xuCt hi2n nh3 m*t dj th3Xng tr34c m*t nhà thiên v"n có �ôi m`t s`c bén trên �ja cu. Ngay cI nhTng thay ��i g`n lirn v4i br mAt c�a m*t hành tinh cJng có th5 �3Dc phát hi2n ra trong t3yng lai không quá xa xôi \ d7ng nhTng chCt ô nhi}m công nghi2p hoAc nhTng phân t? kì l7 khác trong quang ph� c�a khí quy5n c�a hành tinh. Sf m2nh Kepler sc s4m mang l7i m*t bIng kê chi tibt nhTng hành tinh ngoài h2 mAt trXi gi�ng Trái �Ct, �ó sc là m*t danh sách msc tiêu t� nhiên cho m*t h2 th�ng quang h1c �At trên vJ trs t3yng lai có khI n"ng này. Chúng ta cJng nên th�n tr1ng tr34c khI n"ng m*t c*ng �Qng ngoài hành tinh có th5 t7o ra nhTng sIn phqm rCt khác v4i nhân lo7i — có lc là nhTng neutrino n"ng l3Dng c�c cao trong ng3�ng peta-electron-volt (1015 eV) hoAc nhTng xung photon tia gamma c3Xng �* m7nh tG s� phân h�y v�t chCt-phIn v�t chCt t�p trung quá mfc so v4i cái phát ra tG bCt kì nguQn phát t� nhiên hDp lí nào.

Cách d} hyn là �i tìm vbt tích c�a công ngh2 ngoài hành tinh trong sân sau thiên v"n c�a chúng ta. N"m 1950, Enrico Fermi nêu ý kibn n�i tibng rwng m*t nrn v"n minh c3 trú trong vJ trs sc có th5 di c3 trên kh`p thiên hà trong khoIng thXi gian nhh hyn tu�i c�a thiên hà �ó, và ch- cn m*t c*ng �Qng bùng n� nh3 thb cho Trái �Ct �3Dc “tibp quIn” cách


�ây �ã lâu. Th�c tb ng3Xi ngoài hành tinh không có mAt \ �ây �r xuCt v4i Fermi rwng h1 cJng không có mAt \ ngoài kia, m*t kbt lu�n tG �ó �3Dc �ánh giá cao v4i tên g1i “nghjch lí Fermi”.

Có nhiru lXi giIi c�a nghjch lí Fermi ngoài kbt lu�n hi5n nhiên rwng ch�ng có ng3Xi ngoài hành tinh nào hbt. Thí ds, du hành vJ trs có lc quá t�n kém hoAc m7o hi5m �áng �5 liru lình, hoAc nhTng nrn v"n minh ngoài �ja cu có lc �ã t� h�y di2t hoàn toàn tr34c khi h1 b`t tay vào thu*c �ja hóa nhTng thb gi4i khác. Nh3ng m*t lXi giIi hCp dOn hyn �áng ki5m tra là s� di c3 giTa các sao �ã và �ang di}n ra, mAc dù theo m*t ngh�a phfc t7p hyn cái Fermi ngh� t4i. Robin Hanson, m*t nhà kinh tb h1c t7i tr3Xng �7i h1c George Mason, �ã s? dsng m*t mô hình di dân kinh tb trong �ó các c*ng �Qng tIn ra khhi hành tinh quê h3yng c�a h1 và thu*c �ja hóa nhTng hành tinh khác — m*t phn \ l7i, m*t phn tibp tsc di c3 — hình thành nên m*t m7ng l34i phfc t7p c�a s� �jnh c3 và di c3, trong �ó luôn luôn có m*t làn sóng di c3 nhanh nhCt t7i “tirn tuybn” dCn thân vào nhTng mirn �Ct ch3a �3Dc khai phá. Mô hình c�a Hanson �r xuCt m*t kjch bIn khI d� trong �ó m*t làn sóng di c3 có th5 �ã lan qua vùng thiên hà c�a chúng ta nh3ng sau �ó �ã tibp tsc lan �i, có lc �5 l7i m*t s� dCu hi2u mách bIo \ d7ng �Q t7o tác, chCt thIi công nghi2p hoAc ho7t �*ng khai khoáng.

S� di c3 này �ã xIy ra khi nào? M*t trong nhTng r�i ro phIn ánh trên SETI là sfc cám dL c�a ý ngh� trong m*t khoIng thXi gian quy mô quá ng`n ng�i. Tu�i c�a h2 mAt trXi ch- bwng m*t phn tu�i c�a thiên hà, các hành tinh gi�ng Trái �Ct có lc �ã tQn t7i hàng t- n"m th�m chí tr34c khi Trái �Ct hình thành. Khi không có lí do nào phIn ��i, ng3Xi ta nên, v4i s� gn �úng b�c m*t, giI s? m*t s� phân b� xác suCt �7i khái �Qng �ru trong nhiru t- n"m cho t�c �* xuCt hi2n c�a nhTng nrn v"n minh công ngh2. Nbu nh3 v�y, thì niên �7i ljch s? nh3 trông �Di c�a m*t làn sóng di c3 không �o �3Dc trong hàng nghìn hay th�m chí hàng tri2u n"m, mà là hàng t- n"m.

Nói cách khác, không phIi không t3\ng t3Dng rwng h2 mAt trXi �ã tGng �3Dc th"m vibng, nói thí ds, cách nay 3 t- n"m tr34c. Nbu s� phân b� xác suCt th�t s� t"ng lên theo thXi gian, �iru d3Xng nh3 th�c tb hyn, thì có lc chính xác hyn là hãy ngh� theo hàng chsc �bn hàng tr"m tri2u n"m. Nh3ng nhTng cy h*i c�a vi2c Trái �Ct �3Dc th"m vibng trong vài nghìn n"m qua — chCt li2u c�a �a s� truy2n khoa h1c vi}n t3\ng — là hbt sfc thCp, và sc tiêu bi5u cho m*t s� trùng hDp ngOu nhiên m*t cách l7 kì. T7i sao hành tinh chúng ta l7i tình cX �3Dc th"m vibng �úng ngay lúc nrn v"n minh nhân lo7i b`t �u chú ý t4i �iru �ó chf?


NhTng Inh chsp hQng ngo7i c�a các thiên hà có th5 hé l* dCu hi2u �Ac tr3ng c�a m*t “quI cu Dyson” — m*t

l4p vh v�t chCt t7o ra b\i m*t nrn v"n minh ngoài �ja cu �ói n"ng l3Dng bao xung quanh ngôi sao ch� c�a

nó �5 b`t lCy bfc x7 c�a ngôi sao. (knh: Cy quan VJ trs châu Âu/BIo tàng knh Khoa h1c)

Nh/ng d.u hi1u c,a nh/ng ngoài hành tinh

Nbu nh3 ng3Xi ngoài hành tinh �ã �bn th"m hành tinh c�a chúng ta cách nay m*t tri2u n"m tr34c, thì vbt tích công ngh2 c�a h1 có còn l7i chút gì cho �bn ngày nay hay không? M1i thf trên br mAt Trái �Ct sc bj phong hóa gay g`t b\i thXi tibt, ho7t �*ng kibn t7o, b"ng hà và vân vân. Tuy nhiên, vbt tích c�a s� khai khoáng quy mô l4n hoAc khai thác �ã có th5 vOn còn l7i, mAc dù có lc bj chôn vùi sâu d34i các v-a �á và ch- có th5 phát hi2n ra trong nhTng cu*c khIo sát �ja chCt cqn tr1ng. M*t món �Q t7o tác �3Dc chôn có ch� ý trên Trái �Ct hay, còn tuy2t vXi hyn, trên MAt tr"ng, có th5 d} dàng bj bh qua, không phát hi2n �3Dc. Các �Qng vj phóng x7 phát ra tG nhTng vs n� h7t nhân hoAc công ngh2 h7t nhân có th5 xuCt hi2n nh3 nhTng dj th3Xng �ja chCt.

Sao ch�i và ti5u hành tinh sc là m*t nguQn tuy2t vXi cung cCp v�t li2u thô, và có th5 bi5u hi2n nhTng dCu hi2u c�a s� cIi t7o, thí ds s� v`ng mAt bCt th3Xng hoAc s� phân b� thu*c nhTng lo7i nhCt �jnh. Tuy nhiên, bCt kì cCu trúc k� thu�t nào còn l7i trong vành �ai ti5u hành tinh sc rCt khó ln ra nbu không có nhTng cu*c tìm kibm thCu �áo. M*t công


ngh2 tiên tibn còn có th5 khai thác nhTng nguQn n"ng l3Dng m4i l7, thí ds nh3 v�t chCt t�i hay các �yn c�c tG. Các h7t �yn c�c tG �3Dc d� �oán là �ã sIn sinh ra rCt nhiru trong Big Bang nh3ng ch3a hr �3Dc phát hi2n ra, bCt chCp nhiru ln tìm kibm. S� thibu v`ng �bn hoang mang này c�a s� phát hi2n th3Xng �3Dc cho là �hi hhi lí thuybt l7m phát, theo �ó vJ trs t"ng v1t vr kích th34c lên m*t h2 s� kh�ng lQ ngay trong nhTng phn c�a giây �u tiên sau Big Bang, tG �ó làm giIm m�t �* các �yn c�c tG xu�ng gn bwng không. Nh3ng lí thuybt l7m phát còn lâu m4i �3Dc chfng minh, và nbu các �yn c�c tG th�t s� tQn t7i trong vJ trs \ m�t �* có phn hDp lí, thì chúng sc mang l7i m*t nguQn n"ng l3Dng lí t3\ng. M*t �yn c�c b`c hoAc nam sc là phIn h7t c�a nhau, và vì thb có th5 h�y lOn nhau. Vì kh�i l3Dng c�a chúng �3Dc d� �oán là 1015 ln kh�i l3Dng c�a m*t proton, nên n"ng l3Dng giIi phóng trên mLi s� ki2n phân h�y sc là kh�ng lQ. Nbu m*t nrn công ngh2 ngoài hành tinh �ã khai thác hbt các �yn c�c tG trong vùng không gian c�a chúng ta, thì ch�ng có gì ng7c nhiên là chúng ta không phát hi2n ra gì cI. TCt nhiên, lXi giIi thích này hbt sfc kì csc, nh3ng nó �óng vai trò minh h1a cho lo7i ��i t3Dng chúng ta cn quan sát: s� v`ng mAt có ch� ý c�a m*t cái gì �ó \ ngoài kia, hay s� có mAt có ch� ý c�a m*t cái gì �ó không nên có.

M*t ý t3\ng �3Dc các nhà nghiên cfu SETI khIo sát là tìm kibm m*t sIn phqm t7o tác ngoài hành tinh t7i các �i5m cân bwng brn Lagrange Trái �Ct — MAt trXi L4 và L5 — nhTng cái túi trong không gian trong �ó m*t v�t có th5 giT nhjp b34c cùng v4i Trái �Ct khi nó quay xung quanh MAt trXi. M*t tàu khIo sát �3Dc g?i �bn tG ch� s\ hTu m*t hành tinh bên ngoài, hay m*t dsng cs theo dõi còn l7i sau m*t chuybn thám hi5m �ã rXi gót ra �i, có th5 còn neo ��u \ �ó mà không cn hi2u ch-nh qu� �7o. Ng3Xi ta th�m chí còn �r xuCt rwng m*t con tàu khIo sát nh3 v�t có th5 c� g`ng thibt l�p tibp xúc v4i chúng ta bwng sóng vô tuybn hoAc thông qua Internet. Tuy nhiên, do tr\ ng7i c�a t�c �* hTu h7n c�a ánh sáng, cái làm nIn chí các nhà nghiên cfu SETI truyrn th�ng, có th5 làm cho kb ho7ch �ó bj phá v�.

Là m*t thí ds cu�i cùng c�a cái chúng ta có th5 tìm kibm, m*t chuybn thám hi5m hoAc m*t làn sóng di c3 c�a ng3Xi ngoài hành tinh có th5 làm xáo tr*n vi sinh v�t h1c �ja cu, có lc t7o ra sinh quy5n d34i bóng riêng c�a nó hL trD cho quá trình khai khoáng, cIi t7o �Ct, hoAc sIn xuCt n"ng l3Dng. eQng thXi, nbu ng3Xi ngoài hành tinh th�t s� mu�n �5 l7i tin nh`n cho h�u thb, thì vi2c �5 l7i dCu vbt trong h2 gen c�a các vi sinh v�t có lc là chibn l3Dc t�t hyn so v4i g?i �i nhTng tín hi2u vô tuybn tG m*t ng1n �èn hi2u. S? dsng virus hoAc tb bào s�ng làm h�u du2 thông tin có nhiru 3u �i5m: các h2 sinh v�t nano có th5 t� sao chép và t� s?a chTa, và có tirm n"ng bIo tQn thông tin trong hàng tri2u n"m. M*t s� h2 gen, ch�ng h7n, vOn không thay ��i gì l4n trong hyn m*t t- n"m.


Trí thông minh h�u sinh v�t h�c

Tranh lu�n vr SETI th3Xng sa vào cái bOy c�a h1c thuybt loài ng3Xi là trung tâm — m*t khuynh h34ng s? dsng nrn v"n minh nhân lo7i thb k- 21 làm mô hình cho nrn v"n minh ngoài �ja cu có lc trông nh3 v�y. Nh3ng khi nhìn vào m*t công ngh2 nhiru tri2u n"m, s� phân lo7i c�a con ng3Xi hu nh3 ch`c ch`n là sai lm. Có lc giI thuybt �áng ngX nhCt là chúng ta sc ��i phó v4i nhTng sinh v�t s�ng máu-thjt. Có khI n"ng trí thông minh sinh h1c là nh3 v�y, nh3ng là m*t pha ng`n ng�i trong s� tibn hóa c�a trí thông minh trong vJ trs; th�m chí trên Trái �Ct, chúng ta có th5 tiên �oán s� phát tri5n c�a trí thông minh “nhân t7o” và thoáng nhìn t4i m*t t3yng lai trong �ó các h2 th�ng x? lí thông tin k� thu�t và các m7ng l34i thn kinh bibn ��i gen sc hDp nhCt l7i �5 t7o ra nhTng “h2 suy ngh�” m4i l7 v3Dt xa s� tinh thông trí tu2 c�a nhân lo7i.

Các 3u thb hay nhu cu công ngh2 c�a nhTng th�c th5 nh3 v�y là gì thì chúng ta không th5 bibt �3Dc. NhTng h2 suy ngh� m7nh nhCt trong vJ trs hóa ra có th5 �3Dc thuybt minh trong các máy tính l3Dng t? - cái mà nhà v�t lí �7t giIi Nobel Frank Wilczek �At cho cái tên là “trí thông minh l3Dng t?” ("quintelligence"). NhTng th�c th5 nh3 v�y có th5 nhh vr ph3yng di2n v�t chCt, có nhu cu n"ng l3Dng không �áng k5 và �3Dc �At trong không gian liên thiên hà �5 khai thác nhi2t �* thCp c�a nó. Nbu �úng nh3 v�y, thì vbt tích công ngh2 c�a trí thông minh l3Dng sc khiêm t�n �bn mfc chúng ta không bao giX ln ra �3Dc nó.

C� nhà v"n và nhà t3yng lai h1c Arthur C Clarke có ln tGng l3u ý rwng m*t nrn công ngh2 �� tiên tibn sc không th5 phân bi2t v4i s� thn kì. Do �ó, �iru quan tr1ng là chúng ta nên m\ r*ng suy ngh� c�a mình vr nrn v"n minh ngoài �ja cu tG chL ngo7i suy �yn thun nhTng công ngh2 c�a loài ng3Xi sang b`t �u tìm kibm bCt kì h2 th�ng hay quá trình nào th5 hi2n dCu hi2u xác nh�n s� thao tác c�a trí thông minh. Sau 50 n"m SETI truyrn th�ng, �ã �bn lúc m\ r*ng nghiên cfu khhi l�nh v�c tín hi2u vô tuybn. S? dsng kbt hDp nhiru ph3yng pháp khoa h1c, tG h2 gen cho �bn thiên v"n v�t lí neutrino, chúng ta nên b`t �u xem xét k� l3�ng h2 mAt trXi và vùng thiên hà chúng ta tìm kibm bCt kì dCu hi2u nào c�a m*t c*ng �Qng vJ trs quá khf hay hi2n nay.

SETI có sfc hCp dOn rCt l4n ��i v4i công chúng. BIn chCt tr1ng �7i c�a m*t kbt quI ch`c ch`n �òi hhi phIi �3Dc giIi thích rõ ràng. Th�t không may, vCn �r �ó vCp phIi s� tranh lu�n th�m chí khác th3Xng b\i các tiêu chuqn c�a nrn v�t lí lí thuybt �3yng thXi, và hóa ra nó có th5 là vi2c �u�i b`t vjt trXi mà thôi. Tuy nhiên, nh3 Cocconi và Morrison trình bày trong bài báo tiên phong c�a h1, nbu chúng ta không buQn tìm kibm trí thông minh ngoài �ja cu, thì cy h*i tìm ra nó là bwng không.


Paul Davis là giám ��c BEYOND: Trung tâm Các khái ni2m Khoa h1c Cy bIn t7i tr3Xng �7i h1c Bang Arizona, M�. Quy5n sách c�a ông - — The Eerie Silence: Are We Alone in the

Universe? (S� im lAng �bn kì l7: Chúng ta có �yn �*c trong vJ trs?) — �3Dc nhà xuCt bIn Penguin Cn hành trong tháng này.

Trn Nghiêm djch (theo Physics World, tháng 3/2010)


��n v��n v��n v��n v�� v v v v��t lí nào �t lí nào �t lí nào �t lí nào ��c �a dùng nhc �a dùng nhc �a dùng nhc �a dùng nh��t?t?t?t? Robert P Crease (PhyRobert P Crease (PhyRobert P Crease (PhyRobert P Crease (Physics World, tháng 02/2010)sics World, tháng 02/2010)sics World, tháng 02/2010)sics World, tháng 02/2010)

B� vùi ng�p trong nh,ng ph-n h.i cho bài kh-o sát tr0c tuy2n c3a ông v5 các �n v� yêu thích c3a 7c gi-, Robert P Crease (biên t�p viên physicsworld.com) phát hi;n ra r<ng các �n v� ngoài SI v?n kh@ng �nh chA Bng c3a chúng, và thDnh tho-ng còn thông dFng h�n, trong c7ng .ng v�t lí.

Kilogram có lI là m7t trong nh,ng n5n t-ng c3a h; SI,

nh�ng các �n v� ngoài SI v?n ch�p nh�n dùng. (Jnh: BIMP)

��n v� o là m7t trong nh,ng Mc tr�ng lí thú nh�t c3a khoa hNc. Chúng là “cPu nQi” gi,a th2 giSi kinh nghi;m ch3 nghTa c3a các hi;n t��ng v�t lí và th2 giSi trUu t��ng phi kinh nghi;m tính c3a toán hNc, cho phép chúng ta di chuyWn tSi lui gi,a hai th2 giSi �y. �ã có lPn trong l�ch sY, nhi5u c�u nQi thu7c v5 nh,ng bi2n thW khác nhau ã t.n tZi 7c l�p vSi nhau.


Theo n\m tháng, Hi;p h7i QuQc t2 v5 Cân nMng và �o l�`ng (BIPM) ã thQng nh�t chúng thành m7t h; thQng duy nh�t, ó là “H; �n v� quQc t2” (SI).

SI là m7t quy �Sc tD mD g.m b-y �n v� c� b-n — mét, kilogram, giây, ampere, kelvin, candela và mol — và vô sQ �n v� d?n xu�t, thí dF nh� hertz, volt, newton, coulomb, tesla và ohm, cùng vSi nh,ng �n v� khác “ ��c ch�p nh�n dùng” bên trong nó, thí dF nh� t�n (103 kg) và ngày (86,400 s). �ây là nh,ng cái h2t sBc thâm c\n cQ 2 trong th2 giSi khoa hNc, nh�ng m7t sQ �n v� ti5n SI và ngoài SI v?n kh@ng �nh v� th2 bên ngoài và th�m chí bên trong th2 giSi khoa hNc. Tháng 9 n\m 2009, tôi ã ti2n hành m7t �t kh-o sát tr0c tuy2n v5 các �n v� yêu thích c3a bZn, và tôi ã nh�n ��c hàng tr\m ph-n h.i tU quý 7c gi-.

Các �n vCác �n vCác �n vCác �n v�� ti ti ti ti5555n SIn SIn SIn SI

Nhi5u �n v� ti5n SI phát sinh tr0c ti2p tU cu7c sQng hàng ngày. Hãy xét nh,ng �n v� ��c nhlc tSi trong quyWn tiWu thuy2t The Tailor and Ansty c3a Eric Cross, m7t quyWn sách mang giNng i;u dí dom và ngh; thu�t thi ca Ireland Mc s;t 2n mBc nó b� c�m ngay trong n\m sau n\m nó ��c xu�t b-n, 1942. QuyWn sách nói v5 m7t ng�ì th� may mi5n thôn dã thích làm quen vSi s0 tUng tr-i c3a ng�ì Ireland lSn tupi, nghTa là, tr�Sc khi “ng�ì ó quá thông minh và ��c ào tZo, và W cho chính quy5n hoMc b�t kì ai khác làm cái hN nghT dùm cho hN”. M7t sQ trong s0 tUng tr-i này có liên quan 2n các �n v�.

��t ai, ng�ì th� may cho bi2t, th�`ng tính theo “lát” [giQng nh� “lát th�t”]. Lát, d0a trên “sBc mang” c3a �t, “cho bZn bi2t giá tr� c3a m7t cánh .ng, chB không ph-i kích cu c3a nó. M7t cánh .ng có thW là m7t cánh .ng á, nh�ng bZn bi2t n�i bZn v vSi m7t lát”. M7t lát, ch@ng hZn, là di;n tích cPn thi2t cho ng�ì ta “ch\n th- m7t hoMc hai con bê cái, hoMc sáu con cUu, hoMc 12 con dê, hoMc sáu con ngAng cái và m7t con ngAng 0c”, còn 3 lát là di;n tích cPn thi2t W nuôi m7t con ng0a. Ng�ì th� may kW lZi lì khoe khoang c3a m7t ng�ì láng gi5ng sv h,u 4000 m?u — nghe có vw nh� c- m7t .n i5n, nh�ng th�t ra di;n tích ó chD “ 3 �t th- 4 con bò cái”. Chlc chln ng�ì th� may ó có c�`ng i;u quá mBc v ây (h�i b�t ng` m7t chút), nh�ng vSi m7t sQ ng�ì v xB c3a ông sv h,u quá nhi5u �t ai, thì d�`ng nh� 1000 m?u v mi5n tây Ireland, b�t ch�p nh,ng Pm lPy và nh,ng .i á d0ng c3a nó, ch@ng gì h�n là �t W nuôi m7t con bò trung bình. Tuy nhiên, quan iWm c3a ông là m7t sQ o dZng lát sI làm gi-m kích cu c3a lì nói khoác c3a ng�ì láng gi5ng kia xuQng. “Qux tha ma blt tôi i! Nh�ng ng�ì ta ngày x�a tUng nghT nh� v�y ó”.

Ng�ì Ireland cp còn có m7t cách cao siêu W tính toán thì gian, �n v� c� b-n c3a hN là tupi ì c3a m7t con gà n�Sc, m7t loài chim nho. Khi ó, ng�ì th� may ã d�ch ra m7t danh sách các �n v� d0a trên nó: ì m7t con chó s\n b<ng ba ì con gà n�Sc; ì m7t con ng0a b<ng ba ì con chó s\n; ì m7t con ng0a ua b<ng ba ì con ng0a; ì m7t con h��u b<ng ba ì con ng0a ua; ì m7t con Zi bàng b<ng ba ì con h��u; ì m7t cây th3y tùng b<ng ba ì con Zi bàng; và ì m7t rMng núi cp b<ng ba ì cây th3y tùng. Không cPn ti2n thêm n,a, vì ba ì c3a rMng núi là tupi c3a v{ trF r.i.


Ng�ì th� may ã bUa bãi (h�i b�t ng`) trong �Sc tính c3a ông v5 tupi c3a v{ trF, nó không có kh- n\ng là ( ì con gà n�Sc) x 38. Tuy nhiên, quan iWm c3a ông ã làm sáng to r<ng h; �n v� Ireland thì cp có lI có nh,ng �u iWm nh�t �nh so vSi h; �n v� c3a chúng ta v chA nó “tính toán mNi thB mà m7t ng�ì có thW nhìn th�y xung quanh anh ta, cho nên, cho dù anh ta v chA nào, anh ta c{ng có m7t quyWn niên giám”.

Physics World nh�n ��c vô sQ thí dF c3a nh,ng �n v� ti5n SI t��ng t0 trích tU quyWn niên giám c3a th2 giSi. John Blake, m7t nhà v�t lí và nhân viên thF lí c�p b<ng phát minh ã nghD h�u sinh sQng v Winchester, n�Sc Anh, ng�ì mAi n\m có vài tháng sQng v Tây Ban Nha, cho bi2t r<ng dia de buy (hay “ngày-con-bò") v?n ��c sY dFng v nh,ng mi5n thôn dã xB Asturias thu7c mi5n blc Tây Ban Nha. Nó chD l��ng �t mà ng�ì nông dân có thW cày xSi vSi m7t con bò, nó tùy thu7c vào loZi �t và hoa màu; m7t mi2ng �t 50 ngày-con-bò là 3 cho m7t ng�ì nông dân t0 nuôi sQng gia ình anh ta.

Nh,ng ng�ì khác thì thích “chuAi”, công cF o Zc không thW thi2u ��c phát minh vào th2 kD thB 17. B<ng 22 yard, chuAi W lZi d�u �n c3a nó trên mNi thB tU b�Sc r\ng cricket (1 chuAi) và �nh nghTa c3a m?u (1 x 10 chuAi) cho 2n chi5u dài c3a vô sQ lô �t thành th�. Trong khi ó, David Brandon tZi Vi;n Technion v Israel, lZi thích “firkin” — m7t thùng gA có thW chBa 9 gallon MT, vUa úng là l��ng bia cPn thi2t cho nh,ng b,a ti;c thì sinh viên c3a ông tZi tr�`ng Zi hNc Cambridge. “Hãy nghT tSi nó: 9 gallon hay 72 pint [là] vUa 3 gi, cho 20 sinh viên vui vw cho 2n khi hN b� tQng ra khoi tr�`ng vào lúc nYa êm”, ông gi-i thích.

SI các �n vSI các �n vSI các �n vSI các �n v�� d d d d????n xun xun xun xu��t SIt SIt SIt SI

Tuy nhiên, m7t sQ 7c gi- nêu câu hoi v5 chính h; SI. Th�t v�y, nh� Jim Bogan, m7t nhà v�t lí ã nghD h�u sQng gPn Eugene, Oregon, trình bày, các �n v� xây d0ng trên h; CGS (centimet—gram—giây) v?n là chu�n sY dFng trong thiên v\n v�t lí; ch@ng hZn, khQi l��ng sao th�`ng ��c o theo gram. Tuy nhiên, Bogan không là ng�ì hâm m7 CGS: nó có nghTa là kho-ng cách MMt trì — Trái �t (1 �n v� thiên v\n hay AU) là 15.000 giga-centimet hay 15 tera-centimet h2t sBc tBc c�ì, nó cPn 2n hai ti5n tQ Hi LZp. SI th�m mT h�n, ông 5 xu�t, là dùng h; MGS (mét-gram-giây), trong ó 1 AU là 150 giga-mét.

H; MGS sI W h<ng sQ Planck và h<ng sQ h�p d?n không b� -nh h�vng - h = 6.625 x 10—31 g m2s—1, và G = 6.673 x 10—14 m3g—1s—2 — chD thay pi b�c 7 lSn. Các �n v� i;n 7ng l0c hNc c{ng sI không b� -nh h�vng trong h; MGS, tuy nhiên các �n v� i;n 7ng l0c hNc, nh� chi5u dài Planck, khQi l��ng và thì gian, sI ph-i gi-m cu. �u iWm c3a h; MGS là nó sI h�p nh�t h; CGS và h; MKS (mét-kilogram-giây), “c\n b;nh nhBc Pu cho các nhà v�t lí và sinh viên c3a hN trong h�n m7t th2 kD”. Nh�ng Bogan không hi vNng gì nhi5u r<ng mNi thB sI thay pi sSm vì cái ông Mt tên là “lòng trung thành tuy;t Qi” vSi chu�n l0c newton c3a h; SI. “ThY làm thay pi chu�n này giQng nh� là chi2n �u vSi tòa th� chính v�y”, ông phàn nàn.

Tôi nêu ý ki2n này vSi Richard Davis, tr�vng khoa khQi l��ng thu7c BIPM và là ng�ì am hiWu các �n v� SI (và là ng�ì có �n v� ngoài SI yêu thích là sào vì lí do tình c-m; W nhS ngôi nhà c{ c3a ông v th3 ô Washington có các kích cu i theo �n v� ó). Câu tr- lì hai


phPn c3a Davis gi-i thích tZi sao hPu nh� mNi c-i ti2n ã 5 xu�t cho SI ch�a bao gi` trông hay nh� chúng có vw nh� v�y. M7t phPn vì lí do l�ch sY: h; SI xây d0ng trên di s-n c3a h; o l�`ng th�p phân trong m7t nA l0c nh<m duy trì tính liên tFc l�ch sY càng nhi5u càng tQt. Nh�n ra khó kh\n kh3ng khi2p c3a vi;c thay pi các thói quen o l�`ng, h; SI �a vào các �n v� dùng trong khoa hNc di;n r7ng .ng thì ràng bu7c nh,ng giSi hZn long lwo. �ó là nguyên do vì sao m7t trong nh,ng �n v� c� sv - kilogram — lZi chBa m7t ti5n tQ, n2u không thì nó sI ch@ng có ý nghTa gì nhi5u llm, d?u cho vi;c cho phép �n v� này là m7t ngoZi l; d�`ng nh� là vô hZi.

Ngày-con-bò, firkin và lít — m7t vài �n v� trong nhi5u �n v� không chu�n a dZng bZn có thW chNn làm �n v� yêu thích c3a mình. (Jnh: Photolibrary)

PhPn kia c3a câu tr- lì, Davis nói, liên quan 2n “tính chMt chI”, theo ý nghTa Mc bi;t mà “sách SI” trao cho thu�t ng, này. “N2u bZn có b�t kì ph��ng trình v�t lí nào, bZn có thW �a các giá tr� SI vào cho mNi Zi l��ng và nó t0 7ng hoZt 7ng nh� nó ph-i nh� v�y; nghTa là, trong m7t h; chMt chI nh� SI, không bao gi` cPn �a thêm nh,ng h<ng sQ ban Pu không có mMt trong ph��ng trình”, ông nói. H; MGS thì không chMt chI, trong con mlt c3a Davis. “L�y thí dF ph��ng trình yêu thích c3a mNi ng�ì: E = mc2," ông gi-i thích. “N2u, v v2 ph-i, tôi tính khQi l��ng theo kilogram và tQc 7 ánh sáng theo mét trên giây, thì k2t qu- c3a tôi t0 7ng xu�t hi;n là joule. Nh�ng trong h; MGS, h; thBc Einstein sI trv thành E = km mc2, trong ó m o b<ng gram, c là mét trên giây, E là joule, và km là thUa sQ chuyWn pi b<ng 10—

3 kg g—1. Nhi5u ý t�vng sáng giá muQn c-i cách h; SI sI d?n tSi tính không chMt chI nh� v�y”. Yêu cPu c3a tính chMt chI, Davis bp sung, giúp chD d?n ph��ng thBc cho nh,ng �n v� c� sv khác, ví dF nh� ampere và kelvin, ��c �a vào SI. Tòa th� chính có nh,ng lí do c3a nó.

Thomas Yeung, sQng v Suffolk, n�Sc Anh, là m7t ng�ì tán thành �n v� lít (10—3 m3) — m7t thí dF khác c3a m7t �n v� ngoài SI “ ��c ch�p nh�n sY dFng”. (��n v� SI chMt chI c3a thW tích là m3, �n v� này không có tên gNi Mc bi;t nào. Lít không ph-i là m7t �n v� SI chMt chI, vì 1 l = 10—3 m3 — m7t ph��ng trình chBa thêm m7t h; sQ không b<ng m7t). Th�t v�y, Yeung o công su�t tiêu thF x\ng c3a chi2c xe h�i c3a ông theo dMm trên lít, g�i nhS tSi �n v� c{ dMm trên gallon, vì nhiên li;u v Anh hi;n nay th�`ng ��c báo giá theo lít. “Tôi bi2t nó


k2t h�p các �n v� h; mét và �n v� MT”, Yeung gi-i thích, “nh�ng th�t d� hiWu (nhi5u dMm trên lít là tQt h�n, ít thì t; h�n). [Nó c{ng] cho phép tài x2 xác �nh xem hN cPn bao nhiêu nhiên li;u o theo lít W th0c hi;n m7t chuy2n hành trình Mc bi;t o theo dMm, và có m7t chu�n xét oán, vì xe h�i thông th�`ng có giá tr� ó tU 5 2n 10”. SQ o châu Âu, lít trên 100 km, trái lZi, chD hi;u su�t tQt h�n vSi m7t con sQ nho h�n.

Nh�ng c7ng .ng Physics World còn có m7t vài ng�ì say mê SI có nguyên tlc và chi2n �u tSi cùng. Peter Main, m7t giáo s� v�t lí danh ti2ng tZi tr�`ng Zi hNc York v Anh, nói vSi tôi r<ng c�u con trai Andrew c3a ông là nhà SI chính thQng tuy;t Qi trung thành, c�u ta tU chQi tính ngày sinh nh�t theo kiWu bình th�`ng và thay vào ó, c�u ta xác �nh tupi c3a mình theo mega giây. Andrew (m7t kT s� phPn m5m) thUa nh�n r<ng mMc dù giây là m7t tai bi2n thiên v\n — vQn liên h; 2n hành trZng quay c3a Trái �t — nh�ng ít nh�t thì nó là SI và hi;n nay ��c �nh nghTa mà không cPn tham chi2u 2n h; mMt trì. Cha c3a c�u thì th0c thi tinh thPn c3a c�u con trai bvi vi;c thuy2t gi-ng vSi hNc trò r<ng mAi bài gi-ng là m7t “micro th2 kD”, t��ng Bng vSi 52 phút 36 giây.

Các �n vCác �n vCác �n vCác �n v�� ngoài SI ngoài SI ngoài SI ngoài SI

Tuy nhiên, nhi5u �n v� phi SI v?n sQng sót. Gary Harper, m7t kT s� .n trú vSi quân 7i MT v Okinawa, Nh�t B-n, thì trích d?n mil — m7t sQ o góc dùng khlp th2 giSi — là m7t thí dF c3a m7t �n v� phi SI v?n t.n tZi vì úng là th0c t2. Cán b7 pháo binh th�y nó có ích vì m7t mil v kho-ng cách m7t nghìn yard hay mét là kho-ng m7t yard hay mét, “khi2n d� i5u chDnh lYa pháo”. Gil Ross thì thích “nebule” — m7t �n v� Mt ra vào n\m 1938 W o kh- n\ng nhìn trong êm. Nó là �n v� c3a su�t che khu�t “sao cho 100 �n v� làm gi-m c�`ng 7 ánh sáng i 1/1000 giá tr� tSi c3a nó”.

John Hearle, m7t giáo s� công ngh; d;t danh ti2ng tZi tr�`ng Zi hNc Manchester, thì thích N/tex, m7t �n v� dùng cho sBc c\ng Mc bi;t, và kh@ng �nh trong phPn phF lFc cho lPn tái b-n thB t� quyWn sách c3a ông, Các tính ch�t v�t lí c3a t� s�i, r<ng nó xBng áng có m7t cái tên Mc bi;t ngoài �n v� SI chMt chI c3a nó, N m kg—1, hoMc nh,ng tên gNi khác c3a nó, psi/(gm/cc) và BTU/lb. Nhi5u nhà v�t lí thích “barn” (“kho”, 10—28 m2), �n v� sY dFng r7ng rãi trong ngành v�t lí hZt nhân và v�t lí n\ng l��ng cao W biWu di�n kh- n\ng m7t hZt tán xZ khoi m7t hZt khác và ngu.n gQc bu.n c�ì c3a nó trong Th2 chi2n thB hai áp dFng cho ti2t di;n c3a hZt nhân uranium (“to nh� m7t kho!”) vQn là m7t truy5n thuy2t v�t lí npi ti2ng. Ng�ì anh em hN c3a nó là “shed” (chu.ng, 10—24 barn). Bryan Lovitz cho bi2t yocto mét bình ph��ng, �n v� di;n tích SI nho nh�t, b<ng 10.000 shed.

M7t hN nh,ng �n v� ngoài SI khác gNi là “l��ng tQi thiWu”. Andy Taylor, m7t kT s� thi2t b� ã nghD h�u, nói r<ng m7t “midge” là “l��ng nho nh�t c3a chuyWn 7ng th@ng hoMc chuyWn 7ng quay có thW thu ��c v công su�t c3a m7t dFng cF c� hoMc i;n cho tr�Sc, trong nh,ng hZn ch2 c3a l0c ma sát nghD, các c� ch2 i5u chDnh ��c cung c�p bvi nhà thi2t k2 và s0 khéo léo c3a ng�ì i5u khiWn”. Paul Wilby, m7t giáo viên v East Midlands, n�Sc Anh, thì thích “chân muAi v<n” — m7t s0 chia nho c3a �n v� nào ó ã bi2t, lSn h�n, vì Physics World là m7t nhóm tZp chí, nên tôi sI gNi là m7t “chân muAi v<n”. Kevin Meyer, m7t nhà v�t lí và kT


s� phPn m5m v Nam Phi, thì gi-i thích các thu�t ng, kT thu�t dùng W ghi tín hi;u: m7t “nglt” là m7t s0 i5u chDnh tQt, m7t “xoay” là m7t thao tác thô, và m7t “b7p” là m7t thao tác vu v�.

NgoàiNgoàiNgoàiNgoài----ngoài SIngoài SIngoài SIngoài SI

M7t danh mFc �n v� n,a chì là trò vui và không có giá tr� th0c ti�n nào, ngoZi trU châm bi2m, blt ch�Sc hay t��ng tr�ng cho quá trình t0 Mt ra �n v�. Thí dF kinh iWn c3a m7t �n v� có vw nh� dùng W o m7t tính ch�t hoàn toàn ch3 quan, ch@ng hZn, là “helen”, blt ch�Sc tU câu ch, trong tác ph�m Bác sT Faustus c3a Christopher Marlowe, ám chD anh chàng Helen xB c-ng Troy “ ã hZ th3y m7t nghìn con tàu”, hàm ý “mili helen” là l��ng cPn thi2t W hZ th3y m7t con tàu. Niki Walton thì kh\ng kh\ng r<ng l��ng h�i cPn thi2t W thpi tlt nh,ng ngNn n2n trên chi2c bánh sinh nh�t c3a m7t Ba trw ��c o b<ng “rlm con ki2n”, còn �n v� yêu thích c3a Tony Yule là “bò” và “chó” vì có lPn giáo viên dZy v�t lí s� c�p c3a ông ã ghi nh� th2 trên các trFc . th� ông vI khi ông quên không ghi tiêu 5 trFc.

Thí dF kinh iWn c3a m7t �n v� ng?u hBng Mt theo tên m7t nghiên cBu là “smoot”, theo tên Oliver Smoot, chàng sinh viên n\m nh�t tZi Vi;n Công ngh; Massachusetts, ng�ì có chi5u cao dùng W o chi5u dài c3a CPu v��t Xa l7 Massachusetts n\m 1958. Nh�ng các 7c gi- Physics World còn bi2t nh,ng �n v� khác. TZi s0 ki;n hZ th3y th�`ng niên c3a công ti Bill Clay, 0,01 h-i lí ��c gNi là m7t “rick”, theo tên m7t nhân viên Mc bi;t tinh thông vi;c llp Mt nh,ng cánh bu.m W tQi �u hóa hi;u su�t c3a du thuy5n. Alison Lees (tên th�`ng gNi là Procter) thì nhS lZi m7t lSp hNc sinh v�t s� c�p, trong ó nh,ng ng�ì bZn c3a cô ã sY dFng các b7 c-m bi2n không ��c hi;u chDnh W o m7t sQ Zi l��ng. S0 ph-n Qi c3a cô không ch�u ánh d�u các sQ chD theo nh,ng “ �n v� tùy ti;n” ã châm ngòi cho m7t cu7c tranh lu�n v5 b-n ch�t c3a các �n v� - và k2t qu- là phát minh ra �n v� mSi: “proctor”.

Chân muAi v<n và C7t Nelson — các �n v� ngoài SI. (Jnh: Photolibrary)

Trong khi ó, Matthew Evans kh@ng �nh ng�ì anh trai c3a ông, giQng nh� ông v�y, l�y b<ng v�t lí tU tr�`ng Zi hNc Southampton, ã ch2 ra m7t h; �n v� hoàn toàn d0a trên mol: m7t mol ch�t khí là l��ng có thW chBa Py m7t túi tr�Sc khi nó np, m7t mol chi5u dài là kho-ng cách mà túi b�m Py h�i ang x- h�i t0 �y nó i, m7t mol di;n tích là mBc 7 mong mà bZn có thW tr-i m7t túi SI chu�n ra, và vân vân. “ThuPn túy lí thuy2t”, Evans cQ cãi, e r<ng tp chBc quy5n 7ng v�t PETA sI thêm �nh nghTa �n v� vào ch��ng trình ngh� s0 c3a mình.


Nh� vSi Nigel Branson, ông nhlc lZi r<ng thPy giáo v�t lí c3a ông th�`ng dùng “cái n;m RZp Sanders” làm �n v� h�p thF. V� thPy giáo nhS trong Pu câu chuy;n nhà v�t lí ng�ì MT Wallace Sabine, m7t nhà tiên phong v5 âm hNc ki2n trúc, ã i 2n m7t công thBc liên h; thì gian ti2ng vang d7i lZi vSi 7 h�p thF, thW tích và di;n tích b5 mMt b<ng cách làm thí nghi;m vSi nh,ng cái n;m ng.i v RZp Sanders thu7c tr�`ng Zi hNc Harvard. Câu chuy;n có lI không chính xác, nh�ng nó có tác dFng. Nh,ng �n v� ng?u hBng khác dùng cho �Sc tính bao g.m “C7t Nelson” (cho chi5u cao), “H-i c-ng Sydney” (cho thW tích) và “sân bóng á” c3a riêng Physics World, W mô t- di;n tích c3a mNi thB tU nhà máy i;n mMt trì cho 2n các tr�n �a kính thiên v\n, mà h.i n\m ngoái ã b� chD trích nMng n5 bvi m7t sQ 7c gi- nh�t �nh.

KKKK2222t lut lut lut lu��nnnn

Bi2t r<ng SI ��c xây d0ng W phFc vF nhu cPu c3a c7ng .ng khoa hNc (và, càng nhi5u càng tQt, c3a cu7c sQng th�`ng nh�t), v�y tZi sao có quá nhi5u �n v� ngoài SI v?n ti2p tFc ��c sY dFng? Nói chung, SI ��c qu-n lí, duy trì th�n trNng và c-i ti2n liên tFc, khi2n nó có chút kì cFc nên m7t sQ �n v� ngoài SI d�`ng nh� 3 tích c0c W chQng lZi SI. Nguyên do, nh� v trên ã nói, là các �n v� ó phFc vF cho các nhu cPu c3a con ng�ì, và nhu cPu c3a cu7c sQng hàng ngày là a dZng và liên tFc thay pi.

Ngay c- nh,ng �n v� nhZo báng và ngS ng�n c{ng có m7t vai trò nào ó, vì chúng mang ánh sáng 2n cho Mc iWm thông th�`ng c3a các �n v� mà không bu7c chúng ta ph-i có c-m giác b� sFp p hay chuyWn ti2p. T�t c- nh,ng i5u này d�`ng nh� xác nh�n mQi hoài nghi c3a Gary Harper r<ng, sau khi ã chBng ki2n hàng th�p kD thay pi các �n v� SI và ngoài SI, khuynh h�Sng con ng�ì mZnh mI nh�t không liên quan 2n s0 t.n vong, s-n sinh hay b-o v; th2 h; trw, mà là “khát khao muQn c-i ti2n h; o l�`ng hi;n nay”. Không nghi ng` gì n,a, các 7c gi- Physics World sI ti2p tFc muQn th0c hi;n nh,ng thay pi c3a riêng mình.

Robert P CreaseRobert P CreaseRobert P CreaseRobert P Crease — Tr�vng Khoa Tri2t hNc, �Zi hNc Stony Brook; nhà sY hNc tZi Phòng thí nghi;m quQc gia Brookhaven, MT.

TrPn Nghiêm d�ch

Xem thêm nh,ng chuyên 5 khác tZi 360.thuvienvatly.com


Khoa h�c trong th3 gi$i HZi giáo

Jim Al-Khalili (Physics Wolrd, tháng 4/2010)

Trong hàng trPm nPm tr�i, trong khi châu Âu -ang -7m chìm trong Th�i kì TPm t>i, thì -+ ch+ H[i giáo th�i Trung c\ -ang 9 ti]n tuy+n câ khoa hIc — ng3`c han vbi hiKn trDng câ nhi]u qu>c gia H[i giáo ngày nay. Jim Al-Khalili nêu v6n -] cái gì -ang làm tr9 ngDi s= ti+n b:, và khEo sát m:t s> d= án có th1 báo tr3bc m:t t34ng lai sáng sâ h4n.

Giáo dsc và t� do t3 t3\ng là nhTng ybu t� quan tr1ng �5 các qu�c gia HQi giáo tr\ thành nhTng ng3Xi �i �u trong khoa h1c. knh: Photolibrary

Có hyn m*t t- ng3Xi HQi giáo trên thb gi4i hi2n nay — chibm hyn m*t phn n"m t�ng dân s� thb gi4i — sinh s�ng \ hyn 57 qu�c gia và khu v�c tr�c thu*c T� chfc H*i nghj HQi giáo (OIC), trong �ó �7o HQi là tôn giáo chính. Trong s� này có m*t s� qu�c gia giàu có nhCt thb gi4i, nh3 Saudi Arabia và Kuwait, và nhTng n34c nghèo nhCt, nh3 Somalia và Sudan. Nrn kinh tb c�a m*t s� qu�c gia này — nh3 Liên bang Vùng vjnh, Iran, Th� Nh� Kì,


Ap C�p, Morocco, Malaysia và Pakistan — �ang phát tri5n �ru �An trong m*t s� n"m qua, tuy nhiên, so v4i ph3yng Tây thì thb gi4i HQi giáo vOn là cái gì �ó xa l7 v4i khoa h1c hi2n �7i.

Các nhà lãnh �7o c�a nhiru qu�c gia trong s� này hi5u rCt rõ rwng s� t"ng tr3\ng kinh tb c�a h1, sfc m7nh quân s� và an ninh qu�c gia �ru phs thu*c nhiru vào nhTng tibn b* công ngh2. Vì thb, nhTng lXi hoa m� mà dân chúng th3Xng �3Dc nghe là h1 yêu cu m*t nL l�c chung trong nghiên cfu khoa h1c và phát tri5n �5 �u�i kjp phn còn l7i c�a nhTng xã h*i xây d�ng trên nrn tri thfc c�a thb gi4i. Th�t v�y, s� tài trD c�a chính ph� cho khoa h1c và giáo dsc �ã t"ng lên v3Dt b�c trong nhTng n"m qua \ nhiru qu�c gia này, và m*t s� n34c �ang trong giai �o7n t�ng thqm tra và hi2n �7i hóa nhTng cy s\ h7 tng khoa h1c c�a qu�c gia mình. V�y thì th�t ra tôi mu�n nói t4i �iru gì khi \ trên tôi vGa phát bi5u rwng �a s� qu�c gia trong s� này vOn còn thX y v4i khoa h1c?

Hi1n tr=ng nghiên cû hi1n nay

Theo s� li2u tG T� chfc Giáo dsc, Khoa h1c và V"n hóa Liên Hi2p Qu�c (UNESCO) và Ngân hàng Thb gi4i, m*t nhóm gQm 20 qu�c gia OIC tiêu bi5u �ã chi 0,34% t�ng sIn phqm qu�c n*i c�a h1 cho nghiên cfu khoa h1c giai �o7n tG 1996 �bn 2003 — ch- bwng m*t phn bIy mfc chi trung bình c�a toàn cu là 2,36%. Các qu�c gia HQi giáo cJng ch3a có t4i 10 nhà khoa h1c, k� s3 và chuyên viên trên 1000 ng3Xi dân, so v4i trung bình thb gi4i là 40, và 140 ��i v4i nhTng n34c phát tri5n. Trong �ó, h1 ch- �óng góp 1% s� l3Dng bài báo khoa h1c �ã công b� c�a thb gi4i. Th�t v�y, Atlas Khoa hIc và e\i mbi thu:c Th+ gibi H[i giáo c�a H*i Hoàng gia Anh cho bibt các nhà khoa h1c \ thb gi4i Arab (gQm 17 n34c OIC) mang l7i t�ng c*ng 13 444 công b� khoa h1c vào n"m 2005 — ít hyn chGng 2000 bài so v4i 15 455 c�a ch- riêng tr3Xng �7i h1c Harvard.

Nh3ng chCt l3Dng c�a nghiên cfu khoa h1c cy bIn trong thb gi4i HQi giáo m4i là cái �áng quan tâm. M*t cách �o lCy s� n�i b�t qu�c tb c�a nhTng tác phqm khoa h1c �ã công b� c�a m*t qu�c gia là thông qua ch- s� trích dOn t3yng ��i (RCI) c�a nó: �ây là s� l3Dng nhTng bài báo �3Dc trích dOn b\i các nhà khoa h1c c�a m*t qu�c gia là m*t phn c�a tCt cI nhTng bài báo �3Dc trích dOn, chia cho t�ng s� bài báo �ã công b� c�a riêng n34c �ó so v4i t�ng s� bài báo khoa h1c c�a thb gi4i. Nh3 v�y, nbu m*t n34c t7o ra 10% s� tác phqm khoa h1c c�a thb gi4i, nh3ng ch- nh�n �3Dc 5% s� l3Dng trích dOn trong phn còn l7i c�a thb gi4i, thì ch- s� c�a nó sc là 0,5. Theo bIng s� li2u t�ng hDp do |y ban Khoa h1c Qu�c gia M� biên so7n vào n"m 2006 c�a 45 qu�c gia dOn �u nrn khoa h1c thb gi4i xbp h7ng theo ch- s� RCI c�a h1 trong ngành v�t lí, thì ch- có hai qu�c gia OIC �3Dc ghi nh�n — Th� Nh� Kì v4i 0,344 và Iran v4i 0,484 — và ch- có Iran th5 hi2n s� tibn b* �áng chú ý trong giai �o7n 1995 �bn 2003.


NhTng con s� th�ng kê khô khan này cho thCy các qu�c gia HQi giáo �ang l7c h�u xa so v4i phn còn l7i c�a thb gi4i. Nh3ng cJng có nhTng nhà khoa h1c HQi giáo th�t s� lLi l7c, chí ít là nhà v�t lí lí thuybt ng3Xi Pakistan, Abdus Salam (1926—1996), ng3Xi �ã my t4i m*t thXi kì phsc h3ng khoa h1c trong thb gi4i HQi giáo. Là m*t trong nhTng nhà khoa h1c v� �7i nhCt c�a n?a sau thb k- 20, Salam cùng nh�n giIi th3\ng Nobel v�t lí n"m 1979 v4i Sheldon Glashow và Steven Weinberg, cho s� �óng góp c�a ông trong vi2c phát tri5n lí thuybt �i2n ybu: m*t trong nhTng l� thuybt ��p nhCt và m7nh nhCt trong khoa h1c, nó mô tI hai trong b�n l�c cy bIn c�a t� nhiên (l�c �i2n tG và l�c h7t nhân ybu) có liên h2 v4i nhau nh3 thb nào.

MAc dù Salam là m*t tín �Q HQi giáo sùng �7o, nhTng ông �ã bj Pakistan rút phép thông công vào th�p niên 1970 do nhTng �fc tin tôn giáo phi chính th�ng c�a ông và dính líu t4i m*t giáo phái �7o HQi t3yng ��i bí qn tên g1i là Ahmadis. BCt chCp �iru này, ông vOn trung thành v4i t� qu�c mình và làm vi2c không m2t mhi �5 xúc tibn khoa h1c trong thb gi4i HQi giáo. Nh3ng 34c my c�a Salam ch3a bao giX tr\ thành hi2n th�c và ông �ã �5 l7i bIn cáo tr7ng �ang bj ch- trích sau �ây: “Trong tCt cI nhTng nrn v"n minh trên hành tinh này, khoa h1c là ybu nhCt trong v3yng qu�c HQi giáo. NhTng nguy cy c�a s� ybu 4t này không hr bj c3Xng �i2u quá mfc vì s� tQn vong danh d� c�a m*t xã h*i phs thu*c tr�c tibp vào nrn khoa h1c và công ngh2 c�a nó trong �iru ki2n thXi �7i ngày nay”.

Tr ng=i phát triHn

M*t tr\ ng7i là có quá nhiru ng3Xi HQi giáo xem khoa h1c hi2n �7i là ho7t �*ng trn tsc, th�m chí là vô thn, là do ph3yng Tây xây d�ng, và �ã lãng quên nhiru �óng góp tuy2t v4i do nhTng h1c giI �7o HQi mang l7i vào lúc cao �-nh c�a m*t thXi kì vàng son b`t �u vào n?a �ru thb k- thf 9 và tibp di}n trong vài thb k-. NhTng tibn b* xuCt s`c �ã �3Dc th�c hi2n trong m1i l�nh v�c tG toán h1c, thiên v"n h1c cho �bn y khoa, �bn v�t lí h1c, hóa h1c, k� thu�t và tribt h1c. eó là m*t thXi kì mOu m�c cho tinh thn thqm tra hDp lí vào lúc mà �a phn châu Âu �ang �`m mình trong ThXi kì T"m t�i.

NhTng cu*c truy tìm kibn thfc t� do suy ngh�, do tính tò mò chi ph�i này tG tG �i vào tàn lsi. Tôi sc làm sáng th rwng s� thoái trào này xIy ra mu*n hyn vài thb k- so v4i nhiru ng3Xi ph3yng Tây ngh�, vì nhTng tibn b* ban �u trong l�nh v�c y khoa, toán h1c và thiên v"n h1c tibp tsc di}n ra t�t cho �bn sang thb k- 15. Tuy nhiên, s� thoái trào dn dn là do nhiru nguyên do, ch� ybu vì s� tan v� quyrn l�c c�a �b chb HQi giáo và nhTng kz th�ng trj non ybu không còn hfng thú bIo trD cho gi4i h1c giI và vCn �r h1c thu�t. Toàn b* xu thb này xIy ra �Qng thXi v4i Phong trào Phsc h3ng \ châu Âu �ang di}n ra theo h34ng ng3Dc l7i, cái �ã kích ngòi cho cu*c cách m7ng khoa h1c thb k- 16 và 17. C*ng thêm vào nTa là nhTng tác �*ng sau �ó c�a ch� ngh�a th�c dân dOn t4i m*t lo7i bCt �n và s� lãng quên t�p th5 bên trong thb gi4i HQi giáo vr di sIn v"n hóa giàu có c�a riêng mình, và


ng3Xi ta có th5 thCy s� ybu 4t và trì tr2 �3a �bn b34c lùi phIn khoa h1c tG m*t thb gi4i HQi giáo v�n mang tính bIo th� nhiru hyn.

Tuy nhiên, �iru �áng buQn là th�c tb ngày nay nhiru tôn giáo trên thb gi4i xem các ngành khoa h1c hi2n �7i nh3 vJ trs h1c và thuybt tibn hóa là �ang làm suy ybu h2 th�ng �fc tin c�a h1. Hãy so sánh quan �i5m c�a h1 v4i quan �i5m c�a vj h1c giI Ba T3 v� �7i, al-Biruni (973—1048): “Nhà phê bình ngoan c� sc nói: ‘LDi ích c�a nhTng khoa h1c này là gì?’ Ông ta không bibt �fc tính v�n phân bi2t loài ng3Xi v4i thb gi4i �*ng v�t: �ó là tri thfc, nói chung, ch- có con ng3Xi m4i theo �u�i, và theo �u�i vì lDi ích c�a bIn thân kibn thfc, vì vi2c �7t t4i nó là nirm vui th�t s�, và nó không gi�ng nh3 thú vui thha mãn tG nhTng msc tiêu theo �u�i khác. Vì cái t�t không th5 nào sinh ra, và cái xCu không th5 nào tránh khhi, ngo7i trG b\i tri thfc. V�y thì cái lDi nào sáng giá hyn? Công dsng nào là nhiru hyn?”. May thay, có �� s� ng3Xi HQi giáo ngày nay phIn bác quan �i5m rwng khoa h1c và HQi giáo là không �*i trXi chung. Th�t ra, dOu bibt bu không khí c"ng th�ng và phân c�c giTa thb gi4i HQi giáo và ph3yng Tây hi2n nay, nh3ng ch�ng có gì bCt ngX là nhiru ng3Xi HQi giáo cIm thCy phOn n* khi bj cáo bu*c là góp sfc cho s� khubch tr3yng sfc m7nh chính trj trong khi h1 �ang tibn t4i nhTng thành t�u khoa h1c th�t s�.

CLn ch.n ch_nh l=i

eáng nói hyn nTa là l�p lu�n cho rwng ch� ngh�a bIo th� tôn giáo gây cIn tr\ cho s� tibn b* khoa h1c trong thb gi4i HQi giáo là do h2 th�ng nhà n34c quan liêu, l7c h�u mà nhiru qu�c gia OIC thGa h3\ng tG lâu tG nhTng ông ch� th�c dân c�a h1, tuy nhiên cho �bn nay vOn ch3a �3Dc thay thb. RQi s� thibu ý chí chính trj �5 cIn cách, �5 x? lí tham nhJng và �7i tu l7i h2 th�ng giáo dsc, tr3Xng vi2n và quan ni2m �ang thCt b7i. May thay, m1i thf �ang thay ��i nhanh chóng.

eiru quan tr1ng là cI nhTng ng3Xi theo �7o HQi lOn nhTng ng3Xi phi HQi giáo �ru nh`c t4i thXi �i5m khi HQi giáo và khoa h1c không còn ‘l2ch pha’ nTa, dOu cho \ trong m*t thb gi4i rCt khác bi2t. eiru này quan tr1ng không ch- cho khoa h1c m*t ln nTa �ym hoa kbt trái trong thb gi4i HQi giáo, mà còn là m*t trong nhiru l* trình h34ng �bn m*t t3yng lai trong �ó nhTng tín �Q HQi giáo sc nhìn thCy giá trj c�a nghiên cfu khoa h1c do tính hibu kì chi ph�i, gi�ng h2t nh3 h1 �ã tGng làm cách �ây 1000 n"m vr tr34c.

V�y làm thb nào �7t t4i msc tiêu này? B34c �u tiên ai cJng thCy là s� �u t3 tài chính nghiêm túc. eã nhiru ln trong ljch s? cho thCy nguQn qu� �u t3 cho khoa h1c càng l4n thì càng khuybn khích ho7t �*ng khoa h1c m7nh mc, và nhiru chính ph� HQi giáo, tG Malaysia �bn Nigeria, hi2n �ang �u t3 t�ng s� tirn t3yng ��i khá cho nhTng d� án m4i và hCp dOn trong m*t nL l�c nhwm t7o ra nhTng tr3Xng vi2n nghiên cfu tm c� thb gi4i. Ch�ng h7n, nhTng ng3Xi �fng �u m*t vài bang thu*c Liên bang Vùng vjnh �ang xây


d�ng nhTng tr3Xng �7i h1c m4i v4i nguQn lao �*ng nh�p khqu tG ph3yng Tây cI vr xây d�ng lOn quIn lí.

Nh3ng không phIi cf tung tirn ra là giIi quybt �3Dc vCn �r. eiru quan tr1ng hyn là có ý chí chính trj �5 cIi cách và �Im bIo s� t� do t3 t3\ng th�t s�. Thí ds, Nader Fergany, tác giI �u nhóm c�a Báo cáo Phát tri1n Con ng3�i Arab n"m 2002 c�a Liên hi2p qu�c, nhCn m7nh rwng cái cn thibt hyn hbt là cIi cách các tr3Xng vi2n khoa h1c, nhwm tôn tr1ng s� t� do quan �i5m và di}n �7t t3 t3\ng, �Im bIo giáo dsc chCt l3Dng cao cho tCt cI m1i ng3Xi, và cho m*t s� chuy5n tibp t"ng t�c dn lên nhTng xã h*i xây d�ng trên nrn tri thfc và k- nguyên thông tin (Nature 444 33).

Thí ds c�a nhTng d� án m4i \ Trung eông gQm m*t chi nhánh c�a tr3Xng �7i h1c Carnegie Mellon \ Qatar (Inh trái) và tr3Xng �7i h1c Khoa h1c và Công ngh2 Nhà vua Abdullah (Inh phIi). knh: Carnegie Mellon Qatar/Matin Durrani

Nh/ng dJ án tiên ti3n

Chúng ta hãy th? nhìn vào Trung eông, nyi ng3Xi ta có th5 tìm thCy m*t s� d� án m4i hCp dOn �ã nh�n �3Dc s� quan tâm công chúng r*ng rãi trong vùng. Tr34c tiên là m*t công viên khoa h1c m4i m\ c?a vào mùa xuân n"m 2009 trong khu th� ph� �ang m\ r*ng g1i là Thành ph� Giáo dsc \ ngo7i ô Doha, th� �ô c�a Qatar, nyi �At trs s\ c�a m*t s� chi nhánh c�a m*t s� tr3Xng �7i h1c hàng �u thb gi4i, trong �ó có tr3Xng Carnegie Mellon, Texas A&M và Northwestern. Công viên Khoa h1c và Công ngh2 Qatar, cJng có trs s\ c�a Thành ph� Giáo dsc, hi v1ng sc là m*t trung tâm cho các công ti công ngh2 cao tG kh`p nyi trên thb gi4i �bn, c7nh tranh v4i s� thành công c�a Thung lJng Silicon \ California.

CJng tham v1ng không kém là Tr3Xng �7i h1c Khoa h1c và Công ngh2 Nhà vua Abdullah (KAUST), trj giá 10 t- �ô la, vGa m4i hoàn thành trên bX bi5n phía tây Saudi Arabia, gn thành ph� Jeddah. Th�t khó tin n�i, trs s\ r*ng mênh mông c�a tr3Xng �7i h1c nghiên cfu qu�c tb này, có th5 c7nh tranh v4i nhTng phòng thí nghi2m tiên tibn và m*t


ngân qu� 1,5 t- �ô la cho các trang thibt bj nghiên cfu trong 5 n"m �u tiên c�a nó, l7i �3Dc xây d�ng xong trong vòng ch3a t4i ba n"m. Trong m*t �*ng thái tiên phong, nó còn là h1c vi2n giáo dsc bình ��ng tr1n v�n �u tiên \ Saudi Arabia, cho phép phs nT ngQi song hành cùng nam gi4i trong giIng �3Xng thay vì trong nhTng phòng riêng bi2t. Tr3Xng �7i h1c trên hfa sc cho các nhà nghiên cfu t� do sáng t7o và �3a ra nhTng tiêu chuqn nghiên cfu và giáo dsc qu�c tb rCt cao. Ch3yng trình nghiên cfu �3Dc ho7ch �jnh �5 hL trD cho t3yng lai h�u du mh c�a qu�c gia trong nhTng l�nh v�c then ch�t nh3 khai thác n"ng l3Dng mAt trXi và phát tri5n nhTng cây l3yng th�c có th5 tQn t7i trong �iru ki2n khí h�u khô và nóng c�a qu�c gia. Nhiru tr3Xng �7i h1c hàng �u \ châu Âu và \ M� �ang khua chiêng kèn tr�ng cùng v4i nó vì — ng3Xi ta hi v1ng — nhTng �*ng cy khoa h1c chf không phIi nhTng �*ng cy tài chính.

Thí ds cu�i cùng là m*t d� án g1i là SESAME (Ánh sáng Sychrotron cho Khoa h1c Th�c nghi2m và ng dsng \ Trung eông), sc là trung tâm nghiên cfu qu�c tb tr1ng ybu �u tiên c�a vùng, v4i s� liru l�nh hDp tác c�a các nhà khoa h1c và chính ph� trong vùng. N"m 1997, khi efc quybt �jnh cho ngGng ho7t �*ng thibt bj nghiên cfu sychrotron BESSY c�a mình, nó �ã �Qng ý tAng l7i các b* ph�n c�a nó cho d� án SESAME, d� án �3Dc phát tri5n nhanh chóng d34i s� �� u c�a UNESCO. Hi2n nay, nó �ang �3Dc xây d�ng \ Jordan, sau khi �ã trIi qua s� c7nh tranh quybt li2t tG nhTng n34c khác trong vùng. Nghiên cfu th�c hi2n t7i SESAME sc bao gQm khoa h1c v�t li2u, sinh h1c phân t?, công ngh2 nano, X quang, phân tích khIo c� và nhTng fng dsng y khoa lâm sàng. NhTng thành viên hi2n nay c�a nó, cùng v4i nhTng ông ch� c�a nó, gQm có Israel, Chính quyrn qu�c gia Palestine, Ai C�p, Th� Nh� Kì, Iran, Pakistan, Bahrain, và Cyprus, và nhóm này có khI n"ng m\ r*ng thêm vài n34c nTa tham gia hDp tác. Ch3yng trình khoa h1c m4i sc b`t �u vào n"m 2012.

B�i mTt v$i t0Wng lai

V�y có m*t t3yng lai sáng s�a hyn cho nrn khoa h1c \ thb gi4i HQi giáo hay không? TCt nhiên, các nhà nghiên cfu khoa h1c cn �bn nhTng nguQn tài chính t3yng xfng, nh3ng �5 c7nh tranh trên tr3Xng qu�c tb không ch- �òi hhi s� trang bj m4i nhCt, t�i tân nhCt. Toàn b* cy s\ h7 tng c�a môi tr3Xng nghiên cfu cn phIi �3Dc giIi quybt, tG các chuyên viên phòng lab am t3Xng cách s? dsng và bIo d3�ng trang thibt bj cho �bn vi2c áp dsng s� t� do t3 t3\ng th�t s� trong s� các nhà khoa h1c, và m*t thái �* hoài nghi lành m7nh và khuybn khích nghi vCn nhTng kbt quI th�c nghi2m. S� bibn chuy5n v"n hóa này sc không di}n ra trong ngày m*t ngày hai và �òi hhi không ch- ý chí chính trj, mà còn m*t s� hi5u bibt ý ngh�a th�t s� c�a s� t� do t3 t3\ng lOn bIn thân ph3yng pháp khoa h1c. Th�t �áng tibc, �ây th3Xng là cái �ang thibu, ngay cI \ ph3yng Tây.


M*t s� phsc h3ng v"n hóa dOn t4i m*t xã h*i trên nrn tri thfc là nhu cu cCp thibt nbu nh3 thb gi4i HQi giáo chCp nh�n và n`m lCy không ch- nhTng viên g7ch và vTa hQ c�a nhTng phòng nghiên cfu hi2n �7i cùng v4i nhTng máy gia t�c h7t tiên tibn và nhTng chibc kính hi5n vi mà chúng có th5 chfa, mà còn cI tinh thn hibu kì �ã chi ph�i nhân lo7i c� g`ng �i tìm hi5u t� nhiên, cho dù có làm kinh ng7c �áng sáng t7o thiêng liêng, hay ch- là �5 bibt vì sao và nh3 thb nào các v�t l7i nh3 chúng v�n có.

(Trái sang phIi), m*t nhà thiên v"n h1c ng3Xi HQi giáo nghiên cfu chuy5n �*ng c�a MAt trXi, s? dsng m*t quI cu cm tay và kim la bàn; �jnh lu�t Snell, có lc nên g1i là �jnh lu�t Sahl, �5 vinh danh con ng3Xi �u tiên th�t s� �ã tìm hi5u nó; và m*t dsng cs �o sao bwng �Qng thau tG khoIng 1350-1450, nó �3Dc dùng �5 �o vj trí c�a các ngôi sao. NguQn: Phòng Tr3ng bày Ngh2 thu�t/Th3 vi2n tr3Xng e7i h1c Istanbul/Gianni Dagli Orti/David Parker/Th3 vi2n knh Khoa h1c

M<t thMi kì vàng son c,a khoa h�c

ThXi kì r�c r� nhCt c�a nhTng tibn b* khoa h1c duy trì liên tsc trong nhTng n"m 1500 giTa thXi kì Hi L7p C� �7i và ThXi Phsc h3ng châu Âu xIy ra \ nhTng trung tâm h1c thu�t l4n trên kh`p �b chb HQi giáo trung c�, thí ds nh3 Baghdad, Cairo, Cordoba và Samarkand. Ch�ng h7n, \ Baghdad chúng ta tìm thCy quy5n sách rCt s4m vr �7i s� (g1i là Kitab al-Jebr, tG �ó chúng ta suy ra tG “algebra” — �7i s�). Nó không gi�ng v4i bCt ki cái gì �ã thCy tr34c �ó, và là m*t mô hình chuy5n hóa tG công trình c�a nhà lí thuybt s� ng3Xi Hi L7p Diophantus. Do nhà toán h1c thb k- thf 9 al-Khwarizmi biên so7n, nó khuCy �*ng nhiru tibn b* to l4n trong l�nh v�c toán h1c, lát �3Xng cho al-Kashi ng3Xi Ba T3 thb k- 15 \ Samerkand (ng3Xi �ã tính ra 16 chT s� th�p phân c�a π, cùng nhiru thành t�u khác), tr34c khi nhTng ng3Xi châu Âu giành l7i quyrn lãnh �7o gi4i toán h1c ln nTa. Abbasid caliph al-Ma'mun �ã sáng l�p m*t vi2n hàn lâm m4i \ Baghdad — Ngôi nhà Thông thái — và xây d�ng nhTng �ài thiên v"n \ Baghdad và Damascus. Ông �ã �� u cho nhTng d� án khoa h1c l4n mang l7i nhTng cIi tibn to l4n ��i v4i nhTng công trình thiên v"n h1c và �ja lí c�a các h1c giI ng3Xi Hi L7p nh3 Ptolemy, nhTng tác phqm mà các vj h1c giI ng3Xi HQi giáo, Cy ��c giáo, và Do Thái \ vi2n hàn lâm Baghdad �ã djch sang tibng Arab.


NhTng tibn b* trong y khoa và giIi phOu h1c sc dOn �bn các sách giáo khoa Arab do các h1c giI nh3 al-Razi (Razes) và Ibn Sina (Avicenna) vibt, thay thb cho nhTng tác phqm Hi L7p c�a Galen và Hippocrates trong các th3 vi2n châu Âu thXi trung c�. Công trình tribt h1c c�a Ibn Sina và Ibn Rushd (Averroës) Inh h3\ng �bn nhTng h1c giI châu Âu sau này nh3 Roger Bacon và St Thomas Aquinas. Bác s� al-Zahrawi (Abulcasis) ng3Xi Cordoban �ã phát minh ra hyn 200 thibt bj phOu thu�t — nhiru trong s� �ó vOn �3Dc s? dsng ngày nay, thí ds nh3 forcep (kìm nha s�) và bym tiêm phOu thu�t. KhoIng thXi gian này, chúng ta còn chfng kibn s� ra �Xi c�a ngành hóa h1c công nghi2p, v4i nhTng ph3yng pháp khoa h1c phfc t7p �áng chú ý �3Dc s? dsng trong th�c ti}n bGa bãi c�a ngành giI kim thu�t, và nhTng tibn b* trong nhTng l�nh v�c nh3 quang h1c, v4i Ibn al-Haytham (Alhazen) cùng nhTng thành t�u ch- t4i thXi Newton châu Âu m4i �u�i kjp. Trong m*t thXi kì kéo dài hyn n?a thiên niên k-, ngôn ngT khoa h1c qu�c tb là tibng Arab.

Jim Al-Khalili, nhà v�t lí h7t nhân lí thuybt t7i tr3Xng �7i h1c Surrey, Anh. Ông còn là phát thanh viên và là tác giI quy5n Ngôi nhà Thông thái, sc �3Dc nhà xuCt bIn Penguin phát hành trong tháng 9 t4i.

Trn Nghiêm djch (theo Physics World, tháng 4/2010)


Kỉ niệm 50 năm laser: Từ súng bắn tia đến đĩa Blu-ray

Những phản ứng đầu tiên của công chúng trước các laser thay đổi từ “Tia chết chóc!” cho đến “Ý tưởng hay, nhưng nó có lợi gì?”. Trong bài, Sidney Perkowitz nhận xét làm thế nào laser đã quyện chặt lấy đời sống hàng ngày của chúng ta, từ những ứng dụng thường nhật cho đến văn hóa công chúng.

James Bond bị bắt giữ bởi Goldfinger và laser đỏ khoa học viễn tưởng của ông có thể cắt xuyên qua vàng. (Ảnh: Danjaq/EON/UA/The Kobal Collection)

Có một cảnh đặc biệt trong câu chuyện viễn tưởng năm 1989 của H G Wells, Chiến tranh giữa các thế giới, mà nếu tôi nhớ đến nó, thì có lẽ nó đã giúp tôi tránh được một thời khắc tồi tệ trong phòng thí nghiệm laser của mình hồi năm 1980. Trong câu chuyện ấy – xuất bản từ lâu trước


khi laser xuất hiện vào năm 1960 – những người sao Hỏa tiến hành phá hủy trái đất với một loại tia mà nhân vật chính gọi đó là “lưỡi gươm nhiệt vô hình, không thể tránh được”, chiếu ra như thể “một ngón tay cực nóng kéo giật... giữa tôi và những người sao Hỏa”. Trừ tên gọi ra, tất cả những gì Wells đang mô tả là một loại laser hồng ngoại phát ra một chùm tia thẳng vô hình – cùng loại laser mà thập niên sau đó trong phòng lab của tôi, đã đốt cháy một cái áo sơ mi tôi thích và bắt đầu tấn công lên cánh tay của tôi.

Tiên đoán táo bạo của Wells về một thứ vũ khí hủy diệt dạng tia đã truyền cảm hứng sang những người khác trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng. Từ những năm 1920 đến 1930, Buck Rogers và Flash Gordon đã sử dụng súng bắn tia dễ gây chú ý nghệ thuật trong những chuyến phiêu lưu vũ trụ của họ như thể hiện trong truyện tranh và trong phim ảnh. Năm 1951, con rô bôt quyền năng Gort đã chiếu ra một tia hạ răm rắp những loại vũ khí đe dọa khác trong bộ phim Ngày Trái đất Vẫn Tồn tại. Những màn trình diễn như vậy đã đưa những dụng cụ kiểu laser vào trong trí não của công chúng ngay trước khi chúng được phát minh ra. Nhưng vào lúc Đế chế xấu xa trong bộ phim Chiến tranh giữa các vì sao Phần IV: Niềm hi vọng mới (1977) sử dụng laser Ngôi sao Chết của nó để phá hủy toàn bộ một hành tinh, thì các laser đã là cái của thực tế, chứ không chỉ trong truyện viễn tưởng nữa. Các laser đang làm thay đổi cách chúng ta sinh sống, thỉnh thoảng theo những kiểu kịch tính đến mức người ta có thể hỏi đâu là sự thật và đâu và viễn tưởng chứ?

Giống như truyện khoa học viễn tưởng, cơ sở vật lí thực của các laser có lịch sử dài ngày của riêng nó. Một điểm xuất phát căn bản là năm 1917, khi Eistein, sau những thành công xuất chúng của ông với thuyết tương đối và thuyết lượng tử ánh sáng, đã nêu ý tưởng sự phát xạ cảm ứng, trong đó một photon cảm ứng một nguyên tử kích thích phát ra một photon giống hệt. Gần bốn thập kỉ sau đó, trong những năm 1950, nhà vật lí người Mĩ Charles Townes đã sử dụng hiện tượng này để tạo ra những vi sóng cường độ mạnh từ một môi trường phân tử giữ trong một cái hộp. Ông đã tóm tắt quá trình cơ bản trên – sự khuếch đại vi sóng bằng sự phát bức xạ cảm ứng – trong tên gọi “maser”.

Sau khi Townes và người đồng nghiệp của ông, Arthur Schawlow, đề xuất một khuôn khổ tương tự cho ánh sáng khả kiến, thì Theodore Maiman, thuộc Phòng Nghiên cứu Hughes ở California, đã làm cho nó hoạt động. Năm 1960, ông đã khuếch đại ánh sáng đỏ bên trong một thỏi ruby rắn để tạo ra laser đầu tiên. Tên gọi laser được đặt ra bởi Gordon Gould, một nghiên cứu sinh tại trường đại học Columbia, ông đã dùng từ “maser” và thay thế “vi sóng” với “ánh sáng”, và sau này nhận bằng phát minh cho những đóng góp của riêng ông cho ngành khoa học laser.

Sau minh chứng của Maiman cho laser đầu tiên, đã có nhiều sự hứng thú và hăng hái trong lĩnh vực trên, và laser ruby sớm được tiếp nối bởi laser helium neon hay laser HeNe, phát minh tại Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1960. Có khả năng hoạt động như những đơn vị nhỏ, công suất thấp, nó phát ra ánh sáng đều đặn, màu đỏ sáng, ở bước sóng 633 nm. Tuy nhiên, một loại laser còn dễ thao tác hơn nữa được khám phá ra hai năm sau đó khi một nhóm nghiên cứu tại công ti điện General Electric nhìn thấy hoạt động laser từ một diode điện chế tạo từ chất bán dẫn gallium arsenide. Diode laser đầu tiên đó đã làm sinh sôi nảy nở cả một họ hàng đa năng, đa dụng của những dụng cụ nhỏ bao quát một ngưỡng rộng bước sóng và công suất. Diode laser nhanh chóng trở thành loại laser thịnh hành nhất, và vẫn dùng nhiều cho đến ngày nay – theo một khảo sát thị trường mới đây, 733 triệu diode laser được bán ra vào năm 2004.


Cuộc sống tốt hơn nhờ laser

Khi những loại laser đa dạng có mặt trên thị trường, và những ứng dụng khác nhau dành cho chúng được phát triển, thì những dụng cụ này đã đi vào đời sống của chúng ta đến mức đặc biệt khác thường. Trong khi Maiman đã bị mất tinh thần rằng phát minh của ông lập tức bị gọi là “tia chết chóc” trong một tít báo gây giật gân, thì các laser đủ mạnh được sử dụng làm vũ khí sẽ không có mặt trong 20 năm sau đó. Thật vậy, những phiên bản thịnh hành nhất là những đơn vị nhỏ gọn thường sản sinh ra chỉ hàng miliwatt.

Một thập kỉ rưỡi sau khi phát minh ra chúng, laser HeNe, và sau đó là diode laser, trở thành cơ sở cho máy quét mã vạch – mẫu ghi điện toán hóa của vân trắng đen nhận dạng một sản phẩm theo mã sản phẩm toàn cầu (UPC) của nó. Ý tưởng tự động hóa những dữ liệu như thế dùng trong buôn bán và kiểm kê đã phát sinh từ những năm 1930, nhưng mãi cho đến năm 1974 thì máy quét laser dịch vụ đầu tiên của một khoản ghi với một kí hiệu UPC – một gói kẹo cao su Wrigley – mới xuất hiện tại quầy tính tiền siêu thị ở Ohio. Ngày nay được sử dụng rộng khắp trong hàng tá ngành công nghiệp, các mã vạch được quét hàng tỉ lần mỗi ngày và được khẳng định đã tiết kiệm hàng tỉ đô la mỗi năm cho các khách hàng, nhà bán lẻ, cũng như nhà sản xuất.

Trái: quét mã vạch. (Ảnh: Photolibrary). Phải: truyền thông tin qua sợi quang. (Ảnh: TEK Image/Science Photo Library)

Các laser cũng sẽ thống trị phương thức chúng ta truyền thông. Ngày nay, chúng nối kết nhiều triệu máy tính trên khắp thế giới bẳng cách gửi những xung sáng bit nhị phân vào trong mạng lưới sợi quang thủy tinh tinh khiết ở tốc độ hàng terabyte mỗi giây. Các công ti điện thoại bắt đầu lắp đặt hạ tầng sợi quang vào cuối những năm 1970 và tuyến cáp quang xuyên đại dương đầu tiên bắt đầu hoạt động giữa Mĩ và châu Âu vào năm 1988, với hàng chục nghìn kilomet cáp quang dưới biển hiện hữu trên thế giới hiện nay. Mạng lưới toàn cầu này được kích hoạt bởi các diode laser, chúng phân phối ánh sáng vào trong những sợi quang có đường kính lõi vài micromet ở những bước sóng chỉ tắt đi trên những cự li xa. Trong vai trò này, laser đã trở thành không thể thiếu trong thế giới đa liên kết của chúng ta.

Khi các laser ngày một trở nên quan trọng, thì các phiên bản viễn tưởng của chúng vẫn tiếp tục chung sống hòa bình – và thậm chí còn củng cố thêm – với thực tại. Chỉ 4 năm sau khi laser


được phát minh ra, bộ phim Goldfinger (1964) đã mô tả một cảnh đáng nhớ trong đó một người đàn ông bị trói quằn quại: Sean Connery thủ vai James Bond bị bó chặt vào một cái bàn bằng vàng rắn trên đó một chùm laser di chuyển, làm bay hơi vàng trong đường đi của nó và lừ lừ hướng đến đũng quần của Bond – như thể bình thường, Bond vẫn hiện ra bình an vô sự.

Laser đó chiếu ánh sáng màu đỏ để tăng thêm sự xúc cảm thị giác, nhưng khả năng cắt xuyên kim loại của nó báo hiệu trước cho chùm hồng ngoại vô hình của laser carbon-dioxide (CO2) đầy sức mạnh sau này – loại đã từng thiêu rụi cái áo sơ mi của tôi. Được phát minh ra vào năm 1964, laser CO2 phát ra hàng trăm watt hoạt động liên tục được đưa vào làm công cụ cắt công nghiệp vào những năm 1970. Ngày nay, những phiên bản kilowatt đã có để dùng, thí dụ như “hàn từ xa” trong ngành công nghiệp ô tô, trong đó một chùm laser được điều khiển bằng cơ chế quang học có thể nhanh chóng hoàn thành nhiều mối hàn kim loại cùng một lúc. Các laser công suất cao thích hợp cho những nhiệm vụ công nghiệp đa dạng khác, và thậm chí dùng cho việc mở đai ốc.

Phương tiện kĩ thuật số

Ngoài những công dụng hữu ích và thực tiễn của laser, chúng còn làm được những gì để phục vụ chúng ta nữa? Trước hết, các laser có thể điều khiển chính xác các sóng ánh sáng, cho phép sóng âm được ghi lại dưới dạng những vết nhỏ xíu trong định dạng kĩ thuật số và âm thanh được chơi trở lại với độ trung thực cao. Vào cuối những năm 1970, hãng Sony và Philips đã bắt đầu phát triển âm nhạc kĩ thuật số mã hóa trên những “đĩa compact” (CD) sáng bóng bằng plastic có đường kính 12 cm. Các bit số được biểu diễn bằng những cái lỗ kích cỡ micromet khắc vào plastic và được quét khi phát lại bằng một diode laser trong một máy hát CD. Trong hồi tưởng, công nghệ mới này xứng đáng được tôn vinh với kèn trống nhạc họa của riêng nó, nhưng đĩa CD đầu tiên được công bố, vào năm 1982, là album thương mại Đường số 52 của nghệ sĩ rock Billy Joel.

Vào giữa thập niên 1990, dung lượng 74 phút nhạc của các đĩa CD đã được mở rộng đáng kể qua các đĩa số đa năng hay đĩa video kĩ thuật số (DVD) có thể chứa toàn bộ một bộ phim dài và chất lượng cao. Năm 2009, các đĩa Blu-ray (BD) xuất hiện là một chuẩn mới có thể lưu trữ 50 gigabyte, đủ để chứa một bộ phim với độ phân giải cao ngoại hạng. Sự khác biệt giữa những định dạng này là bước sóng laser dùng để ghi và đọc chúng – 780 nm cho CD, 650 nm cho DVD và 405 nm cho BD. Bước sóng càng ngắn cho các đốm laser giới hạn nhiễu xạ càng nhỏ, cho phép nhiều dữ liệu hơn gói ghém vào một không gian cho trước.

Mặc dù cơn lốc download đã dẫn tới sự suy tàn của thị trường CD – 27% lợi tức âm nhạc hồi năm ngoái là từ download kĩ thuật số - nhưng các laser vẫn cần thiết cho ngành giải trí của chúng ta. Chúng mang âm nhạc, phim ảnh và mọi thứ tuôn tràn hoặc có thể tải xuống qua Internet và các kênh viễn thông, lưu chúng vào trong máy vi tính, điện thoại thông minh và những dụng cụ kĩ thuật số khác của chúng ta.

Những tia chết chóc...

Trong số những bộ phim mà bạn có thể chọn để tải về trên Internet là một số phim trong đó laser đóng vai trò là dụng cụ hủy diệt, kích thích ý nghĩ tiêu cực. Trong bộ phim Thiên tài Đích thực (1985), một nhà khoa học kết nạp hai chàng sinh viên trẻ xuất sắc để phát triển một thứ vũ khí ám sát bằng laser đặt trên máy bay dùng cho quân sự và CIA. Hai chàng sinh viên đã trả thù bằng cách


phá hủy laser trên để đốt nóng một bể bỏng ngô khổng lồ, tạo ra một đợt sóng thần hạch nhân nổ lốp bốp thiêu trụi ngôi nhà của nhà khoa học ấy. Bộ phim RoboCop (1987) thể hiện một tin tức báo cáo rằng một laser do Mĩ chế tạo đang ở trên quỹ đạo xung quanh Trái đất đã quét mất phần phía nam California. Đây là một phản ứng châm biếm đối với ý tưởng sử dụng vũ khí laser trong không gian, một giấc mơ mà tổng thống Mĩ khi đó, Ronald Reagan, theo đuổi cuồng nhiệt.

Quân đội Mĩ đã nghĩ tới các vũ khí laser trước khi có các laser CO2 công nghiệp công suất cao có thể làm tan chảy kim loại. Khi Chiến tranh Lạnh làm tăng thêm những lo ngại về sự mâu thuẫn toàn cục với Liên Xô, thì tiềm năng của một thứ vũ khí công nghệ cao mới đã thôi thúc Lầu Năm góc tài trợ cho nghiên cứu laser ngay trước khi có kết quả của Maiman. Nhưng khó mà tạo ra công suất chùm tia đủ mạnh với một dụng cụ có kích cỡ hợp lí – những laser CO2 sơ khai với công suất phát hàng kilowatt to quá cỡ để dùng trên chiến trường. Cuối cùng, năm 1980, Laser Hóa học Tiên tiến Hồng ngoại Trung đã đạt tới công suất xung hàng megawatt, nhưng vẫn là một thiết bị đồ sộ. Tệ hơn nữa, sự hấp thụ và những hiệu ứng khí quyển khác làm cho chùm tia của nó mất hiệu quả lúc nó đi tới mục tiêu.

Tuy nhiên, người ta bắt đầu quan tâm đến các laser chiếu lên không gian để phá hủy các tên lửa đạn đạo liên lục địa có đầu đạn hạt nhân (ICBM) trước khi chúng đi trở vào khí quyển. Sự phát triển các laser có sức mạnh thích hợp thí dụ như các laser phát ra tia X trở thành bộ phận của Sáng kiến Phòng thủ Chiến lược chống ICBM (SDI) tiêu tốn nhiều tỉ đô la do Reagan đề xuất vào năm 1983. Được công chúng, cũng như các nhà khoa học và chính phủ, biết tới là “Chiến tranh giữa các vì sao” thời hậu phim ảnh, kế hoạch trên phảng phất hương vị khoa học viễn tưởng không thể chối cãi. Nhưng sự vũ trang hóa không gian của nước Mĩ chưa bao giờ được hiện thực hóa – vào những năm 1990, những khó khăn kĩ thuật và sự sụp đổ của Liên Xô đã chuyển hướng các phát triển vũ khí laser sang hướng khác. Giờ thì chủ yếu người ta tập trung vào những thứ vũ khí nhỏ hơn như các laser gắn trên máy bay có tầm hoạt động hàng trăm kilomet.

... và những tia sự sống

Trong khi tính luân lí liên quan đến các loại vũ khí có thể là vấn đề gây tranh cãi, thì các laser đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác tốt một cách không thể phủ nhận, thí dụ như trong y khoa. Công dụng y khoa đầu tiên của laser là vào năm 1961, khi các bác sĩ tại Trung tâm Y khoa Đại học Columbia ở New York phá hủy một khối u trên võng mạc của một bệnh nhân với một laser ruby. Vì một chùm laser có thể đi vào mắt mà không gây thương tổn, nên chuyên khoa mắt đã được hưởng lợi ích đặc biệt từ các phương pháp laser, nhưng tính đa dạng của chúng còn mang đến sự chẩn đoán và điều trị bằng laser trong những lĩnh vực y khoa khác.

Sử dụng laser CO2 và những loại laser khác với bước sóng, mức độ công suất và tốc độ xung biến thiên, các bác sĩ có thể làm bốc hơi chính xác khối u bướu, và còn có thể cắt khối u đồng thời đốt nó để làm giảm sự thương tổn do phẫu thuật. Một thí dụ của công dụng y khoa là phẫu thuật LASIK trong đó một chùm tia laser định hình lại giác mạc để khắc phục tật khúc xạ của mắt. Năm 2007, chừng 17 triệu người trên khắp thế giới đã trải qua thủ tục y khoa trên.


Trái: Đĩa Blu-ray (Ảnh: GIPhotoStock/Science Photo Library). Phải: Phẫu thuật mắt bằng laser (Ảnh: NIH/Custom Medical Stock Photo/Science Photo Library)

Trong khoa da liễu, các laser thường được sử dụng để điều trị các khối u da lành tính và ác tính, và còn giúp cải thiện sắc đẹp như loại bỏ vết bớt hoặc những hình xăm không mong muốn. Những công dụng y khoa khác đa dạng như điều trị các khối u não khó tiếp cận với ánh sáng laser dẫn hướng bằng sợi quang, đả thông các tuyến ống bị tắt nghẽn hoặc bị hỏng và xử lí các đĩa thoát vị để xoa dịu chứng đau bụng dưới, một thủ tục được thực hiện trên 500.000 bệnh nhân mỗi năm ở Mĩ.

Nhưng còn một mục tiêu cao cả nữa của việc sử dụng laser là trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Một thí dụ nổi tiếng là Thiết bị Đánh lửa Quốc gia (NIF) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California, Mĩ. 192 chùm laser tử ngoại của NIF, chứa trong một tòa nhà 10 tầng, cỡ bằng một sân vận động, được thiết kế để phân phối một xung laser ngắn cường độ hàng trăm terawatt vào một viên nhiên liệu deutrium kích cỡ milimet. Người ta hi vọng thiết bị này tạo ra được những điều kiện giống như những điều kiện bên trong một ngôi sao hay một vụ nổ hạt nhân, cho phép nghiên cứu các quá trình thiên văn học lẫn các loại vũ khí hạt nhân.

Một mục tiêu được công chúng biết tới rộng rãi hơn là kích thích hạt nhân hydrogen để tổng hợp thành helium, như cái xảy ra bên trong Mặt trời, để tạo ra năng lượng khổng lồ. Sau chừng 60 năm nỗ lực sử dụng các cách tiếp cận khác nhau, các nhà khoa học vẫn chưa làm chủ được sức mạnh nhiệt hạch để xây dựng các nhà máy điện công suất lớn hơn. Nếu sự nhiệt hạch bằng laser mang đến thành công nguồn năng lượng không độc hại và vô tận này, thì chi phí vượt mức 3,5 tỉ đô la đầu tư cho NIF là chẳng thấm vào đâu. Mặc dù một số người chỉ trích xem sự nhiệt hạch laser là cuộc đua dài ngày trong vô vọng, nhưng nghiên cứu gần đây tại NIF đã hiện thực hóa một số bước ban đầu của nó, làm tăng thêm lợi thế cho sự nhiệt hạch thành công.

Nền văn hóa công chúng còn hi vọng về vai trò của laser là nguồn năng lượng “xanh”. Mặc dù bộ phim Phản ứng Dây chuyền (1996) chỉ trích khoa học một cách tồi tệ, nhưng nó thật sự thể hiện một laser giải phóng những lượng khổng lồ năng lượng sạch từ hydrogen ở trong nước. Trong bộ phim Người nhện 2 (2004), nhà vật lí tiến sĩ Octavius sử dụng laser để kích hoạt sự nhiệt hạch hydrogen được cho là sẽ giúp ích cho nhân loại; thật không may, đây không phải sự quảng bá cho những lợi ích của năng lượng nhiệt hạch, mà phản ứng ấy đã không kiểm soát được và phá hủy phòng thí nghiệm của ông.


Laser trong nền văn hóa phát triển cao và chưa cao lắm

Nằm giữa những laser cực mạnh có khả năng kích thích sự nhiệt hạch và những đơn vị công suất thấp tại các máy tính tiền là những laser với công suất trung bình có thể cung cấp những ứng dụng dễ thấy trong nghệ thuật và giải trí, như các nghệ sĩ đã nhanh chóng hiện thực hóa. Một cuộc triển lãm nghệ thuật laser đã được tổ chức tại Bảo tàng Nghệ thuật Cincinati hồi năm 1969, và năm 1971 một tác phẩm điêu khắc thực hiện từ các chùm laser đã là bộ phận của phòng trưng bày “Nghệ thuật và Công nghệ” tại Bảo tàng Nghệ thuật Hạt Los Angeles. Năm 1970, nghệ sĩ danh tiếng người Mĩ Bruce Nauman đã trình diễn "Making Faces", một loạt chân dung tự họa laser toàn kí, tại Bảo tàng Nghệ thuật Finch College ở thành phố New York.

Các nghệ sĩ khác cũng nối tiếp sau đó, nhưng các laser rõ ràng có những hướng phát triển rộng lớn hơn nữa. Bắt đầu vào cuối những năm 1960, các hệ quét chùm tia đã được phát minh ra, cho phép các chùm laser sôi nổi nhảy theo điệu nhạc và để lại những hình ảnh nổi bật trong không gian. Điều này đã dẫn tới những sô diễn thí dụ như tại Hội chợ quốc tế Expo ’70 ở Osaka, Nhật Bản, và những trình diễn trong các cung thiên văn. Một loại âm nhạc “không gian” được yêu thích, giống như trong Chiến tranh giữa các vì sao, đi cùng với các hiệu ứng laser.

Nghệ sĩ Hiro Yamagata đã liên hệ khoa học với nghệ thuật trong màn trình diễn “Photon 999” của ông, trong đó nhiều hệ laser nhận chìm các khán giả trong một số diễn ánh sáng linh động. (Ảnh: Hiro Yamagata)


Những buổi trình diễn nhạc rock của Pink Floyd và các nhóm khác còn nổi tiếng vì những sô diễn laser của họ, mặc dù những sô này ngày nay bị kiềm chế gắt gao vì các vấn đề an toàn. Nhưng những tác phẩm ngoạn mục của nghệ thuật laser vẫn tiếp tục ra đời, thí dụ như màn trình diễn ngoài trời “Photon 999” (2001) và "Quantum Field X3" (2004) tại Bảo tàng Gug_gen_heim ở Bilbao, Tây Ban Nha, của nghệ sĩ gốc Nhật Hiro Yamagata, và chương trình hợp tác Đề án Đường phố Hi vọng, trình diễn năm 2008. Màn trình diễn này nối kết hai thánh đường lớn ở Liverpool, Anh quốc, lại với nhau bằng những chùm laser cường độ mạnh – một chùm màu xanh lục trông thấy rõ và một vài chùm không nhìn thấy – mang tiếng nói và tiếng nhạc phát ra xung quanh nghe thấy tại cả hai địa điểm.

Đã 50 năm trôi qua, những màn trình diễn laser ngoạn mục tuy vậy vẫn còn gợi lên sự sợ hãi, và các laser vẫn mang một sắc thái nhuốm màu khoa học viễn tưởng, như chứng minh bởi các nhà đam mê chế tạo súng bắn tia giả từ các diode laser xanh lam. Thật không may, không khí thần bí ấy còn thu hút các sản phẩm như cái gọi là laser hàn lạnh lượng tử, tên gọi của nó sử dụng thuật ngữ khoa học để gây ấn tượng với khách hàng. Nhà sản xuất của nó, Scalar Wave Lasers, khăng khăng cho rằng 16 diode laser đỏ và hồng ngoại của mình mang lại những lợi ích sức khỏe thật sự và sự trẻ hóa. Thậm chí, từ “laser” còn thích hợp để nhấn mạnh tốc độ hay sức mạnh, thí dụ như loại thuyền buồm nhỏ nổi tiếng hiệu Laser và các xe hơi thể thao Chrysler và Plymouth Laser được bán từ giữa thập niên 1980 đến đầu thập niên 1990.

Các tính chất đặc trưng của laser còn được cất trữ trong ngôn ngữ. Từ khóa tìm kiếm của kho cơ sở dữ liệu nghiên cứu đồ sộ Lexis Nexis Academic (chứa đựng hàng nghìn bài báo, dịch vụ điện tín, bản thảo phát thanh và các nguồn tài nguyên khác) trong hai năm gần đây có tới gần 400 tham khảo đến các cụm từ như “tập trung kiểu laser”, “chính xác kiểu laser”, “rõ ràng kiểu laser” và, trong một mô tả của thủ tướng Nga Vladimir Putin thể hiện sự bực dọc của ông với một thương nhân đặc biệt, “cái nhìn kiểu laser”.

Các laser có sức ảnh hưởng to lớn cả trong đời sống thường nhật và trong khoa học. Với các maser, chúng là bộ phận của nghiên cứu, kể cả nghiên cứu ngoài khoa học laser, góp phần cho hơn 10 giải thưởng Nobel, bắt đầu với giải thưởng vật lí năm 1964 trao cho Charles Townes cùng Alexsandr Prokhorov và Nicolay Basov cho công trình cơ bản của họ về laser. Những nghiên cứu đạt giải Nobel khác bao gồm phát minh ra ảnh toàn kí và việc tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên, thực hiện bằng laser làm lạnh một đám mây nguyên tử xuống những nhiệt độ cực thấp. Đồng thời, trong hàng tá ứng dụng từ quang phổ kế Raman cho đến quang học thích nghi dùng cho các kính thiên văn, các laser liên tục đóng góp cho các phương pháp nghiên cứu khoa học. Chúng còn thiết yếu cho nghiên cứu trong những lĩnh vực mới xuất hiện như sự rối lượng tử và làm chậm ánh sáng.

Thật đáng tôn vinh trí tưởng tượng khoa học của các nhà tiên phong laser, cũng như sức hư cấu văn chương của các nhà văn như H G Wells, nhờ đó mà một ý tưởng khoa học viễn tưởng cũ kĩ đã đi trọn vẹn vào trong đời sống. Nhưng ngay cả những nhà văn có sức tưởng tượng phong phú nhất cũng không thể nhìn thấy trước phát minh của Maiman sẽ làm thay đổi thị trường âm nhạc, sáng tạo ra những tác phẩm nghệ thuật độc đáo và hoạt động trong các siêu thị trên khắp toàn cầu. Nhìn ở góc độ tác động văn hóa của laser, chí ít thì sự thật đã thật sự vượt ra ngoài tầm viễn tưởng.


Tác giả Sidney Perkowitz là giáo sư vật lí tại trường Đại học Emory, Hoa Kì. Ông còn là một cây bút khoa học, với quyển sách mới nhất của ông – Khoa học Hollywood: Phim ảnh, Khoa học và Tận cùng Thế giới – vừa được nhà xuất bản Đại học Columbia cho tái bản.

Theo Physics World, tháng 5/2010


Tương lai của khoa học hậu laser Từ những hình ảnh thiên văn sắc nét và tìm kiếm các sóng hấp dẫn cho đến việc tạo ra các

ngưng tụ Bose–Einstein và đo các tính chất của ADN, laser đã có sự tác động hết sức to lớn trên nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học. Ở đây, sáu vị chuyên gia hồi tưởng lại câu chuyện laser đã mang đến sự tiến bộ như thế nào cho những lĩnh vực yêu thích của họ - và tranh luận xem rồi đây laser đã mang những lĩnh vực này đi tới đâu nữa.

Ảnh: Hank Morgan/Science Photo Library

Thiên văn học

Claire Max

Claire Max là nhà thiên văn học và là giám đốc Trung tâm Quang học Thích nghi tại trường Đại học California, Santa Cruz, Mĩ.

Chúng ta ai cũng biết rằng các nhiễu loạn trong khí quyển làm cho các ngôi sao nhấp nháy, nhưng nó còn làm mờ đi nghiêm trọng đối với các ảnh chụp thiên văn. Newton đã nhận ra điều này tận hồi năm 1730, khi ông viết trong quyển Opticks rằng “Không khí mà qua đó chúng ta nhìn lên các Ngôi sao, luôn luôn bị Rung động... Phương thức chữa duy nhất là Không khí trong trẻo nhất và


tĩnh lặng nhất, thí dụ như không khí người ta có thể tìm thấy trên đỉnh những Ngọn núi cao nhất trên nhất tầng mây”.

Trên lí thuyết, các kính thiên văn có đường kính càng lớn sẽ có thể phân giải những chi tiết càng nhỏ trong các ảnh chụp thiên văn. Nhưng sự nhòe ảnh do nhiễu loạn khí quyển gay gắt đến mức ngay cả những chiếc kính thiên văn mặt đất lớn nhất ngày nay (đường kính 8 – 10 m) cũng chẳng trông rõ hơn bao nhiêu so với các kính thiên văn 20 cm dùng trong vườn nhà mà nhiều nhà thiên văn nghiệp dư sử dụng trong những buổi tối cuối tuần.

Để khắc phục tình hình này, các nhà thiên văn đã chuyển sang quang học thích nghi, một kĩ thuật đo ảnh chộp nhanh của nhiễu loạn khí quyển rồi sau đó hiệu chỉnh cho sự biến dạng quang thu được sử dụng một cái gương có khả năng biến dạng đặc biệt (thường là một cái gương nhỏ đặt phía sau gương chính của kính thiên văn). Vì sự nhiễu loạn trong khí quyển thay đổi liên tục theo thời gian, nên những phép đo và hiệu chỉnh này phải được thực hiện hàng trăm lần mỗi giây.

Những hệ quang học thích nghi ban đầu sử dụng ánh sáng phát ra những một ngôi sao sáng để đo sự nhiễu loạn. Tuy nhiên, đa số các vật thể thiên văn muốn nghiên cứu không có những ngôi sao sáng ở đủ gần, vì thế sự bao quát bầu trời của quang học thích nghi khá hạn chế. Sau đó, vào đầu những năm 1980, các nhà thiên văn nhận ra rằng họ có thể sử dụng một laser để tạo ra một “ngôi sao” nhân tạo thay thế cho ngôi sao tự nhiên. Sự sáng suốt này đã mở rộng đáng kể phạm vi bao quát của các hệ quang thích nghi, vì các laser có thể chiếu vào hướng của bất kì mục tiêu quan sát nào trên bầu trời. Trogn 5 năm qua, những hệ quang thích nghi “ngôi sao dẫn hướng” bằng laser này đã thật sự mang lại thành quả, đến mức mỗi chiếc kính thiên văn chính 8 – 10 m ngày nay đều chưng diện hệ thống đèn hiệu laser của riêng nó.

Các laser dùng trong những đèn hiệu này có công suất trung bình đáng nể chừng 5 – 15 W (một đèn trỏ laser tiêu biểu, trái lại, có công suất chưa tới 1 mW). Thật vậy, các dự luật liên bang yêu cầu các đài thiên văn Mĩ phải tắt đèn laser của họ khi có máy bay đang tiến đến gần; các đài thiên văn cũng phải đệ trình các kế hoạch quan sát của họ với Bộ chỉ huy Vũ trụ để tránh va chạm với những tài sản vũ trụ nhạy cảm.

Hai loại laser đang chiếm ưu thế. Thứ nhất là một hệ chế tạo theo đơn đặt hàng phát ra vạch cộng hưởng vàng 589 nm của sodium trung hòa, tạo ra một ngôi sao dẫn hướng ở độ cao khoảng 95 km bằng cách kích thích các nguyên tử sodium có mặt tự nhiên trong khí quyển tầng trên của Trái đất. Loại thứ hai phát ra bước sóng màu lục hoặc thậm chí bước sóng cực tím và sử dụng sự tán xạ Rayleigh của các phân tử và hạt bụi trong khí quyển để tạo ra một ngôi sao dẫn hướng ở độ cao 15-20 km. Ưu điểm của laser xanh và laser tử ngoại là chúng có sẵn trên thị trường, khiến chúng rẻ tiền hơn là dùng các hệ quang thích nghi khai thác ánh sáng màu vàng.

Nhờ quang học thích nghi ngôi sao dẫn hướng bằng laser, các kính thiên văn 8-10 m ngày nay đã có độ phân giải không gian tốt hơn ở những bước sóng quan sát hồng ngoại so với Kính thiên văn vũ trụ Hubble, đơn giản là vì kích cỡ lớn của những chiếc gương của chúng. Những chiếc kính thiên văn khổng lồ đã đề xuất, thí dụ như Kính thiên văn Ba mươi mét, Kính thiên văn Magellan Lớn, và Kính thiên văn Cực Lớn châu Âu, đều có kế hoạch sử dụng nhiều ngôi sao dẫn hướng bằng laser đồng thời. Điều này sẽ cho phép các nhà thiên văn đo, và hiệu chỉnh, sự nhiễu loạn khí quyển trong toàn bộ cột không khí 3D phía trên kính thiên văn. Những hệ laser bội này sẽ sử dụng các kĩ thuật xạ quang – tương tự như kĩ thuật dùng trong máy quét xạ quang trục đã lập trình hóa của kĩ thuật chụp ảnh y khoa – để tái dựng lại đặc trưng nhiễu loạn, cho phép sự hiệu chỉnh quang thích nghi trên trường nhìn rộng hơn nhiều so với cái chúng ta có thể ngày nay.


Vật lí nguyên tử

William D Phillips

William D Philips là một nhà vật lí tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa Kì (NIST) ở Gaithersburg, Maryland, Mĩ. Ông đạt giải thưởng Nobel vật lí năm 1997 cùng với Claude Cohen-Tannoudji và Steven Chu cho kĩ thuật làm lạnh và bẫy nguyên tử bằng ánh sáng laser.

Vào đầu những năm 1970, tôi là một nghiên cứu sinh trẻ trong nhóm nghiên cứu của Dan Kleppner tại Viện Công nghệ Massachusetts, thực hiện một luận án liên quan đến việc tiến hành các phép đo chính xác với một maser hydrogen từ trường cao (maser là tiền thân dạng vi sóng của laser, cái ban đầu được gọi là “maser quang học”). Kleppner và Norman Ramsey đã phát minh ra một phiên bản trường thấp của maser hydrogen trước đó hơn một thập kỉ, và phiên bản trường cao đang tạo ra những phép đo chính xác không có tiền lệ của các mômen từ trong nguyên tử - một loại đỉnh cao thuộc loại này của ngành vật lí nguyên tử.

Nhưng rồi xuất hiện một phát triển mới sẽ làm thay đổi xu hướng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Dan, trong sự nghiệp của tôi và trong tổng thể ngành vật lí nguyên tử: laser thương mại, sóng liên tục, màu tùy chỉnh đầu tiên. Môi trường phát laser trong những dụng cụ này là một chất nhuộm hữu cơ phát ra trên một ngưỡng rộng bước sóng hơn, thí dụ, một laser helium-neon, trong đó môi trường khuếch đại là một chất khí nguyên tử. Sự xuất hiện của những dụng cụ này có nghĩa là ngay cả những người không phải chuyên gia trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo laser cũng có thể, bằng cách điều khiển một laser đến một chuyển tiếp cộng hưởng nguyên tử, khảo sát một lĩnh vực mới của việc thao tác trên nguyên tử nơi ánh sáng kết hợp là công cụ chủ chốt.

Hăm hở trước những món đồ chơi mới này, tôi nhờ Dan đề xuất một thí nghiệm nữa cho luận án sử dụng laser. Ông đồng ý, và đề nghị tôi nghiên cứu các va chạm của các nguyên tử sodium [natri] bị kích thích quang học. Tôi bắt đầu chế tạo thiết bị. Các sinh viên và nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ khác trong nhóm đồng thời bắt đầu những thí nghiệm mới. Mỗi số mới ra của các tạp chí nghiên cứu mang đến số bài báo liên quan đến laser ngày một nhiều, và mỗi hội nghị lại chứng kiến những bản báo cáo về những thí nghiệm laser mới.


Sự nhộn nhịp lúc đó có thể sờ mò được. Những ý tưởng mới và những thí nghiệm mới xuất hiện ở mọi nơi. Năm 1978, tôi được truyền cảm ứng bởi chứng minh của Dave Wineland về việc dùng laser làm lạnh các ion tại Cục Tiêu chuẩn quốc gia (nay là NIST) ở Boulder, Colorado, và bởi một ý tưởng đến từ Art Ashkin tại Phòng thí nghiệm Bell trước việc làm chậm và bẫy một chùm nguyên tử sodium. Năm sau đó, khi tôi chuyển đến các phòng thí nghiệm của Cục ở Gaithersburg, Maryland, tôi mang theo thiết bị làm luận án của mình và bắt đầu nghiên cứu về sự làm lạnh và bẫy sodium bằng laser.

Đối với tôi, sự nhộn nhịp mà tôi cảm nhận trong những năm 1970 ở phòng thí nghiệm của Dan chưa bao giờ vơi đi. Những loại laser mới với bước sóng khác nhau, độ dài xung ngày càng ngắn đi, công suất ngày một cao hơn, bề rộng phổ ngày một hẹp hơn và tính ổn định ngày một tốt hơn làm cho những loại thí nghiệm mới đã có thể thực hiện được. Sự làm lạnh bằng laser của nhiều loại nguyên tử và ion, cộng với những chiếc đồng hồ nguyên tử, phân tử lạnh khổng lồ gõ nhịp ở tần số quang học, và các trạng thái phi cổ điển của ánh sáng chỉ là một số lộ trình trong đó các laser đã dẫn hướng cho ngành vật lí nguyên tử, phân tử và quang học (AMO).

Ngoài ra, các laser còn cho phép các nhà vật lí AMO hiện thực hóa ngưng tụ Bose-Einstein, để tạo ra những mạng quang và để nghiên cứu các chất khí Fermi cực lạnh. Mỗi một nghiên cứu trong số này đã khắc sâu thêm các quan hệ giữa AMO và ngành vật lí vật chất ngưng tụ. Có thể các laser và các nguyên tử lạnh sẽ giúp làm sáng tỏ một số vấn đề nổi cộm trong ngành vật chất ngưng tụ, thí dụ như nguồn gốc của sự siêu dẫn nhiệt độ cao, và bản chất của các trạng thái Hall lượng tử phân số vốn hữu ích cho lĩnh vực điện toán lượng tử.

Kể từ khi lần đầu tiên chúng có mặt trên thị trường, các laser đã củng cố và tăng cường thêm sinh khí cho ngành vật lí nguyên tử, và sự phiêu lưu khám phá không có dấu hiệu ngừng lại.

Vật lí y sinh

Steven Block

Steven Block là một nhà sinh lí học tại trường đại học Stanford, California, Hoa Kì.

Hơn 10 năm qua, người ta đã có thể tiến hành những thí nghiệm trong lĩnh vực vật lí y sinh mà trước đây chỉ là những giấc mơ hão huyền. Thí dụ, tôi làm việc trong một lĩnh vực gọi là sinh lí học đơn phân tử. Trong lĩnh vực này, thách thức là nghiên cứu các phân tử của sự sống – các protein, acid nucleic, carbohydrate và những hóa chất khác cấu tạo nên cơ thể chúng ta – theo kiểu đúng


nghĩa là từng phân tử một. Công việc này chẳng dễ gì thực hiện, vì tất cả các phân tử sinh học đều quá nhỏ để nhìn thấy, nói thí dụ, qua một kính hiển vi thông thường. Tuy nhiên, chúng tôi đang nhận thấy rằng người ta có thể thao tác và đo lường chúng, và các kĩ thuật sử dụng trong nghiên cứu như vậy thường đòi hỏi các laser.

Một kĩ thuật mà phòng thí nghiệm của tôi đã giúp đi tiên phong gọi là “nhíp quang học”. Ý tưởng cơ sở của nhíp quang là bạn có thể sử dụng áp suất bức xạ do một chùm laser hồng ngoại cung cấp để bắt giữ và thao tác với các chất liệu nhỏ bé – bao gồm từng cá thể protein và acid nucleic – làm cho chúng hiện diện dưới kính hiển vi. Để làm như vậy, chúng tôi móc các hạt vi mô nhỏ xíu với các phân tử như ADN. Sau đó, chúng tôi có thể sử dụng nhíp quang và bẫy quang để “đè giữ” lên những hạt này và tác dụng những lực rất nhỏ, có thể điều khiển lên các phân tử ADN.

Các laser mà chúng tôi sử dụng trong công việc này có một số tính chất hết sức tuyệt vời – chúng không giống như laser trong đèn trỏ laser hay máy hát CD của bạn. Chúng tôi cần có thể giữ một chùm laser ổn định trong không gian trong vòng đường kính của một nguyên tử hydrogen, hay khoảng 1 Å, mỗi lần trong vài giây. Đây là vì các cặp base trong phân tử ADN chỉ cách nhau khoảng 3.5 Å, và một trong những thứ chúng tôi thích nghiên cứu là enzyme ARN-polymerase, cái “đọc” ra mã gen, di chuyển như thế nào khi nó trèo lên thang ADN, mỗi lần từng cặp base một.

Thật thú vị là chúng tôi có thể quan sát điều này xảy ra, và nó phụ thuộc hoàn toàn vào việc có thể chiếu ánh sáng laser lên trên enzyme, làm tán xạ ánh sáng đó và đo các dịch chuyển chính xác đến một angstrom. Chúng tôi đã và đang liên tục tìm kiếm các laser với công suất cao hơn hoạt động trong mốt đơn và có các tính chất ổn định hơn. Một số thế hệ mới của các diode laser hiện đã đạt tới mức chúng có thể dùng cho những thí nghiệm này, nhưng phần lớn chúng vẫn nằm ngoài phòng thí nghiệm, tính cho đến nay. Sẽ rất hấp dẫn một khi chúng được sử dụng.

An ninh quốc phòng

Jeff Hecht

Jeff Hecht là nhà văn viết về khoa học và công nghệ, hành nghề tự do ở Auburndale, Massachusetts, Mĩ, người đã quan tâm đến các vũ khí laser kể từ năm 1980.

Các loại vũ khí laser năng lượng cao – lâu nay vẫn là chất liệu của truyện khoa học viễn tưởng – mới đây đã đạt tới điểm bước ngoặc. Nhưng đó không phải là thứ mà bạn trông đợi nếu bạn có xem những đoạn clip mới của Boeing 747 trang bị laser bắn xuống một tên lửa mục tiêu hồi tháng 2 năm nay. Thay vào đó, quân đội Mĩ đang trong kế hoạch tập trung vào việc cản trở những đợt tấn công từ những mục tiêu tầm ngắn như tên lửa, súng cối và đạn pháo binh.


Các vũ khí laser hiện đại có giấy khai sinh khoảng năm 1980, khi mục tiêu chính là phát triển những hệ laser năng lượng cao có khả năng phá hủy các tên lửa phóng lên từ cách xa hàng trăm hoặc hàng nghìn kilo mét. Thật vậy, chương trình "Star Wars" của tổng thống Mĩ Ronald Reagan đã chi hàng tỉ đô la cho các kế hoạch xây dựng trạm chiến đấu laser trên quỹ đạo. Nhưng các trở ngại công nghệ dai dẳng và sự kết thúc của Chiến tranh Lạnh đã làm thay đổi các nhu cầu. Kết quả là Airborne Laser (ABL): một chiếc Boeing 747 được trang bị một laser hóa chất oxygen–iodine cỡ megawatt và được thiết kế để bắn xuống các tên lửa phóng lên từ phía “kẻ thù”.

Nhưng vào tháng 5/2009, thư kí quốc phòng Mĩ Robert Gates báo cáo rằng ABL (lâu nay bị chỉ trích vì bội chi ngân sách và thời gian) có tầm hoạt động chưa tới 140 km – quá ngắn cho cự li tối thiểu theo kế hoạch là 200 km. Cho nên, sau nhiều lần thử (tiến hành bí mật), các nỗ lực đạt tới công suất megawatt sẽ bắt đầu trở lại với các laser sử dụng hơi kim loại kiềm bơm diode. Các laser thuộc loại này hiện chỉ phát ra hàng chục watt nhưng cuối cùng chúng có thể mang lại tỉ lệ công-suất-trên-kích-thước lớn hơn so với ABL.

Cho đến khi những kế hoạch đó triển khai vào thực tế - nếu thành công – thì tương lai mới chắc chắn cho các vũ khí laser sẽ là các laser rắn phát ra 100 kW hoặc lớn hơn trong một chùm tia đều đặn hoặc dạng xung ngắn lặp lại tuần hoàn. Người ta đã chứng minh được rằng các laser họ hàng kilowatt có thể làm nổ tung những thứ quân nhu chưa nổ trên chiến trường bằng cách chiếu vào nó từ một khoảng cách an toàn. Hi vọng là các laser trong ngưỡng 100–400 kW cũng có thể phá hủy các tên lửa, súng cối và đạn pháo ở khoảng cách lên tới vài km. Cự li gần của những mục tiêu này sẽ làm dịu đi đáng kể những trở ngại đối với việc truyền chùm tia gây cồng kềnh cho các hệ thống phòng thủ tên lửa gốc laser. Ngoài ra, bằng cách cho phát nổ các chất nổ trong không khí với laser làm nóng, thay vì nã đạn vào chúng, các vũ khí laser có thể làm giảm mức “thiệt hại phụ” cho quân lính và những người không tham gia chiến trận.

Tháng 3/2009, kẻ khổng lồ quốc phòng Mĩ Northrop Grumman đã báo cáo sự phát xạ liên tục hơn 100 kW trong 5 phút từ một laser bơm diode trong phòng thí nghiệm. Tháng 2 năm nay, Hệ thống Textron đã đạt tới mục tiêu ngang ngửa như vậy với thiết kế riêng của mình. Đây là những công suất phát liên tục cao nhất từng đạt được đối với một laser rắn. Bước tiếp theo sẽ là thiết kế một laser 100 kW hoạt động trên tàu biển, xe tải và máy bay. Quân đội Mĩ đang di chuyển dụng cụ của Northrop Grumman đến Cơ sở Kiểm tra Hệ thống Laser Năng lượng cao ở Bãi thử Tên lửa Cát trắng (White Sands), New Mexico, nơi theo kế hoạch sẽ thử một phiên bản di động lắp đặt trên một cỗ xe chiến đấu hạng nặng. Một cơ quan quốc phòng khác, DARPA, hiện đang chế tạo một laser rắn hạng nhẹ 150 kW dùng cho máy bay chiến đấu, còn Hải quân Mĩ thì đang trong kế hoạch kiểm tra các vũ khí laser tương tự ở trên biển.

Các laser sử dụng trong những dự án này đánh dấu một sự khởi đầu hoàn toàn mới trong thiết kế vũ khí laser. Các laser loại vũ khí trước đây được cấp nhiên liệu hóa chất, nhưng các tướng lĩnh không muốn dùng chúng trên chiến trường vì việc xử lí các nhiên liệu hóa chất đòi hỏi các vấn đề hậu cần phức tạp. Họ cũng muốn các laser có thể được cấp nguồn bằng các máy phát diesel. Nhưng vẫn còn đó những thách thức ghê gớm, bao gồm sự thiệt hại đối với bản thân laser, nhu cầu hoạt động trong môi trường chiến trường mờ mịt bụi bặm và chi phí cao ngất trời của những dụng cụ trên.

Việc hạ gục một vài tên lửa thử sẽ thật dễ dàng. Việc thao tác kĩ thuật trên các laser di động hoạt động xác thực ở những nơi lộn xộn, nơi người ta bắn vào chúng, mới là vấn đề khó nuốt hơn


nhiều. Có lẽ rồi chúng ta sẽ thấy các nguyên mẫu làm nổ tung các mục tiêu lên trời trong vòng vài năm tới, nhưng đừng trông đợi sự hủy diệt trên chiến trường trước khi sớm nhất là bước sang thập niên 2020.

Laser electron tự do

John Madey

John Madey là giám đốc phòng thí nghiệm FEL tại trường đại học Hawaii, Mĩ, và đã đóng góp cho sự phát triển của laser electron tự do.

Giống như mọi laser, laser electron tự do (FEL) hoạt động trên nguyên tắc phát xạ cảm ứng để khuếch đại một chùm ánh sáng khi nó đi qua một vùng không gian. Nói cách khác, khi các electron chuyển động từ một trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp, thì chúng phát ra các photon ánh sáng có bước sóng đồng loạt giống hệt nhau và chuyển động cùng hướng với nhau. Nhưng không giống như các chuyển tiếp giữa các trạng thái điện tử liên kết trong những laser khác, FEL khai thác một trong những khám phá chủ chốt khác của Einstein – thuyết tương đối đặc biệt – để cung cấp bức xạ điện từ tùy chỉnh từ một chùm electron tự do tương đối tính khi chúng chuyển động qua một từ trường tuần hoàn nằm ngang trong không gian.

Theo thuyết tương đối đặc biệt, các electron nhận một trường như vậy là một sóng mạnh đang lan truyền trong hệ quy chiếu nghỉ của chúng, với một bước sóng giảm tỉ lệ với động năng của chúng. Các photon bị tán xạ bởi các electron phát ra từ xung này theo hướng chuyển động của chúng bị giảm bước sóng một lần nữa khi nhìn từ hệ quy chiếu phòng thí nghiệm. Kết quả là các electron với động năng 50 MeV phát ra bức xạ hồng ngoại gần khi chuyển động qua một trường có chu kì tuần hoàn 2 cm. Ánh sáng có bước sóng dài hơn hoặc ngắn hơn có thể được tạo ra đơn giản bằng cách biến đổi năng lượng của các electron. FEL có thể cung cấp đều đặn ánh sáng laser với khoảng 1% công suất tức thời của chùm electron – hàng megawatt hoặc lớn hơn – và độ dài xung của chúng có thể biến thiên từ chưa tới một pico giây đến hoạt động sóng liên tục hoàn toàn. Sự kết hợp pha đặc biệt cũng có thể thu được qua việc sử dụng các hệ cộng hưởng giao thoa thích hợp.

Những nỗ lực nghiêm túc nhằm khảo sát các ứng dụng khả dĩ của FEL đã bắt đầu không bao lâu sau khi các đồng nghiệp và tôi tại trường đại học Stanford chứng minh thành công các bộ khuếch đại và dao động tử FEL bước sóng quang đầu tiên, tương ứng vào năm 1974 và 1976. Tâm điểm tập trung kể từ đó là sử dụng FEL để làm những việc khó thực hiện bằng những phương tiện khác. Có lẽ ứng dụng được biết tới nhiều nhất là phát ra các xung tia X tùy chỉnh, công suất đỉnh cao, kết hợp, cỡ femto giây, ở năng lượng trên 1 keV dể thực hiện các nghiên cứu cấu trúc và chức năng phân giải


thời gian của từng phân tử phức tạp và đang tương tác. FEL tia X đầu tiên như vậy hiện đang hoạt động tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC ở Mĩ, Laser Tia X Electron Tự do châu Âu sắp đi vào hoạt động tại phòng thí nghiệm DESY ở Đức vào năm 2014.

Ngay cả với những ứng dụng trong đó các loại laser khác có thể là đáp ứng đủ, thì tiện lợi lớn của các FEL là chúng thật linh hoạt. Do đó, FEL tỏ ra vô giá trong thực hiện nghiên cứu thăm dò khi các yêu cầu của một ứng dụng đặc biệt chưa được xác định, hoặc khi một đội nghiên cứu không có thời gian hay tiền của để phát triển một hệ laser chuyên dụng mới cần thiết cho ứng dụng đó. Các FEL xung ngắn, công suất đỉnh cao, thế hệ thứ ba, đã phát triển tiên phong trong thập niên 1980, đặc biệt có ích cho việc phát triển những kĩ thuật phẫu thuật mới và cho việc khảo sát các mức năng lượng, cấu trúc dải và độ linh động của các electron và lỗ trông trong những chất liệu điện tử và quang học mới, mà không phải lo ngại về những xung laser thăm dò kéo dài có thể làm hỏng mất vật liệu.

Các hệ FEL công suất trung bình-cao được phát triển gần đây hơn đã mở rộng những khả năng này để bao gồm cả nghiên cứu về những ứng dụng laser tiềm năng cho các quá trình xử lí vật liệu ở quy mô công nghiệp. Có tầm quan trọng ít ra ngang ngửa là những cải tiến trong công nghệ cảm biến từ xa dùng cho nghiên cứu biến đổi khí hậu được thực hiện bởi khả năng tùy chỉnh rộng, công suất đỉnh cao, và sự kết hợp thời gian và không gian ngoại hàng mà các FEL đem lại ở những bước sóng khả kiến và hồng ngoại.

Tuy nhiên, có một vài đám mây mới trên đường chân trời của nghiên cứu FEL. Về mặt lịch sử, một nghiên cứu như vậy chủ yếu diễn ra ở một vài phòng thí nghiệm cỡ nhỏ và trung bình tại các trường đại học và phòng thí nghiệm của chính phủ ở Mĩ, châu Âu và châu Á. Một chuyển biến gần đây hướng sang các phòng thí nghiệm quốc gia lớn hơn đã mang lại nhiều tiến bộ khoa học, nhưng cũng mang đến nguy cơ cả khoa học lẫn công nghệ trên khó tiếp cận hơn với các nhà khoa học ở trường đại học, những người làm việc ở xa các trung tâm công nghệ lớn. Do đó, điều cần thiết là phải đảm bảo khách hàng và cơ sở ủng hộ cho công nghệ trên vẫn quan tâm đến các ứng dụng quy mô nhỏ của FEL, chứ không chỉ tập trung vào những laser công suất cao và bước sóng ngắn.

Cuối cùng, có những lo ngại rằng các nhà cung cấp công nghệ nền tảng FEL – bao gồm cả vi sóng công suất cao, chân không cực cao và các chất liệu quang đặc biệt – có lẽ không thể tiếp tục triển khai những sản phẩm này, vì sự suy giảm thị trường công nghiệp đối với chúng. Các chính phủ sáng suốt cần có những động thái nhằm đảm bảo rằng bí quyết trên đó những tiềm năng quốc gia quan trọng này hoạt động không bị mai một.


Sóng hấp dẫn

Eric Gustafson

Eric Gustafson hiện làm việc tại Viện Công nghệ California, Hoa Kì, và đứng đầu nhóm khoa học thiết bị của đài thiên văn sóng hấp dẫn LIGO.

Thường được xem là “những gợn sóng trong không-thời gian”, sóng hấp dẫn sinh ra trong những sự kiện thiên văn vật lí cực kì dữ dội trong đó vận tốc của các vật như sao neutron hoặc lỗ đen thay đổi những lượng thật sự bằng vài phần của tốc độ ánh sáng trong một khoảng thời gian rất ngắn. Việc dò tìm các sóng ấy là một nhiệm vụ đầy thử thách vì, đối với các máy dò đặt trên mặt đất, những biến đổi này đối với vận tốc xảy ra trên quy mô thời gian từ một phần của một mili giây cho đến vài chục mili giây. Việc đo những thăng giáng nhỏ xíu này trong sự cong của không-thời gian đòi hỏi sử dụng các giao thoa kế laser rất nhạy, trong đó các chùm ánh sáng truyền xuống các cánh tay vuông góc của thiết bị, phản xạ khỏi các gương nằm tại cuối mỗi cánh tay và sau đó quay trở lại giao thoa với nhau. Ý tưởng là một sóng hấp dẫn đi qua sẽ làm thay đổi hình ảnh giao thoa theo một kiểu đặc trưng.

Khi công nghệ laser phát triển, các laser sử dụng trong các thí nghiệm sóng hấp dẫn đã thay đổi theo với nó. Thí nghiệm giao thoa kế đầu tiên được thiết kế để dò tìm những sóng này, do Robert Forward tại Phòng nghiên cứu Hughes ở California xây dựng vào đầu những năm 1970, sử dụng một laser helium-neon 75 mW và có kích cỡ bằng một bàn cờ. Rồi với độ nhạy ấn tượng của dụng cụ này, việc đo những chuyển dịch dao động nhỏ nhất đã từng phát hiện với một laser tính cho đến nay: 1,3 × 10–14 m Hz–1/2 – tương đương với việc đo những biến đổi chưa tới 2 mm trong khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời. Tuy nhiên, các tính chất cỡ công suất nghèo nàn của laser helium–neon khiến nó không có tương lai trong giao thoa kế sóng hấp dẫn ngoài các thí nghiệm trên bàn.

Trong thập niên 1980, một vài nhóm trên khắp thế giới đã xây dựng các giao thoa kế trong các hệ chân không cực cao, với hệ thống quang của chúng treo lơ lửng để cách li chúng khỏi sự nhiễu nền. Những thí nghiệm này có kích thước từ một đến vài chục mét và sử dụng các laser ion argon, chúng hoạt động ở bước sóng 514 nm và công suất phát vài watt. Các giao thoa kế như vậy thường được thiết kế ra để nghiên cứu những vấn đề đặc biệt trong giao thoa kế sóng hấp dẫn, thí dụ như so sánh các cấu hình quang khác nhau, tìm các phương thức điều khiển hệ thống quang lơ lửng và mô tả đặc trưng sự nhiễu ở các hệ con như các gương, và phát triển các tín hiệu điều khiển chiều dài và canh chỉnh cho hệ thống quang treo lơ lửng.

Thật không may, các ống plasma sử dụng trong các laser ion argon, cùng với nước làm nguội mà chúng cần, tạo ra mức cao của sự nhiễu tần số laser. Ngoài ra, thời gian sống tương đối ngắn của


những ống này khiến chúng không thực tế cho sử dụng trong đài thiên văn. Cuối cùng, công suất phát của các laser trên – trong khi cao hơn laser helium-neon – là nhỏ so với cỡ hàng trăm watt mà các máy dò tiên tiến hơn đòi hỏi, nhờ thực tế là ở các tần số cao, độ nhạy của máy dò bị hạn chế bởi sự nhiễu bắn phá.

Vào thập niên 1990, khi nhóm hiện nay của các đài thiên văn cỡ km (LIGO ở Mĩ, VIRGO ở Italy và GEO ở Đức) đã và đang được lên kế hoạch và triển khai xây dựng, các laser bán dẫn bơm diode đã có sẵn trên thị trường. Những laser này không chỉ có mức nhiễu tần số thấp hơn nhiều so với các laser ion argon, mà chúng còn có tiềm năng tạo ra công suất cao hơn nhiều. Thoạt đầu, công suất phát cực đại của chúng là khoảng 10 W, nhưng các laser bơm diode cải tiến và sử dụng các dao động tử công suất bơm-khóa hoặc các cấu hình dao động tử chủ - bộ khuếch đại công suất biến các laser loại 100 W sẵn sàng cho một thế hệ mới của các giao thoa kế. Những giao thoa kế mới này sẽ đưa vào sử dụng trong vài năm tới tại LIGO và VIRGO, và sẽ sử dụng các laser 200 W. Đồng thời, GEO sẽ sử dụng một kĩ thuật ánh sáng nén để tạo ra hiệu suất nhiễu tốt hơn ở mức công suất laser thấp. Đối với các thiết bị đặt trên không gian như Anten Vũ trụ Giao thoa kế Laser (LISA), các laser bán dẫn bơm diode được chọn không phải vì tiềm năng công suất cao của chúng, mà vì hiệu suất và tính xác thực rất cao của chúng, các đặc điểm đặc biệt quan trọng cho một sứ mệnh đặt trên không gian.

Không rõ chính xác thì những laser nào hoặc những bước sóng nào sẽ là cần thiết cho các máy dò đặt trên mặt đất trong tương lai. Chúng ta có thể thấy những bước sóng hơi dài hơn một chút được chọn có thể dùng với các vật liệu làm chất gương mới hoạt động ở 1064 nm; hoặc chúng ta có thể thấy những bước sóng ngắn hơn cho phép chúng ta sử dụng các lớp tráng gương mỏng hơn, do đó làm giảm sự nhiễu nhiệt sinh ra. Có lẽ khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm kiếm bước sóng “thích hợp” để tối ưu hóa độ nhạy, thì chúng ta sẽ thấy chúng ta cần những bước sóng chỉ có thể được tạo ra qua sự biến đổi tần số phi tuyến của các laser bán dẫn – và vì thế sự chọn lựa các laser của chúng ta có thể tiếp tục phát triển.

Trần Nghiêm dịch, theo Physics World, tháng 5/2010


Bình minh mới cho sự nhiệt hạch hạt nhân

• Mike Dunne (Physics World, tháng 5/2010)

Khi chúng ta kỉ niệm 50 năm ra đời laser thì một cột mốc thoáng hiện lờ mờ trong thế giới nhiệt hạch laser. Trong bài, Mike Dunne mô tả việc thu được sự đánh lửa – điểm khởi phát của sự nhiệt hạch – với laser lớn nhất thế giới sẽ làm chuyển biến như thế nào cuộc săn tìm nguồn điện năng dồi dào, phi carbon.

Ảnh nhìn bên trong buồng bia tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì. (Ảnh: Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì)

Ba ngày sau khi Theodore Maiman chứng minh được laser ruby đầu tiên của tại phòng thí nghiệm của ông ở Malibu, California, vào tháng 5/1960, một nhà khoa học làm việc cách đấy vài dặm đường tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore đã đi đến ý tưởng sử dụng laser kể khai thác nguồn năng lượng của các sao. Mặc dù các chi tiết cụ thể của dụng cụ của Maiman sẽ không xuất hiện trong vài tuần, nhưng các nhà khoa học đã biết rằng khả năng tập trung năng lượng của laser trong thời gian và không gian sẽ là không có tiền lệ. Một nhà khoa học Livermore tự hỏi, không biết có thể sử dụng laser để hợp nhất các nguyên tử nhỏ lại với nhau để tạo ra một nguyên tử nặng hơn, bền hơn – đồng thời giải phóng những lượng lớn năng lượng trong quá trình đó?

Do mức độ giữ kín bí mật thịnh hành khi ấy về vật chất nguyên tử, nên mất thêm 12 năm nữa thì nhà khoa học trong câu hỏi, John Nuckolls, mới công bố rõ ràng các ý tưởng của ông về sự nhiệt hạch bằng laser trước cộng đồng khoa học rộng rãi hơn. Viết trên tạp chí Nature, Nuckolls và các đồng sự của ông giải thích rằng để cho cơ cấu của họ hoạt động, thì phải xây dựng một laser cỡ lớn – loại có thể nén và làm nóng nhiên liệu nhiệt hạch đến nhiệt độ 108 K và mật độ gấp 1000 lần mật độ chất lỏng, các điều kiện vượt cả những cái tìm thấy tại tâm của Mặt trời.

Đội của Nuckolls tiên đoán rằng một laser với năng lượng 1 kJ và độ dài xung vài ba nano giây sẽ là đủ để kích hoạt quá trình trên, mặc dù một laser lớn hơn nhiều (một vài mega jun, như ước tính) sẽ là cần thiết để tạo ra công suất thực. Thật không may, những thí nghiệm này chứng tỏ rằng


hành trình đó sẽ khó khăn hơn nhiều so với tiên đoán: bản thân giá trị ngưỡng có khả năng ở mức mega jun, do yêu cầu phải vượt qua một khoảng không ổn định gây khó khăn cho các nỗ lực hợp nhất năng lượng laser với nhiên liệu và rồi nén nó đến mật độ cần thiết.

Nhưng sau những năm tháng thành công liên tiếp, cuối cùng chúng ta đang bước vào một giai đoạn thật sự hào hứng trong thế giới nhiệt hạch bằng laser. Thập niên qua đã chứng kiến những lượng tiền đầu tư chưa có tiền lệ cho lĩnh vực trên, với mục tiêu chính là chứng minh, một lần và mãi mãi, rằng cơ sở khoa học của sự nhiệt hạch bằng laser thật sự hoạt động. Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì (NIF) mới hoàn thành gần đây, đặt tại phòng thí nghiệm nơi Nuckolls đã có ý tưởng lớn của ông cách nay 50 năm, nằm trong số những kết quả xác thực nhất của nỗ lực này. Và hơn một năm sau khi NIF chính thức mở cửa, các nhà khoa học ở đó hiện nay đang ở trên bờ vực đột phá: vượt qua ngưỡng cần thiết cho sự khởi hoạt một phản ứng nhiệt hạch tự duy trì, đưa đến sự giải phóng năng lượng tổng thể lần đầu tiên.

Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì (NIF) là laser lớn nhất thế giới. Đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California, nó chiếm 70,000 m2 (xấp xỉ hai sân bóng đá) và chứa 8000 đơn vị quang cỡ lớn (mỗi đơn vị đường kính 1m) và 30.000 đơn vị quang nhỏ hơn. Những bộ phận này và bộ phận khác được chứa trong chừng 6000 đơn vị dạng mô đun có thể thay thế nhanh chóng khi cần thiết để đảm bảo sự hoạt động liên tục của cơ sở.

Phối hợp với nhau, 192 chùm laser của cơ sở có thể phân phát 1,8 MJ năng lượng với công suất kết hợp 500 TW (500 × 1012 W). Giá trị này bằng khoảng 40 lần công suất tiêu thụ trung bình của toàn thế giới, và lớn hơn vài lần so với công suất của toàn bộ ánh sáng mặt trời rơi lên Trái đất. Tất nhiên, công suất này chỉ tồn tại trong một vài nano giây, nên nó chỉ chứa một lượng năng lượng không đáng kể. Nhưng khi năng lượng này được phân phát qua nhiều đường truyền của gian sảnh dài 100 m và tập trung xuống cỡ mili mét tại chính giữa của “buồng bia” đường kính 10 m, thì nó đủ để tạo ra các sóng xung kích với áp suất hàng chục triệu atmosphere.

Áp suất này làm cho viên nhiên liệu nổ tung, buộc các nguyên tử deuterium và tritium bên trong hợp nhất lại với nhau. Để xảy ra như vậy đòi hỏi rất nhiều nỗ lực; chẳng hạn, buồng bia phải giữ chân không để cho phép laser tập trung vào những đốm đường kính chỉ 1 mm, và bản thân viên nhiên liệu phải cực kì tròn và nhẵn, vì bất kì khiếm khuyết nào cũng sẽ khuếch đại theo hàm mũ sau khi nổ.

Ảnh: Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kì


Thành tựu của mục tiêu 50 năm vàng son này – thuật ngữ kĩ thuật gọi là “sự đánh lửa” – sẽ là một sự kiện thách thức sẽ thúc đẩy sự nhiệt hạch laser từ một hiện tượng vật lí khó nắm bắt đến một quá trình công nghệ có thể tiên đoán, có thể điều khiển sẵn sàng để xử lí một trong những thách thức nổi cộm nhất của xã hội: đó là tìm một nguồn năng lượng đảm bảo, an toàn, và thân thiện với môi trường. Kế hoạch NIF là đảm bảo cột mốc này được đạt tới trong vòng hai năm tới.

Sản xuất sao trong phòng thí nghiệm

Lịch sử của sự nhiệt hạch có thể truy nguyên từ năm 1920, khi Francis William Aston phát hiện thấy bốn hạt nhân hydrogen tách rời thì nặng hơn một hạt nhân helium. Điều này xảy ra vì tính ổn định của helium dẫn đến một tổng khối lượng nghỉ thấp hơn. Trên cơ sở nghiên cứu này, một nhà khoa học người Anh khác, Arthur Eddington, đề xuất rằng Mặt trời có thể thu năng lượng của nó từ sự biến đổi các hạt nhân hydrogen thành hạt nhân helium, giải phóng chưa tới 1% khối lượng ở dạng năng lượng, theo phương trình nổi tiếng của Einstein E = mc2. Sau đó, năm 1939, Hans Bethe đã sàng lọc những thực tế này thành một lí thuyết định lượng của sự sản sinh năng lượng trong các sao, cái cuối cùng đã mang về cho ông giải thưởng Nobel vật lí 1968.

Mặc dù Mặt trời và các ngôi sao khác tạo ra sự nhiệt hạch bằng cách sử dụng năng lượng hấp dẫn của chúng để nén hydrogen (và các nguyên tố nặng hơn sau đó), nhưng với mọi nỗ lực trên địa cầu, điều thiết thực hơn là sử dụng một nguồn nhiên liệu gồm deuterium và tritium. Những đồng vị này của hydrogen tương ứng có chứa một và hai neutron. Chúng có tiết diện cao nhất cho sự nhiệt hạch vì chúng có điện tích thấp (mỗi hạt chỉ có một proton) và proton và (các) neutron đó không liên kết chặt chẽ lắm. Trong phản ứng nhiệt hạch cơ bản, deuterium (D) và tritium (T) kết hợp lại tạo thành helium và một proton năng lượng rất cao: 2D + 3T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

Để cho phản ứng này xảy ra, các hạt cần phải chuyển động ở tốc độ rất cao để vượt qua rào cản Coulomb, vì các ion dương chịu một lực đẩy mạnh dần khi chúng tiến càng đến gần nhau. Điều này có nghĩa là nhiên liệu cần phải được làm nóng đến nhiệt độ khó tin nổi 108 K. Dưới những điều kiện này, các electron bị tước khỏi hạt nhân bố mẹ của chúng, biến nhiên liệu thành một plasma.

Yêu cầu phải tạo ra các plasma nhiệt độ cao cho sự nhiệt hạch xảy ra giải thích tại sao sự nhiệt hạch không phải là quá trình chúng ta bắt gặp trong cuộc sống thường nhật trên Trái đất, và tại sao việc khai thác làm nguồn năng lượng lại khó đến mức kinh khủng. Nhưng đây thật sự mang lại một lợi ích lớn: không giống như sự phân hạch hạt nhân, cái có thể dẫn đến một “phản ứng dây chuyền” không điều khiển được, quá trình nhiệt hạch vốn dĩ an toàn vì nhiên liệu “muốn” ì lại, và do đó mất năng lượng ở bất kì cơ hội nào. Và nhờ các ngôi sao, chúng ta biết rõ rằng sự nhiệt hạch hoạt động – chúng ta chỉ cần tìm một cái thay thế cho việc sử dụng lực hấp dẫn của Mặt trời để làm nóng và giam cầm nhiên liệu của chúng ta.


Trong một phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, các phân tử deuterium và tritium – các đồng vị của hydrogen tương ứng có một và hai neutron – kết hợp lại tạo ra helium và một neutron năng lượng cao.

Có hai lộ trình chính để thu được sự giam cầm: hoặc chúng ta có thể giữ plasma trong một từ trường đồng thời làm nóng nó, sử dụng sóng vô tuyến hay các chùm hạt; hoặc chúng ta có thể nén nó đến những mật độ chưa có tiền lệ, sử dụng laser. Cách tiếp cận thứ nhất đã được theo đuổi qua thí nghiệm nhiệt hạch giam cầm từ ITER hiện đang được xây dựng ở Cadarache, Pháp, còn cách thứ hai đã và đang được nghiên cứu tại một vài phòng thí nghiệm – trong đó có NIF – sử dụng một số laser lớn nhất.

Sự nhiệt hạch bằng laser hoạt động như thế nào

Con đường laser dẫn đến sự nhiệt hạch kết hợp chặt chẽ với hai trong số những đóng góp nổi tiếng nhất của Einstein cho khoa học: giải thích của ông về sự phát xạ cảm ứng; và sự định lượng của ông về sự tương đương của khối lượng và năng lượng. Cách tiếp cận cơ bản là một hệ xoay vòng trong đó các viên nhiên liệu deuterium–tritium cỡ bằng bi ổ được đưa vào chính giữa một cái buồng chân không, lớn. Một số chùm laser mạnh được sử dụng để nén nhiên liệu đến mật độ 1000 g cm–3, hay khoảng bằng 100 lần mật độ của chì, trong vài phần triệu của một phần triệu của một giây (10-12 s). Tất nhiên, viên nhiên liệu mật độ cao này sau đó sẽ bị thổi tung ra – nhưng không tức thì. Nó sẽ kiên trì ở mật độ cao trong khoảng thời gian được xác định bởi quán tính của nó và được đặc trưng bởi thời gian cần thiết cho một sóng âm truyền qua đơn vị nổ. Hiện tượng “tự giam cầm” này đưa đến quá trình gọi là “nhiệt hạch giam cầm-quán tính”, và nó cho hệ thời gian vừa đủ để cho phép một phần nhiên liệu (thường khoảng 30%) thật sự biến đổi thành helium và neutron.

Phản ứng nhiệt hạch đầu tiên tạo ra một ion helium để lại năng lượng của nó trong phần nhiên liệu lân cận, nhờ đó cho phép nhiệt độ cao được duy trì và phản ứng nhiệt hạch lan truyền qua khối nhiên liệu. Tuy nhiên, neutron năng lượng cao thì thoát ra, vì nó chỉ tương tác yếu với plasma tích điện. Năng lượng của neutron, do đó, mang vào một “tấm chăn” vật liệu dày bao xung quanh buồng tương tác, làm nóng tấm chăn đó lên khoảng 1000 K. Trong nhà máy điện nhiệt hạch, quá


trình trên sẽ được lặp lại khoảng 10 lần mỗi giây, và nhiệt lượng đó sẽ dùng để lái một chu trình tua bin khí tiên tiến, từ đó phát ra điện.

Cơ sở vật lí của sự nhiệt hạch laser thật ra đã được hiểu khá rõ. Ngoài ra, nhờ một loạt thí nghiệm do các nhà khoa học ở Anh và rồi ở Mĩ tiến hành trong thập niên 1980, chúng ta biết rằng sự đánh lửa và sự sản sinh năng lượng có thể thu được ở đây, trên Trái đất này, nếu chúng ta có cỗ máy phát động đủ mạnh. Những thí nghiệm này, sử dụng tia X phát ra của một quả bom nhiệt hạch hạt nhân đang nổ để làm nổ tung các viên nhiên liệu, có thể xem là “những nhát gương chém vào lưỡi cày” minh chứng. Cái còn lại là chứng tỏ rằng có thể dùng laser làm nguồn điều khiển, và chứng minh rằng năng lượng nhiệt hạch sinh ra có thể khai thác ở cấp độ phù hợp với một nhà máy điện đích thực.

Deuterium trong viên nhiên liệu có nguồn gốc từ nước, trong tự nhiên nước chứa khoảng một phân tử D2O trong mỗi 6000 phân tử H2O. Tritium, trái lại, phải sản xuất tại chỗ bằng cách dùng neutron bắn phá các nguyên tử lithium-6, từ đó biến lithium thành tritium và helium. Ở đây, chúng ta có thể sử dụng một thủ thuật dễ hiểu: nếu chúng ta xây dựng tấm chăn bao quanh viên nhiên liệu bằng lithium-6, thì chúng ta có thể sử dụng các neutron sinh ra trong phản ứng nhiệt hạch để tạo ra thêm tritium (đồng thời sản sinh ra nhiệt cho tua bin phát điện). Trong thực tế, chi tiết kĩ thuật phức tạp hơn một chút, vì chúng ta phải đảm bảo rằng có đủ neutron thừa để tạo ra một chu trình khép kín; tuy nhiên, yêu cầu này có thể đạt được bằng cách thêm các chất liệu khác (chủ yếu là lithium-7, beryllium hoặc chì) vào tấm chăn.

Trên phương diện laser, các tiên đoán ban đầu của Nuckolls rằng một laser tương đối nhỏ sẽ là đủ để tạo ra các điều kiện cần thiết hóa ra là đúng chỉ khi nào có tự sự tự do điều khiển vụ nổ ở tốc độ cao tùy ý. Điều này là không thể do các quá trình phi tuyến, không ổn định khác nhau trong đó laser có thể gây ra những “con sóng” electron hoặc ion trong plasma, hoặc làm cho nhiên liệu đang nổ bị vỡ trước khi đạt tới độ nén cần thiết. Thí dụ, khi các laser cường độ cao làm nóng vật chất, chúng có thể chi phối cộng hưởng một dao động trong plasma, từ đó làm cho ánh sáng bị tán xạ khỏi sóng plasma và ngăn không cho nhiên liệu hấp thụ nó một cách hiệu quả. Tuy nhiên, nếu cường độ laser quá thấp, thì sự nổ nhiên liệu bị chi phối ở tốc độ thấp đến mức bất kì khiếm khuyết nào phát sinh từ sự gồ ghề bề mặt hoặc sự không đồng đều laser đều có nguy cơ gây ra sự mất cân bằng thủy động, dẫn tới phá vỡ toàn bộ lớp vỏ đang nổ trước khi nén đến mức trọn vẹn.

Đã mất nhiều thập kỉ để người ta tìm hiểu thỏa đáng những quá trình này, và sự tồn tại cảu chúng có nghĩa là một laser chừng 1000 lần cỡ ban đầu mà Nuckolls nghĩ ra có thể dùng được. Các laser tại NIF – chúng đang hoạt động khá tốt trong pha hoạt động ban đầu của chúng – được thiết kế để giảm bớt sự phát triển của plasma và những sự mất cân bằng thủy động này. Phần nhiều người ta quan tâm đảm bảo một chùm laser đủ “nhẵn”, với quyền điều khiển hồ sơ thời gian của nó để cho phép sự nén giả-đẳng entropy của nhiên liệu bằng cách kích hoạt một loạt chấn động được điều khiển chính xác.

Từ sự nhiệt hạch đến điện năng

Các nhà vật lí chắc chắn rằng NIF sẽ có thể “đánh lửa” một phản ứng nhiệt hạch tự duy trì đến mức sự chú ý hiện nay đang chuyển sang kết thúc cuộc chơi. Vấn đề tiếp theo là làm thế nào khai thác tốt nhất các neutron phát ra theo một kiểu phù hợp với một nhà máy điện đồ sộ, có giá trị thương mại. Một nhà máy như thế trên lí thuyết sẽ hoạt động giống như một động cơ xe hơi, với ba giai đoạn chính.


Trong bước thứ nhất, nhiên liệu - ở dạng một viên cỡ bi ổ thuộc các đồng vị hydrogen băng giá, được giữ ở nhiệt độ khoảng 18 K – được đưa vào một buồng chân không đường kính nhiều mét. Tiếp theo, một “piston” laser nén nhiên liệu bằng cách làm nóng bề mặt bên ngoài của viên nhiên liệu để tại ra một chất khí nóng, giãn nở dạng hình cầu. Để bảo toàn động lượng, phần còn lại của viên nhiên liệu buộc phải chuyển động nhanh vào trong giống như là đè bẹp một quả bóng rỗ xuống kích cỡ của một hạt đậu Hà Lan.

Theo những kế hoạch tiên tiến – tương tự như một động cơ xăng – một laser độc lập khác sau đó được dùng làm “lưỡi cày lửa” để đánh lửa nhiên liệu tại thời điểm độ nén cực đại. Việc thêm laser bổ sung này có thể dẫn đến một hệ hiệu quả hơn (độ khuếch đại cao hơn), nhưng nó không phải là một yêu cầu thiết yếu: nếu chúng ta nén nhiên liệu đủ mức, thì chỉ sự nén thôi đã sinh ra đủ nhiệt để tạo ra “tia lửa” nóng bỏng tại chính giữa của nhiên liệu đang nổ. Khi nhiệt độ đủ cao, và đủ khối lượng nổ đến một mật độ cao thích hợp, sự nhiệt hạch được kích hoạt theo một kiểu tự duy trì. Hạt nhân helium sinh ra từ một phản ứng làm nóng phần nhiên liệu lân cận, còn neutron thoát ra làm nóng tấm chăn bên ngoài để phát điện.

Bước cuối cùng xảy ra khi nhiên liệu đã sử dụng được trút tháo ra khỏi buồng. Tại đây, chu trình lặp lại. Trong động cơ xe hơi, chu trình nhiên liệu được lặp lại khoảng 50-100 lần mỗi giây. Tốc độ lặp lại đối với sự nhiệt hạch laser thì thấp hơn: 10 lần trong một giây sẽ là đủ để phát điện ở cỡ gigawatt, có thể sánh với các nhà máy điện lớn nhất chạy than, khí thiên nhiên hoặc nhiên liệu phân hạch. Tuy nhiên, tốc độ đó đơn giản là chẳng thể đạt tới với NIF, chúng chỉ mới chiếu ra một lần trong mỗi vài ba giờ đồng hồ. Công nghệ mới là cần thiết để biến minh chứng khoa học ở NIF thành một hệ chu trình kín liên tục có thể phát ra điện.

Một dự án nhắm tới việc bắt cầu nối giữa việc đạt được sự đánh lửa và việc xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch thực tế là Cơ sở Nghiên cứu Năng lượng Laser Công suất Cao, hay HiPER. Đứng đầu là nước Anh và bao gồm một đoàn đông đảo 10 quốc gia, gồm các nhà nghiên cứu và các cơ quan tài trợ, mục tiêu của HiPER là chứng minh mức thành tích 10 Hz thuộc mọi công nghệ thành phần cho sự hoạt động cỡ quy mô nhà máy điện trong vòng 10 năm tới. Để làm được yêu cầu này, chúng ta hi vọng các ý tưởng cách tân đang xảy ra ở đâu đó trong ngành khoa học laser, bao công nghệ tốc độ lặp lại cao dùng trong công nghiệp hàn và chế tạo máy, và một vài dự án nghiên cứu laser công suất cao đang triển khai. Một thí dụ thuộc loại thứ hai vừa nói là dự án Cơ sở hạ tầng Cực Sáng (ELI), một nỗ lực trị giá 750 triệu bảng Anh, đứng đầu là Cộng hòa Czech, Hungary và Romania, nhằm tìm cách tạo ra các xung laser với công suất đỉnh lên tới vài trăm petawatt (khoảng 1017 W) sử dụng cùng loại công nghệ laser diode bơm mà HiPER đòi hỏi.


Các viên nhiên liệu dùng trong nhiệt hạch laser là những quả cầu rỗng cỡ quả bi cấu tạo gồm beryllium (thể hiện ở đây), plastic hoặc carbon tỉ trọng cao. Các viên phải cực kì tròn, với bề mặt rất nhẵn, vì bất kì sự bất đồng đều nào sẽ làm cho chùm laser chuyển hóa năng lượng sang nhiên liệu không đều. (Ảnh: Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Mĩ).

Trong vài thập niên vừa qua, các laser đã được phát triển ở tốc độ nhanh đến mức chóng mặt, cho phép các nhà nghiên cứu sự nhiệt hạch khai thác sự tăng dần nhanh chóng về công suất và hiệu suất. Sử dụng các laser còn cho phép chúng ta tiến tới một phương pháp lắp ghép, có thể duy trì và dễ dàng nâng cấp lên thiết kế nhà máy điện trong pha thứ hai của HiPER, trong đó chúng ta có kế hoạch xây dựng một cơ sở kết hợp minh chứng khoa học của sự đánh lửa tại NIF với công nghệ laser tốc độ lặp cao. Chiến lược lắp ghép này sẽ giảm thời gian xây dựng, tăng hiệu quả nhà máy điện trong cuộc đời hoạt động của nó, và đảm bảo rằng chúng ta tìm được giải pháp mang tính kinh tế cao nhất.

Đồng thời khi châu Âu đang dành tài nguyên cho HiPER, các nhà khoa học Mĩ đang có kế hoạch cho một lộ trình tương tự với dự án mang tên khéo léo là LIFE (Động cơ Nhiệt Hạch Quán tính Laser). Đứng đầu là các nhà khoa học làm việc ở NIF, dự án này có cùng mục tiêu như HiPER: để chứng minh công nghệ tốc độ lặp cao cần thiết, tích hợp vào một cơ sở cỡ bằng nhà máy điện. Trong khi đó, các nhà khoa học ở Nhật Bản, đã có những kế hoạch rõ ràng cho việc chứng minh phương pháp “động cơ xăng” cho sự phát điện đã mô tả ở trên. Nhờ có những nỗ lực này, có khả năng việc đạt tới sự đánh lửa tại NIF sẽ bác bỏ câu hỏi rằng điện nhiệt hạch laser có thu được hay không, để thay nó bằng một câu hỏi mang tính chính trị hơn là ai là người có khả năng chuyển giao nhà máy điện hoạt động đầu tiên.

Hướng tới một nhà máy điện hoạt động

Thành tựu đánh lửa tại NIF sẽ mang lại sự xác nhận tối hậu cho cơ sở khoa học của năng lượng nhiệt hạch laser, đánh dấu đỉnh cao của sự nỗ lực trong 50 năm qua. Nhưng cột mốc lịch sử thứ hai – một nhà máy điện nhiệt hạch hoạt động – là mục tiêu thật sự, được thúc đẩy bởi nhu cầu kinh tế xác thực, hàm lượng carbon thấp. Như chúng ta đã thấy, các thành phần chủ yếu trong sự nhiệt hạch là deuterium, tìm thấy trong nước, và lithium, có mặt tự nhiên trong đá lửa và một số loại


đất sét, cũng như trong nước biển. Trái đất có chứa đủ cả hai thành phần để tồn tại trong hàng thiên niên kỉ. Thật vậy, dựa trên tốc độ tiêu thụ điện năng hiện nay ở nước Anh, chỉ cần một bồn nước và lithium từ hai chiếc pin laptop là đủ để cấp điện cho nhu cầu cả đời của một con người.

Ngoài ra, sự nhiệt hạch không tạo ra sự phát thải khí nhà kính và có tác động thấp đối với môi trường trong suốt chu trình hoạt động của một nhà máy. Sản phẩm thải chính yếu là chất khí trơ helium, và độ phóng xạ còn dư tại bản thân nhà máy sẽ có thể điều khiển bằng các kĩ thuật phân tách thông thường trong khoảng thời gian 100 năm. Các nhà máy nhiệt hạch sẽ có công suất phát cỡ 1-2 GW, khiến chúng thích hợp một cách lí tưởng như các cơ sở lớn, trọng điểm trên hạ tầng cơ sở lưới điện hiện nay. Những lợi ích khác bao gồm môi trường nhiệt độ cao của lớp chăn, cái có thể dùng để sản sinh hydrogen dùng cho pin nhiên liệu hoặc thậm chí để khử muối cho nước. Những ứng dụng rộng rãi này, nhiều như công suất điện của chúng, có thể là yếu tố thiết yếu sẽ xác định giá trị thương mại của các nhà máy điện nhiệt hạch buổi đầu, và do đó cỡ thời gian cho sự chuyển giao thế hệ đầu tiên của các cơ sở nhiệt hạch.

Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) được thiết kế để cung cấp bằng chứng khoa học rằng các laser cỡ lớn có thể đánh lửa và châm ngòi một viên nang nhiên liệu nhiệt hạch, sản sinh “năng lượng nhiệt hạch ra” gấp 10 đến 100 lần so với lượng “năng lượng laser vào” cần thiết để khởi phát phản ứng. Để khai thác năng lượng này làm một nguồn điện, các laser tại NIF sẽ phải hoạt động khoảng 10 lần mỗi giây, với mỗi chùm phân phối một công suất trung bình 10-100 kW và hiệu suất laser (được định nghĩa là “điện năng vào” trên mỗi “năng lượng laser ra”) khoảng 10%. Những mức cao như vậy không thể thực hiện tại NIF, nơi hiệu suất laser chưa tới 1% và công suất trung bình chỉ xấp xỉ 1 W.

Tuy nhiên, các công nghệ laser hiện nay cho thấy có khả năng cải thiện những con số này. NIF sử dụng công nghệ đèn flash để bơm các bộ khuếch đại của nó – các dụng cụ biến đổi ánh sáng “bình thường” không kết hợp thành chùm laser năng lượng cao qua quá trình phát xạ cảm ứng. Các bộ khuếch đại bán dẫn bơm bằng diode laser, trái lại, đã được chứng tỏ hoạt động được tới 100 kW với hiệu suất lớn hơn 10%, mặc dù hiện nay chúng được tối ưu hóa cho chế độ hoạt động sóng liên tục, chứ không phải dạng xung. Các hệ laser xung tiên tiến hiện nay hoạt động ở mức kilowatt. Ảnh trên cho thấy một hệ laser xung tại cơ sở Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses của Pháp, nhìn qua hệ thống quang hội tụ và dẫn hướng đến bộ khuếch đại được bơm phía trước.


Nhiều thiết kế hiện tồn tại cho mức độ hoạt động cần thiết cho một hệ nhiệt hạch laser. Nhìn vào tốc độ phát triển của các hệ laser xung, và sự tài trợ đang được thu hút cho lĩnh vực này cho những ứng dụng rộng rãi hơn, 5 năm tới có khả năng sẽ thấy việc xây dựng và hoạt động của một nguyên mẫu đường dẫn chùm tia. Như với NIF, số lượng nhiều chùm như vậy sẽ được tập trung lên trên một viên nhiên liệu cỡ mili mét.

Trong khi đó, các cơ sở laser dùng trong cuộc theo đuổi sự nhiệt hạch còn có thể khai thác cho nghiên cứu thuần túy. Các chủ đề đa dạng bao gồm từ các nghiên cứu về các quá trình thiên văn vật lí như sự tổng hợp hạt nhân, sự sản sinh tia vũ trụ, các vòi vật chất tiền sao và sự hình thành tinh vân hành tinh, cho đến sự nghiên cứu về lõi của các các hành tinh khí khổng lồ và nguồn gốc của từ trường Trái đất. Các laser còn có thể hỗ trợ cho csc nghiên cứu cơ bản trong các lĩnh vực đa dạng như vật lí nguyên tử, khoa học hạt nhân, sự hỗn độn và sự sản sinh những lượng vĩ mô của vật chất tương đối tính.

Có lẽ quan trọng không kém, các công nghệ thành phần dùng trong nghiên cứu nhiệt hạch – chí ít là bản thân các laser hiệu suất cao, công suất cao – mở ra một ngưỡng rộng các cơ hội spin-off. Ngưỡng này bao gồm từ sự che chắn an toàn trước các chất liệu hạt nhân tại các cảng và sự sản xuất các đồng vị phóng xạ y khoa để điều trị các mô nằm sâu trong cơ thể qua thuật xạ trị, việc xử lí vật liệu cho ngành hàng không và thậm chí sự phát triển của các nguồn sáng thế hệ tiếp theo.

Việc theo đuổi một nguồn năng lượng tương lai dựa trên laser vẫn sẽ đối mặt trước những thử thách công nghệ to lớn về các vật liệu tiên tiến, kĩ thuật cỡ micro, công nghệ laser và các hệ thống nhà máy điện hợp nhất. Nhưng thị trường rộng rãi hơn cho các hệ laser công suất đỉnh cao, công suất trung bình cao cho phép lĩnh vực nhiệt hạch xây dựng từ một cơ sở công nghệ được phát triển tốt, và đến việc vay mượn sự tiến bộ từ những dự án khác để tăng tốc chuyển giao công nghệ. Chúng ta đã chờ 50 năm cho bằng chứng khoa học rằng sự nhiệt hạch có điều khiển là hoạt động. Giờ thì bằng chứng này hầu như đã vượt mặt chúng ta, chúng ta cần phải đảm bảo rằng chúng ta làm chủ được nó để chắc chắn rằng chúng ta không phải đợi thêm 50 năm nữa để thấy nó được sử dụng.

Mike Dunne là giám đốc Cơ sở Laser Trọng điểm tại Phòng thí nghiệm STFC Rutherford Appleton ở Didcot, Oxfordshire, Vương quốc Anh.


Vật lí học và Bóng đá

• Takeshi Asal, Takao Akatsuka, Steve Haake (Physics World, tháng 6/1998)

Bill Shankly, cựu quản lí của câu lạc bộ bóng đá Liverpool, từng nói: “Bóng đá không phải là cuộc sống hay cái chết. Nó còn quan trọng hơn cả thế”. Tháng này tại World Cup ở Nam Phi, hàng triệu người hâm mộ bóng đá sẽ chia sẻ cảm giác tương tự trong vài một vài tuần lễ ngắn ngủi. Rồi sự kiện ấy sẽ đi qua, và tất cả những gì còn lại sẽ là một vài lần nhắc lại trên truyền hình và sự tranh luận không ngớt về cái có thể đã xảy ra. Ở khía cạnh này của bóng đá những người hâm hộ thấy thích, thì những người khác lại không thích. Quả phạt penalty đó có đúng không? Nếu một cầu thủ nào đó không rời sân thì sao? Cục diện mùa giải sẽ thế nào nếu cú sút ấy không bị bật trúng xà ngang mà bay thẳng vào trong lưới?

Roberto Carlos của đội Brazil ghi bàn trong trận đấu với Pháp với cú sút hoàn hảo. (Ảnh: Press Association)


Nhiều người hâm hộ vẫn chưa quên cú sút do cầu thủ người Brazil Roberto Carlos thực hiện trong trận đấu ở Pháp mùa hè năm 1997. Quả bóng nằm cách khung thành đối phương chừng 30 m và hơi dịch sang phải. Carlos đá quả bóng sang phải thoạt đầu xuyên qua cách hàng rào hậu vệ ít nhất 1 m và phớt qua đứa trẻ nhặt bóng, đứng cách khung thành vài mét, đang cúi đầu xuống. Rồi, hầu như thật kì diệu, quả bóng uốn cong sang trái và đi vào góc trên phía bên phải của khung thành – trước sự sửng sốt của các cầu thủ, thủ môn và các phương tiện truyền thông.

Rõ ràng Carlos đã tập luyện cú đá này vô số lần trong các buổi tập. Anh biết bằng trực giác làm thế nào đánh lượn quả bóng bằng cách đá vào nó ở một vận tốc đặc biệt và với một chuyển động xoay đặc biệt. Tuy nhiên, có lẽ anh không biết cơ sở vật lí ẩn sau cú đá ấy.

Khí động lực học của các quả cầu thể thao

Lời giải thích đầu tiên của sự lệch theo phương ngang của một vật đang quay tròn được Rayleigh ghi nhận là công trình do nhà vật lí người Đức Gustav Magnus thực hiện vào năm 1852. Thật ra thì Magnus đã cố gắng xác định nguyên do vì sao các quả đạn pháo và đạn súng đang xoay tròn bị lệch sang một bên, nhưng lời giải thích của ông chỉ áp dụng tốt cho các quả cầu. Thật vậy, cơ chế cơ bản của một quả bóng uốn cong trên sân bóng đá hầu như giống hệt như những môn thể thao khác như bóng rỗ, golf, cricket, và tennis.

Ảnh nhìn từ trên xuống của một quả bóng đá đang xoay tròn xung quanh một trục vuông góc với dòng không khí băng qua nó. Không khí chuyển động nhanh hơn so với phần giữa quả bóng nơi ngoại vi của quả bóng đang chuyển động theo cùng chiều với dòng không khí (trái). Điều này làm giảm áp suất, theo nguyên lí Bernoulli. Áp suất tăng lên ở phía bên kia của quả bóng, nơi không khí chuyển động chậm hơn so với phần giữa của quả bóng (phải). Do đó, có một sự mất cân bằng lực, và quả bóng bị lệch theo cùng chiều như chuyển động quay – từ phía dưới bên phải sang phía trên bên trái. Lực nâng này còn gọi là “lực Magnus”, mang tên nhà vật lí người Đức thế kỉ 19 Gustav Magnus.


Xét một quả bóng đang xoay tròn xung quanh một trục vuông góc với dòng không khí băng qua nó. Không khí chuyển động nhanh hơn so với phần giữa quả bóng nơi ngoại vi của quả bóng đang chuyển động theo cùng chiều với dòng không khí (trái). Điều này làm giảm áp suất, theo nguyên lí Bernoulli. Hiệu ứng ngược lại xảy ra ở phía bên kia của quả bóng, nơi không khí chuyển động chậm hơn so với phần giữa quả bóng. Do đó có sự mất cân bằng lực và quả bỏng bị lệch – hay, như J J Thomson nói hồi năm 1910, “quả bóng đi theo cái mũi của nó”. Sự lệch theo phương ngang này của quả bóng trong chuyển động bay thường được gọi là “hiệu ứng Magnus”.

Các lực tác dụng một quả bóng xoay tròn đang bay trong không khí thường chia làm hai loại: một lực nâng và một lực kéo theo. Lực nâng hướng lên trên hoặc các lực hướng sang bên là nguyên nhân cho hiệu ứng Magnus. Lực kéo theo tác dụng theo hướng ngược lại với đường đi của quả bóng.

Chúng ta hãy tính các lực tác dụng trong một cú sút. Giả sử tốc độ của quả bóng là 25-30 ms-1 (khoảng 70 dặm/giờ) và chuyển động quay là khoảng 8-10 vòng/giây, thì lực nâng thành ra là khoảng 3,5 N. Luật thi đấu quy định rằng một quả bóng đá chuyên nghiệp phải có khối lượng 410-450 g, nghĩa là nó gia tốc khoảng 8 ms-2. Và vì quả bóng trong 1 s bay đi được 30 m trên quỹ đạo của nó, nên lực nâng có thể làm quả bóng lệch đi đến 4 m khỏi đường đi thẳng ban đầu của nó. Thế là đủ để gây rắc rối cho các tay thủ môn rồi!

Hệ số kéo theo của một quả cầu vẽ theo số Reynold – một thông số không chiều liên quan đến cả vận tốc và đường kính của quả cầu. Hệ số kéo theo giảm đột ngột khi dòng không khí tại bề mặt của quả cầu thay đổi từ chảy thành lớp sang chuyển động xoáy. Vị trí của điểm gián đoạn phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt quả cầu. Các quả bóng đá thì tương đối nhẵn và vì thế cần phải đá tương đối mạnh để thu đủ tốc độ để chuyển động trong pha xoáy.


Lực kéo theo, FD, tác dụng lên quả bóng tăng theo bình phương của vận tốc, v, giả sử rằng khối lượng riêng, ρ, của quả bóng và tiết diện của nó, A, vẫn không đổi: FD = CDρAv

2/2. Tuy nhiên, dường như “hệ số kéo theo”, CD, cũng phụ thuộc vào vận tốc của quả bóng. Thí dụ, nếu chúng ta vẽ đồ thị hệ số kéo theo theo số Reynold – một thông số không chiều bằng ρv D /µ, trong đó D là đường kính của quả cầu và µ là độ nhớt động học của không khí – chúng ta thấy lực kéo theo giảm đột ngột khi dòng không khí tại bề mặt của quả cầu đổi từ phẳng lặng và chảy thành lớp sang chuyển động xoáy.

Khi dòng không khí ở ngoài quả bóng chuyển động xoáy, thì lớp ranh giới dính vào quả bóng gần như cho đến khi không khí đã hoàn toàn đi qua khỏi quả bóng. Điều này mang lại sự phân tách muộn và một lực kéo theo nhỏ.

Khi dòng không khí chảy thành lớp và hệ số kéo theo cao, lớp ranh giới của không khí trên bề mặt của quả bóng “tách khỏi” tương đối sớm khi nó chảy qua quả bóng, tạo ra các xoáy cuộn ở phía sau nó. Tuy nhiên, khi dòng không khí chuyển động xoáy, thì lớp ranh giới bám vào quả bóng lâu hơn. Điều này mang lại sự phân tách muộn và một lực kéo theo nhỏ.

Số Reynold tại đó hệ số kéo theo giảm, do đó, phụ thuộc vào độ gồ ghề bề mặt của quả cầu. Chẳng hạn, các quả bóng golf, có lỗ khoét sâu, có độ gồ ghề bề mặt khá cao và hệ số kéo theo giảm tại một giá trị số Reynold tương đối thấp (~2 × 104). Tuy nhiên, một quả bóng đá thì nhẵn hơn quả bóng golf và sự chuyển tiếp tới hạn đó đạt được ở một giá trị số Reynold cao hơn nhiều (~4 × 105).


Sự biến thiên của lực kéo theo theo tốc độ quả cầu. Ở những tốc độ cao, lực kéo theo giảm, nghĩa là quả cầu không chậm đi nhiều như trông đợi.

Kết quả của tất cả những điều này là một quả bóng đá đang chuyển động chậm chịu một lực hãm tương đối cao. Nhưng nếu bạn có thể đá quả bóng đủ nhanh đến mức dòng không khí phía phía ngoài nó chuyển động xoáy, thì quả bóng chịu một lực hãm nhỏ. Vì thế, một quả bóng đá đang chuyển động nhanh làm tăng gấp đôi sự rắc rối cho tay thủ môn muốn bắt lấy nó – không những là quả bóng đang chuyển động ở tốc độ cao, mà nó còn không chậm lại nhiều như người ta có thể trông đợi. Có lẽ những tay thủ môn cừ khôi nhất bằng trực giác hiểu nhiều cơ sở vật lí hơn cái họ biết.

Năm 1976, Peter Bearman và các đồng nghiệp ở trường Imperial College, London, đã thực hiện một loạt thí nghiệm cổ điển trên các quả bóng golf. Họ nhận thấy việc tăng chuyển động quay trên quả bóng tạo ra một hệ số nâng cao hơn và vì thế lực Magnus lớn hơn. Tuy nhiên, việc tăng tốc độ với một chuyển động quay cho trước làm giảm hệ số nâng. Ý nghĩa mà điều này mang lại đối với một quả bóng đá là một quả bóng đang chuyển động chậm với chuyển động quay nhanh sẽ có lực sang bên lớn hơn so với một quả bóng đang chuyển động nhanh với chuyển động quay bằng như vậy. Cho nên, khi quả bóng chuyển động chậm xuống tới cuối quỹ đạo của nó, thì độ cong [quỹ đạo] trở nên rõ nét hơn.


Trở lại với Roberto Carlos

Tất cả những điều này giải thích như thế nào về cú sút của Roberto Carlos? Mặc dù chúng ta không thể chắc chắn hoàn toàn, nhưng sau đây có lẽ là lời giải thích hợp lí của cái đã diễn ra.

Carlos đã vào quả bóng với má ngoài chân trái của anh để làm cho nó quay tròn ngược chiều kim đồng hồ theo hướng anh nhìn xuống nó. Thời tiết khô ráo, nên lượng chuyển động quay mà anh trao cho quả bóng là cao, có lẽ hơn 10 vòng/giây. Việc đá nó với má ngoài bàn chân cho phép anh đá quả bóng thật mạnh, có lẽ hơn 30 ms-1. Dòng không khí phía ngoài bề mặt quả bóng bị xoáy, gây cho quả bóng một lực kéo theo tương đối thấp. Đi vào quỹ đạo của nó – có lẽ khoảng tại vạch 10 m (hoặc khoảng tại vị trí của hàng rào hậu vệ) – vận tốc của quả bóng giảm nên nó đi vào chế độ chảy thành lớp. Điều này về cơ bản làm tăng lực kéo theo tác dụng lên quả bóng, làm cho nó chậm đi nữa. Sự chậm đi này cho phép lực Magnus hướng sang bên, lực đang bẻ quả bóng về hướng khung thành, tham gia vào hiệu ứng. Giả sử lượng chuyển động quay không bị mất quá nhiều, thì hệ số kéo theo tăng lên. Điều này gây ra lực hướng sang bên còn lớn hơn nữa và làm cho quả bóng bẻ cong hơn nữa. Cuối cùng, khi quả bóng chậm lại, độ cong ấy còn rõ nét hơn (có lẽ do sự tăng hệ số nâng) cho đến khi nó chạm vào lưới khung thành – trước sự hân hoan của các nhà vật lí trong đám đông khán giả.

Nghiên cứu hiện nay về chuyển động của quả bóng đá

Có nhiều nghiên cứu về bóng đá hơn việc chỉ đơn giản nghiên cứu chuyển động của quả cầu đang bay. Các nhà nghiên cứu còn háo hức tìm hiểu xem một cầu thủ thật ra đá quả bóng như thế nào. Chẳng hạn, Stanley Plagenhof tại Đại học Massachusetts ở Mĩ đã nghiên cứu động học của cú sút – nói cách khác, bỏ qua các lực có liên quan. Các nhà nghiên cứu khác, như Elizabeth Roberts cùng các cộng sự tại Đại học Wisconsin, thì thực hiện các phân tích động lực học của cú sút, tính đến các lực có liên quan.

Những cách tiếp cận thực nghiệm này đã mang lại một số kết quả thú vị, mặc dù nhiều thách thức vẫn còn đó. Một trong những trở ngại quan trọng nhất là sự khó khăn của việc đo chuyển động vật lí của con người, một phần vì chuyển động của họ quá khó tiên đoán trước. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong việc phân tích chuyển động với sự hỗ trợ của máy tính đã thu hút nhiều sự chú ý vào khoa học thể thao, và, với sự hỗ trợ của các phương pháp khoa học mới, hiện nay người ta đã có thể thực hiện các phép đo chính xác ở mức hợp lí của chuyển động của con người.

Thí dụ, hai trong các tác giả (TA và TA) và một đội nghiên cứu tại Đại học Yamagata ở Nhật Bản đã sử dụng một phương pháp khoa học điện toán phối hợp với các phương pháp động lực học mang tính truyền thống hơn để mô phỏng cách thức các chân sút đá vào quả bóng. Những mô phỏng này đã cho phép tạo ra các cầu thủ bóng đá “ảo” thuộc những hạng khác nhau – từ những mới tập chơi và trẻ con cho đến giới chuyên nghiệp – để chơi trong không gian và thời gian ảo trên máy tính. Các nhà sản xuất dụng cụ thể thao, như ASICS Corporation, hãng tài trợ cho dự án Yamagata, cũng thấy hứng thú với công việc đó. Họ hi vọng sử dụng các kết quả để thiết kế ra những dụng cụ thể thao an toàn hơn và hiệu quả hơn có thể hoạt động nhanh hơn và kinh tế hơn so với các sản phẩm hiện có.


Các nhà nghiên cứu tại Đại học Yamagata ở Nhật Bản đã sử dụng phép phân tích phần tử hữu hạn để mô phỏng cách thức người ta đá bóng. Minh họa này thể hiện sự biến dạng trên chân và trên quả bóng, biến đổi từ màu hồng (thấp nhất) sang màu xanh lam, xanh lục và vàng rồi đến đỏ (cao nhất). Những nghiên cứu này xác nhận những cái đa số các cầu thủ đều biết. Nếu bạn đá quả bóng hơi lệch tâm một chút với má trước bàn chân của bạn – và với mắt cá chân của bạn uốn cong thành hình chữ “L” – thì quả bóng sẽ uốn cong trong khi bay. Điều này làm cho lực đặt vào tác dụng như một mômen quay, làm cho quả bóng xoay tròn, cho phép hiệu ứng Magnus tham gia vào cuộc chơi.

Chuyển động của các cầu thủ được theo dõi bằng video tốc độ cao 4500 khung hình/giây, và tác dụng của bàn chân lên quả bóng khi đó được nghiên cứu với phương pháp phân tích phần tử hữu hạn. Các thí nghiệm ban đầu chứng tỏ cái đa số các cầu thủ đều biết: nếu bạn đá quả bóng thẳng hướng với mu bàn chân của bạn sao cho bàn chân chạm vào quả bóng theo hướng xuyên tâm hấp dẫn của quả bóng, thì quả bóng bay đi theo đường thẳng. Tuy nhiên, nếu bạn đá quả bóng với má trước chân của bạn và với góc giữa chân bạn và quả bóng là 90o, thì nó sẽ bay theo đường cong. Trong trường hợp này, tác dụng là lệch tâm. Điều này làm cho lực đặt vào tác dụng như một mômen quay, vì thế làm cho quả bóng xoay tròn.

Các kết quả thực nghiệm cũng chứng tỏ rằng chuyển động xoay tròn mà quả bóng thu được liên quan chặt chẽ với hệ số ma sát giữa bàn chân và quả bóng, và với khoảng cách thẳng góc [cánh tay đòn] giữa chân và tâm hấp dẫn của quả bóng. Mô hình phần tử hữu hạn của tác dụng của bàn chân lên quả bóng, viết bằng phần mềm DYTRAN và PATRAN của tập đoàn MacNeal Schwendler, được sử dụng để phân tích những sự kiện này bằng phương pháp số. Nghiên cứu này cho thấy sự tăng hệ số ma sát giữa quả bóng và bàn chân làm cho quả bóng thu nhiều chuyển động quay hơn. Cũng sẽ có chuyển động quay nhiều hơn nếu điểm đặt của lực tính theo phương vuông góc càng xa tâm hấp dẫn của quả bóng. Hai hiệu ứng thú vị khác cũng được quan sát thấy. Thứ nhất, nếu khoảng cách tính theo phương vuông góc tăng lên, thì bàn chân chạm vào quả bóng trong một thời gian ngắn hơn và trên một diện tích nhỏ hơn, làm cho chuyển động quay lẫn vận tốc của quả bóng chậm đi. Do


đó, có một nơi tối ưu để đá vào quả bóng nếu bạn muốn chuyển động quay cực đại: nếu bạn đá vào quả bóng quá gần hoặc quá xa tâm hấp dẫn của nó, thì nó sẽ không thu được chút chuyển động quay nào hết.

Hiệu ứng thú vị còn lại là cho dù hệ số ma sát bằng không, thì quả bóng vẫn thu được một ít chuyển động quay nếu bạn đá vào nó với cánh tay đòn của lực đá khác không. Mặc dù trong trường hợp này không có lực tiếp tuyến song song với chu vi của quả bóng (vì hệ số ma sát bằng không), tuy nhiên quả bóng bị biến dạng về phía tâm của nó, làm cho một phần lực tác dụng đâu đó tại tâm hấp dẫn của nó. Vì thế, có thể làm xoay tròn một quả bóng đá trong một ngày mưa, mặc dù chuyển động quay đó sẽ kém hơn nhiều so với khi thời tiết khô ráo.

Tất nhiên, phân tích trên có một vài hạn chế. Không khí phía bên ngoài quả bóng đã bị bỏ qua, và đã giả sử rằng không khí bên trong quả bóng hành xử theo một mô hình dòng chất lưu nhớt, nén được. Trên lí tưởng thì cả không khí bên trong lẫn bên ngoài quả bóng phải được tính đến, và hệ số nhớt mô phỏng bằng các phương trình Navier-Stokes. Cũng đã giả sử rằng bàn chân là đồng đều, khi hiển nhiên rằng một bàn chân thực tế thì phức tạp hơn nhiều. Mặc dù không thể tạo ra một mô hình hoàn hảo để đưa mỗi yếu tố vào tính toán, nhưng mô hình này thật sự bao gồm những đặc điểm quan trọng nhất.

Nhìn về tương lai, hai trong số chúng ta (TA và TA) còn có kế hoạch nghiên cứu tác dụng của các loại giày tất khác nhau đối với việc đá vào quả bóng. Đồng thời, ASICS đang kết hợp các mô phỏng phần tử hữu hạn Yamagata với cơ sinh học, sinh lí học và khoa học vật liệu để thiết kế ra các loại giày bóng đá. Tuy nhiên, điều tối hậu là người cầu thủ mới gây ra sự khác biệt – và không có năng lực thì công nghệ cũng là vô dụng.

Tiếng còi chung cuộc

Vậy chúng ta có thể học được những gì từ Roberto Carlos? Nếu bạn đá vào quả bóng đủ mạnh cho dòng không khí bên ngoài bề mặt trở thành xoáy, thì lực kéo theo vẫn nhỏ và quả bóng sẽ thật sự bay đi. Nếu bạn muốn quả bóng bay theo đường cong, thì hãy cấp cho nó nhiều chuyển động quay bằng cách đá vào nó lệch tâm. Yêu cầu dễ thực hiện vào một ngày khô ráo hơn là một ngày ẩm ướt, nhưng vẫn có thể thực hiện bất kể thời tiết. Quả bóng sẽ chuyển động cong nhiều nhất khi nó chuyển động chậm dần vào chế độ chảy thành lớp, nên bạn cần phải tập luyện để đảm bảo rằng sự chuyển tiếp này xảy ra ở đúng chỗ thích hợp – thí dụ, ngay sau khi quả bóng đi qua hàng rào hậu vệ. Nếu thời tiết ẩm ướt, bạn vẫn có thể làm cho quả bóng xoay, nhưng tốt hơn bạn nên giữ cho quả bóng (và đôi giày của bạn) khô ráo.

Các đây gần 90 năm trước, J J Thomson đã thuyết giảng tại Viện Hoàng gia ở London về động lực học của các quả bóng golf. Ông được trích dẫn đã nói như sau: “Nếu chúng ta có thể chấp nhận những lời giải thích của hành vi của quả bóng do nhiều người đóng góp mang lại cho kho tài liệu rất đồ sộ đã được sưu tập về trò chơi này... thì tôi sẽ trình bày trước quý vị trong buổi tối hôm nay một cơ sở động lực học mới, và thông báo rằng vật chất, khi cấu tạo nên các quả bóng [golf] tuân theo các định luật của một đối tượng hoàn toàn khác với các đối tượng chi phối hoạt động của nó trong bất kì điều kiện nào khác”. Trong bóng đá, ít nhất, chúng ta có thể chắc chắn rằng mọi thứ đã diễn ra hợp quy luật khoa học.


• Takeshi Asal, Takao Akatsuka (Khoa Kĩ thuật, Đại học Yamagata, Nhật Bản). Steve Haake (Đại học Sheffield Hallam, Vương quốc Anh).

Tham khảo

C B Daish 1972 The Physics of Ball Games (The English University Press, London) S J Haake (ed) 1996 The Engineering of Sport (A A Balkema, Rotterdam) R D Mehta 1985 Aerodynamics of sports balls Ann. Rev. Fluid Mech. 17 151–189

• Trần Nghiêm dịch (theo Physics World, tháng 6/1998)


Hành vi của bạn chẳng có gì bí hiểm

• Albert-László Barabási (Physics World, tháng 6/2010)

Bất chấp sự gượng ép chúng ta nghĩ chúng ta thể hiện ra bên ngoài, hành vi của chúng ta thật sự dễ tiên đoán hơn nhiều so với cái chúng ta muốn thừa nhận. Trong quyển sách mới xuất bản mang tên Bùng nổ, được tóm tắt và biên tập lại ở đây, Albert-László Barabási cho biết sự ngẫu nhiên không có vai trò gì trong cuộc sống của chúng ta, ngược hẳn với cái các nhà khoa học trước nay vẫn nghĩ.

Điều gì xảy ra khi chúng ta đối mặt với quá nhiều thứ để làm trong khi không có đủ thời gian? (Ảnh: Photolibrary)

Khi điều đó xảy ra với các hành động của những người bạn đồng chí của chúng ta, thì chuỗi sự kiện chúng ta chứng kiến trong một ngày thường nhật có vẻ bí ẩn và khó hiểu như chuyển động của các vì sao nhìn qua con mắt của một vị khách thời thế kỉ thứ 15. Vào những lúc khác, mặc dù chúng ta tự do đưa ra các quyết định của riêng mình, nhưng phần lớn cuộc sống của chúng ta dường như đã lập trình tự động. Xã hội của chúng ta đã phát triển từ những thời kì thịnh vượng cho đến những thời kì khát vọng, từ chiến tranh đến hòa bình và rồi trở lại chiến tranh. Nó khiến người ta tự hỏi không biết con người có tuân theo các định luật tiềm ẩn nào nữa khác hay không, ngoài những thứ mà người ta đã biết. Có phải các hành động của chúng ta bị chi phối bởi các quy luật và cơ chế có thể, ở dạng đơn giản của chúng, phù hợp với sức mạnh tiên đoán của định luật hấp dẫn Newton? Lạy trời, chúng ta có thể tiến bao xa trong việc dự báo hành vi con người?


Cho đến thời gian gần đây, chúng ta chỉ mới có một câu trả lời cho mỗi câu hỏi này: chúng ta không biết. Kết quả là ngày nay chúng ta biết nhiều về Mộc tinh hơn là biết về hành vi của nhân vật sống kế cận cửa nhà mình. Nhưng bây giờ chúng ta có thể truy xuất các bản ghi dạng số của hành vi con người mà chúng ta có thể sử dụng để kiểm tra các mô hình. Hầu như mọi thứ chúng ta làm đều để lại những mẩu vụn bánh mì trong một số cơ sở dữ liệu, có thể đó là thư điện tử hay thời gian nói chuyện điện thoại của chúng ta. Sự tồn tại của những bản ghi này làm phát sinh thêm các vấn đề đời tư, nhưng nó còn tạo ra một cơ hội lịch sử. Nó mang lại sự chi tiết không gì sánh bằng về hành vi không chỉ của một người, mà của hàng triệu cá nhân.

Trước đây, nếu bạn muốn hiểu con người làm gì và tại sao họ làm thế, bạn phải trở thành một nhà triết học có đeo thẻ. Ngày nay, bạn có thể lấy bằng cấp vật lí hoặc khoa học máy tính trước: qua phân tích dạng số của dữ liệu, các nhà khoa học nhận thấy nhiều khía cạnh của hành vi con người tuân theo những khuôn mẫu đơn giản, sinh sôi, bị chi phối bởi các quy luật có tầm bao quát rộng. Hãy quên đi các con xúc xắc hay các hộp sôcôla là những ẩn dụ cho cuộc sống. Hãy nghĩ về chính bản thân bạn như một con rô bôt ước mơ được lập trình tự động, và bạn sẽ tiến gần hơn nhiều đến với sự thật đấy.

Vậy bạn nghĩ bạn là ngẫu nhiên ư?

Nghiên cứu của tôi về đề tài này thật ra đã bắt đầu vào mùa xuân năm 2004, khi tôi có diễm phúc được truy xuất một cơ sở dữ liệu dạng số mà với nó tôi có thể kiểm tra một số mô hình. Nó là một bản ghi ẩn danh các bức email gửi đi bởi hàng nghìn sinh viên, viên chức và quản trị viên các trường đại học. Nếu kiểu hành vi của họ là ngẫu nhiên, thì thời gian giữa những bức email liên tiếp được gửi đi bởi cùng một cá nhân sẽ phù hợp với một quá trình Poisson, nó chẳng gì hơn là một chuỗi những sự kiện thật sự ngẫu nhiên. Nhưng hóa ra không có email của một người nào tuân theo một quá trình Poisson ngẫu nhiên, đồng tiền sấp ngữa. Thay vào đó, kiểu email của mỗi người dùng là “bùng phát” – một tiếng sấm email theo sau đó là những khoảng thời gian dài im lặng. Những sai lệch như vậy khỏi một kiểu thuần túy ngẫu nhiên mang lại bằng chứng của một quy luật hay kiểu mẫu sâu sắc hơn.

Thoạt nhìn, chúng ta sẽ không trông đợi kiểu email của mình thể hiện bất kì sự giống nhau nào. Một số người chỉ gửi một vài email một tuần; những người khác thì gần một trăm email mỗi ngày; một số gửi đi một email mỗi ngày. Tuy nhiên, một số người thì ăn ngủ cùng với máy tính của họ. Đây là lí do vì sao thật bất ngờ, khi nó xảy ra với email, mọi người dường như tuân theo một kiểu mẫu giống hệt nhau. Thật vậy, nhìn vào thời gian giữa những lần email, không ai tuân theo một phân bố Poisson hết. Thay vào đó, bất kể là người nào, hành vi của họ tuân theo cái chúng ta gọi là một “định luật hàm mũ”.

Một khi các định luật hàm mũ có mặt, thì các bùng phát là không thể tránh khỏi. Thật vậy, một định luật hàm mũ tiên đoán rằng đa số các email gửi đi trong vòng một vài phút của một người, xuất hiện dưới dạng một sự bùng phát hoạt động trong kiểu gửi email của chúng ta. Nhưng định luật hàm mũ đó cũng thấy trước hàng giờ hay thậm chí hàng ngày im lặng email. Sau cùng, các kiểu gửi email của chúng ta tuân theo một sự điều hòa nội, trong đó những sự trì hoãn ngắn hạn và dài hạn hòa lẫn thành một định luật chính xác – một định luật có lẽ bạn chưa bao giờ ngờ tới mình là đối tượng của nó, nên bạn chưa bao giờ cố gắng tuân theo, và có khả năng nhất là bạn chưa bao giờ biến đến sự tồn tại của nó.


Hồi giữa năm 2004, các đồng nghiệp và tôi đã quan sát thấy một loạt sự tương tự đến khó hiểu giữa các sự kiện có bản chất hơi khác nhau, thấy các bùng phát và các định luật hàm mũ mỗi khi chúng ta theo dõi hành vi con người. Có những sự giống nhau không giải thích được giữa các kiểu gửi email, duyệt web, và gửi lệnh đến máy in đòi hỏi một lời giải thích. Trong phần còn lại của mùa hè năm ấy, tôi tự nhủ bản thân mình rằng phải có một giải thích đơn giản cho tất cả những điều này. Nhưng việc khảo sát không ngừng nghỉ của tôi chẳng mang lại kết quả gì.

Tối hôm 2 tháng 7, 2004, tôi lên giường ngủ sớm, biết rằng tôi sẽ thức dậy trước lúc bình minh buổi sáng tiếp theo để đi dự một hội nghị ở Bangalore. Nhưng, niềm hân hoan trước chuyến đi đầu tiên của tôi đến đất nước Ấn Độ khiến tôi thao thức cả đêm không ngủ được. Và giữa lúc tranh tối tranh sáng trí tuệ ấy, không phải đã ngủ cũng chẳng phải thật sự thức, tôi đột ngột bị đánh thức bởi một giải thích đơn giản cho các bùng phát bắt gặp khắp nơi đã nói.

Xác lập các ưu tiên

Ngày hôm sau, tôi trở lại với suy tưởng của đêm hôm trước. Ý tưởng lúc nửa tỉnh nửa mê của tôi có một tiền đề đơn giản: chúng ta luôn luôn có một số việc để làm. Một số người sử dụng danh sách việc-phải-làm để giữ hướng trách nhiệm của mình, còn những người khác thì hoàn toàn thoải mái giữ mình trong đầu. Nhưng cho dù bạn lần theo công việc của mình như thế nào đi nữa, thì bạn luôn luôn cần quyết định xem việc tiếp theo là cái gì. Câu hỏi là, chúng ta làm điều đó như thế nào?

Một khả năng là luôn luôn tập trung vào công việc xuất hiện trước trong danh sách của bạn. Các nhân viên phục vụ quán ăn, nhân viên giao bánh pizza, nhân viên trung tâm dịch vụ điện thoại – nói chung là những người làm việc trong ngành công nghiệp dịch vụ, luôn thực hiện chiến lược ưu-tiên-người-đến-trước này. Đa số chúng ta sẽ cảm thấy sự bất công ghê gớm nếu ngân hàng, bác sĩ hoặc siêu thị của chúng ta trao quyền ưu tiên cho khách hàng đến sau chúng ta. Một khả năng khác là làm các công việc theo bậc quan trọng của chúng. Nói cách khác, đó là dành ưu tiên.

Ý tưởng tôi có được trong buổi tối tháng 7 ấy thật sự đơn giản: sự bùng phát có thể có căn nguyên ở quá trình xác lập các ưu tiên. Lấy thí dụ, Izabella, người có sáu công việc trong danh sách ưu tiên của cô. Cô chọn ra một công việc có độ ưu tiên cao nhất và giải quyết nó. Lúc ấy, cô có thể nhớ đến một công việc khác và thêm nó vào danh sách của cô. Trong ngày, cô có thể lặp lại quá trình này vô số lần, luôn luôn tập trung vào công việc có mức ưu tiên cao nhất và thay nó bằng một số công việc khác một khi nó đã được giải quyết xong. Câu hỏi tôi muốn trả lời là như thế này: nếu một trong các công việc trong danh sách của Izabella là gọi điện phản hồi cho bạn, thì bạn sẽ phải chờ bao lâu thì điện thoại của mình mới reo?

Nếu Izabella chọn giao thức ưu-tiên-người-đến-trước, thì bạn sẽ phải chờ cô ta thực hiện xong mọi công việc được xếp ưu tiên trước bạn. Chí ít thì bạn cũng biết rằng bạn sẽ được xét đến một cách công bằng – tất cả những đối tượng khác trong danh sách của cô ta sẽ chờ đại khái trong lượng thời gian ngang nhau.

Nhưng nếu Izabella chọn lựa công việc theo tầm quan trọng, thì sự công bằng đột ngột biến mất. Nếu cô ta quy cho tin nhắn của bạn một sự ưu tiên cao, thì điện thoại của bạn sẽ reo chẳng bao lâu sau đó. Tuy nhiên, nếu Izabella quyết định việc gọi cho bạn không phải là ưu tiên số một trong danh sách của cô ta, thì bạn sẽ phải chờ cho đến khi cô tả giải quyết xong toàn bộ những công việc


có tính cấp thiết cao hơn. Khi những công việc ưu tiên cao có thể được thêm vào danh sách của cô bất kể lúc nào, thì bạn có thể phải chờ thêm một ngày nữa trước khi nghe giọng oanh vàng từ cô ta. Hoặc có thể là một tuần. Hoặc cô ta sẽ chẳng bao giờ gọi cho bạn hết.

Một khi tôi lập mô hình ưu tiên này thành một chương trình máy tính, thì trước sự hài lòng của tôi, bất ngờ quy luật hàm mũ như mong muốn – dấu hiệu toán học của sự bùng phát – xuất hiện trên màn hình của tôi. Mô hình trên gồm một danh sách các công việc, mỗi công việc được gán ngẫu nhiên một độ ưu tiên nào đó. Rồi tôi cho lặp lại các bước say đây vô hạn lần: (a) Tôi chọn ra công việc ưu tiên cao nhất và loại nó khỏi danh sách, bắt chước thói quen thật mà tôi có khi xử lí một công việc; (b) Tôi thay công việc đã loại ra bằng một công việc mới, gán ngẫu nhiên cho nó một độ ưu tiên, bắt chước thực tế tôi không biết tầm quan trọng của công việc tiếp theo nằm trong danh sách của mình. Câu hỏi tôi nêu ra là, một công việc sẽ nằm lại bao lâu trong danh sách của tôi trước khi nó bị loại ra?

Khi các công việc ưu tiên cao được giải quyết nhanh chóng, thì danh sách trở nên đông đảo những công việc ưu tiên thấp. Điều này có nghĩa là những công việc mới thường thế chỗ nhiều công việc ưu tiên thấp bị kẹt ở cuối danh sách và vì thế bị loại ra ngay tức thì. Do đó, các công việc có ưu tiên thấp phải chờ thời gian lâu. Sau khi tôi đo xem mỗi công việc chờ bao lâu trên danh sách trước khi bị loại ra, tôi tìm thấy định luật hàm mũ đã quan sát thấy trước đây trong việc gửi mỗi email, duyệt web và in các bộ dữ liệu. Tin nhắn của mô hình thật đơn giản: nếu chúng ta xác lập các ưu tiên, thì thời gian phản ứng của chúng ta trở nên khá không đồng đều, nghĩa là đa số các công việc bị loại ra nhanh chóng còn một vài công việc phải chờ gần như mãi mãi trong danh sách của chúng ta. Có lần tôi thấy một bức tranh hoạt họa New Yorker mô tả sự đa cảm này: một thương nhân kiểm tra nhật kí của mình và từ tốn nói vào điện thoại của mình: “Không, thứ năm không được. Chắc chẳng bao giờ tới lượt anh đâu nhé?”

Thư con rùa và thư điện tử

Sau khi cho công bố mô hình ưu tiên trên, tôi bắt đầu tự hỏi không biết kiểu bùng phát có phải là sản phẩm của kỉ nguyên điện tử hay có lẽ nó tiết lộ một số sự thật sâu sắc về hành vi con người. Tất cả những thí dụ chúng tôi đã nghiên cứu cho đến bấy giờ - từ gửi email cho đến duyệt web – bằng cách nào đó liên quan với máy tính, làm tăng thêm câu hỏi lôgic là các bùng phát có trước sự gửi email hay không.

Tôi sớm nhận ra rằng sự trao đổi thư từ của các nhà trí thức nổi tiếng, được sưu tập cẩn thận bởi các môn đồ tận tụy của họ, có thể mang câu trả lời cho câu hỏi này. Một tìm kiếm trực tuyến hướng tôi đến với Phòng trưng bày Albert Einstein, một dự án đặt tại Đại học Hebrew Jerusalem tìm cách phân danh mục toàn bộ thư từ của Einstein. Einstein để lại khoảng 14.500 bức thư ông đã viết và hơn 16.000 bức thư ông đã nhận. Tính trung bình có hơn một bức thư được viết trên ngày, kể cả cuối tuần, trong suốt quãng đời trưởng thành của ông. Mặc dù con số thật ấn tượng, nhưng không phải khối lượng thư từ của ông là cái khêu gợi sự hứng thú của tôi. Theo tinh thần của mô hình ưu tiên, tôi muốn tìm xem Einstein chờ đợi bao lâu trước khi ông trả lời các bức thư mà ông nhận được.


Cách thức Albert Einstein xử lí khối lượng lớn thư từ gửi đến cho ông mang lại cho chúng ta cái nhìn vào cách thức tất cả chúng ta xử lí các công việc. Trên đây là một ảnh chụp mới phát hiện ra của bàn làm việc của Einstein tại Đại học Princeton, chụp vào hôm ông qua đời. (Ảnh: Time & Life Pictures/Getty Images)

João Gama Oliveira, một sinh viên vật lí người Bồ Đào Nha, đến thăm nhóm nghiên cứu của tôi theo học bổng tài trợ, là người đầu tiên người dữ liệu trên. Phân tích của anh ta cho thấy kiểu hồi âm của Einstein không khác cho lắm với kiểu email của chúng ta: ông hồi âm đa số các bức thư ngay tức thì, nghĩa là trong vòng một hoặc hai ngày. Tuy nhiên, một số bức thư phải chờ hàng tháng, thỉnh thoảng hàng năm, trên bàn làm việc của ông trước khi ông có thời gian đặt bút viết hồi âm. Thật thú vị, kết quả của Oliveira cho thấy sự phân bố thời gian hồi âm của Einstein tuân theo một định luật hàm mũ, giống với thời gian hồi âm chúng tôi đã quan sát thấy trước đó với việc gửi email.

Nhưng không chỉ riêng thư từ của Einstein tuân theo khuôn mẫu trên. Từ Dự án Thư từ Darwin, lưu giữ bởi Đại học Cambridge ở Anh, chúng tôi thu được một bản ghi đầy đủ các bức thư của Darwin. Biết rằng Darwin vốn kĩ tính luôn giữ các bản sao của từng bức thư do ông viết hoặc nhận, nên bản ghi của ông đặc biệt chính xác. Phân tích cho thấy ông cũng hồi âm ngay tức thì cho đa số các bức thư và chỉ hoãn gửi một vài thư ít ỏi thôi. Nói chung, thời gian hồi âm của Darwin tuân theo chính xác định luật hàm mũ như trường hợp Einstein.

Thực tế các bản ghi chép của hai trí tuệ kiệt xuất thuộc những thế hệ khác nhau (Einstein sinh ra 3 năm trước khi Darwin qua đời) sống ở những đất nước khác nhau tuân theo một cùng định luật ngụ ý rằng chúng tôi không chỉ nhìn vào khí chất của một cá nhân đặc biệt nào mà vào một kiểu mẫu cơ bản của sự giao lưu thông tin thời kì tiền-điện tử. Nó cũng có nghĩa là hoàn toàn không liên quan chuyện tin nhắn của chúng ta truyền đi trên Internet ở tốc độ ánh sáng hay mang đi từ từ băng qua đại dương trên những con tàu chạy hơi nước. Vấn đề là, dẫu trong thời kì nào, chúng ta luôn luôn đối


mặt trước sự thiếu hụt thời gian. Chúng ta buộc phải xác lập các ưu tiên – ngay cả những nhân vật lỗi lạc, như Einstein và Darwin, cũng không ngoại lệ - từ đó sự trì hoãn, các bùng phát và các định luật hàm mũ cùng nhau xuất hiện.

Nhưng vẫn có một sự khác biệt kì lạ giữa email và trao đổi thư từ: số mũ, tham số quan trọng đặc trưng cho bất kì định luật hàm mũ nào, là khác nhau đối với hai bộ dữ liệu. Hóa ra trong định luật hàm mũ P(τ) ~ τ–δ, định luật mô tả xác suất P(τ) một tin nhắn chờ trong τ ngày để được hồi âm, số mũ là δ = 1 đối với email và δ = 3/2 đối với quan hệ thư từ của Einstein lẫn Darwin. Sự khác biệt này có nghĩa là thời gian chờ đợi email ngắn hơn thời gian chờ đợi thư từ - một kết quả không có gì bất ngờ vì chúng ta đã quen thuộc với kỉ nguyên truyền thông điện tử rồi.

Tuy nhiên, sự thật là sự khác biệt đó không thể nào gán cho thời gian khác nhau để cho thư từ và email được phát tận nơi người nhận. Nghiên cứu nhiều thập niên qua cho chúng tôi biết rằng số mũ đặc trưng cho một định luật hàm mũ không thể có những giá trị tùy ý nhưng có sự liên hệ kì cục với cơ chế ẩn sau tiến trình cơ bản này. Nghĩa là, nếu một định luật hàm mũ mô tả hai hiện tượng nhưng các số mũ khác nhau, thì phải có một số sự khác biệt cơ bản giữa các cơ chế chi phối hai hệ thống. Do đó, sự không thống nhất ở trên có nghĩa là cần có một mô hình mới nếu chúng ta hi vọng giải thích được các kiểu viết thư của Einstein và của Darwin.

Một chồng thư từ

Trong mô hình ưu tiên của chúng tôi, chúng tôi giả sử rằng ngay khi công việc thuộc dạng ưu tiên cao nhất đã được giải quyết, thì một công việc mới thuộc mức ưu tiên ngẫu nhiên chiếm chỗ của nó. Để nhận được một mô hình chính xác của quan hệ thư từ của Einstein, chúng tôi cần sửa đổi mô hình, đưa vào các nét đặc biệt của sự trao đổi thông tin qua thư từ. Với thư con rùa, mỗi ngày một số lượng thư từ nhất định đưa đến qua bưu điện, xếp vào chồng thư đang chờ hồi âm. Và cứ thế, hễ khi nào thời gian cho phép, Einstein chọn từ chồng thư ra những lá thư ông xem là quan trọng nhất và hồi âm cho chúng, giữ phần còn lại sang một ngày khác. Cho nên, một mô hình của sự trao đổi thư từ của Einstein có hai thành phần đơn giản. Thứ nhất là xác suất mà những lá thư nằm trên bàn làm việc của Einstein được ông gán cho một mức ưu tiên nào đó, cái chúng tôi sẽ gọi là tốc độ đến. (Những lá thư này làm tăng chiều dài chồng thư của ông, khác với mô hình email trước của chúng tôi có một độ dài chờ cố định). Thành phần thứ hai trong mô hình là xác suất để ông chọn lá thư ưu tiên cao nhất và hồi âm cho nó, cái chúng tôi sẽ gọi là tốc độ hồi âm.

Nếu tốc độ hồi âm của Einstein nhanh hơn tốc độ đến của các bức thư, thì bàn làm việc của ông gần như trống không, vì ông có thể hồi âm cho đa số các bức thư ngay khi chúng vừa đến. Trong chế độ “dưới tới hạn” này, mô hình cho biết thời gian hồi âm của Einstein tuân theo một phân bố hàm mũ, không có những khoảng trễ kéo dài và rõ ràng không phù hợp với định luật lũy thừa đã quan sát thấy.

Tuy nhiên, nếu Einstein hồi âm ở tốc độ chậm hơn tốc độ các bức thư được gửi đến, thì chồng thư trên bàn của ông chất cao dần với mỗi ngày trôi qua. Thật thú vị, chỉ trong chế độ “siêu tới hạn” này thì thời gian hồi âm mới tuân theo một định luật hàm mũ. Như vậy, sự bùng phát là một dấu hiệu cho biết Einstein bị vùi trong chồng thư và buộc phải bỏ qua một tỉ lệ tăng dần của các bức thư mà ông nhận được.


Số liệu lịch sử cho thấy (trái) số bức thư mà Einstein gửi đi (màu lục) và nhận (màu lam) mỗi năm. Sự giảm bất thường trong quan hệ thư từ của Einstein đánh dấu thời kì Thế chiến thứ hai (1939-1945). Sự phân bố của thời gian Einstein hồi âm cho các bức thư (phải) gần đúng với một định luật hàm mũ có số mũ δ = 3/2.

Einstein và Kaluza

Hiện tượng bùng phát, và các hệ quả của nó, rõ ràng được minh họa bởi quan hệ thư từ của Einstein với nhà lí thuyết Theodor Kaluza. Mùa xuân năm 1919, Einstein nhận được một lá thư từ Kaluza, khi đó chưa có tên tuổi, người vẫn làm việc cật lực để lặp lại sự bùng phát sáng tạo ông đã yêu thích hồi năm 1908. Lúc ấy, là sinh viên của David Hilbert và Hermann Minkowski, ông đã viết bài báo nghiên cứu đầu tiên và duy nhất của mình. Lúc này, một thập niên sau và ở tuổi 34, ông vẫn còn ở nấc thấp nhất của chiếc thang hàn lâm tại Đại học Königsberg, Đức, cố gắng nuôi vợ nuôi con với đồng lương thực tế không sống nổi. Sau cùng, khi ông hoàn thành bài báo thứ hai của mình, một động cơ táo bạo đã xui khiến ông gửi nó cho Einstein, nhận được hồi âm khích lệ này vào ngày 21/04/1919: “Ý tưởng các điện trường bị xén bớt... cũng thường khiến tôi bận tâm. Nhưng ý tưởng thu được điều này với một thế giới trụ năm chiều chưa từng xuất hiện với tôi và có lẽ hoàn toàn mới mẻ”.

Lá thư của Kaluza đến nhà khoa học vĩ đại không dừng lại ở một cử chỉ nhã nhặn – ông nhờ Einstein giúp đỡ công bố bản thảo đó. Vào thời ấy, các nhà khoa học nổi tiếng như Einstein là những gác cổng cho những tạp chí khoa học tiên tiến. Nếu Einstein nhận thấy bài bào đó hấp dẫn, thì ông có thể giới thiệu nó tại cuộc họp của Viện Hàn lâm Berlin, sau đó nó có thể được đăng trong tập san của viện. Trước sự hân hoan của Kaluza, Einstein sẵn lòng giúp đỡ.

Rồi, một tuần sau, vào ngày 28/04, Einstein viết lá thư thứ hai cho Kaluza. Vừa khích lệ, Einstein vừa thận trọng cảnh giác. Ông sẽ mở cánh cửa hàn lâm cho Kaluza với một điều kiện: “Tôi có thể giới thiệu một phiên bản tóm tắt trước viện chỉ khi câu hỏi trên được làm sáng tỏ. Anh không giữ kẽ với tôi nhé, vì khi giới thiệu bài báo, tôi gắn tên tôi cho nó”.

Hãy tưởng tượng cảm giác của Kaluza sau khi nhận hai lá thư trong nhiều tuần từ con người được xem là nhà vật lí có sức ảnh hưởng nhất đang còn sống. Cả hai lá thư đều mang tính khích lệ, và rất ít có khả năng Einstein bực mình khi viết thư hai lần cho thấy ông thật sự nghiêm túc xem xét ý tưởng của nhà vật lí không tên tuổi kia. Nhưng các lá thư là một diễm phúc hỗn tạp và cuối cùng đã ngăn cản việc công bố bài báo hàng năm trời.


Trong hồi âm của ông ngày 01/05/1919, Kaluza đã nhanh chóng xua tan các lo ngại của Einstein, xin trích dẫn thêm một lá thư nữa từ Einstein ngày 05/05: “Đồng nghiệp thân mến, tôi rất sẵn lòng trình bày một đoạn trích bài báo của anh trước Viện Hàn lâm Sitzungsberichte. Đồng thời, tôi muốn khuyên anh nên công bố bản thảo anh đã gửi cho tôi với một tạp chí nào đó, thí dụ như tờ Mathematische Zeitschrift hoặc Annalen der Physik. Tôi sẵn lòng đăng kí nó với tên của anh hễ như anh muốn và viết một vài dòng giới thiệu về nó”.

Sự trao đổi thư từ giữa Albert Einstein và Theodor Kaluza (ảnh) về khả năng của một chiều thứ năm làm rõ hiện tượng bùng phát. (Ảnh: Science Photo Library)

Cái gì khiến Einstein thay đổi quan điểm của ông đột ngột như vậy? Lá thư của ông mang lại một gợi ý: “Hiện tại tôi tin rằng, từ quan điểm của các thí nghiệm tương đối tính, lí thuyết của anh chẳng gì đáng ngại”. Kaluza chẳng thể hi vọng một kết quả nào tốt hơn nữa. Einstein, nổi tiếng với sự truy vấn không ngừng để đương đầu trước mọi phát triển toán học đi cùng với thực tại, đã đồng ý với kết luận của ông rằng thế giới của chúng ta là năm chiều.

Được sự khích lệ của Einstein, Kaluza nhanh chóng thực hiện các thay đổi như yêu cầu và gửi trả một phiên bản tóm tắt của bài báo, thích hợp cho việc trình bày tại viện hàn lâm. Trường hợp của ông giờ trông thật sáng sủa – ông đã nhận bốn lá thư trong chưa tới bốn tuần, cho thấy nhà vật lí nổi tiếng đã gán cho ông một sự ưu tiên cao bất thường. Nhưng rồi, trong một lá thư đề ngày 14/05/1919, Einstein bất ngờ đáp lại những lời lạnh nhạt. “Đồng nghiệp kính mến”, ông viết, “tôi vừa nhận được bản thảo của anh cho viện hàn lâm. Tuy nhiên, hiện nay, dựa trên sự phản ánh thận trọng hơn về các hệ quả của cách giải thích của anh, tôi vấp phải một khó khăn nữa, mà với nó tôi không thể giải quyết được”. Sau đó, Einstein trình bày cụ thể các quan ngại của ông, rồi kết luận


rằng “Có lẽ anh sẽ tìm ra một cách giải quyết vấn đề này. Trong bất cứ trường hợp nào, tôi đang chờ sự đệ trình bài báo của anh cho đến khi chúng ta đi đến một số giải pháp về điểm này”.

Kaluza thực hiện một nỗ lực cuối cùng là thuyết phục Einstein về giá trị của cách tiếp cận của ông, thậm chí dám vạch ra một sai sót trong các lập luận của Einstein. Kết quả là một hồi âm dứt khoát từ phía Einstein hôm 29/05/1919 trong đó Einstein lịch sự bảo Kaluza rằng ông không thể ủng hộ các ý tưởng của Kaluza vì vẫn còn có sự e dè, ông sẽ sẵn lòng viết một vài từ tốt đẹp nếu Kaluza muốn công bố các kết quả của mình từ trước đến giờ. Mặc dù lời lẽ lịch sự, nhưng sự từ chối đã rõ ràng, và chúng ta biết không còn có sự trao đổi nào nữa giữa Einstein và Kaluza trong năm đó hoặc năm tiếp theo – và không phải vì bài báo của Kaluza đã công bố. Trái lại, các e ngại của Einstein gửi một tin nhắn đáng tin cậy đến nhà khoa học trẻ: chiều không gian thứ năm là một sự sai lần, hoặc là nóng vội hoặc là một kết thúc không đáng chú ý thêm nữa. Sau sự bùng phát trao đổi thông tin tấp nập giữa hai người trong cả một tháng trọn là sự im lặng kéo dài hàng năm trời.

Các hệ quả của sự ưu tiên

Ngày 22/09/1919, bốn tháng sau khi gửi lá thư cuối cùng của ông cho Kaluza, Einstein nổi lên như cồn: lí thuyết tương đối rộng mà ông đề xuất hồi năm 1915 cuối cùng đã được xác nhận bởi quan sát của Arthur Stanley Eddington rầngg bị bẻ cong khi nó đi qua gần Mặt trời. Trong thời gian tính bằng ngày, tên tuổi Einstein xuất hiện trên trang nhất của các tờ báo và tạp chí trên khắp thế giới, và huyền thoại Einstein ra đời. Ông biến thành một siêu sao trên các phương tiện truyền thông và trở thành một biểu tượng.

Danh tiếng bất ngờ của Einstein có những hệ quả rõ nét trong quan hệ thư từ của ông. Năm 1919, ông nhận 252 lá thư và viết 239 lá thư, cuộc sống của ông vẫn ở trong pha dưới tới hạn cho phép ông hồi âm đa số các lá thư với độ trễ thấp. Năm sau đó, ông đã viết nhiều thư từ hơn bất kì năm nào trước đó. Trước cơn lũ 519 lá thư ông nhận được, chúng ta có số liệu ghi chép rằng ông đã hồi âm 331 trong số chúng – một tốc độ, mặc dù ghê gớm, nhưng không đủ để tiếp tục giữ phong độ trao đổi vô khối thư từ của ông. Năm 1920, Einstein đã bước vào chế độ siêu tới hạn, và ông không bao giờ thoát ra được. Cực đại xuất hiện năm 1953, hai năm trước khi ông qua đời, khi ông nhận 832 lá thư và hồi âm cho 476 trong số chúng. Khi quan hệ thư từ của Einstein bùng phát, công suất khoa học của ông giảm đi. Ông trở nên bị lấn át, áp đảo bởi đống thư từ trễ hạn. Và với đó, số lần hồi âm của ông chuyển thành bùng phát và bắt đầu tuân theo một định luật hàm mũ, giống hệt như sự trao đổi email của chúng ta ngày nay.

Cho dẫu có quan hệ thư từ ngắn ngủi với Einstein, nhưng cuộc đời của Kaluza đã có cải thiện đôi chút trong những năm tháng sau đó. Ông tiếp tục nghiên cứu hàn lâm nhưng không thể tìm được một chỗ đứng vì thiếu các công bố. Sau đó, vào ngày 14/10/1921, ông bất ngờ nhận được một bưu thiếp từ Einstein gửi đến: “ Tiến sĩ Kaluza đáng kính, tôi đã có những suy nghĩ thứ hai về việc anh đã giữ lại không công bố quan điểm của anh về sự thống nhất lực hấp dẫn và điện học cách đây hai năm trước. Phương pháp của anh dường như chắc chắn mang lại nhiều thứ hơn phương pháp của Weyl [Hermann]. Nếu anh muốn, tôi sẽ giới thiệu bài báo của anh trước viện hàn lâm”. Và ông đã làm như vậy, vào hôm 21/12/1921, hai năm rưỡi sau khi lần đầu tiên ông biết đến quan điểm của Kaluza.


Tại sao lại có sự đảo ngược tình thế bất ngờ như vậy? Phải chăng Einstein đã bị quẫn trí trước thành tựu của ông, mà quên nhất những năm tháng quan tâm đến chiều không gian bổ sung của Kaluza? Không. Sự thật là từ năm 1919 đến 1921, Einstein tập trung vào theo đuổi những ý tưởng khác mà ông gán cho chúng mức độ ưu tiên cao hơn. Ông đang cáu tiết tìm cách hệ thống hóa phiên bản của ông về “lí thuyết của tất cả”, sau một xu hướng ban đầu do Weyl đề xuất. Cho đến tháng 10/1921, khi Einstein mất hết hi vọng thành công trên những lộ trình đó, ông mới quay lại với bài báo vẫn chưa công bố của Kaluza và đi đến một kết luận ngượng nghịu: ông không thể tiếp tục ngăn cản việc công bố đề xuất của Kaluza trong khi đang cố gắng viết bài báo riêng của ông, lấy cảm hứng từ đó.

Lúc bài báo của Kaluza cuối cùng được công bố, thì đã quá muộn cho tác giả của nó. Thất vọng trước sự từ chối của Einstein, Kaluza đã bỏ ngành vật lí học và một lần nữa quay về với toán học. Nhưng sự chuyển ngoặc sự nghiệp đó cuối cùng đã được đền đáp – năm 1929, ông được mời làm giáo sư toán học tại Đại học Kiel và năm 1935 trở thành giáo sư tại Göttingen, một trong những trường đại học danh giá nhất vào thời ấy. Cuối cùng, vũ trụ đa chiều của Kaluza đã hồi sinh trong những năm 1980 và trở thành nền tảng của lí thuyết dây, mà những người đề xuất của nó không còn e ngại trước 5, 11, hay nhiều chiều không gian nữa.

Buồn thay, Kaluza không còn sống để trông thấy sự phục hưng của nghiên cứu của ông, vì ông đã tạ thế vào năm 1954. Có lẽ ông đã trở thành một trong nhà trí tuệ vật lí lỗi lạc nếu như Einstein cho phép ông công bố đột phá của mình ngay từ đầu chăng? Chúng ta sẽ không bao giờ biết nữa. Nhưng có một điều rõ ràng từ sự chạm trán ngắn ngủi của Kaluza và Einstein. Sự ưu tiên không phải không có những hệ quả của nó và dẫn đến sự tàn lụi sự nghiệp của một nhà vật lí trẻ khi các lí thuyết của anh ta bị bỏ qua bởi một con người danh giá có quyền cho nó được công bố hay không.

Albert-László Barabási là giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Mạng Phức hợp tại Đại học Northeastern, và vừa được bổ nhiệm vào Khoa Y, Đại học Y Harvard, và Viện Ung bướu Dana Farber, Boston, Hoa Kì.

Trần Nghiêm dịch (theo Physics World, tháng 6/2010) [email protected]


Thuyết tương đối rộng: Quá khứ, hiện tại và tương lai

Pedro Ferreira

Lí thuyết tương đối rộng của Albert Einstein là một trong những thành tựu đỉnh cao của nền vật lí thế kỉ 20. Công bố vào năm 1916, nó giải thích cái chúng ta cảm nhận là lực hấp dẫn thực ra phát sinh từ sự cong của không gian và thời gian.

Einstein đề xuất rằng các vật thể như mặt trời và trái đất làm thay đổi dạng hình học này. Trong sự có mặt của vật chất và năng lượng, nó có thể tiến triển, kéo căng ra và cuộn lại, hình thành nên các gợn, đỉnh và hõm, làm cho các vật đang chuyển động qua nó bị zig zag và cong đi. Cho nên, mặc dù trái đất bị hút về phía mặt trời bởi lực hấp dẫn, nhưng không có lực nào như vậy cả. Nó đơn giản là hình dạng của không-thời gian xung quanh mặt trời cho trái đất biết phải đi theo hướng nào mà thôi.

Lí thuyết tương đối rộng có các hệ quả sâu rộng. Nó không chỉ giải thích chuyển động của các hành tinh; mà nó còn mô tả lịch sử và sự giãn nở của vũ trụ, cơ sở vật lí của các lỗ đen và sự cong của ánh sáng phát ra từ những ngôi sao và thiên hà xa xôi.

Thuyết tương đối rộng: trí tuệ xuất chúng của Einstein

Năm 1905, ở tuổi 26, Albert Einstein đề xuất lí thuyết tương đối đặc biệt. Lí thuyết trên dung hòa cơ sở vật lí của các vật đang chuyển động do Galileo Galilei và Newton phát triển với các định luật của bức xạ điện từ. Nó thừa nhận rằng tốc độ của ánh sáng luôn luôn không đổi, bất kể chuyển động của người đo nó như thế nào. Thuyết tương đối đặc biệt cho rằng không gian và thời gian hòa quyện với nhau đến một mức độ trước đó chưa bao giờ người ta tưởng tượng ra.

Sang năm 1907, Einstein bắt đầu thử mở rộng thuyết tương đối đặc biệt để bao hàm cả sự hấp dẫn. Đột phá đầu tiên của ông xuất hiện khi ông đang làm việc tại một phòng cấp bằng sáng chế ở Bern, Thụy Sĩ. “Bất ngờ một ý tưởng nảy đến với tôi”, ông nhớ lại. “Nếu như một người rơi tự do, anh ta sẽ không cảm nhận thấy sức nặng của mình... Thí nghiệm tưởng tượng đơn giản này... đã đưa tới đến lí thuyết của sự hấp dẫn”. Ông nhận ra rằng có một mối liên hệ sâu sắc giữa các hệ bị ảnh hưởng bởi sự hấp dẫn và các hệ đang gia tốc.

Bước phát triển lớn tiếp theo xuất hiện khi Einstein được giới thiệu cơ sở hình học phát triển bởi các nhà toán học Đức thế kỉ thứ 19, Carl Friedrich Gauss và Bernhard Riemann. Einstein áp dụng công trình của họ để viết nên các phương trình liên hệ hình học của không-thời gian với lượng


năng lượng mà nó chứa. Ngày nay được gọi là các phương trình trường Einstein, và công bố vào năm 1916, chúng thay thế cho định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và vẫn sử dụng cho đến ngày nay, sau gần một thế kỉ.

Đang rơi tự do sẽ không cảm nhận trọng lượng ? (Ảnh: Matt King/Getty)

Sử dụng thuyết tương đối rộng, Einstein đã đưa ra một loạt dự đoán. Thí dụ, ông chỉ ra lí thuyết của ông sẽ dẫn đến sự trôi giạt quan sát thấy của quỹ đạo Thủy tinh như thế nào. Ông còn tiên đoán rằng một vật khối lượng lớn, như mặt trời, sẽ làm méo hành trình của ánh sáng đi qua gần nó: tóm lại, hình dạng của không gian sẽ tác dụng như một thấu kính và làm tập trung ánh sáng.

Einstein còn cho rằng bước sóng của ánh sáng phát ra ở gần một vật thể khối lượng lớn sẽ bị kéo căng ra, hay lệch đỏ, khi nó trèo ra khỏi không-thời gian bị cuộn lại ở gần vật thể nặng đó. Những tiên đoán này ngày nay được gọi là ba phép kiểm tra cổ điển của thuyết tương đối rộng.

Thuyết tương đối rộng: nhà siêu khoa học

Năm 1919, nhà thiên văn học người Anh Arthur Eddington đã thực hiện chuyến thám hiểm đến đảo Hoàng tử ở ngoài khơi Tây Phi để xem ông có thể phát hiện ra sự hội tụ của ánh sáng như thuyết tương đối rộng tiên đoán hay không. Kế hoạch của ông là quan sát một đám sao sáng tên là Hyades khi mặt trời đi qua phía trước chúng, khi nhìn từ Trái đất. Để xem ánh sáng sao, Eddington cần một kì nhật thực toàn phần để chặn mất ánh chói của mặt trời.

Nếu lí thuyết của Einstein là đúng, thì vị trí của các ngôi sao trong đám Hyades sẽ dường như bị lệch đi khoảng 1/2000 của một độ.

Để định vị đám sao Hyades trên bầu trời, trước tiên Eddington chụp một bức ảnh ban đêm ở Oxford. Sau đó, vào ngày 29/05/1919, ông chụp ảnh Hyades khi chúng nằm hầu như thẳng phía sau mặt trời trong kì nhật thực toàn phần mà đảo Hoàng tử trải qua trong ngày hôm đó. So sánh hai phép đo, Eddington có thể chỉ ra sự dịch chuyển như Einstein đã tiên đoán và quá lớn để giải thích bằng lí thuyết Newton.

Sau chuyến thám hiểm quan sát nhật thực, đã có một số tranh cãi rằng phân tích của Eddington là có thiện kiến với thuyết tương đối rộng. Vấn đề không được giải quyết cho đến cuối


thập niên 1970 khi các tấm phim chụp được mang ra phân tích lại và phân tích của Eddington được chứng tỏ là đúng.

Kết quả của Eddington đã biến Einstein thành một siêu sao quốc tế: “Lí thuyết của Einstein thành công vang dội” là dòng tít của tờ The Times ở London. Từ đó về sau, khi ngày càng có nhiều hệ quả của lí thuyết của ông được phát hiện, thuyết tương đối rộng đã ăn sâu vào trí tưởng tượng của công chúng, với các mô tả của nó về vũ trụ giãn nở và các lỗ đen.

Năm 1959, các nhà vật lí người Mĩ Robert Pound và Glen Rebka đã đo sự dịch đỏ hấp dẫn của ánh sáng trong phòng thí nghiệm của họ tại Đại học Harvard, nhờ đó xác nhận phép kiểm tra cuối cùng trong ba phép kiểm tra cổ điển của thuyết tương đối rộng.

Không gian cho vật chất biết nên chuyển động như thế nào và vật chất cho không gian biết nên cong đi như thế nào (John Archibald Wheeler)

Nhật thực năm 1919 chứng tỏ rằng lực hấp dẫn làm bẻ cong ánh sáng sao.

(Ảnh: Hội Thiên văn học Hoàng gia/SPL)

Thuyết tương đối rộng: Sự hấp dẫn trước Einstein

Năm 1686, Isaac Newton đề xuất một lí thuyết có sức mạnh vô song của sự chuyển động. Tại tâm điểm của nó là định luật vạn vật hấp dẫn, phát biểu rằng lực hấp dẫn giữa hai vật thể tỉ lệ với khối lượng của mỗi vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Định luật Newton là phổ quát vì nó có thể áp dụng cho bất kì tình huống nào trong đó lực hấp dẫn là quan trọng: các quả táo từ trên cây rơi xuống, các hành tinh quay xung quanh mặt trời, và nhiều, nhiều trường hợp khác nữa.

Trong hơn 200 năm, lí thuyết hấp dẫn của Newton đã được sử dụng thành công để dự đoán chuyển động của các thiên thể và mô tả chính xác quỹ đạo của các hành tinh trong hệ mặt trời. Một minh chứng cho sức mạnh đó của nó là vào năm 1846, nhà thiên văn học người Pháp Urbain Le Verrier đã có thể dùng nó để tiên đoán sự tồn tại cua Hải vương tinh.

Tuy nhiên, có một trường hợp trong đó lí thuyết của Newton dường như không cho câu trả lời chính xác. Le Verrier đã đo quỹ đạo của Thủy tinh với độ chính xác ngoại hạng và nhận thấy nó bị dịch đi một lượng hết sức nhỏ - chưa tới một phần trăm của một độ trong một thế kỉ - so với cái trông đợi thu về từ lí thuyết Newton. Sự không nhất quán giữa lí thuyết của Newton và quỹ đạo của Thủy tinh vẫn không được phân giải vào đầu thế kỉ thứ 20.


Lí thuyết tương đối rộng của Einstein đã làm sáng tỏ rằng vũ trụ là nơi cực độ. Ngày nay, chúng ta biết nó nóng và đặc và đã giãn nở trong 13,7 tỉ năm qua. Nó còn chứa nhung nhúc những vùng không-thời gian cuộn hết sức chặt gọi là các lỗ đen bắt giữ mọi thứ rơi vào trong tầm mút của nó.

Thuyết tương đối rộng: Các lỗ đen

Không bao lâu sau khi Einstein đề xuất lí thuyết tương đối rộng của ông, một nhà vật lí người Đức tên là Karl Schwarzschild đã tìm ra một trong những nghiệm đầu tiên và quan trọng nhất của các phương trình trường Einstein. Ngày nay được gọi là nghiệm Schwarzschild, nó mô tả hình dạng của không-thời gian xung quanh các ngôi sao cực kì đặc – và nó có một số đặc điểm rất kì lạ.

Trước tiên, ở ngay tại tâm của những vật thể như vậy, độ cong của không-thời gian trở nên vô hạn – tạo ra một đặc điểm gọi là một kì dị. Một đặc điểm còn lạ hơn nữa là một mặt cầu không nhìn thấy, gọi là chân trời sự cố, bao xung quanh điểm kì dị đó. Không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi chân trời sự cố. Bạn hầu như có thể nghĩ điểm kì dị Schwarzschild là một cái lỗ trong cấu trúc của không-thời gian.

Vào những năm 1960, nhà toán học người New Zealand Roy Kerr đã phát hiện ra một họ nghiệm tổng quát hơn cho các phương trình trường Einstein. Những nghiệm này mô tả những vật thể đang quay tròn, và chúng còn kì lạ hơn cả nghiệm Schwarzschild.


Các vật thể mà các nghiệm Schwarzschild và Kerr mô tả được gọi là các lỗ đen. Mặc dù không có lỗ đen nào từng được trông thấy trực tiếp, nhưng có bằng chứng không thể chối cãi rằng chúng tồn tại. Chúng thường được phát hiện ra qua tác dụng mà chúng để lại trên các vật thể thiên văn lân cận như các ngôi sao hay chất khí.

Những lỗ đen nhỏ nhất có thể được tìm thấy xuất hiện cùng với các ngôi sao bình thường. Khi ngôi sao quay xung quanh lỗ đen, nó từ từ bị hút lấy một phần vật chất và phát ra tia X. Lỗ đen đầu tiên như vậy được quan sát thấy là Sygnus X-1, và hiện nay có một số cặp đôi tia X đã được xác định rõ ràng với các lỗ đen chừng bằng 10 lần khối lượng mặt trời.

Bằng chứng cho những lỗ đen lớn hơn nhiều xuất hiện trong thập niên 1960 khi một số vật thể rất sáng và xa xôi đã được quan sát thấy trên bầu trời. Gọi là các quasar, chúng phát sinh từ các lỗ đen bị phá hủy có vẻ sinh ra tại lõi của các thiên hà. Chất khí ở chính giữa của một thiên hà hình thành nên một đĩa xoáy tít khi nó bị hút vào trong lỗ đen. Sức mạnh của lực hút của lỗ đen làm xoáy tít chất khí làm phát ra những lượng năng lượng khổng lồ có thể nhìn thấy ở cách xa nhiều tỉ năm ánh sáng. Các ước tính hiện nay đặt những lỗ đen này nằm trong khoảng giữa một triệu và một tỉ lần khối lượng của mặt trời. Kết quả là chúng được gọi là các lỗ đen siêu khối lượng.

Bằng chứng hiện nay ủng hộ cho việc có một lỗ đen siêu khối lượng nằm tại tâm của mỗi thiên hà, trong đó có thiên hà của chúng ta. Thật vậy, các quan sát quỹ đạo của các sao nằm gần tâm của Dải Ngân hà cho thấy chúng đang chuyển động trong những quỹ đạo ngày càng thu hẹp lại. Những quỹ đạo này có thể hiểu được nếu không-thời gian mà chúng tồn tại trong đó bị bóp méo đáng kể bởi sự có mặt của một lỗ đen siêu khối lượng gấp hơn 4 triệu lần khối lượng của mặt trời.

Bất chấp tên gọi của chúng, nhà vật lí người Anh Stephen Hawking đã chỉ ra rằng các lỗ đen có lẽ không hoàn toàn đen. Ông cho rằng, ở gần chân trời sự cố, sự sản sinh lượng tử của các hạt và phản hạt có thể dẫn tới một sự phát sáng rất yếu. Lóe sáng này, trở nên nổi tiếng là bức xạ Hawking, cho đến nay chưa được phát hiện ra vì nó quá mờ nhạt. Nhưng, theo năm tháng, bức xạ Hawking sẽ đủ để lấy hết năng lượng và khối lượng ra khỏi một lỗ đen, làm cho toàn bộ các lỗ đen cuối cùng bị bốc hơi và biến mất.

Đài thiên văn tia X Chandra đã xác nhận các ý tưởng dựa trên nền thuyết tương đối của chúng ta về vũ trụ. (Ảnh: Trung tâm Đài thiên văn tia X Chadra)

Thuyết tương đối rộng: Vũ trụ giãn nở

Một trong những tiên đoán kì lạ nhất của thuyết tương đối rộng ra đời khi chúng ta xét cái xảy ra với vũ trụ xem như một tổng thể.


Không bao lâu sau khi Einstein công bố lí thuyết của ông, nhà khí tượng học và toán học người Nga Alexander Friedmann và vị linh mục người Bỉ Georges Lemaître đã chỉ ra rằng vũ trụ sẽ phát triển trước toàn bộ năng lượng mà nó chứa. Họ cho rằng vũ trụ lúc bắt đầu phải nhỏ và đặc, và giãn nở và loãng dần theo thời gian. Kết quả là các thiên hà sẽ trôi giạt ra xa nhau.

Thoạt đầu, Einstein hoài nghi kết luận đó của Friedmann và Lemaître, ông nghiêng về một vũ trụ tĩnh tại. Nhưng một khám phá bơi nhà thiên văn học người Mĩ Edwin Hubble đã làm thay đổi suy nghĩ của ông.

Vũ trụ thời sơ khai (Ảnh: NASA/Đội Khoa học WMAP)

Hubble phân tích các thiên hà lùi ra xa Dải Ngân hà như thế nào. Ông nhận thấy các thiên hà ở xa di chuyển ra xa nhanh hơn các thiên hà tương đối ở gần. Các quan sát của Hubble chứng tỏ rằng vũ trụ thật sự đang giãn nở. Mô hình vũ trụ này sau đó được gọi tên là Big Bang (Vụ nổ Lớn).

Trong hơn 20 năm qua, vô số các quan sát thực hiện bởi các vệ tinh và các kính thiên văn cỡ lớn đã xác nhận thêm bằng chứng cho một vũ trụ đang giãn nở và phát triển. Chúng ta đã thu được một số đo chính xác của tốc độ giãn nở của vũ trụ và nhiệt độ của “bức xạ tàn dư” để lại từ thời Big Bang, và chúng ta đã có thể quan sát các thiên hà trẻ khi vũ trụ ở trong giai đoạn trứng nước của nó. Ngày nay, người ta chấp nhận rằng vũ trụ khoảng chừng 13,7 tỉ năm tuổi.

Thuyết tương đối rộng: Sóng hấp dẫn

Theo thuyết tương đối rộng, ngay cả không-thời gian trống rỗng, không có ngôi sao và thiên hà nào, cũng có một cuộc sống của riêng nó. Các gợn sóng gọi là sóng hấp đẫn có thể truyền qua không gian theo kiểu giống hệt như các gợn sóng lan đi trên mặt hồ nước.

Một trong những phép kiểm tra còn lại của thuyết tương đối rộng là đo các sóng hấp dẫn một cách trực tiếp. Để kết thúc câu chuyện này, các nhà vật lí thực nghiệm đã xây dựng Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) ở Hanford, Washington, và Livingston, Louisiana. Mỗi thí nghiệm gồm các chùm laser phản xạ giữa các gương đặt cách nhau 4 km. Nếu một sóng hấp dẫn đi qua, nó sẽ làm không-thời gian biến dạng một chút, dẫn tới một sự dịch chuyển ở các chùm laser. Bằng cách theo dõi các biến thiên thời gian ở các chùm laser, người ta có thể tìm kiếm các tác dụng của sóng hấp dẫn.


Cho đến nay, không có ai từng phát hiện ra sóng hấp dẫn một cách trực tiếp, nhưng chúng ta thật sự có bằng chứng gián tiếp rằng chúng tồn tại. Khi các pulsar quay xung quanh những ngôi sao rất đặc, chúng ta hi vọng chúng phát ra một luồng đều đặn những con sóng hấp dẫn, mất dần năng lượng trong quá trình đó nên quỹ đạo của chúng từ từ nhỏ đi. Phép đo sự phá vỡ quỹ đạo của các pulsar kép đã xác nhận rằng chúng thật sự mất năng lượng và lời giải thích tốt nhất là những pulsar này đang mất năng lượng ở dưới dạng sóng hấp dẫn.

Pulsar không phải là nguồn được trông đợi duy nhất của sóng hấp dẫn. Big Bang phải tạo ra sóng hấp dẫn vẫn lan truyền trong vũ trụ dưới dạng những gợn nhẹ nhàng trong không-thời gian. Những con sóng hấp dẫn nguyên thủy này quá yếu để có thể phát hiện ra trực tiếp, nhưng người ta có thể nhìn thấy dấu vết của chúng trên bức xạ tàn dư từ thời Big Bang – phông nền vi sóng vũ trụ. Các thí nghiệm hiện nay đang được triển khai để tìm kiếm những dấu vết này.

Sóng hấp dẫn cũng sẽ được phát ra khi hai lỗ đen va chạm nhau. Khi chúng xoáy trôn ốc về phía nhau, chúng sẽ phát ra một luồng sóng hấp dẫn với một dấu vết đặc biệt. Biết được va chạm đó đủ gần và đủ dữ dội, người ta có thể quan sát chúng với các thiết bị trên Trái đất.

Sóng hấp dẫn lan truyền trong không gian (Ảnh: Henze/NASA)

Một dự án nhiều tham vọng hơn là Anten Vũ trụ Giao thoa kế Laser (LISA), gồm bộ ba vệ tinh sẽ theo dõi Trái đất trong quỹ đạo của nó quay xung quanh Mặt trời. Chúng sẽ phát ra các chùm laser được điều chỉnh hết sức chính xác về phía nhau, giống hệt như LIGO. Mọi con sóng hấp dẫn đi sẽ làm biến dạng không-thời gian đi một chút và dẫn tới một sự dịch chuyển có thể phát hiện ra ở các chùm laser. NASA và Cơ quan Vũ trụ châu Âu hi vọng phóng LISA lên quỹ đạo trong thập niên kế tiếp.

Du hành thời gian

Lí thuyết của Einstein cho phép một khả năng làm say đắm lòng người là du hành thời gian. Người ta đã đề xuất phương pháp thu được kì công này, gồm việc xây dựng các đường hầm gọi là lỗ sâu đục nối liền những phần khác nhau của không gian ở những thời điểm khác nhau. Có thể xây dựng các lỗ sâu đục – trên lí thuyết. Nhưng thật không may, chúng đòi hỏi vật chất có năng lượng âm, và những tình huống vật lí không tự nhiên khác, không chỉ mở chúng ra mà còn cho phép chúng đi qua được. Một khả năng khác là tạo ra một vùng không gian rộng lớn quay tròn, hoặc sử dụng các đối tượng giả thuyết gọi là các dây vũ trụ.


Khả năng du hành thời gian có thể dẫn tới các nghịch lí vật lí, thí dụ như nghịch lí ông-cháu trong đó nhà du hành thời gian đi ngược dòng thời gian và giết chết ông của cô trước khi ông ta gặp bà của cô. Hệ quả là một trong hai người, cha mẹ của cô, không ra đời được và bản thân nhà du hành vũ trụ trên sẽ không tồn tại. Tuy nhiên, người ta cho rằng các nghịch lí vật lí như thế này, trên thực tế, không thể nào tạo ra được.

Thuyết tương đối rộng: Vũ trụ tối

Vũ trụ giãn nở mà thuyết tương đối rộng tiên đoán đã được củng cố chắc chắn trong khoa học hiện đại. Khi khả năng của chúng ta quan sát các thiên hà ở xa và lập bản đồ vũ trụ được cải thiện, thì bức tranh của chúng ta về vũ trụ đã làm hé lộ một số đặc điểm còn kì lạ hơn nữa.

Trước hết, các nhà thiên văn học đã có thể đo các thiên hà xoắn ốc xa xôi quay tròn nhanh như thế nào, và điều này cho thấy vùng ngoài của các thiên hà đang quay quá nhanh để được quản thúc bởi khối lượng của các ngôi sao và chất khí tại tâm của chúng. Cần có thêm vật chất trong các thiên hà để tạo ra đủ sự hấp dẫn ngăn không cho các thiên hà bay toạc ra.

Lời giải thích được nhiều người biết tới là các thiên hà có chứa những lượng lớn những dạng khác của vật chất – gọi là “vật chất tối” vì nó phát ra hay phản xạ ánh sáng. Vật chất tối được cho là co cụm lại xung quanh các thiên hà và các đám thiên hà trong những quả cầu khổng lồ gọi là quầng vật chất tối. Quầng vật chất tối có thể đủ đặc để làm biến dạng đáng kể không-thời gian và bẻ cong đường đi của bất kì tia sáng nào đi qua gần nó. Sự hội tụ hấp dẫn này đã được quan sát thấy ở một số đám thiên hà, và là một trong những mảnh bằng chứng mạnh mẽ nhất cho sự tồn tại của vật chất tối.

Nhưng chưa hết. Các nhà vũ trụ học đã có thể tính ra vũ trụ đã giãn nở bao nhanh tại những thời điểm khác nhau trong lịch sử của nó. Điều này được thực hiện bằng cách đo khoảng cách đến các ngôi sao đang phát nổ gọi là sao siêu mới, và chúng đang lùi xa ra bao nhanh do sự giãn nở của không-thời gian. Các kết quả đột phá từ những quan sát này, chỉ mới xuất hiện hơn một thập kỉ nay, là sự giãn nở của vũ trụ dường như đang tăng tốc.

Một lời giải thích cho sự giãn nở đang tăng tốc này là vũ trụ tràn ngập một dạng năng lượng kì lạ gọi là năng lượng tối. Không giống như vật chất bình thường và vật chất tối, chúng bẻ cong không-thời gian theo kiểu hút khối lượng lại với nhau, năng lượng tối đẩy không gian ra xa nhau, khiến nó giãn nở ngày càng nhanh hơn nữa theo thời gian.


Nhóm thiên hà gọi là đám Bullet mang lại bằng chứng cho vật chất tối. (Ảnh: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al/STScI/Magellan/

U.Arizona/D.Clowe et al/ESO WFI)

Nếu chúng ta cân đong toàn bộ các dạng vật chất và năng lượng trong vũ trụ, thì chúng ta đi đến một kết luận bất ngờ: chỉ 4% vũ trụ là ở dạng vật chất mà chúng ta quen thuộc. Khoảng 24% là vật chất tối và 72% là năng lượng tối.

Kết quả này phát sinh từ sự se duyên của thuyết tương đối rộng và thiên văn học hiện đại và nó đã trở thành một tiêu điểm nghiên cứu sôi nổi của vật lí học. Các nhà thực nghiệm và các nhà lí thuyết đang dốc sức đi tìm câu trả lời cho câu hỏi nóng bỏng này: vật chất tối và năng lượng tối thật ra là gì? Và tại sao chúng lại có những tính chất kì lạ như vậy?

Thuyết tương đối rộng: Sự hấp dẫn lượng tử

Thuyết tương đối rộng chỉ là một trong những cột trụ của vật lí học hiện đại. Cột trụ kia là cơ học lượng tử, lí thuyết mô tả cái xảy ra ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử. Hiện thân hiện đại của nó, lí thuyết trường lượng tử, đã đặc biệt thành công ở việc mô tả và tiên đoán hành trạng của các hạt và các lực cơ bản.

Thách thức chính hiện nay là kết hợp hai quan điểm đó thành một lí thuyết thống nhất, gọi là lí thuyết hấp dẫn lượng tử. Một lí thuyết như vậy sẽ cần thiết cho việc giải thích những thời khắc đầu tiên của Big Bang, khi vũ trụ đậm đặc, nóng và nhỏ bé, hoặc cái xảy ra ở gần kì dị tại nhân của các lỗ đen, nơi các hiệu ứng vật lí lượng tử có thể cạnh tranh với các hiệu ứng của thuyết tương đối rộng.

Mặc dù cho đến nay vẫn chưa có lí thuyết cuối cùng của sự hấp dẫn lượng tử, nhưng đã có một vài lí thuyết ứng cử viên đang được khảo sát sôi nổi. Một là lí thuyết dây, mô tả các thành phần cơ bản của vật chất không phải dạng những hạt kiểu chất điểm mà là các dây vi mô đang dao động. Tùy thuộc vào chúng dao động như thế nào, các dây đó sẽ được cảm nhận là những hạt khác nhau – bao gồm cả graviton, hạt được cho là mang lực hấp dẫn.


Một lời giải cho sự hấp dẫn lượng tử là các dây ở xung quanh chúng ta? (Ảnh: Michael Banks/Getty)

Một khả năng nữa là không-thời gian không trơn mà cấu thành từ những viên gạch cấu trúc rời rạc tương tác lẫn nhau. Hệ quả là nếu chúng ta có thể khảo sát kĩ lưỡng cấu trúc tinh vi của nó, thì nó có thể trông giống như một cái bọt không-thời gian rỗng. Trong những lí thuyết như vậy, cái chúng ta cảm nhận là không-thời gian uốn cong và cuộn nhẵn lại trong sự có mặt của vật chất chỉ là một hiện tượng nổi lên che giấy hành trạng cơ bản hơn ở cấp độ nhỏ.

Việc đi tìm lí thuyết hấp dẫn lượng tử được người ta cho là thách thức lớn nhất mà vật lí học hiện đại đang đối mặt. Một trong các khó khăn là nó chỉ thật sự tự hiển hiện ở những mức năng lượng cao cực độ, nằm ngoài tầm với thực nghiệm của chúng ta. Các nhà vật lí hiện đang đối mặt trước nhiệm vụ nghĩ ra các thí nghiệm và các quan sát thiên văn có thể kiểm tra các lí thuyết ứng cử viên của sự hấp dẫn lượng tử trong thế giới thực.

Trần Nghiêm dịch (theo New Scientist)

Kỉ niệm 50 năm ra đời Laser

TUY�N NH�NG BÀI BÁO HAY V�T LÍ 2010 Tr�n Nghiêm d ch

[email protected]

Documents

Tuyển những bài báo vật lí hay năm 2010 - thuvienvatly.com