🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Hành Sơn - Cuộc Phiêu Lưu Của Vật Lý – Quyển V: Chuyển Động Bên Trong Vật Chất Niềm Hoan Lạc, Công Nghệ Và Ngôi Sao Ebooks Nhóm Zalo Christoph Schiller Dịch giả: Cao Sĩ Sơn HÀNH SƠN cuộc phiêu lưu của vật lý – quyển v chuyển động bên trong vật chất niềm hoan lạc, công nghệvà ngôi sao www.motionmountain.net Christoph Schiller Dịch giả: Cao Sĩ Sơn Hành Sơn Cuộc phiêu lưu của Vật lý Quyển V Chuyển động bên trong vật chất – Niềm hoan lạc, Công nghệ và Ngôi sao Ấn bản 31, có bản miễn phí dạng pdf kèm với film tại trang web www.motionmountain.net Editio vicesima nona. Proprietas scriptoris © Chrestophori Schiller secundo anno Olympiadis trigesimae primae. Omnia proprietatis iura reservantur et vindicantur. Imitatio prohibita sine auctoris permissione. Non licet pecuniam expetere pro aliqua, quae partem horum verborum continet; liber pro omnibus semper gratuitus erat et manet. Ấn bản thứ 31. Bản quyền © 1990–2021 của Christoph Schiller, từ năm thứ 3 của Olympiad 24 đến năm thứ 4 của Olympiad 32. File pdf này đã được đăng ký giấy phép the Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0 Germany mà toàn văn của nó có thể xem trên website creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de, với ràng buộc bổ sung là việc sao chép, phân phối và sử dụng, toàn bộ hay từng phần tác phẩm, trong một sản phẩm hay dịch vụ bất kỳ, có tính chất thương mại hay không, đều không được phép nếu không có sự đồng ý bằng văn bản của người giữ bản quyền. File pdf vẫn còn miễn phí để mọi người có thể đọc, lưu trữ và in để sử dụng riêng, phân phối bằng phương tiện điện tử nhưng chỉ dưới dạng không thể chỉnh sửa và không thu phí. To Britta, Esther and Justus Aaron τῷ ἐμοὶ δαὶμονι Die Menschen starken, die Sachen kl ¨ aren. ¨ Lời mở đầu M otion “Primum movere, deinde docere.*”Cổ nhân M ountain Bộ sách này dành cho những người muốn tìm hiểu về chuyển động trong thiên – The Adventure of Physics nhiên. Sự vật, con người, động vật, hình ảnh và không gian chuyển động như thế nào? Câu trả lời dẫn tới nhiều cuộc phiêu lưu và quyển sách này trình bày về chuyển động trong vật chất, con người, động vật, ngôi sao và hạt nhân. Chuyển động trong các vật thể – chết hay sống – đều nhỏ bé: do đó nó đượ c mô tả bằng Thuyết lượng tử. Thuyết lượng tử mô tả mọi chuyển động bằng lượng tử tác dụng ℏ, độ biến đổi nhỏ nhất mà ta quan sát được trong thiên nhiên. Dựa trên ý tưởng cơ bản này, quyển sách sẽ trình bày cách mô tả về sự sống, cái chết và niềm hoan lạc. Kế đó, nó copyright © sẽ giải thích các hiện tượng Hoá học, Địa chất học, Khoa học vật liệu, Vật lý thiên văn và Vật lý hạt. Trong cấu trúc của Vật lý, các chủ đề này tương ứng với 3 điểm ‘lượng tử’ trong Hình 1. Câu chuyện về chuyển động tìm thấy bên trong tế bào sống, bên trong các Christoph chất khí lạnh nhất và các ngôi sao nóng nhất đều được kể ở đây theo một phương thức đơn giản, hiện đại và hấp dẫn. Với mục đích đơn giản, quyển sách sẽ tập trung vào các khái niệm và giới hạn phần Schiller June 1990–05 toán học ở mức tối thiểu. Việc tìm hiểu các khái niệm vật lý được ưu tiên hơn việc sử dụng các công thức tính toán. Kiến thức của quyển sách chỉ ở trình độ của sinh viên đại học. Với mục đích hiện đại, quyển sách sở hữu rất nhiều các tư liệu quý – cả lý thuyết lẫn thực nghiệm – rải rác trong nhiều tài liệu khoa học. 2021 Với mục đích hấp dẫn, quyển sách sẽ cố gắng làm cho độc giả ngạc nhiên thật nhiều. Việc đọc một quyển sách vật lý đại cương sẽ giống như đi xem ảo thuật. Chúng ta xem, free pdf file available at www.m ngạc nhiên, không tin vào mắt mình, suy nghĩ và sau cùng ta hiểu được mánh lới của trò ảo thuật. Khi quan sát thiên nhiên, ta cũng có cùng một kinh nghiệm như thế. Thật vậy, mỗi trang sách đều chứa ít nhất một điều bất ngờ hay một sự khích động khiến độc giả phải ưu tư. Nhiều câu đố hấp dẫn sẽ được giới thiệu với độc giả. Câu châm ngôn của quyển sách, die Menschen starken, die Sachen kl ¨ aren ¨ , một phát biểu nổi tiếng về giáo dục, có thể dịch ra là: ‘Làm cho con người trở nên mạnh mẽ, làm sáng tỏ mọi điều.’ Việc làm sáng tỏ mọi điều – chỉ trung thành với sự thật – đòi hỏi sự can đảm, vì thay đổi tập quán suy nghĩ sẽ làm phát sinh sự sợhãi, thường được che giấu otionm bằng sự giận dữ. ountain.net * ‘Chuyển động trước, giáo huấn sau.’ Trong ngôn ngữ hiện đại, lay động (trái tim) được gọi là khuyến khích; cả hai từ đều có cùng ngữ căn Latin. 8 Lời mở đầu Mô tả sau cùng và thống nhất về chuyển động Tìm hiểu: sự mô tả chính xác mọi chuyển động, nguồn gốc màu sắc, không-thời gian và hạt, trải nghiệm tư duy triệt để, tính toán khối lượng và liên kết, nắm bắt một thoáng hạnh phúc Vật lý: mô tả chính xác chuyển động bằng cách sử dụng nguyên lý tác dụng cực tiểu nhỏ nhoi và cao xa (Quyển VI)Mũi tên chỉ hướng gia tăng độ chính xác bằng cách thêm vào một giới hạn chuyển động M otion M ountain Thuyết lượng tử Thuyết tương đối tổng quát Tìm hiểu: bầu trời đêm, đo không gian cong và dao động, thám hiểm hố đen, vũ trụ, không gian và thời gian (Q. II) Hấp dẫn cổ điển Tìm hiểu: leo núi, trượt tuyết, du hành không gian, các kỳ quan thiên văn và c giới hạn chuyển động với lực hấp dẫn cổ điển Tìm hiểu: neutron, sự tăng trưởng của cây (Quyển V) Thuyết tương đối đặc biệt Tìm hiểu: quang, từ, sự co chiều dài, sự giãn thời gian, E0=mc2 Thuyết trường lượng tử 'Mô hình chuẩn' Tìm hiểu: máy gia tốc, quark, ngôi sao, bom và nền tảng của đời sống, vật chất và bức xạ (Quyển V) Thuyết lượng tử Tìm hiểu: sinh học, sinh, ái, tử, hoá học, sự tiến hoá, sự thưởng ngoạn màu sắc, nghệ – The Adventure of Physics copyright © Christoph địa chất (Quyển I) G h, e, k thuật, các nghịch lý, nhanh giới hạn chuyển động đều (Quyển II) giới hạn chuyển động vi mô Schiller June 1990–05 y học và kinh doanh công nghệ cao (Quyển IV và V) Vật lý Galilei, nhiệt học và điện học Thế giới của chuyển động thông thường: 2021 kích cỡ của con người, chậm và yếu. Tìm hiểu: thể thao, âm nhạc, đua thuyền, free pdf file available at www.m nấu ăn, mô tả vẻ đẹp và tìm hiểu nguồn gốc của nó (Quyển I); việc sử dụng điện, ánh sáng và máy tính, tìm hiểu trí tuệ và con người (Quyển III) HÌNH 1 Một bản đồ đầy đủ của vật lý, khoa học về chuyển động, được Matvei Bronshtein (b. 1907 Vinnytsia, d. 1938 Leningrad) giới thiệu lần đầu tiên. Hình lập phương Bronshtein bắt đầu từ dưới cùng với chuyển động thông thường và cho thấy các mối liên hệ của nó với các lĩnh vực vật lý hiện đại. Hướng của các kết nối biểu diễn sự gia tăng độ chính xác của việc mô tả nhờ các giới hạn được thêm vào. Giới hạn của chuyển động đều là hằng số hấp dẫn G, của otionm chuyển động nhanh là tốc độ ánh sáng c, và của chuyển động của các hạt vi mô là hằng số Planck h, điện tích sơ cấp e và hằng số Boltzmann k. ountain.net Lời mở đầu 9 Nhưng bằng cách vượt qua nỗi sợ hãi chúng ta sẽ trở nên mạnh mẽ đồng thời sẽ cảm nhận được những xúc cảm mãnh liệt và tốt đẹp. Mọi cuộc phiêu lưu vĩ đại trong đời đều cho phép điều này xảy ra và việc tìm hiểu về chuyển động là một trong những cuộc phiêu lưu đó. Hãy tận hưởng điều này. Munich và Sài Gòn, 05-2020 M otion M ountain Cách sử dụng sách – Những ghi chú bên lề sẽ chỉ đến các tham chiếu thư tịch, các trang khác hay lời giải của The Adventure of Physics các câu đố. Trong ấn bản màu, ghi chú bên lề, chỉ dấu tới cước chú và liên kết đến các website được tô màu xanh lục. Theo thời gian, các liên kết internet có thể biến mất. Đa số các liên kết đều có thể phục hồi thông qua trang www.archive.org, nơi lưu giữ các bản sao của các trang web cũ. Trong ấn bản miễn phí của sách này dưới dạng pdf, sẵn có tại trang www.motionmountain.net, mọi chỉ dấu và liên kết xanh lục đều có thể truy cập được. Ấn bản pdf cũng chứa tất cả các film có thể xem trực tiếp bằng Adobe Reader. Lời giải và gợ i ý của các câu đố được cho trong phụ lục. Các câu đố được phân loại copyright © thành các mức độ dễ (e), học sinh bình thường (s), khó (d) và mức độ nghiên cứu (r). Các câu đố chưa có lời giải trong sách được đánh dấu (ny). Christoph Lời khuyên dành cho học viên Học tập cho phép ta thấy được mình trong tương lai, giúp ta mở mang kiến thức, phát Schiller June 1990–05 triển trí thông minh và cảm thấy tự hào. Do đó, học tập từ sách vở, đặc biệt là sách về tự nhiên, sẽ hiệu quả và thích thú. Hãy tránh xa các phương pháp học tập tệ hại như tránh bệnh dịch! Đừng dùng bút đánh dấu hay viết chì để làm nổi bật hay gạch dưới văn bản trên trang sách. Điều đó làm ta mất thì giờ, không thoải mái và làm cho văn bản trở nên khó đọc. Đừng học từ một màn hình. Đặc biệt, không bao giờ, học từ internet, video, game hay smartphone. Phần lớn internet, video và game là độc dượ c và ma tuý đối với 2021 não bộ. Smartphone là các nhà bào chế ma tuý làm người ta nghiện ngập và không học free pdf file available at www.m hành gì được. Không có ai đánh dấu lên trang giấy hay nhìn vào màn hình mà học hành có hiệu quả hay thích thú làm những việc như vậy. Theo kinh nghiệm học và dạy học của tôi, có một phương pháp học tập để biến đổi một học sinh không đạt thành một học sinh thành công: nếu bạn đọc sách để học tập, hãy tóm tắt các phần đã đọc, bằng cách đọc thật to bằng ngôn ngữ và hình ảnh riêng của bạn. Nếu bạn không làm được như vậy, hãy đọc lại phần đó. Lặp lại quá trình này cho đến khi bạn có thể tóm tắt được những gì bạn đã đọc bằng cách trên. Hãy thưởng thức niềm vui của việc lớn tiếng kể chuyện! Bạn có thể làm việc này một mình hay với bạn bè, otionm trong một căn phòng hay trong khi đi bộ. Nếu thành công, bạn sẽ giảm được một cách đáng kể thời gian học hành và đọc sách. Bạn sẽ thích thú hơn trong việc học từ những ountain.net cuốn sách hay và bớt ghét những cuốn sách dở. Người làm chủ được phương pháp này có thể dùng nó ngay trong lúc nghe giảng bài, nhưng hạ thấp giọng, và sẽ tránh được việc ghi bài triền miên. 10 Lời mở đầu Lời khuyên dành cho giáo viên Giáo viên thường thích có học trò và thích hướng dẫn học trò thám hiểm lĩnh vực mà họ đã chọn. Nhiệt tình với công việc là nguyên tắc cơ bản cho sự thoả mãn trong nghề nghiệp. Nếu bạn là một giáo viên, trước khi bắt đầu bài học, hãy tự hình dung, tự cảm nhận và tự nhủ về sự yêu thích chủ đề của bài học; tiếp theo bạn hãy tự hình dung, tự cảm nhận và tự nhủ về cách thức mà bạn sẽ dùng để hướng dẫn học trò của bạn có đượ c sự yêu thích chủ đề đó giống như bạn. Hãy làm việc này một cách có ý thức, mỗi ngày. Bạn sẽ đỡ phải gặp các điều phiền toái trong lớp và thành công nhiều hơn trong việc M otion giảng dạy của mình. Cuốn sách này không viết cho mục đích thi cử mà mục đích của nó là làm cho giáo viên và học sinh hiểu và yêu thích môn vật lý, khoa học của chuyển động. M ountain Phản hồi – The Adventure of Physics Ấn bản pdf mới nhất của bộ sách này đang và sẽ còn cho bạn đọc download miễn phí từ internet. Tôi rất mong nhận được email từ các bạn tại địa chỉ [email protected], đặc biệt về các vấn đề sau đây: Câu đố 1 s — Những điều chưa rõ ràng và nên cải tiến? — Bạn chưa hiểu câu chuyện, chủ đề, câu đố, hình ảnh hay film nào? Tôi cũng hân hạnh đón nhận sự góp ý của các bạn về các điểm đặc biệt liệt kê trong trang copyright © web www.motionmountain.net/help.html. Mọi phản hồi sẽ được sử dụng để cải tiến ấn bản kế tiếp. Bạn có thể gởi phản hồi bằng mail hay file pdf có thêm các ghi chú màu vàng, hay cung cấp các hình minh hoạ, hình chụp, hay đóng góp vào trang errata wiki Christoph trên website. Nếu bạn muốn dịch một chương của cuốn sách sang ngôn ngữ của bạn, vui lòng cho tôi biết. Thay mặt cho tất cả độc giả, xin cám ơn các bạn trước về các đóng góp này. Đối với Schiller June 1990–05 các đóng góp đặc biệt hữu ích – nếu bạn muốn – bạn sẽ được ghi nhận trong phần cảm tạ, nhận quà thưởng, hay cả hai. Trợ giúp Chúng tôi rất hoan nghênh khi nhận được sự tài trợ từ các bạn cho tổ chức từ thiện, phi 2021 lợi nhuận (được miễn thuế) để soạn thảo, dịch thuật và phát hành bộ sách này. Để có thêm chi tiết hãy vào trang web www.motionmountain.net/donation.html. Sở thuế vụ free pdf file available at www.m của Đức sẽ kiểm tra việc sử dụng hợp thức nguồn tài trợ của bạn. Nếu bạn muốn, tên của bạn sẽ được ghi trong danh sách các nhà tài trợ. Thay mặt các độc giả trên toàn thế giới, chúng tôi xin cám ơn bạn trước. Bản in trên giấy của bộ sách này, bản màu hay bản đen trắng, có bán trên www. amazon.com hay www.createspace.com. Và bây giờ, mời bạn thưởng thức cuốn sách. otionm ountain.net Mục lục 7 Lời mở đầu Cách sử dụng sách 9 • Lời khuyên dành cho học viên 9 • Lời khuyên dành cho giáo viên 10 • Phản hồi 10 • Trợ giúp 10 15 1 Chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời Từ Vật lý lượng tử tới các bộ máy sinh học và sự tiểu hình hoá 15 • Sự sinh M sản 18 • Máy lượng tử 19 • Chúng ta chuyển động như thế nào? – otion Động cơ phân tử 21 • Động cơ phân tử tuyến tính 23 • Động cơ phân M tử quay: ATP synthase 25 • Động cơ quay và sự phá vỡ tính đối xứng 27 • ountain Các câu đố vui và lạ về sinh học 27 • Vật lý của niềm hoan lạc 38 • Dây thần kinh và não bộ 41 • Đồng hồ sinh – học 42 • Đồng hồ đã có từ lúc nào? 44 • Độ chính xác của The Adventure of Physics đồng hồ 45 • Tại sao rất khó tiên đoán, đặc biệt là tương lai? 46 • Sự phân rã và quy luật vàng 47 • Hiện tạ i trong Thuyết lượng tử 48 • Tạ i sao ta có thể quan sát được chuyển động? 49 • Sự đứng yên và hiệu ứng Zeno lượng tử 50 • Ý thức – một kết quả của lượng tử tác dụng 51 • Lạ i nói về lý do tạ i sao ta có thể quan sát được chuyển động 51 • Những câu đố vui và lạvề sự trải nghiệm lượng tử 52 • Tóm tắt về sinh học và niềm hoan lạ c 57 58 2 Thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử copyright © Hoá học – từ nguyên tử tới DNA 58 • Liên kết nguyên tử 59 • Acid Ribonucleic và acid deoxyribonucleic 62 • Các câu đố vui và lạ về hoá học 63 • Khoa học vật liệu 67 • Tại sao sàn nhà không rơi xuống? 67 Christoph • Đá tảng và đá cuội 69 • Sự kết tinh 71 • Một số tinh thể đáng chú ý 74 • Làm thế nào để ta có thể nhìn xuyên qua vật chất? 83 • Điều kiện cần Schiller June 1990–05 để làm cho vật chất vô hình là gì? 85 • Cái gì chuyển động bên trong vật chất? 86 • Các câu đố vui và lạvề Khoa học vật liệu 87 • Công nghệ lượng tử 100 • Transistor 100 • Chuyển động không ma sát – siêu dẫn và siêu lưu 103 • Hiệu ứng Hall lượng tử phân số 105 • Vật chất sẽ vận hành như thế nào ở nhiệt độ thấp? 108 • Laser và các máy phát boson vector có spin bằng 1 108 • Từ đèn tới laser 113 • 2021 Ba vụ gian lận về bóng đèn 114 • Ứng dụng của laser 115 • Những câu đố, những ước mơ và những điều kỳ lạ về công nghệ lượng tử 116 • free pdf file available at www.m Tóm tắt về sự thay đổi thế giới do các hiệu ứng lượng tử 120 122 3 Điện động lực học lượng tử – nguồn gốc của thực tại ảo Tàu thuyền, gương và hiệu ứng Casimir 122 • Dịch chuyển Lamb 125 • Lagrangian QED và các đối xứng của nó 126 • Tương tác và các hạ t ảo 127 • Năng lượng của chân không: vô hạn hay không có gì? 128 • Gương chuyển động 128 • Photon chạm photon 130 • Chân không có phải là một nguồn nhiệt động lực không? 131 • Sự tái chuẩn hoá – tại sao electron lại nhẹ như vậy? 131 • Các câu đố vui và lạvề Điện động lực học lượng tử 132 • Làm thế nào để người ta có otionm thể di chuyển trên mặt băng hoàn hảo? – Bài kiểm tra vật lý cuối cùng 134 • Tóm ountain.net tắt về Điện động lực học lượng tử 135 • Những câu hỏi mở trong QED 137 140 4 Cơ học lượng tử với lực hấp dẫn – những bước đầu tiên Các nguyên tử rơi 140 • Chơi bóng bàn bằng neutron 140 • Sự thay đổi 12 Mục lục phase của các hàm sóng do lực hấp dẫn 142 • Nguyên tử Bohr trong trường hấp dẫn 143 • Các điều kỳ lạvề Thuyết lượng tử và lực hấp dẫn 143 • Lực hấp dẫn và các giới hạ n của sự hỗn độn 145 • Đo gia tốc bằng nhiệt kế: bức xạFulling– Davies–Unruh 146 • Màu của hố đen không phải là đen 147 • Thời gian sống của các hố đen 150 • Hố đen ở khắp mọi nơi 151 • Các bùng nổ tia gamma ngoạn mục 151 • Các tính chất của vật liệu trong hố đen 154 • Các hố đen bay hơi như thế nào? 155 • Nghịch lý thông tin của các hố đen 155 • Thêm một số nghịch lý 156 • Cơ học lượng tử của lực hấp dẫn 157 • Có graviton hay không? 157 • Bọt không-thời gian 158 • Sự mất điều hợp của không-thời gian 159 • Thuyết lượng M tử là kẻ thù của tiểu thuyết khoa học giả tưởng 159 • Không có chân không đồng otion nghĩa với không có hạt 160 • Tóm tắt về Thuyết lượng tử và lực hấp dẫn 160 M ountain 162 5 Cấu trúc của hạt nhân – những đám mây đậm đặc nhất Một kỳ quan của vật lý – Phép chụp ảnh cộng hưởng từ 162 • Kích thước – của hạt nhân và sự khám phá hiện tượng phóng xạ 164 • The Adventure of Physics Hạ t nhân có cấu tạ o phức hợp 170 • Kẻ độc hành hạt nhân – các tia vũ trụ 172 • Phân rã hạt nhân – nói thêm về phóng xạ 180 • Xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ 182 • Tại sao địa ngục lại nóng? 185 • Hạt nhân có thể tạo thành các chất phức hợp 186 • Hạt nhân có màu sắc và hình dạng 186 • Bốn loại chuyển động trong hạt nhân 187 • Hạ t nhân tương tác 188 • Bom và lò phản ứng hạt nhân 190 • Các câu đố vui và lạvề hạt nhân và phóng xạ 192 • Tóm tắt về hạ t nhân 199 copyright © 201 6 Mặt trời, ngôi sao và sự ra đời của vật chất Mặt trời 201 • Chuyển động trong và trên Mặt trời 204 • Tại sao các ngôi sao lại sáng? 209 • Tại sao lò phản ứng dung hợp chưa được phổ biến? 212 • Nguyên tử của chúng ta từ đâu tới? 214 • Christoph Những điều kỳ lạ về Mặt trời và các ngôi sao 217 • Tóm tắt về ngôi sao và tổng hợp hạt nhân 219 Schiller June 1990–05 220 7 Tương tác mạnh – bên trong hạt nhân và các nucleon Bóng mờ của tương tác mạnh 220 • Chuyển động liên kết, sở thú hạ t và mô hình quark 221 • Bản chất của Sắc động lực học lượng tử 224 • Lagrangian của Sắc động lực học lượng tử 225 • Các hệ quả thực nghiệm của mô hình quark 228 • Sự giam giữ quark – và những con voi 229 • Sự tự do tiệm cận 233 • Kích thước và khối lượng của quark 233 • Khối lượng, hình 2021 dạng và màu sắc của các proton 234 • Những điều kỳ lạvề tương tác mạnh. 235 • Tóm tắt về QCD và các vấn đề chưa giải quyết 239 free pdf file available at www.m 240 8 Tương tác hạt nhân yếu và sự thuận tay của thiên nhiên Sự biến đổi của các hạt sơ cấp 240 • Tính chất yếu của tương tác hạt nhân yếu 241 • Sự phân biệt trái với phải 245 • Phân biệt hạt và phản hạt, sự vi phạm CP 247 • Nhược tích và sự hoà trộn 250 • Sự phá vỡ đối xứng – và sự không thống nhất của tương tác điện từ và tương tác yếu 252 • Lagrangian của tương tác yếu và tương tác điện từ 253 • Những điều kỳ lạvề tương tác yếu 255 • Tóm tắt về tương tác yếu 259 261 9 Mô hình chuẩn của vật lý hạt – Bảng tổng hợp otionm Tóm tắt và các vấn đề chưa giải quyết 265 ountain.net 268 10 Giấc mơ thống nhất Mô hình đại thống nhất 268 • So sánh các tiên đoán và dữ liệu thực nghiệm 269 • Tình trạng của Mô hình đại thống nhất 270 • Việc tìm kiếm các đối xứng ở mức Mục lục 13 cao hơn 271 • Siêu đối xứng 271 • Các nỗ lực khác 273 • Tính đối ngẫu – tính đối xứng lạthường nhất của thiên nhiên 273 • Tính tập thể của Thuyết trường lượng tử 274 • Những điều kỳ lạvề sự thống nhất 275 • Tóm tắt về sự thống nhất, toán học và các phép đối xứng cao cấp 276 278 11 Vi khuẩn, ruồi và gút Ong nghệ và các hệ bay thu nhỏ khác 278 • Bơi lội 282 • Chuyển động quay, mèo rơi và lý thuyết về sự thay đổi hình dạng 287 • Bơi trong không gian cong 290 • Lộn một hình cầu từ trong ra ngoài 291 • Mây 293 • Xoáy và phương trình Schr¨odinger 294 • Không M otion thời gian linh hoạt 298 • Sự lệch mạng và không-thời gian rắn 298 • Polymer 300 • Gút và liên kết 302 • Những bài toán mở M ountain khó nhất mà bạn có thể kể cho bà của bạn 304 • Các câu đố vui và lạ về gút và các thực thể linh hoạt 305 • Tóm tắt về các vật thể linh hoạt 310 – The Adventure of Physics 311 12 Vật lý lượng tử tái giản lược Tóm tắt Thuyết trường lượng tử 311 • Độ chính xác mà người ta đã đạt được 314 • Điều gì không thể giải thích được bằng Thuyết lượng tử và Thuyết tương đối tổng quát? 316 • Hình lập phương Vật lý 318 • Những cảm xúc mãnh liệt bắt nguồn từ Thuyết trường lượng tử và Thuyết tương đối tổng quát 319 • Điều gì đang chờ đợi chúng ta? 322 325 13 Đơn vị, sự đo lường và các hằng số copyright © Đơn vị SI 325 • Ý nghĩa của phép đo 328 • Đơn vị tự nhiên của Planck 328 • Các hệ đơn vị khác 330 • Các câu đố vui và lạvề đơn vị 331 • Độ chính xác và độ đúng của các phép đo 332 • Giới hạn của độ chính xác 334 • Các Christoph hằng số vật lý 334 • Các số hữu ích 341 342 14 Tính chất của hạt phức hợp Schiller June 1990–05 359 15 Đại số, hình dạng và nhóm Các đại số 359 • Đạ i số Lie 361 • Phân loạ i đạ i số Lie 363 • Topo học – Có những loại hình dạng nào? 364 • Không gian topo 364 • Đa tạp 366 • Lỗ thủng, đồng luân và đồng điều 368 • Loạ i và sự phân loại nhóm 369 • Nhóm Lie 370 • Tính liên thông 371 • Tính Compact 371 • Các câu đố vui và lạ về Toán học 375 2021 377 Gợi ý và lời giải các câu đố free pdf file available at www.m 386 Tài liệu tham khảo 412 Công trạng Lời cám ơn 412 • Công trạ ng phần Film 413 • Công trạng phần hình ảnh 413 417 Bảng tra cứu nhân danh otionm ountain.net Photo missing Chuyển động bên trong vật chất – Niềm hoan lạc, Công nghệ và Ngôi sao Trong cuộc hành trình tìm hiểu quy luật vận động của sự vật, ta đã khám phá ra là có một độ biến thiên nhỏ nhất trong thiên nhiên dẫn tới sự xuất hiện của niềm hoan lạc, cách sàn nhà nâng đỡ khiến cơ thể của ta không rơi xuống, tương tác là sự trao đổi các hạt bức xạ, vật chất không trường tồn, các hiệu ứng lượng tử giúp ta an khang thịnh vượng, không gian trống rỗng kéo các tấm gương lại gần nhau, lý do các ngôi sao toả sáng, nguồn gốc các nguyên tử tạo nên cơ thể chúng ta, phương thức mà các hạt lượng tử đã tạo ra thế giới này, việc bơi lội và bay lượn không phải là điều dễ dàng. Chương 1 Chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời M otion “Homo sum, humani nil a me alienum puto.** ”Terence M ountain Kể từ lúc bắt đầu tìm hiểu các hiệu ứng lượng tử trong quyển trước, vẫn còn nhiều – The Adventure of Physics điều kỳ thú trong Vật lý lượng tử ứng dụng chờ đón chúng ta. Lượng tử tác dụng ℏ tạo ra nhiều hệ quả có ý nghĩa trong Y học, Sinh học, Hoá học, Khoa học vật liệu, Kỹ nghệ và ánh sáng phát ra từ các ngôi sao. Nghệ thuật, nơi sử dụng màu sắc, vật liệu cùng các quá trình sáng tạo của nghệ sĩ, đều dựa trên nền tảng lượng tử tác dụng. Theo quan điểm vật lý thì các lĩnh vực này đều nghiên cứu chuyển động bên trong vật chất. Ta đã thấy bên trong vật chất chủ yếu là các chuyển động của các hạt lượng tử bé copyright © nhỏ.*** Do đó, việc tìm hiểu và mô tả chính xác vật chất cần đến Vật lý lượng tử. Trong phần sau đây, ta chỉ tìm hiểu những nét chính nhưng là những điểm tiêu biểu và quan trọng. Ta sẽ bắt đầu thám hiểm chuyển động bên trong vật chất qua ba dạng đặc biệt Christoph quan trọng đối với chúng ta: đời sống, sinh và tử. Như ta đã nói ở phần đầu của Vật lý lượng tử là không có dạng chuyển động nào mô tả được bằng Vật lý cổ điển. Thật vậy, Quyển IV, trang 15 đời sống, sinh và tử là các hiệu ứng lượng tử. Hơn nữa, mọi nhận thức, mọi cảm xúc, Schiller June 1990–05 mọi niềm hoan lạc đều là hiệu ứng lượng tử. Điều này cũng đúng đối với mọi hoạt động của chúng ta. Từ Vật lý lượng tử tớ i các bộ máy sinh học và sự t iểu h ình hoá Toàn bộ Thuyết lượng tử có thể tóm tắt trong một câu: 2021 free pdf file available at www.m ⊳ Trong thiên nhiên, không thể quan sát được tác dụng hay biến đổi nhỏ hơn ℏ = 1.1 ⋅ 10−34 Js. Sau đây ta sẽ tìm hiểu xem tại sao điều này lại giải thích được sự sống, niềm hoan lạc và cái chết. Một hệ quả quan trọng và nổi tiếng của lượng tử tác dụng là ⊳ Một vật nếu chuyển động, phải do các hạt lượng tử, hay quanton, tạo nên. otionm ** ‘Tôi là người và không có gì của loài người lại xa lạ đối với tôi.’ Terence là Publius Terentius Afer (b. c.190 ountain.net Carthago, d. 159 bce Greece), thi sĩ La Mã nổi tiếng. Ông viết câu này trong vở kịch Heauton Timorumenos, đoạn 77. *** Bức ảnh ở Trang 14 cho ta thấy một bong bóng xà bông, chuyển động của chất lỏng bên trong nó và các màu sắc do hiện tượng giao thoa; hình do Jason Tozer của Creative Review/Sony chụp và giữ bản quyền. 16 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời Starting size: the dot on the letter i – final size: M otion M ountain – The Adventure of Physics copyright © Christoph Schiller June 1990–05 2021 free pdf file available at www.m otionm ountain.net HÌNH 2 Sự tăng trưởng nhờ trao đổi chất có thể gặp từ những đơn bào, có đường kính cỡ 0.1 mm, tới các sinh vật có kích thước 25 m như cây baobab hay cá voi xanh (© Ferdinand Reus, NOAA). 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 17 Ta sẽ lần lượt khám phá cách thể hiện các mệnh đề này trong hành trạng của sinh vật. Nhưng sinh vật là gì? Sinh vật là các hệ vật lý có sự biến dưỡng, xử lý thông tin, trao đổi thông tin, sinh sản và chuyển động. Mọi tính chất này có thể cô đọng trong một câu: ⊳ Sinh vật là một tập hợ p các bộ máy có thể tự sinh sản. Bằng danh từ tự-sinh sản, ta muốn nói rằng hệ đã sử dụng cơ chế biến dưỡng của riêng M nó để tái sinh. Có nhiều thí dụ về các vật sinh sản và các vật mà ta không thể gọi là sinh otion Câu đố 2 s vật. Bạn có thể tìm ra các thí dụ khác không? Để tránh hiểu lầm, khi ta nói ‘sinh sản’ M dưới đây là ta muốn nói ‘tự-sinh sản’. ountain Trước khi tìm hiểu định nghĩa về sinh vật kỹ hơn, ta cần nhấn mạnh rằng sự tự-sinh sản sẽ được đơn giản hoá nếu hệ được thu nhỏ. Do đó, phần lớn sinh vật là các bộ máy – The Adventure of Physics cực kỳ nhỏ phù hợp với công việc mà chúng thực hiện. Ta sẽ thấy rõ điều này khi đem sinh vật so sánh với máy móc do con người tạo ra. Sự nhỏ bé của sinh vật khiến ta ngạc nhiên vì việc thiết kế và làm ra các máy móc nhân tạo không đòi hỏi nhiều yêu cầu như vậy. 1. Máy móc nhân tạo không cần khả năng sinh sản; kết quả là ta có thể tạo ra chúng từ nhiều phần và có thể bao gồm nhiều phần vĩ mô có thể quay tròn. Điều này tương phản với sinh vật, được tạo ra từ một mảnh vật chất đơn giản và không thể sử dụng copyright © các bánh xe, bánh lái, hộp số hay ốc vít. 2. Máy móc nhân tạo có thể sử dụng kim loại, gốm, chất độc hại và nhiều vật liệu mà sinh vật không sử dụng được. Christoph 3. Máy móc nhân tạo không cần tự kết hợp và tăng trưởng; ngược lại, sinh vật luôn luôn cần mang theo các nhà máy hoá chất có sẵn. Schiller June 1990–05 4. Máy móc nhân tạo có thể được lắp ráp và vận hành ở các nhiệt độ khác nhau, khác hẳn với sinh vật. Dù chịu những ràng buộc kỹ thuật nghiêm ngặt này, sinh vật vẫn giữ nhiều kỷ lục thế giới về sự thu nhỏ trong lĩnh vực máy móc: — Tính cho đến nay, Não có năng lực xử lý thông tin tính trên đơn vị thể tích mạnh 2021 nhất trong các thiết bị tính toán. Chỉ cần nhìn vào kích thước của nhà vô địch cờ vua free pdf file available at www.m Gary Kasparov và kích thước của đối thủ máy tính đã hạ ông ta. Hay nhìn vào kích thước các máy tính được thiết kế để nói chuyện được. — Não có bộ nhớ có tốc độ và mật độ cao nhất trong các thiết bị nhớ. Một bộ CD hay DVD so với não có thể tích lớn hơn hàng ngàn lần. Quyển III, trang 267 — Động cơ trong sinh vật có bậc của độ lớn nhỏ hơn máy móc nhân tạo. Bạn chỉ cần nghĩ về cơ trong chân của một con kiến. — Gia tốc của sinh vật hơn hẳn gia tốc của máy móc nhân tạo xét về bậc của độ lớn. Không có máy nào đạt được gia tốc của một con cào cào, con ruồi hay con nòng nọc. otionm — Sinh vật bay, bơi hay bò – như ruồi, phiêu sinh vật hay amíp – vẫn nhỏ hơn máy móc nhân tạo hàng ngàn lần. Đặc biệt, đã có các hệ đạo hàng của thiên nhiên nhỏ hơn ountain.net các hệ của con người làm ra rất nhiều. — Hiệu suất của các cảm biến sinh vật, như mắt hay tai, đã vượt qua máy móc hiện đại của con người. Mũi nhân tạo thì thua xa thiên nhiên. Kích thước của cảm biến được 18 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời phát triển qua sự tiến hoá – như tai mắt của một con ruồi – vẫn còn vô địch. Câu đố 3 s — Bạn có thể kể thêm các thí dụ khác không? Kích thước cực nhỏ của sinh vật – so với máy móc nhân tạo – bắt nguồn từ sự đấu tranh liên tục để cho việc tạo dựng có hiệu quả. Sự hiệu quả có 3 mặt chính. Đầu tiên, trong cấu trúc của sinh vật, mọi vật đều được kết nối với các vật khác. Các phần đều ảnh hưởng đến nhau. Thật vậy, bốn quá trình cơ bản trong cuộc sống, cụ thể là các quá trình về biến dưỡng, cơ, hormon và điện, đều liên kết với nhau trong không gian và thời gian. Thí dụ như trong con người, sự hô hấp giúp cho sự tiêu hoá; ‘các chuyển động của đầu’ bơm M otion chất lỏng qua cột sống; một hormone ảnh hưởng đến nhiều quá trình sinh hoá. Thứ hai, Câu đố 4 e mọi phần trong sinh hệ đều có nhiều hơn một chức năng. Thí dụ, xương tạo ra cấu trúc M ountain của cơ thể và sản xuất máu; móng tay là công cụ và cũng là kho chất thải hoá học. Sinh Câu đố 5 e hệ sử dụng nhiều quá trình tối ưu hoá như vậy. Sau cùng nhưng không kém phần quan – trọng, sinh hệ được thu nhỏ đến mức tối ưu vì chúng đã sử dụng một cách hiệu quả các The Adventure of Physics hiệu ứng lượng tử. Thật vậy, mỗi chức năng đơn lẻ trong sinh vật đều dựa vào lượng tử tác dụng. Và mỗi chức năng như vậy đều được tiểu hình hoá cực tốt. Ta thử tìm hiểu thêm vài trường hợp quan trọng nữa. Sự sinh sản“Tìm được bạn đời là một phần thưởng lớn nhất của cuộc sống. ” copyright © Quan điểm của các nhà sinh học. Mọi phức tạp đáng kinh ngạc của sự sống đều tập trung vào sự sinh sản. Sự sinh sản, hay Christoph chính xác hơn, sự tự-sinh sản, là khả năng của một vật tạo ra các vật khác tương tự với nó. Thuyết lượng tử đã cho ta biết là chỉ có thể tạo ra một vật tương tự, vì một bản sao Quyển IV, trang 123 chính xác sẽ mâu thuẫn với lượng tử tác dụng. Nhưng giới hạn này không phải là một Schiller June 1990–05 điều bất tiện: một bản sao không hoàn hảo rất cần thiết cho đời sống; thật vậy, một bản sao tương tự, không hoàn hảo, là bản chất của sự tiến hoá sinh học, sự thay đổi và sự chuyên biệt hoá. Sự sinh sản được đặc trưng bằng sự thay đổi ngẫu nhiên, hay còn gọi là sự đột biến, tạo ra sự phân biệt thế hệ này với thế hệ khác. Các quy luật thống kê của sự đột biến, thí 2021 dụ như các ‘định luật’ di truyền của Mendel và việc thiếu các trạng thái trung gian là các hệ quả trực tiếp của Thuyết lượ ng tử. Nói cách khác, sự sinh sản và sự di truyền là các free pdf file available at www.m hiệu ứng lượng tử. Sự sinh sản đòi hỏi sự tăng trưởng và sự tăng trưởng cần sự biến dưỡng. Sự biến dưỡng là một quá trình hoá học và là một quá trình lượng tử, khai thác năng lượng, khai thác Trang 58 vật liệu, thực hiện sự tăng trưởng, chữa lành các vết thương và thực hiện sự sinh sản. Vì sự sinh sản đòi hỏi sự gia tăng khối lượng, như ta thấy trong Hình 2, mọi vật hữu sinh đều thể hiện sự biến dưỡng và tăng trưởng. Để sự tăng trưởng dẫn tới kết quả là một vật tương tự với vật ban đầu, ta cần một bản thiết kế. Bản thiết kế này phải giống với bản đã được thế hệ trước sử dụng. Chỉ có thể tổ chức sự tăng trưởng theo một bản otionm thiết kế nếu thiên nhiên được tạo thành từ các thực thể nhỏ nhất có thể lắp ráp theo bản thiết kế đó. ountain.net Như vậy ta suy ra: sự sinh sản và sự tăng trưởng hàm ý vật chất được tạo thành từ các thực thể nhỏ nhất. Nếu không thì không thể có sự sinh sản. Việc có sự sinh sản dẫn 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 19 M otion M ountain HÌNH 3 Máy lượng tử (© Elmar Bartel). – The Adventure of Physics tới sự cần thiết phải có nguyên tử và Thuyết lượng tử! Thật vậy, không có lượng tử tác dụng sẽ không có phân tử DNA và sẽ không có cách nào để ta truyền lại các đặc tính – bản thiết kế của riêng ta – cho con của mình. Việc lưu truyền một bản thiết kế từ thế hệ này sang thế hệ khác đòi hỏi sinh vật phải Quyển I, trang 403 có cách lưu trữ thông tin. Sinh vật phải có bộ nhớ trong. Ta đã biết rằng một hệ thống có bộ nhớ phải được nhiều vi hạt tạo thành: vì không có cách nào khác để lưu trữ và copyright © bảo đảm cho thông tin được bền vững theo thời gian. Cần nhiều hạt để bảo vệ thông tin khỏi ảnh hưởng của thế giới bên ngoài. Bản thiết kế của riêng ta được lưu trữ trong các phân tử DNA nằm trong nhân và các Christoph Trang 62 ty thể của hàng triệu tế bào bên trong cơ thể chúng ta. Như vậy bản thiết kế được lưu trữ và bảo vệ thực sự nhờ sự giúp đỡ của nhiều vi hạt. Do đó sự sinh sản trước tiên là sự lưu truyền DNA của cha mẹ sang thế hệ kế tiếp. Sự lưu truyền này là một thí dụ về chuyển Schiller June 1990–05 động. Hoá ra chuyển động này và các thí dụ khác về chuyển động trong cơ thể chúng ta xảy ra theo cùng một cách, cụ thể là nhờ sự giúp đỡ của các máy phân tử. Máy lượng tử Sinh vật chuyển động. Để sinh sản được, sinh vật phải có khả năng chuyển động theo 2021 cách tự định hướng. free pdf file available at www.m ⊳ Một hệ có khả năng thực hiện các chuyển động tự định hướng được gọi là máy. Mọi vật có khả năng tự sinh sản, như trong Hình 3, là một cái máy. Máy không cần tăng trưởng nhưng cũng cần nhiên liệu và như vậy cần một cơ chế biến dưỡng. Mọi máy móc, sống hoặc không, đều dựa trên các hiệu ứng lượng tử. Các máy sống hoạt động như thế nào? Theo quan điểm vật lý cơ bản ta chỉ cần một otionm số kiến thức đã đề cập trong sách này để mô tả chúng: ta cần QED và một vài chỗ cần lực vạn vật hấp dẫn. Nói một cách đơn giản, đời sống là một quá trình điện từ xảy ra trong ountain.net trường hấp dẫn yếu.* Nhưng còn nhiều chi tiết rắc rối và thú vị trong phát biểu này. * Đúng ra các tương tác hạt nhân cũng có vai trò quan trọng trong đời sống: các tia vũ trụ là nguồn gốc của 20 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời BẢNG 1 Chuyển động và máy phân tử tìm thấy trong sinh vật. Loạ i chuyển động Thí dụ Động cơ liên quan Tăng trưởng các quá trình của một tập thể phân tử trong sự tăng trưởng, sự thay đổi hình dạng và động tính của tế bào động cơ phân tử tuyến tính, bơm ion mở và tắt gen động cơ phân tử tuyến tính M sự lão hoá động cơ phân tử tuyến tính Tạo hình vận chuyển vật liệu (polysaccharide, lipid, protein, acid nucleic, vật liệu khác) lực và tương tác giữa các sinh phân tử và tế bào otion cơ, động cơ phân tử tuyến tính M ountain bơm trong màng tế bào – The Adventure of Physics Hoạt động sự biến dưỡng (hô hấp, tiêu hoá) cơ, ATP synthase, bơm ion hoạt động của cơ động cơ phân tử tuyến tính, bơm ion nhiệt động lực học của toàn bộ sinh hệ và các phần của nó cơ sự truyền tín hiệu thần kinh chuyển động của ion, bơm ion copyright © hoạt động của não, tư duy chuyển động của ion, bơm ion ký ức: tăng cường ký ức dài hạn bơm hoá học ký ức: sự tăng trưởng của synapse động cơ phân tử tuyến tính Christoph sự sản xuất hormone bơm hoá học sự suy yếu động tính của tế bào, bơm hoá học Schiller June 1990–05 sự nhiễm virus của tế bào động cơ phân tử quay dành cho sự vận chuyển RNA Phòng vệ hệ miễn dịch động tính của tế bào, động cơ phân tử tuyến tính sự đông máu bơm hoá học 2021 sự làm sạ ch phế quản động cơ tiêm mao free pdf file available at www.m Cảm giác thị giác bơm hoá học, bơm ion thính giác thụ thể chuyển động của lông tóc, bơm ion, động cơ phân tử quay khứu giác bơm ion xúc giác bơm ion Sinh sản lưu trữ và truy lục thông tin động cơ phân tử tuyến tính và quay trong nhân tế bào sự bào phân, chuyển động của bào quan động cơ phân tử tuyến tính, otionm polymerase ountain.net chuyển động của tinh trùng động cơ phân tử tuyến tính quyến rũ, sử dụng não và cơ động cơ phân tử tuyến tính, bơm ion 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 21 Ta có thể nói rằng sinh vật là các hệ mà chuyển động của chúng đối với môi trường Xem 2 nhanh hơn phân tử. Thí nghiệm chứng tỏ rằng sinh vật chuyển động càng nhanh khi chúng càng lớn. Thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng sinh vật đạt được tốc độ này bằng cách sử dụng một số khổng lồ các máy tí hon, được tạo thành từ một hay chỉ vài phân tử hoạt động chung với nhau. Các máy này đã thực hiện nhiều quá trình quan trọng đối với cuộc sống. Một tổng quan về các quá trình xảy ra trong sinh vật được ghi trong Bảng 1. Điểm chính yếu mà bảng này cho ta thấy là các quá trình đều bắt nguồn từ các máy phân tử. M otion ⊳ Sinh vật là tập hợp một số rất lớn các máy phân tử đã được chuyên biệt hoá. M ountain Máy phân tử là một trong những thiết bị kỳ diệu nhất được tìm thấy trong thiên nhiên. – The Adventure of Physics Bảng 1 cũng chứng tỏ rằng thiên nhiên chỉ cần một vài thiết bị như vậy để thực hiện tất cả các loại chuyển động mà con người và sinh vật sử dụng: bơm phân tử và động cơ phân tử. Trong một thời gian dài mà sinh vật đã trải qua, các thiết bị này cực kỳ hữu hiệu. Chúng được tìm thấy trong mọi tế bào, bao gồm sinh vật trong Hình 5. Các động cơ phân tử chuyên biệt hoá trong sinh giới là bơm ion, bơm hoá học cùng với các động cơ phân tử quay và tuyến tính. Bơm ion và bơm hoá học được tìm thấy trong các màng Xem 3 và vận chuyển vật chất ngang qua các màng đó. Các động cơ phân tử quay và tuyến tính copyright © làm chuyển động các cấu trúc trên các màng. Mặc dù ta vẫn còn phải tìm hiểu nhiều về các máy phân tử nhưng với những điều ít ỏi mà ta đã biết thì cũng đã là ngoạn mục lắm rồi. Christoph Chúng ta chuyển động như thế nào? – Động cơ phân tử Cơ của chúng ta đã hoạt động như thế nào?Dựa trên động cơ nào? Một trong những Schiller June 1990–05 thành tựu đẹp đẽ của Sinh học hiện đại là làm sáng tỏ điều này. ⊳ Cơ hoạt động được nhờ chúng có chứa các phân tử có thể thay đổi hình dạng khi được cung cấp năng lượng. 2021 Sự thay đổi hình dạng có thể lặp lại. Sự tổ hợp và lặp lại một cách thông minh các thay free pdf file available at www.m đổi hình dạng phân tử đượ c sử dụng để tạo ra các chuyển động vĩ mô. ⊳ Một phân tử có thể thay đổi hình dạng là một động cơ phân tử. sự đột biến, rất quan trọng trong sự tiến hoá. Các nhà trồng trọt thường sử dụng các nguồn phóng xạđể Xem 1 làm tăng tốc độ đột biến. Phóng xạcó thể gây tử vong nhưng cũng được sử dụng trong y học. Tương tác otionm hạt nhân cũng tiềm ẩn trong đời sống trên nhiều phương diện. Cần có các tương tác hạt nhân để tạo thành các nguyên tử – carbon, oxygen, v.v... – cần thiết cho đời sống. Tương tác hạt nhân ẩn sau cơ chế chủ yếu ountain.net của các phản ứng trong Mặt trời, cung cấp năng lượng cho cây cỏ, loài người và mọi sinh vật khác (trừ một vài loạ i vi khuẩn ở những nơi khó tìm đến). Tóm lại, tương tác hạt nhân đôi khi có ảnh hưởng đến sự sinh và diệt của cuộc sống nhưng thường thì không có vai trò quan trọng trong hoạt động của các sinh vật đặc biệt. 22 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời M otion M ountain – The Adventure of Physics HÌNH 4 Hình bên trái: myosin và actin là 2 phân tử protein tạo ra động cơ phân tử tuyến tính quan trọng nhất trong sinh vật, bao gồm các chuyển động của cơ. Hình bên phải: bước chuyển động dài 5.5 nm; nó đã được làm chậm lại khoảng 10 lần (hình và QuickTime film © San Diego State University, Jeff Sale và Roger Sabbadini). Có 3 loại động cơ phân tử cơ bản trong thiên nhiên: động cơ tuyến tính, động cơ quay và bơm. copyright © 1. Động cơ phân tử tuyến tính là nền tảng của chuyển động của cơ; một thí dụ được cho trong Hình 4. Các động cơ tuyến tính khác có nhiệm vụ tách gene trong hiện tượng bào phân. Động cơ tuyến tính cũng di chuyển các bào quan trong tế bào và di chuyển Christoph các tế bào khắp cơ thể trong sự tăng trưởng của phôi, khi chữa lành vết thương và trong mọi chuyển động khác của tế bào. Bộ lắp ghép các phân tử, trong việc sao chép DNA, Schiller June 1990–05 cũng có thể được xem là các động cơ tuyến tính. Một động cơ tuyến tính điển hình tiêu thụ khoảng từ 100 tới 1000 phân tử ATP mỗi giây, tức vào khoảng từ 10 tới 100 aW. Con số này nhỏ; điều đáng ngạc nhiên hơn khi ta Câu đố 6 s biết rằng công suất do tiếng ồn trắng của nước quanh ta là 10 nW. Nói cách khác, công suất của tiếng ồn quanh ta lớn hơn công suất động cơ phân tử từ 8 đến 9 lần! Tỷ số này cho ta thấy động cơ phân tử tuyệt vời như thế nào. Ở tầm cỡ chúng ta, điều này tương 2021 đương với việc lái một cái xe đi xuyên qua một cơn bão hay một trận động đất. free pdf file available at www.m Quyển I, trang 93 2. Ta đã gặp động cơ quay trước kia; thiên nhiên sử dụng chúng để vẩy các tiêm mao Xem 4 của nhiều vi khuẩn cũng như đuôi của tinh trùng. Các nhà nghiên cứu cũng đã khám phá ra rằng sự tiến hoá đã tạo ra các động cơ phân tử có thể quay tròn các xoắn DNA giống như bu-lông có động cơ có thể quay tròn như một đinh ốc. Những động cơ như vậy được gắn vào đầu một số virus và đưa các DNA vào trong thân virus khi chúng được các tế bào bị nhiễm tạo ra hay trích xuất các DNA từ virus sau khi nó đã nhiễm vào tế Xem 5 bào. Động cơ quay quan trọng nhất, và nhỏ nhất cho tới nay – đường kính 10 nm và cao Trang 25 8 nm – là synthase ATP, một protein tổng hợp phần lớn ATP trong các tế bào. otionm 3. Bơm phân tử cũng quan trọng đối với đời sống. Chúng bơm hoá chất, như ion hay các phân tử đặc biệt, vào hay ra khỏi tế bào, nhờ sử dụng năng lượng. Chúng có thể hoạt ountain.net động ngay cả khi gradient nồng độ có chiều ngược lại. Bơm phân tử đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho đời sống là một quá trình không cân bằng. Việc hư hỏng các bơm phân tử là nguyên nhân gây ra nhiều tổn hại cho sức khoẻ, như việc mất nước khi 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 23 M otion M ountain – The Adventure of Physics copyright © HÌNH 5 Trứng của một con nhím biển có tinh trùng, hay các động cơ phân tử đang hoạt động, bao quanh: động cơ phân tử đang làm tinh trùng chuyển động, khiến cho sự thụ tinh và sự bào phân xảy ra (photo by Kristina Yu, © Exploratorium www.exploratorium.edu). Christoph ta bị bệnh tả. Schiller June 1990–05 Trong phần dưới đây ta sẽ tìm hiểu một số động cơ phân tử đặc biệt được tìm thấy trong tế bào. Trong thập niên 1980 người ta đã tìm ra cơ chế hoạt động của các động cơ tuyến Xem 6 tính. Các kết quả này đã tạo ra một phong trào nghiên cứu các động cơ phân tử được tìm thấy trong thiên nhiên. Việc nghiên cứu chứng tỏ rằng động cơ phân tử khác với 2021 phần lớn các động cơ thông thường: động cơ phân tử không bị ảnh hưởng bởi gradient nhiệt độ như động cơ xe hơi, không liên quan tới dòng điện như động cơ điện, và không free pdf file available at www.m phụ thuộc vào gradient nồng độ kiểu chuyển động cảm ứng hoá học, chẳng hạn như sự nở của một cái bánh. Động cơ phân tử tuyến tính Phần tử chính của một động cơ phân tử tuyến tính là một tổ hợp của 2 phân tử protein, cụ thể là myosin và actin. Myosin thay đổi giữa 2 hình dạng và nói theo nghĩa đen là đi bộ dọc theo actin. Nó chuyển động từng bước nhỏ đều đặn như ta thấy trong Hình 4. Người otionm ta đã đo được kích thước của bước chuyển động này bằng một số thí nghiệm khéo léo. Nó luôn luôn bằng một bội số nguyên của 5.5 nm. Một bước, thường là về phía trước, nhưng ountain.net Xem 6 cũng có lúc về phía sau, là kết quả của việc một phân tử ATP (adenosine triphosphate), nhiên liệu sinh học tiêu chuẩn, thuỷ phân thành ADP (adenosine diphosphate) và toả ra năng lượng chứa trong liên kết hoá học. Lực sinh ra có cường độ khoảng từ 3 tới 4 pN; 24 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời Vị trí cố định U(t1) U(t2) U(t3) Chuyển động Brown có thể xảy ra Vị trí khả hữu kế tiếp nếu hạt chuyển động M otion M ountain – The Adventure of Physics HÌNH 6 Hai loại động cơ Brown: chuyển thế (hình bên trái) và lệch thế (hình bên phải). các bước có thể lặp lại nhiều lần trong 1 giây. Chuyển động của cơ là kết quả của hàng tỷ các bước sơ cấp phối hợp với nhau. Tại sao động cơ phân tử này hoạt động được? Động cơ phân tử này nhỏ đến nỗi tiếng copyright © ồn của chuyển động Brown của các phân tử chất lỏng chung quanh nó cực kỳ lớn. Thật vậy, sự biến đổi từ một chuyển động phân tử vô trật tự thành một chuyển động vĩ mô có trật tự là một điều kỳ diệu nhất của thiên nhiên. Christoph Sự tiến hoá rất thông minh: bằng 3 thủ thuật, nó đã lợi dụng chuyển động Brown để biến chuyển động này thành chuyển động vĩ mô. (Do đó động cơ phân tử còn được gọi Schiller June 1990–05 là động cơ Brown.) Thủ thuật đầu tiên là sử dụng một thế bất đối xứng nhưng tuần hoàn, gọi là ratchet/bánh cóc.* Thủ thuật thứ hai là sự biến đổi nhất thời của thế, cùng với việc thêm năng lượng để gây ra sự biến đổi. Việc thực hiện 2 thủ thuật quan trọng nhất được Xem 7 trình bày trong Hình 6. Như vậy động cơ phân tử hoạt động không theo nguyên tắc cân bằng nhiệt. Thủ thuật 3 là tổng hợp tác dụng của các động cơ phân tử này. Sự biến đổi thế một cách tuần hoàn trong động cơ phân tử khiến cho trong một thời 2021 gian ngắn, thời gian xảy ra các chuyển động Brown của phân tử – thường là 1 μm/s – free pdf file available at www.m có ảnh hưởng đến vị trí của phân tử. Sau đó, phân tử lại cố định. Trong phần lớn các khoảng thời gian ngắn của chuyển động Brown, vị trí của phân tử sẽ không đổi. Nhưng khi vị trí thay đổi thì sự bất đối xứng của thế răng cưa sẽ khiến cho phân tử chuyển động theo một hướng ưu tiên có xác suất lớn hơn. (Phim hoạt hình trong Hình 4 không mô tả sự khác thường này.) Sau đó phân tử chờ sự biến đổi thế kế tiếp. Tính trung bình, phân tử myosin sẽ chuyển động theo một hướng. Hiện nay người ta có thể theo dõi chuyển động của các đơn phân tử nhờ các bộ dụng cụ thí nghiệm đặc biệt. Các thí nghiệm này chứng tỏ rằng cơ sử dụng một cơ chế bánh răng như vậy. Phân tử ATP thêm năng lượng otionm vào trong hệ và kích khởi sự biến đổi thế thông qua sự thay đổi hình dạng của phân tử myosin. Thiên nhiên gộp hàng triệu răng cưa loại này với nhau: đó là cách hoạt động ountain.net của cơ. * Nó đã được gọi theo tên của Ratchet Gearloose, nhà phát minh nổi tiếng ở Duckburg. 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 25 HÌNH 7 Một bánh cóc cổ điển, ở đây thuộc loại áp điện, chuyển động giống một động cơ phân tử tuyến tính (© PiezoMotor). M otion Kỹ thuật và sự tiến hoá có sự lựa chọn khác nhau. Xe máy có một động cơ. Xe ô tô M Câu đố 7 e đắt tiền có khoảng 100 động cơ. Con người có ít nhất 1016 động cơ. ountain Một động cơ phân tử tuyến tính khác cũng được nghiên cứu nhiều là hệ vi quản – kinesin mang các bào quan từ nơi này sang nơi khác trong tế bào. Giống như thí dụ The Adventure of Physics trước, trong trường hợp này, hoá năng được biến đổi thành chuyển động đơn hướng. Các nhà nghiên cứu có thể gắn các hạt silica nhỏ vào các đơn phân tử và theo dõi chuyển động của chúng. Sử dụng các chùm laser, người ta có thể tác dụng lực vào các đơn phân tử này. Người ta thấy kinesin chuyển động với tốc độ khoảng 800 nm/s, với các bước là bội số của 8 nm, mỗi lần sử dụng một phân tử ATP và tác dụng một lực khoảng 6 pN. Động cơ bánh răng lượng tử không chỉ hiện hữu trong sinh hệ; chúng cũng có mặt trong các hệ nhân tạo. Thí dụ như động cơ điện làm chuyển động một electron và động copyright © cơ quang điều khiển các vi hạt. Các ứng dụng này được nghiên cứu trong nhiều chương trình thực nghiệm khác nhau. Cũng có bánh cóc cổ điển. Thí dụ như trong đồng hồ cơ học hay trong bút bi. Một Christoph thí dụ khác về bánh răng có các bước cơ bất đối xứng sử dụng hiệu ứng Leidenfrost để chuyển nhanh các giọt chất lỏng nhỏ, như ta thấy trong film www.thisiscolossal.com/ Quyển I, trang 375 2014/03/water-maze. Một thí dụ nữa trong Hình 7; thật ra có nhiều bộ dẫn động áp điện Schiller June 1990–05 hoạt động như một bánh cóc và trên internet có rất nhiều film cho thấy cách hoạt động của chúng. Bánh cóc áp điện, còn đượ c gọi là động cơ siêu âm, có mặt trong bộ phận phát hiện các chuyển động một cách chính xác và trong vật kính zoom tự động của các máy chụp ảnh đắt tiền. Nhiều kính hiển vi lực nguyên tử và kính hiển vi điện tử quét cũng sử dụng các bộ truyền động răng cưa. 2021 Động cơ phân tử là phần cốt lõi của sự tăng trưởng, sự hoạt động của dây thần kinh Xem 8 và não bộ. Một dây thần kinh chứa một số lớn các động cơ phân tử thuộc 3 loại trên: free pdf file available at www.m dynein, myosin và kinesin. Các động cơ này vận chuyển hoá chất, tức ‘hàng hoá’, dọc theo các sợi trục (axon) và các kết cấu chất/dỡ hàng tại các đầu của chúng. Chúng cần thiết cho sự tăng trưởng của các dây thần kinh, từ cột sống tới đầu ngón chân. Các động cơ khác điều khiển sự tăng trưởng của synapse, giúp ta có ký ức dài hạn. Việc hư hỏng các động cơ phân tử là nguyên nhân sinh ra bệnh Alzheimer, Huntington, đa sơ cứng, ung thư và nhiều bệnh khác bắt nguồn từ các khiếm khuyết di truyền hay do sự nhiễm độc của môi trường. Tóm lại, không có động cơ phân tử ta không thể di chuyển và suy nghĩ. otionm Động cơ phân tử quay: ATP synthase ountain.net Trong tế bào, nhiên liệu thông thường cho phần lớn các phản ứng hoá học là adenosine triphosphate, hay ATP. Trong thực vật, phần lớn ATP được sản xuất trên màng của các bào 26 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời M otion M ountain – The Adventure of Physics copyright © Christoph HÌNH 8 Cấu trúc của ATP synthase (© Joachim Weber). Schiller June 1990–05 quan được gọi là chloroplast và ở tế bào động vật là trong các ty thể. Đây là các nhà máy điện trong các tế bào. ATP cũng cung cấp năng lượng cho phần lớn các vi khuẩn. Hoá ra ATP được một protein trong các màng tế bào tổng hợp. Protein này lấy năng lượng từ proton, H+, nhiên liệu cơ bản của cơ thể người, trong khi ATP là nhiên liệu cao cấp. Phần lớn các động cơ phân tử lấy năng lượng từ ATP. ATP toả ra năng lượng khi nó biến đổi 2021 thành adenosine diphosphate, hay ADP. Sự quan trọng của ATP có thể được minh hoạ free pdf file available at www.m một cách đơn giản: trong một ngày mỗi người tổng hợp được một lượng ATP gần bằng với khối lượ ng cơ thể. Protein tổng hợp ATP được gọi là ATP synthase.Đúng ra ATP synthase của các sinh vật có khác nhau; tuy vậy, sự khác nhau rất ít nên trong nhiều trường hợp ta có thể bỏ qua. (Một điểm khác nhau quan trọng là ở chỗ bơm thì ion Na+ thay cho proton.) Mặc dù ATP synthase là protein khá phức tạp nhưng việc mô tả chức năng của nó cũng dễ dàng: nó hoạt động giống như một bánh xe cánh quạt được cung cấp năng lượng nhờ sự chênh Xem 9 lệch mật độ proton hai bên màng tế bào. Hình 8 cho ta thấy cấu trúc và hoạt động của otionm ATP synthase. Nghiên cứu dẫn tới khám phá này đã được giải Nobel Hoá học 1997. Đúng ra ATP synthase cũng hoạt động theo chiều ngược lại: nếu có độ chênh lệch ountain.net ATP, nó sẽ bơm proton ra ngoài tế bào. Tóm lại, ATP synthase vừa là một động cơ quay vừa là một bơm phân tử. Nó giống như một động cơ khởi động bằng điện trong các xe ô tô cũ; khi xe đang chạy, động cơ điện là một dynamo sạc điện cho accu. (Trên internet 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 27 cũng có nhiều film hoạt hình về hoạt động của ATP synthase.) Người ta đã nghiên cứu ATP synthase khá kỹ. Thí dụ như ta đã biết rằng nó tạo ra 3 phân tử ATP cho mỗi vòng quay, và tạo ra một moment lực khoảng 20����/2π, trong đó ���� là động năng của một phân tử ở nhiệt độ ��. Trong cơ thể một người trưởng thành có ít nhất 1016 động cơ như vậy. Bánh xe cánh quạt ATP synthase là một trong những viên gạch xây dựng quan trọng của đời sống. Động cơ quay và sự phá vỡ t ính đố i xứng M otion Tại sao tim chúng ta ở bên trái còn gan lại ở bên phải? Câu trả lời của câu hỏi xưa cũ này mới có cách nay vài năm. Sự bất đối xứng trái phải, hay thủ đối tính, của cơ thể M ountain người phải được liên hệ với thủ đối tính của phân tử tạo nên sự sống. Trong mọi sinh vật, đường, protein và DNS/DNA là các phân tử có thủ đối tính và trong sinh giới chỉ có – một trong 2 loại gương phân tử được sử dụng. Nhưng thiên nhiên đã dịch thủ đối tính The Adventure of Physics của phân tử thành thủ đối tính của cơ thể như thế nào? Câu trả lời chỉ được Hirokawa Nobutaka và cộng sự đưa ra cách nay không lâu; và điều đáng ngạc nhiên là các động cơ Xem 10 phân tử quay là lời giải của câu đố. Vị trí của nội quan được cố định trong giai đoạn phát triển ban đầu của phôi. Lúc ban đầu, phần chính của phôi, mà ta gọi là node, được tiêm mao quay (tức là các lông nhỏ quay được) bao phủ. Ta có thể thấy chúng trong Hình 9. Đúng ra mọi động vật có xương sống đều có một node trong giai đoạn phát triển phôi. Tiêm mao của node được một copyright © động cơ phân tử tiếp sức; tất cả đều quay theo chiều kim đồng hồ giống nhau khoảng 10 lần mỗi giây. Hướng quay là một hệ quả của thủ đối tính của các phân tử chứa trong các động cơ. Tuy vậy, vì các tiêm mao nghiêng – về phía đuôi của phôi – nên chúng sẽ có tác Christoph dụng làm cho chất lỏng chảy trên node hướng về bên trái của phôi. Chất lỏng của dòng chảy của phôi mới được khám phá này chứa những chất – NVP – tích luỹ ở bên trái của node và kích khởi các quá trình xác định vị trí của tim. Nếu các tiêm mao không quay Schiller June 1990–05 do một khiếm khuyết di truyền nào đó hay dòng chảy bị đảo ngược do các tác động bên ngoài, tim và các cơ quan khác sẽ bị lệch chỗ. Mối liên hệ này cũng giải thích cho các hệ quả gây ra do các khiếm khuyết di truyền hay do các can thiệp từ bên ngoài. Nói cách khác, qua chuyển động của các tiêm mao và cơ chế đã đề cập, thủ đối tính của các phân tử đã ánh xạ vào thủ đối tính của các động vật có xương sống. Các quá 2021 trình tương tự cũng có thể xảy ra ở những nơi khác trong thiên nhiên, thí dụ như trong sự phát triển tính bất đối xứng của não bộ. Đây vẫn còn là một lĩnh vực được nghiên free pdf file available at www.m cứu nhiều. Tóm lại, động cơ phân tử thực sự quan trọng đối với sức khoẻ và đời sống của chúng ta. Các câu đố vu i và lạ về sinh học “Una pelliccia è una pelle che ha cambiato bestia.*” Girolamo Borgogelli Avveduti otionm Bằng các phương pháp hiển vi hiện đại người ta có thể quay film 3 chiều, sự tiến hoá của một con ruồi từ khi là phôi cho tới khi trở thành một ấu trùng. Một film như vậy ountain.net cho phép ta theo dõi từng tế bào trong 20 giờ: cách tế bào chuyển động trong khi phát * ‘Bộ lông là một làn da đã biến thành dã thú.’ 28 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời A F A R L P B D G J H I C E M otion M ountain – The Adventure of Physics copyright © Christoph HÌNH 9 A: Sự xếp đặt bất đối xứng của các nội quan trong cơ thể người: Cách thông thường, situs solitus, chiếm đa số, và sự xếp đặt đối xứng gương, situs inversus. Các hình từ B tới E là các vi ảnh của phôi chuột được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét. B: Phôi khoẻ mạnh trong Schiller June 1990–05 giai đoạn này cho thấy một cái đuôi bên phải. C: Trái lại, phôi của thể đột biến với các động cơ tiêm mao còn khiếm khuyết chưa quay được và quai tim bị đảo ngược, nơi có mũi tên chỉ. D: Hình có độ phóng đại lớn hơn và hình biểu diễn một quai tim bình thường. E: Hình tương tự cho thấy một quai tim bị đảo ngược trong một phôi của thể đột biến. Hình từ F tới I là vi ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét của một node chuột. F: Hình có độ phóng đại nhỏ của phôi chuột 7.5 ngày nhìn từ phía bụng, với hình vuông chỉ vị trí của node. Hướng được đánh dấu bằng chữ A là phía trước, P là phía sau, L là bên trái và R là bên phải; thanh tỷ lệ là 2021 100 μm. G: Hình node được phóng đại nhiều hơn; thanh tỷ lệ là 20 μm. H: Hình có độ phóng đại lớn hơn nữa của các tiêm mao trên một node khoẻ mạnh, được chỉ ra bằng các mũi tên và free pdf file available at www.m hình của các tế bào trong hốc của node; thanh tỷ lệ là 5 μm. I: Các tế bào hốc thuộc phôi của một thể đột biến thiếu tiêm mao. J: Hình minh hoạ sự vận chuyển phân tử trong một tiên mao khoẻ mạnh (© Hirokawa Nobutaka). triển và phân chia. Hãy xem đoạn film tuyệt vời này, quay ở EMBL, Heidelberg, tại trang youtu.be/MefTPoeVQ3w. ∗ ∗ otionm Sự tiến hoá sinh học có thể tóm tắt trong 3 nguyên lý: ountain.net 1. Mọi sinh vật đều khác nhau – kể cả trong cùng một loài. 2. Mọi sinh vật đều trải qua một cuộc sống khắc nghiệt – bắt nguồn từ sự cạnh tranh. 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 29 A B 0 R L 2 4 D 6 C M otion M ountain – E Nodal flow Microvillum Cilium NVP The Adventure of Physics copyright © Christoph Schiller June 1990–05 R L HÌNH 10 A: Hình ảnh của dòng các vi nang của node (NVPs) được quan sát bằng kính hiển vi quang học. L và R chỉ hướng trái và phải. NVPs, được chỉ bằng các mũi tên, được vận chuyển theo dòng chảy sang trái. Thanh tỷ lệ là 10 μm. B: Vi ảnh của các tế bào hốc của node, nhìn từ phía bụng node, chụp bằng kính hiển vi điện tử quét. Các mũi tên đỏ chỉ vào các tiền thể 2021 NVP. Thanh tỷ lệ là 2 μm. C và D: Vi ảnh của các tế bào hốc của node chụp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua. Thanh tỷ lệ là 1 μm. E: Hình minh hoạ dòng NVP do các tiêm mao gây ra. free pdf file available at www.m Các NVPs thoát ra từ các vi mao linh động, được vận chuyển theo dòng chảy sang trái do các tiêm mao và sau cùng được phân mảnh nhờ các tiêm mao ở biên trái của node. Quầng xanh lục chỉ nơi có nồng độ calcium cao – dấu hiệu kích hoạt tế bào mà kết quả là sự khởi đầu của việc hình thành các cơ quan (© Hirokawa Nobutaka). 3. Sinh vật có lợi thế sẽ tồn tại và sinh sôi, phát triển. Nguyên lý sau cùng thường đượ c gọi là ‘sự sinh tồn của vật thích nghi nhiều nhất’. Ba otionm nguyên lý này dẫn tới việc các loài và sinh vật có thể thay đổi qua từng thế hệ. Kết quả của sự thay đổi tích luỹ qua từng thế hệ được gọi là Sự tiến hoá sinh học. Đặc biệt, ba nguyên ountain.net lý này giải thích cho sự thay đổi từ sinh vật đơn bào tới đa bào, từ cá cho tới động vật trên cạn và từ động vật tới loài người. Các hiệu ứng lượng tử là nền tảng của cả ba nguyên lý tiến hoá. Dĩ nhiên đời sống và 30 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời sự biến dưỡng là các hiệu ứng lượng tử. Sự khác nhau được đề cập trong nguyên lý đầu tiên bắt nguồn từ vật lý lượng tử: không thể có các bản sao hoàn hảo của các hệ vĩ mô. Nguyên lý 2 đề cập tới sự cạnh tranh; đó là một loại hiện tượ ng, mà như ta đã thấy, chỉ Quyển IV, trang 123 có thể bắt nguồn từ sự hiện hữu của lượ ng tử tác dụng. Nguyên lý 3 đề cập tới sự sinh Quyển IV, trang 20 sản: đó lại là một hiệu ứng lượng tử, dựa trên sự sao chép gene, là các cấu trúc lượng tử. Trang 18 Tóm lại, sự tiến hoá sinh học là một quá trình bắt nguồn từ lượ ng tử tác dụng. ∗ ∗ M Làm cách nào để bạn có thể xác định được người nào trong hai người sinh đôi giống hệt otion Câu đố 8 d nhau là cha của một đứa bé? M ountain ∗ ∗ Bạn có thể cho ít nhất 5 lý lẽ để chứng tỏ rằng một người nhân bản vô tính, nếu có, là – The Adventure of Physics Câu đố 9 s một người hoàn toàn khác với nguyên bản hay không? Con mèo nhân bản vô tính đầu tiên, rất nổi tiếng, copycat, sinh năm 2002, trông hoàn toàn khác với ‘nguyên bản’ (đúng ra là mẹ của nó). Màu và các mảng lông của nó khác hẳn mèo mẹ. Tương tự như vậy, những cặp song sinh giống hệt nhau vẫn có vân tay, mống mắt, mạch máu và những trải nghiệm trong tử cung khác nhau. Nhiều tính chất của vật hữu nhũ không do gene xác định mà do hoàn cảnh thai nghén, đặc biệt do tử cung và trải nghiệm sinh nở. Tử cung ảnh hưởng đến màu lông, nếp gấp trên da, và cả tính trạng. Ảnh hưởng của trải nghiệm sinh nở lên tính cách đã được nhiều copyright © nhà tâm lý học nghiên cứu. ∗ ∗ Christoph Hãy bàn về luận điểm sau: nếu thiên nhiên có tính cổ điển thay vì lượng tử, thì không chỉ có hai giới tính – cũng như sẽ không có một số rời rạc giới tính, như trong các động Schiller June 1990–05 vật lớp thấp – mà sẽ có một khoảng liên tục các giới tính. Theo một nghĩa nào đó, sẽ có Câu đố 10 s vô hạn giới tính. Có đúng như vậy không? ∗ ∗ Đây là một câu hỏi nổi tiếng về sự tiến hoá, chưa có câu trả lời: Những hạt kefir đầu tiên đã được tạo ra như thế nào? Hạt kefir tạo ra nước kefir khi được ủ với sữa trong 2021 khoảng từ 8 tới 12 giờ. Những hạt này gồm có một hỗn hợp cân bằng của khoảng 40 loại free pdf file available at www.m vi khuẩn và men. Tất cả các hạt kefir trên thế giới đều có liên hệ với nhau. Nhưng cách Câu đố 11 r nay khoảng 1000 năm các hạt đầu tiên đã được tạo ra như thế nào? ∗ ∗ Động cơ phân tử rất mạnh. Động cơ phân tử trong chim hải âu đen (Puffinus griseus), một con chim dài 45 cm, cho phép nó bay 74 000 km một năm, với một kỷ lục đã được ghi nhận là 1094 km một ngày. ∗ ∗ otionm Khi các động cơ tiêm mao làm sạch lỗ mũi bị xáo trộn, không thể hoạt động, chúng gởi ountain.net đi một tín hiệu mệt mỏi. Khi có nhiều tín hiệu như vậy được gởi đi, cơ thể sẽ kích khởi một phản ứng hắt hơi. Hắt hơi là một phản ứng đối với các động cơ phân tử bị khoá. 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 31 ∗ ∗ Sự tăng trưởng của phôi người là một trong các kỳ quan của thế giới. Website embryo. soad.umich.edu cung cấp rất nhiều dữ liệu, hình ảnh, hoạt hình và ảnh cộng hưởng từ về quá trình tăng trưởng này. ∗ ∗ Câu đố 12 s Chim có rốn không? ∗ ∗ M otion Mọi động vật có khả năng tái tạo từ một mảnh nhỏ, như con sán, sẽ sinh sản vô tính M bằng cách phân chia. Mọi động vật sinh sản hữu tính không thể tái tạo toàn bộ thân thể ountain từ một mảnh nhỏ. – ∗ ∗ The Adventure of Physics Câu đố 13 s Mọi động vật di chuyển bằng chân thì có tính đối xứng trái-phải. Tại sao? ∗ ∗ Nhiều phân tử tìm thấy trong sinh vật, như đường, có phân tử đối xứng gương. Tuy vậy, trong mọi sinh vật ta chỉ tìm thấy một trong hai loại. Thực ra đời sống có tính bất đối Câu đố 14 s xứng. Tính bất đối xứng có được bằng cách nào? copyright © ∗ ∗ Tại sao sự khác nhau về mặt di truyền giữa người và hắc tinh tinh thường là khoảng 1 %, trong khi sự khác nhau giữa nam và nữ là một nhiễm sắc thể trong số 46, tức là khoảng Christoph Câu đố 15 s 2.2 %? ∗ ∗ Schiller June 1990–05 Thời gian dài nhất mà một vi khuẩn có thể tồn tại là bao nhiêu? Thời gian đó là hơn 5000 năm đối với vi khuẩn được tìm thấy trong các xác ướp Ai Cập. Trong nhiều năm, Xem 11 người ta đã ước tính thời gian sinh tồn của các bào tử vi khuẩn được phục sinh từ ruột của côn trùng được bao trong hổ phách là trên 25 triệu năm. Và người ta cho rằng trên 250 triệu năm là thời gian mà vi khuẩn đã được Heinz Dombrowski khám phá trong 2021 thập niên 1960 trong các lớp muối trầm tích (có độ phóng xạ thấp) ở Fulda, Đức, đã ngủ free pdf file available at www.m đông trước khi được đánh thức trong phòng thí nghiệm. Một kết quả tương tự cũng vừa đượ c công bố từ sự khám phá một loại vi khuẩn khác ở lớp muối trầm tích Bắc Mỹ trong Xem 12 thành hệ Salado. Tuy vậy, các kết quả này chưa được sự nhất trí, vì sự giải trình tự DNA đã cho thấy rằng các vi khuẩn này có thể bắt nguồn từ sự nhiễm bẩn các mẫu trong phòng thí nghiệm chứ Xem 13 không phải là một phần của nguyên mẫu. Vì vậy câu hỏi về thời gian sinh tồn dài nhất của vi khuẩn vẫn còn để mở. ∗ ∗ otionm Năm 1967, một camera TV đã được đặt trên Mặt trăng. Không ai biết là nó có chứa một ountain.net đám nhỏ Streptococcus mitis. Ba năm sau, camera được mang về Trái đất. Vi khuẩn vẫn còn sống. Chúng đã tồn tại trong 3 năm không thức ăn, nước uống và không khí. Sự sống thật bền bỉ. Câu chuyện được lan truyền rộng rãi này khó tin đến nỗi nó đã được 32 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời BẢNG 2 Số lượng gần đúng của các loài sinh vật. Nhóm sinh vật Số loài được mô tả Số loài được ước tính min. max. Virus 4 ⋅ 103 50 ⋅ 103 1 ⋅ 106 Sinh vật nhân sơ (‘vi khuẩn’) 4 ⋅ 103 50 ⋅ 103 3 ⋅ 106 Nấm 72 ⋅ 103 200 ⋅ 103 2.7 ⋅ 106 Nguyên sinh động vật 40 ⋅ 103 60 ⋅ 103 200 ⋅ 103 M Tảo 40 ⋅ 103 150 ⋅ 103 1 ⋅ 106 otion Thực vật 270 ⋅ 103 300 ⋅ 103 500 ⋅ 103 M Giun tròn 25 ⋅ 103 100 ⋅ 103 1 ⋅ 106 ountain Giáp xác 40 ⋅ 103 75 ⋅ 103 200 ⋅ 103 Lớp hình nhện 75 ⋅ 103 300 ⋅ 103 1 ⋅ 106 – The Adventure of Physics Côn trùng 950 ⋅ 103 2 ⋅ 106 100 ⋅ 106 Nhuyễn thể 70 ⋅ 103 100 ⋅ 103 200 ⋅ 103 Động vật có xương sống 45 ⋅ 103 50 ⋅ 103 55 ⋅ 103 Loài khác 115 ⋅ 103 200 ⋅ 103 800 ⋅ 103 Tổng cộng 1.75 ⋅ 106 3.6 ⋅ 106 112 ⋅ 106 copyright © Xem 15 kiểm tra lại vào năm 2011. Kết luận: câu chuyện không đúng; do lầm lẫn, vi khuẩn lọt vào phòng thí nghiệm sau khi camera được đem trở về. Christoph ∗ ∗ Schiller June 1990–05 Trong Sinh học, sự phân loại cực kỳ hữu dụng. (Điều này tương tự tình trạng trong Vật lý thiên văn nhưng hoàn toàn tương phản với tình trạng trong Vật lý.) Bảng 2 cho một Xem 16 Tổng quan về tầm cỡ công việc. Kho vật liệu này có thể tóm tắt trong một sơ đồ như trong Hình 11. Một số công trình nghiên cứu mới hình như có đề nghị một số thay đổi nhỏ trong hình. Tuy vậy cho tới bây giờ thì cây chỉ có một gốc. 2021 ∗ ∗ free pdf file available at www.m Cơ sinh ra chuyển động thông qua các kích thích điện. Có một hệ kỹ thuật nào làm được như vậy không? Ứng viên đang lộ diện: polymer điện hoạt thay đổi hình dạng khi chúng bị một dòng điện hay hoá chất kích thích. Chúng nhẹ cân, không ồn và dễ sản xuất. Tuy vậy, cuộc thi vật tay đầu tiên giữa người và cơ nhân tạo, được tổ chức năm 2005, thì người thắng là một thiếu nữ. Cuộc đua tài vẫn còn tiếp diễn. ∗ ∗ Sự sống không phải là một khái niệm được định nghĩa một cách rõ ràng. Định nghĩa đề otionm cập ở trên, khả năng tự sinh sản, có phần hạn chế của nó. Có thể áp dụng định nghĩa cho động vật già, bàn tay bị cắt rời, tinh trùng, trứng hay động vật hữu nhũ ở giai đoạn ountain.net phôi hay không? Định nghĩa của sự sống cũng có vấn đề khi áp dụng cho đơn bào. Bạn có thể tìm ra một định nghĩa tốt hơn không? Định nghĩa sinh vật là ‘vật được tạo thành Câu đố 16 e từ tế bào’ có hữu dụng không? 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 33 Vi khuẩn Cổ khuẩn Sinh vật nhân thực Green non-sulfur bacteria Gram-positive bacteria Purple bacteria Cyanobacteria Methano bacteriales Thermo proteus Methano microbiales Animals Ciliates extreme Halophiles Green plants Fungi Flagellates Microsporidia Flavobacteria and relatives Thermotogales Pyro dictum Methanococcales Thermococcales Motion Mountain – The Adventure of Physics HÌNH 11 Một phiên bản mới của cây tiến hoá. ∗ ∗ Mỗi thí dụ về sự tăng trưởng là một loại chuyển động. Một số thí dụ cực kỳ phức tạp. Hãy lấy trường hợp tăng trưởng của mụn trứng cá. Nó đòi hỏi phải thiếu kẽm, một hệ miễn dịch yếu, nhiều vi khuẩn, cũng như có sự trợgiúp của Demodex brevis, một con copyright © ve (côn trùng nhỏ) sống trong các lỗ nhỏ trên da. Với kích thước 0.3 mm, nhỏ hơn dấu chấm ở cuối câu này một chút, con ve này và các sinh vật khác sống trên mặt người có thể thấy được nhờ một kính lúp có độ phóng đại lớn. Christoph ∗ ∗ Schiller June 1990–05 Con người mang theo nhiều sinh vật. Con người cần vi khuẩn để sống. Có khoảng 90 % vi khuẩn trong miệng người chưa được biết rõ; đến nay người ta chỉ mới cô lập được khoảng 1000 loài. Vi khuẩn rất quan trọng trong đời sống của chúng ta: chúng giúp ta tiêu hoá, chống Xem 17 lại bệnh tật do các vi khuẩn nguy hiểm gây ra. Đúng ra số vi khuẩn trong cơ thể người được ước tính là 3.8(2.0) ∗ 1013, trong đó hơn 99 % ở trong ruột. Số tế bào trong cơ thể 2021 một người trưởng thành, trung bình là 3.0(0.3) ∗ 1013 – trong đó có từ 70 tới 85 % là free pdf file available at www.m hồng huyết cầu. Tóm lại, cơ thể người chứa nhiều vi khuẩn hơn tế bào! Tuy vậy, khối lượng của tất cả vi khuẩn trong người chỉ vào khoảng 0.2 kg, vì vi khuẩn ở ruột nhỏ hơn tế bào của người rất nhiều. Có khoảng 100 nhóm vi khuẩn trong thiên nhiên, cơ thể người chủ yếu chứa vi khuẩn của 4 nhóm: actinobacteria, bacteroidetes, firmicutes và proteobacteria. Chúng có vai trò quan trọng trong chứng béo phì, sự suy dinh dưỡng, bệnh tim, bệnh tiểu đường, đa sơ cứng, chứng tự kỷ và các chứng khác. ∗ ∗ otionm Cây tăng trưởng như thế nào? Khi một cái cây – theo ngôn ngữ sinh học là monopodal ountain.net phanerophyte – tăng trưởng và ra lá, có từ 40 % tới 60 % khối lượ ng của nó, cụ thể là nước và muối khoáng, phải lấy từ dưới đất lên. (Phần khối lượng còn lại đến từ CO2 trong không khí.) Điều này xảy ra như thế nào? Vật liệu được hút lên nhờ các cột nước 34 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời trong cây; lực hút bắt nguồn từ áp suất âm do nước ở đỉnh cột bay hơi tạo ra. Người ta gọi điều này là mô hình thoát hơi nước-cố kết-lực căng. (Kết luận này là kết quả của nhiều thí nghiệm.) Nói cách khác, cây bơm vật liệu lên cao mà không cần năng lượng. Cây không cần năng lượng để vận chuyển nước. Kết quả là một cái cây tăng trưởng chỉ nhờ vào sự thêm vật liệu vào bề mặt của nó. Điều này hàm ý rằng khi một cái cây tăng trưởng, nhánh cây được tạo thành ở một độ cao nào đó thì cũng được thấy ở cùng độ cao đó trong phần đời còn lại của cây. Chỉ cần kiểm tra điều này bằng các cây có trong Câu đố 17 e vườn của bạn. M otion ∗ ∗ M Động vật hữu nhũ có khoảng nhiệt độ vận hành hẹp. Khác với máy móc, con người chỉ ountain Câu đố 18 d hoạt động khi thân nhiệt nằm trong một khoảng hẹp. Tại sao? Và yêu cầu này có áp dụng cho sinh vật ngoài Trái đất, nếu chúng hiện hữu, hay không? – The Adventure of Physics ∗ ∗ Câu đố 19 r Tế bào đầu tiên đã xuất hiện như thế nào? Câu hỏi quan trọng này vẫn chưa có câu trả lời. Trong nỗ lực tìm kiếm câu trả lời, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy nhiều chất trong nước đã tự hình thành các màng bao bọc. Những chất như vậy cũng tạo thành các bọt. Có thể sự sống đã hình thành trong các bọt như vậy. Người ta đã bàn đến các khả năng khác như sự sống hình thành dưới nước, ở nơi có magma phun vào đại dương. Việc làm sáng tỏ nguồn gốc tế bào là một trong những câu đố mở quan trọng nhất trong Sinh học copyright © – mặc dù câu trả lời có thể không hữu dụng cho lắm. ∗ ∗ Christoph Câu đố 20 s Sự sống có thể đến Trái đất từ vũ trụ không? ∗ ∗ Schiller June 1990–05 Có sự sống ở nơi nào khác trong vũ trụ không? Câu trả lời cũng rõ ràng. Trước hết, có thể có sự sống ở nơi khác, mặc dù xác suất vô cùng nhỏ, do vấn đề thời gian phải dài và các yêu cầu về một hệ sao ổn định, một hệ hành tinh ổn định và một hệ địa chất ổn định. Cũng cần nói thêm, tính cho đến nay, mọi khẳng định đã tìm ra sự sống ở nơi khác đều là ba xạo. Không phải sai lầm mà là giả dối thực sự. Sự huyễn ảo của một sự sống bên 2021 ngoài Trái đất đã đặt ra cho mọi người một bài toán thú vị: tại sao sự sống ngoài Trái đất free pdf file available at www.m Câu đố 21 e lại làm bạn hứng thú đến như vậy? Nếu bạn có câu trả lời, hãy thực hiện ngay điều bạn mong ước. Nếu không bạn hãy làm việc khác. ∗ ∗ Trị liệu tổng thể có ý nghĩa gì đối với khoa học gia, có phải là để tránh các tín điều vô nghĩa và sai lạc không? Trị liệu tổng thể có nghĩa là điều trị theo cách nhìn con người là một tổng thể. Phương pháp này dẫn tới 4 lĩnh vực: — trợ giúp vật lý, trợgiúp các quá trình chữa trị cơ hay nhiệt trong cơ thể; otionm — trợ giúp hoá học, bằng dưỡng chất hay vitamin; — trợ giúp tín hiệu, bằng các phương tiện điện hoá, để trợgiúp cho các hệ phát tín hiệu ountain.net của cơ thể; — trợ giúp tâm lý, giúp cho tất cả các quá trình trên. Khi tất cả các phương diện này được quan tâm chăm sóc, sự chữa trị sẽ nhanh chóng và 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 35 đầy đủ nhất. Tuy vậy, vẫn còn một quy luật chính: medicus curat, natura sanat.* ∗ ∗ Cuộc đời chủ yếu là vẻ đẹp. Thí dụ như cuốn sách của Cla ire Nouv ian, The Deep: The Extraordinary Creatures of the Abyss, có tại www.press.uchicago.edu/books/ nouvian/index.html cho phép ta thưởng ngoạn vẻ đẹp của cuộc sống sâu thẳm dưới đại dương. ∗ ∗ M otion Sự ô nhiễm môi trường ảnh hưởng như thế nào tới đời sống? Việc trả lời cho câu hỏi này M là cả một lĩnh vực nghiên cứu hiện đại rất sôi nổi. Dưới đây là một số câu chuyện nổi ountain tiếng. – — Thuốc diệt cỏ và nhiều sinh vật biến đổi gen giết chết ong. Vì lý do này, ong ở Mỹ The Adventure of Physics đang chết (từ năm 2007); hậu quả là các vụ thu hoạch – như quả hạnh và cam – bị thất bát. Trong những quốc gia mà thuốc diệt cỏ và thực vật biến đổi gen bị cấm, ong vẫn an toàn. Một thí dụ nữa ở Pháp, nơi không có ong thì ngành công nghiệp rượu vang có nguy cơ bị thiệt hại. — Sự ô nhiễm hoá chất sẽ làm phát sinh các trẻ em dị dạng. Ở Trung quốc, một trong 16 trẻ em bị dị dạng vì lý do này (năm 2007). Ở Nhật, sự dị dạng đã giảm nhiều – dù không hoàn toàn – kể từ khi các đạo luật khắt khe về việc chống ô nhiễm được ban copyright © hành. — Ô nhiễm phóng xạ có thể gây ra tử vong. Ở Nga, tại hồ Karachay nổi tiếng đã bị lấp Trang 195 một phần bằng bê tông vì độ phóng xạ cao của nó có thể làm người đi bộ bên hồ tử Christoph vong trong vòng một giờ. — Thuốc lá cũng là kẻ sát nhân – dù chậm. Các quốc gia ít tiêu thụ thuốc lá hay hạn chế sự hút thuốc đã làm giảm tỷ lệ bệnh ung thư và các bệnh khác. Schiller June 1990–05 — Ăn cá hồi có hại cho sức khoẻ của bạn vì kim loại nặng có trong cá. — Cây li-e đang biến mất. Ngành công nghiệp rượu vang đã bắt đầu các chương trình nghiên cứu lớn để đối phó với vấn đề này. — Gan của các động vật sống ở Bắc và Nam cực chứa đầy độc chất hoá học do con người tạo ra. 2021 — Việc đốt các nhiên liệu hoá thạch làm tăng mức CO2 trong khí quyển. Điều này kéo theo nhiều hậu quả đối với khí hậu của Trái đất, bao gồm việc tăng chậm nhiệt độ free pdf file available at www.m trung bình của Trái đất và mực nước biển. Các nghiên cứu về sinh thái đã phát hiện thêm nhiều vấn đề. Chúng ta hy vọng rằng nhận thức về các vấn đề này sẽ được nâng cao trên toàn thế giới. ∗ ∗ Một số nhà nghiên cứu thích định nghĩa sinh vật là các hệ tự sinh sản được, người khác thì thích định nghĩa sinh vật là những hệ có biến dưỡng. Mike Russell và Eric Smith đề otionm nghị định nghĩa sau đây: ‘Mục đích của sự sống là hydrogen hoá carbon dioxide.’ Nói cách ountain.net* ‘Bác sĩ giúp đỡ nhưng thiên nhiên mới chữa trị.’ 36 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời khác, mục tiêu của cuộc sống là thực hiện phản ứng CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O . (1) Mô tả khô khan nhưng đẹp đẽ này đáng cho ta nghiền ngẫm – và nhiều nhà nghiên cứu đang nghiêm túc tìm hiểu các hệ quả của quan niệm này. ∗ ∗ M Không những cái chết mà cả sự lão hoá cũng là quá trình lượng tử. Các cuộc nghiên cứu otion đi sâu vào lĩnh vực rộng lớn này đang diễn ra. Thí dụ như sự rụng lá vào mùa thu. Hiện M tượng này được ethene, một chất khí đơn giản, kích khởi. Bạn có thể làm cho lá rụng, ountain bằng cách đặt một cành Táo – một nguồn ethene mạnh – cùng với một nhánh Hồng trong một bao nhựa: các cành Hồng sẽ rụng lá. – The Adventure of Physics ∗ ∗ Việc hồi sinh những người mà tim và phổi đã ngưng hoạt động là một chuỗi các chuyển động hữu ích được gọi là sự phục hồi chức năng tim phổi. Hãy tìm hiểu điều này. ∗ ∗ Các công trình nghiên cứu mới đã chứng tỏ rằng chuyển động rất quan trọng cho việc giữ gìn sức khoẻ. Đặc biệt, chơi thể thao đã là quan trọng nhưng giảm thời gian ngồi copyright © không còn quan trọng hơn. Người nào ngồi nhiều giờ mỗi ngày đều có nguy cơ bị tiểu đường, ung thư vú, giảm chất trắng trong não, chứng mất trí và các bệnh khác. Việc nghiên cứu các tác hại của việc ngồi nhiều chỉ mới bắt đầu. Kết quả nghiên cứu cho thấy Christoph ngồi trước TV, PC hay trong xe nhiều giờ mỗi ngày không thể bù đắp lại bằng việc chơi thể thao. Schiller June 1990–05 ∗ ∗ Để sống khoẻ và bảo đảm luôn khoẻ mạnh, hãy tận hưởng cuộc đời và thưởng thức các quyển sách của Mark Verstegen. ∗ ∗ 2021 Loài sinh vật nào thành công nhất, nếu ta đo độ thành công bằng sinh khối của loài? free pdf file available at www.m Câu hỏi đơn giản này không có câu trả lời. Giữa các động vật, gia súc (Bos taurus), người (Homo sapiens) và loài nhuyễn thể ở Nam cực (Euphasia superba) có sinh khối như nhau nhưng ta chưa rõ đây có phải là giá trị lớn nhất hay chưa. Không có dữ liệu đầy đủ về thực vật – trừ số liệu thu hoạch. Có phần chắc là nhiều loài vi khuẩn, như Prochlorococcus ở biển hay một số loài vi khuẩn tìm thấy trong đất và nhiều loài nấm có sinh khối cao hơn nhiều. Nhưng chưa có một tổng quan nào đáng tin cậy. ∗ ∗ otionm Cây chuyển động theo nhiều cách thú vị. Thí dụ, nó tranh giành với cây lân cận về không gian, ánh sáng và dưỡng chất. Việc này xảy ra dữ dội nhất nếu hàng xóm là một loài khác. ountain.net Nhiều cây không thích các cây khác chạm vào nó – nhưng cũng có ngoại lệ, như cây sồi. Khi cây sồi ‘đánh nhau’ với cây sồi Quercus, sau vài năm, Quercus chỉ còn lại một ít không gian và ánh sáng vì cây sồi đã chiếm gần hết. Nhưng cây cối cũng giúp đỡ hàng 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 37 M otion M ountain – The Adventure of Physics copyright © Christoph Schiller June 1990–05 HÌNH 12 Vị trí cành và lá của một cây phong vào cuối ngày (màu đen) và lúc sáng sớm (màu đỏ), với phần phóng đại nằm trong các hình bên phải (© Eetu Puttonen et al.). 2021 xóm trong trường hợp bệnh hoạn bằng cách cung cấp dưỡng chất và nước. Nhiều chuyện free pdf file available at www.m hấp dẫn khác về cây cối – bao gồm cách liên lạc thông qua các tín hiệu hoá học trong không khí như ethylene (ethene) – đã được Peter Wohlleben, kể lại trong quyển Das geheime Leben der Baume: Was sie f ¨ uhlen, wie sie kommunizieren – die Entdeckung ¨ einer verborgenen Welt, Ludwig Verlag, 2015. ∗ ∗ Cây ngủ vào ban đêm và thức giấc vào buổi sáng. Điều này đã được biết từ nhiều thế kỷ qua; một thí nghiệm đẹp mắt của hiệu ứng này đã được Eetu Puttonen và cộng sự thực otionm Xem 18 hiện bằng cách sử dụng máy quét laser. Kết quả được trình bày trong Hình 12, cho thấy chiều cao của cành và lá phong trong buổi sáng sớm thì thấp hơn lúc ban ngày 10 cm. ountain.net Thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng cây chuyển động nhiều nhất vào lúc sáng sớm, khi nó thức dậy. Nguồn gốc của các hiệu ứng này hình như là do sự khác biệt của việc hút nước vào lúc ban ngày và ban đêm. Quyển III, trang 198 38 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời Vật lý của n iềm hoan lạc“Trí tuệ có là gì ngoài sự chuyển động trong một hình cầu tri thức? ” Oscar Wilde, The Critic as Artist. Sự hỷ lạc là một hiệu ứng lượng tử. Lý do cũng đơn giản. Hỷ lạc đến từ cảm giác. Mọi cảm giác đều đo được. Và mọi số đo đều dựa trên Thuyết lượng tử. Cơ thể người, giống một chiếc xe đắt tiền, gắn đầy cảm biến. Sự tiến hoá đã tạo nên các cảm biến có khả năng khởi phát các cảm giác hoan lạc khi ta sử dụng cơ thể vào mục M otion đích mà nó được tạo ra. Dĩ nhiên không nhà nghiên cứu nào thừa nhận là mình đang nghiên cứu về sự hỷ lạc. Họ sẽ nói rằng mình nghiên cứu về cảm giác và sự nhận thức. M ountain Nhưng sự hỷ lạc và các cảm biến giúp ta duy trì sự sống. Niềm hoan lạc sẽ lên tột đỉnh khi sự sống được giữ cho liên tục. Trong quá khứ, sự xuất hiện của một cảm biến mới – trong sinh hệ luôn luôn có ảnh hưởng quan trọng đến sự tiến hoá, như trong sự kiện The Adventure of Physics bùng nổ ở kỷ Cambri. Nghiên cứu về sự hỷ lạc và các cảm biến sinh học là một lĩnh vực hấp dẫn và vẫn còn tiếp diễn; ở đây ta chỉ điểm qua các điều đã biết. Tai rất nhạy đồng thời chịu được các tín hiệu rất mạnh. Không một cảm biến âm nào có thể bao trùm trên một dải năng lượng rộng 1013; thật vậy, dải cường độ âm có thể phát hiện được kéo dài từ 1 pW/m2 (có người nói là 50 pW/m2) tới 10 W/m2, tương đương copyright © với áp suất không khí thay đổi từ 20 ��Pa tới 60 Pa. Cường độ thấp nhất mà tai nghe được là của một nguồn âm 20 W cách xa tai 10 000 km, nếu âm không mất đi trong khoảng cách đó. Bước sóng của âm nghe được trải dài từ 17 m (tần số 20 Hz) tới 17 mm (tần số Christoph 20 kHz). Trong phạm vi này, tai với từ 16 000 tới 20 000 tế bào lông tơ và 30 000 neuron ốc tai, có thể phân biệt được ít nhất 1500 cao độ. Nhưng nó còn có thể phân biệt được các tần số gần bằng nhau, như 400 và 401 Hz, bằng cách sử dụng một cơ chế đặc biệt để Schiller June 1990–05 làm sắc cao độ. Mắt là một máy phát hiện photon phụ thuộc vào vị trí. Mỗi mắt chứa khoảng 126 triệu đầu dò riêng biệt trên võng mạc. Mật độ khối của đầu dò đã giúp cho mắt có thị lực lớn nhất với đường kính của thuỷ tinh thể đã có. Chúng cho mắt có năng suất phân giải là 1 ��, hay 0.29 mrad và khả năng nhận biết tới 60 photon tới trong 0.15 s hay 4 photon bị 2021 hấp thu trong cùng một khoảng thời gian. free pdf file available at www.m Mỗi mắt chứa 120 triệu tế bào hình que là các đầu dò cường độ ánh sáng cực nhạy. Chúng giúp cho mắt có độ nhạy cao. Tế bào hình que không phân biệt được màu sắc. Trước thế kỷ 21, con người đã tạo ra được các cảm biến ánh sáng có độ nhạy như tế bào hình que, phải được làm lạnh bằng helium vì công nghệ chưa tạo được các cảm biến ở nhiệt độ phòng nhạy như mắt người. Mắt người chứa khoảng 6 triệu tế bào hình nón là các đầu dò màu sắc không quá nhạy, có sự phân bố như ta đã thấy trước kia. Các hoá chất khác nhau trong 3 loại tế bào hình nón (đỏ, lục, lam) làm cho các cảm biến có tốc độ khác nhau; điều này có thể kiểm tra otionm Xem 19 bằng một phép thử đơn giản như ta thấy trong Hình 13. Sự khác nhau về độ nhạy giữa tế bào hình nón (phát hiện màu) và tế bào hình que (khuyết sắc) là lý do vào ban đêm ountain.net mọi con mèo đều màu xám. Hình ảnh do mắt thu được chỉ sắc nét khi mắt thường xuyên chuyển động nhẹ một cách ngẫu nhiên. Nếu chuyển động này ngưng lại, thí dụ như do hoá chất nào đó, hình 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 39 HÌNH 13 Tốc độ khác nhau của của các cảm biến màu (tế bào hình nón) dẫn tới một hiệu ứng kỳ lạ là hình này M otion (trong ấn bản màu) lắc nhẹ từ phải sang M trái trong ánh sáng ountain yếu. – The Adventure of Physics copyright © Christoph Schiller June 1990–05 2021 free pdf file available at www.m HÌNH 14 Năm cảm biến về xúc giác của người, từ thông dụng tới ít thông dụng nhất: tiểu thể Meissner, tế bào Merkel, tiểu thể Ruffini, tiểu thể Pacini và thụ thể lông. ảnh sẽ bị nhoè đi. Mắt cũng chứa khoảng 1 triệu hạch thần kinh võng mạc. Mọi tín hiệu từ mắt được truyền qua 1 triệu dây thần kinh thị giác tới vỏ não chứa trên 500 triệu tế bào. otionm Các cảm biến xúc giác đượ c phân bố trên da, với mật độ mặt thay đổi từ vùng này ountain.net qua vùng khác. Mật độ ở trên lưng thấp nhất và ở trên mặt và lưỡi thì cao nhất. Bàn tay có khoảng 17 000 thụ thể xúc giác, phần lớn ở đầu ngón tay. Có những cảm biến riêng dành cho sự chạm nhẹ (tiểu thể Meissner) và áp suất (tế bào Merkel), dành cho sự biến 40 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời dạng (tiểu thể Ruffini), sự rung động (tiểu thể Pacinian) và cho cảm giác ngứa (các sợi không bao myelin); cũng có các cảm biến nóng, lạnh và đau.* Một số cảm biến có dạng tổng quát như trong Hình 14, có phản ứng tỷ lệ với cường độ kích thích; một số lại phản ứng với sự biến đổi, chỉ cho tín hiệu khi kích thích thay đổi. Nhiều cảm biến ở đây cũng được tìm thấy trong cơ thể – thí dụ như trên lưỡi. Các cảm biến được kích khởi khi áp suất bên ngoài làm cho chúng bị biến dạng; điều này dẫn tới việc giải phóng các ion Na+ và K+ xuyên qua màng của chúng, làm phát sinh một tín hiệu điện gởi tới dây thần kinh dẫn lên não. M otion Cơ thể người cũng chứa các cảm biến định hướng trong tai, cảm biến giãn trong cơ và cảm biến đau phân bố với mật độ khác nhau trên da và trong cơ thể. M ountain Người ta chỉ mới biết một phần về cơ chế của các cảm biến vị giác của lưỡi. Lưỡi có thể tạo ra 6 tín hiệu vị giác** – ngọt, mặn, đắng, chua, đạm và béo – mà cơ chế chỉ mới – The Adventure of Physics được làm sáng tỏ lúc gần đây. Cảm giác về chất đạm còn gọi là vị ngọt của thịt, đã đượ c Xem 20 Ikeda Kikunae khám phá năm 1907; cảm giác ‘béo’ chỉ được khám phá vào năm 2005. Lưỡi, vòm miệng và trong má có khoảng 10 000 gai vị giác, 90 % trong số đó ở trên lưỡi. Mỗi gai có từ 50 tới 150 thụ thể có đường kính khoảng 10 μm. Vào thời cổ Hy Lạp, Democritus đã tưởng tượng rằng vị giác phụ thuộc vào hình dạng của nguyên tử. Ngày nay ta biết rằng vị ngọt có liên quan tới hình dạng của phân tử. Hiện nay người ta vẫn chưa hiểu rõ về các thụ thể vị giác khác nhau trên lưỡi. Người ta đã biết có ít nhất 3 thụ thể ngọt khác nhau, hàng tá các thụ thể đắng, một thụ thể đạm copyright © và một thụ thể béo. Ngược lại, vị giác chua và mặn bắt nguồn từ các kênh ion. Dù đã biết khá nhiều về vị giác nhưng người ta vẫn chưa tạo ra được cảm biến có khả năng phân biệt giống như lưỡi. Cảm biến vị giác hoàn thiện sẽ có giá trị thương mại rất lớn đối với Christoph kỹ nghệ thực phẩm.Người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu để tìm ra các chất ngăn chặn các thụ thể vị giác, mục đích là làm giảm vị đắng của thuốc và thức ăn. Schiller June 1990–05 Mũi có khoảng 350 loại thụ thể mùi khác nhau với tổng số khoảng 40 triệu tế bào thụ thể. (Chó có nhiều hơn 25 lần.) Dựa vào các tổ hợp khả hữu người ta ước tính mũi có thể phát hiện khoảng 10 000 mùi khác nhau. *** Cùng với 6 tín hiệu của lưỡi, mũi cũng tạo ra một số lớn các vị giác. Điều này giúp ta chống lại các chất độc hoá học như khói và chất độc sinh học như phân. Ngược lại, các cảm biến hơi nhân tạo chỉ phát hiện được 2021 một số ít hơi. Các cảm biến vị giác và khứu giác hoàn thiện cho ta khả năng đánh giá rượu vang, phô mai trong khi sản xuất và sẽ mang lại lợi nhuận khổng lồ cho người phát free pdf file available at www.m Câu đố 23 ny minh ra nó. Hiện nay với công nghệ đã có, con người vẫn chưa có khả năng sản xuất các * Có 4 cảm biến nhiệt; một được kích khởi khi nhiệt độ trên 27°C, một trên 31°C, một trên 42°C và một trên 52°C. Cảm biến nhiệt độ trên 42°C, TRPV1, được capsaicin, hoá chất cay có trong ớt và tiêu, kích khởi. Hình như chỉ có 1 cảm biến lạnh, kênh ion TRPM8, được kích khởi trong khoảng từ 8 tới 26°C. Nó cũng được menthol, một hoá chất có trong mojito và bạc hà kích khởi. Neuron lạnh, tức là neuron có TRPM8 ở đầu của chúng, có thể thấy được nhờ kỹ thuật đặc biệt sử dụng fluorescence, có ở trong răng; chúng mang otionm tới cho bạn cảm giác mà bạn sẽ gặp ở phòng nha khoa khi nha sĩ kiểm tra răng bằng không khí nén. ** Độ nhạy của vị giác không tách thành các vùng riêng rẽ trên lưỡi; điều sai lầm này đã được sao chép từ ountain.net sách này sang sách khác trên 100 năm nay. Bạn có thể tự kiểm chứng bằng cách sử dụng các hạt đường hay Câu đố 22 s muối. *** Linda Buck và Richard Axel đã nhận giải Nobel y học năm 2004 nhờ đã minh giải hoạt động của khứu giác. 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 41 cảm biến tốt như của vi khuẩn; người ta đã biết Escherichia coli có thể nhận ra ít nhất 30 chất trong môi trường quanh nó. Động vật có các loại cảm biến phụ. Cá mập có thể cảm nhận được điện trường. Nhiều Quyển III, trang 32 loại rắn có các cảm biến hồng ngoại, như rắn lục hay dơi quỷ. Những cảm biến này được sử dụng để định vị con mồi hay nguồn thức ăn. Một số bọ cánh cứng như Melanophila acuminata, cũng có khả năng phát hiện tia hồng ngoại; chúng sử dụng khả năng này định vị các đám cháy rừng để nhiệt làm cho trứng nở. Cũng có loài côn trùng khác có các cơ quan như vậy. Bồ câu, cá hồi và cá mập có thể cảm nhận được từ trường và sử M otion dụng khả năng này như phương tiện đạo hàng. Nhiều loài chim và côn trùng có thể thấy tia tử ngoại. Dơi và cá heo có thể nghe được siêu âm có tần số lên đến 100 kHz và cao M ountain Quyển I, trang 325 hơn. Cá voi và voi có thể phát hiện và định vị các tín hiệu hạ âm. Tóm lại, các cảm biến mà thiên nhiên cung cấp cho chúng ta mang đầy tính nghệ – thuật, rất nhạy và dễ sử dụng. Vì mọi cảm biến đều kích khởi sự hỷ lạc hoặc giúp ta The Adventure of Physics tránh được đau đớn, rõ ràng thiên nhiên muốn ta thưởng ngoạn cuộc đời với niềm vui Xem 21 mãnh liệt nhất. Nghiên cứu môn vật lý là cách ta thực hiện điều này. “Có hai điều làm cho đời đáng sống: Mozart và cơ học lượng tử. ” Victor Weisskopf* Dây thần k inh và não bộ“Không có sự bình tâm vĩnh cửu khi ta sống trên copyright © đời này; vì cuộc đời chỉ là sự chuyển động và Christoph giác. ” không thể không có ham muốn, sợ hãi, hay cảm Thomas Hobbes, Leviathan. Schiller June 1990–05 Bộ phận chính, xử lý mọi tín hiệu do cảm biến gởi tới não bộ chủ yếu dành cho mọi xúc cảm hoan lạc. Não người có độ phức tạp cao nhất trong các bộ não mà ta đã biết.** Hơn nữa năng lực và tốc độ xử lý của não người vẫn lớn hơn mọi thiết bị do con người tạo ra. Trước kia ta đã thấy cách các tín hiệu điện, từ các cảm biến chuyển vào trong não. 2021 Quyển I, trang 314 Bên trong não, tín hiệu tới được phân loại và lưu trữ, có lúc chỉ trong một thời gian ngắn, có lúc lâu dài. Phần lớn các cơ chế lưu trữ và cường độ kết nối giữa các tế bào não xảy ra free pdf file available at www.m trong các synapse, như ta đã thấy. Phần còn lại mà ta phải tìm hiểu là sự phân loại, quá Quyển III, trang 264 trình mà ta thường gọi là sự tư duy. Ta đã biết cơ chế phân loại ở mức thấp, như hình dạng hình học đối với mắt hay các hoà âm đối với tai. Nhưng với sự phân loại ở mức * Victor Friedrich Weisskopf (b. 1908 Vienna, d. 2002 Cambridge), nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng từng làm việc với Einstein, Born, Bohr, Schr¨odinger và Pauli. Ông đã góp phần vào sự phát triển của Điện động lực học lượng tử và Vật lý hạt nhân. Ông làm việc trong dự án Manhattan nhưng sau đó ông lại tích cực vận động chống lại việc sử dụng vũ khí hạt nhân. Trong chiến tranh lạnh ông nhận làm thành viên của viện hàn otionm lâm khoa học Soviet. Ông là giáo sư của MIT và là giám đốc của CERN, ở Geneva trong nhiều năm. Ông rất thành công trong việc viết sách giáo khoa vật lý. Tác giả đã nghe câu phát biểu trên năm 1982, trong một ountain.net bài giảng của ông. ** Điều này không mâu thuẫn với sự kiện một số loài cá voi có khối lượng não lớn hơn. Khối lượng lớn là do não cần được bảo vệ chống lại áp suất lớn xuất hiện khi cá voi lặn xuống nước (một số đạt tới độ sâu 1 km). Số neuron trong não cá voi ít hơn số neuron trong não người rất nhiều. 42 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời cao, như sự phân loại được sử dụng trong sự tư duy về các khái niệm, người ta chưa đạt được mục tiêu. Ta vẫn chưa biết cách mô tả các quá trình đọc hiểu, theo chuyển động của các tín hiệu. Việc nghiên cứu vẫn còn nhiều biến động và có thể vẫn tiếp tục như vậy trong thế kỷ 21. Trong phần sau đây ta hãy tìm hiểu một vài khả năng của não, của cơ thể và của các vật thể khác có vai trò quan trọng đối với các loại hỷ lạc mà ta đã trải nghiệm khi tìm hiểu về chuyển động. M Đồng hồ sinh học“L’horologe fait de la réclame pour le temps.*” otion M Georges Perros ountain Quyển I, trang 45 Ta đã có một tổng quan về đồng hồ sinh học ở đầu cuộc phiêu lưu. Chúng áp dụng chung – The Adventure of Physics cho vi khuẩn, thực vật và động vật. Và như Bảng 3 cho thấy, không có đồng hồ sinh học thì không có sự sống cũng như niềm hoan lạc. Khi hát một nốt nhạc vừa nghe qua, ta đã có thể tái tạo khá chính xác tần số ban đầu. Ta cũng đã biết qua kinh nghiệm là con người có thể giữ nhịp rất nhặt trong một Xem 22 khoảng thời gian dài. Khi hoạt động thể thao hay khiêu vũ, ta có thể định thời rất chính xác. (Đối với thời gian ngắn hay dài hơn, các đồng hồ bên trong không còn chính xác như vậy nữa.) Tất cả các đồng hồ này đều đặt trong não. copyright © Não xử lý thông tin. Máy tính cũng làm việc này và giống như máy tính, mọi bộ não đều cần có một đồng hồ để hoạt động cho hiệu quả. Mỗi đồng hồ đều có cấu tạo như nhau. Nó cần một bộ dao động để xác định nhịp độ và một bộ phận cung cấp năng lượng Christoph cho bộ dao động. Thêm vào đó, mỗi đồng hồ cần một bộ đếm dao động, tức là một bộ phận đọc tín hiệu đồng hồ và một phương tiện phân bố tín hiệu khắp hệ thống để đồng bộ hoá các quá trình gắn liền với nó. Sau cùng, đồng hồ cần một cơ cấu tái khởi động. Schiller June 1990–05 Nếu đồng hồ phải kiểm soát nhiều thang đo thời gian, nó cần nhiều bộ dao động có tần số dao động khác nhau và phương thức thiết đặt lại các phase tương đối của chúng. Dù các nhà vật lý biết rõ cách tạo ra một đồng hồ hoàn thiện nhưng ta vẫn chưa hiểu tường tận về các đồng hồ sinh học. Phần lớn các hệ dao động sinh học là các hệ hoá học; Xem 23 có một số như cơ tim hay bộ định thời của não bộ là các hệ điện tử. Việc giải thích về 2021 các hệ dao động hoá học là công của Ilya Prigogine; nó đã đem lại cho ông giải Nobel hoá học năm 1977. Nhưng không phải người ta đã biết tất cả về các hệ dao động hoá học free pdf file available at www.m cũng như bộ đếm trong cơ thể người. Chu kỳ 24-phút trong tế bào của người chỉ mới được khám phá vào năm 2003 và người ta cũng chưa biết đầy đủ về cơ chế dao động, chỉ Xem 24 biết rằng tế bào đã được tiếp những giọt nước lớn với chu kỳ 27–phút thay vì 24–phút. Có thể nhịp điệu và đồng hồ hằng ngày, được tạo ra hay khởi động lại sau mỗi 60 chu kỳ 24–phút này, do một số tế bào chủ trong cơ thể người kích khởi. Cơ chế tái khởi động của chúng cũng do ánh sáng ban ngày kích khởi; các tế bào trong mắt người, vật thực hiện động tác này, đã được xác định vào năm 2002. Tín hiệu ánh sáng từ các tế bào được nhân chéo trên, hai cấu trúc dành riêng ở vùng dưới đồi trong não, xử lý. Các tế bào otionm khác nhau trong cơ thể người hoạt động phụ thuộc vào phase của chiếc đồng hồ này. Các đồng hồ có chu kỳ dài nhất trong cơ thể con người điều khiển sự lão hoá. Một ountain.net trong số các đồng hồ lão hoá nổi tiếng là đồng hồ giới hạn số lần bào phân. Thật vậy, * ‘Đồng hồ là sự quảng cáo cho thời gian.’ 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 43 BẢNG 3 Các thí dụ về nhịp điệu và đồng hồ sinh học. Sinh vật Hệ dao động Chu kỳ Bọ chét cát (Talitrus saltator) tránh xa vị trí của Mặt trời hay Mặt trăng hằng ngày Người (Homo sapiens) sóng gamma trong não 0.023 tới 0.03 s sóng alpha trong não 0.08 tới 0.13 s M nhịp tim 0.3 tới 1.5 s otion sóng delta trong não 0.3 tới 10 s M tuần hoàn máu 30 s ountain nhịp điệu mỗi giờ của tế bào 1 tới 2 ks chu kỳ giấc ngủ đảo mắt nhanh 5.4 ks – The Adventure of Physics chu kỳ mũi 4 tới 14 ks chu kỳ hormone tăng trưởng 11 ks nhân chéo trên (SCN), nồng độ hormone hằng ngày, nhiệt độ, v.v...; dẫn tới sự mệt mỏi sau chuyến bay dài 90 ks đồng hồ của da hằng ngày kinh nguyệt 2.4(4) Ms copyright © quá trình lão hoá 3.2(3) Gs Ruồi nhà (Musca domestica) đập cánh 30 ms Ruồi giấm (Drosophila melanogaster) đập cánh tán tỉnh 34 ms Christoph Đa số côn trùng (thí dụ ong, ruồi giấm) phát hiện mùa đông đến gần (thời kỳ đình dục) theo chiều dài của ngày; kích khởi những thay đổi của sự biến dưỡng hằng năm Schiller June 1990–05 Tảo (Acetabularia) nồng độ Adenosinetriphosphate (ATP) Mốc bánh mì đỏ (thí dụ Neurospora crassa) sự hình thành bào tử hằng ngày Nhiều thực vật có hoa hoa mở và khép cánh hằng ngày 2021 Cây thuốc lá đồng hồ nở hoa (quang chu kỳ); gây ra do chiều dài của ngày, được Garner và Allard khám phá vào năm 1920 hằng năm free pdf file available at www.m Arabidopsis chương động của ngọn cây hằng ngày tăng trưởng vài giờ Cây cờ hiệu (Desmodium gyrans) sự quay lá 200 s Forsythia europaea, F. suspensa, F. viridissima, F. spectabilis dao động của cánh hoa, Van Gooch khám phá vào năm 2002 5.1 ks otionm ountain.net số lần phân chia trong phần lớn các tế bào của cơ thể người là hữu hạn và thường nằm giữa 50 và 200. (Có một ngoại lệ là các tế bào sinh sản – ta sẽ không thể hiện hữu nếu chúng không có khả năng phân chia vô hạn.) Người ta đã xác định được Bộ đếm số lần 44 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời bào phân; nó là đoan lạp, một cấu trúc đặc biệt của DNA và protein nằm ở hai đầu của mỗi nhiễm sắc thể. Cấu trúc này giảm đi một lượng nhỏ trong mỗi lần bào phân. Sự bào phân sẽ ngừng khi phần này quá ngắn. Tiên đoán thuần tuý lý thuyết của Alexei Olovnikov năm 1971 đã được nhiều nhà nghiên cứu chứng minh. (Chỉ có người chứng minh nhận được giải Nobel y học năm 2009.) Các nghiên cứu về cơ chế và các ngoại lệ của quá trình này, như ung thư và tế bào sinh dục, vẫn đang tiếp diễn. Không phải mọi đồng hồ trong cơ thể người và cách hoạt động của chúng đều đã được hiểu hết. Thí dụ như những kiến thức cơ bản về kinh nguyệt của phụ nữ thì thú vị M nhưng phức tạp và chưa rõ ràng. otion Những chiếc đồng hồ hấp dẫn khác là nền tảng của thời gian có ý thức. Trong các M đồng hồ này, đồng hồ đếm giờ của não đã được nghiên cứu nhiều nhất. Gần đây người ountain ta mới biết được hoạt động của nó nhờ kết hợp các dữ liệu nghiên cứu về bệnh tật và sự Xem 25 tổn thương của người, sự cộng hưởng từ và tác dụng của thuốc đặc trị. Hoạt động đếm – The Adventure of Physics thời gian cơ bản này xảy ra trong thể vân của hạch đáy não. Thể vân chứa hàng ngàn tế bào đếm giờ với chu kỳ khác nhau. Chúng có thể bị kích khởi bởi một tín hiệu ‘bắt đầu’. Do số lượng lớn và vì các khoảng thời gian nhỏ cỡ 1 giây, nên tín hiệu đi ngang qua các tế bào có những kiểu thức khác nhau. Não có thể đọc và học những kiểu thức đó. Theo phương thức này ta có thể định thời trong âm nhạc hay trong những công việc đặc biệt nào đó, thí dụ như: 1 giây sau một tín hiệu chẳng hạn. Mặc dù ta chưa biết hết mọi cơ chế của đồng hồ trong cơ thể người, các đồng hồ sinh học đều có chung một tính chất với các đồng hồ nhân tạo và đồng hồ vô sinh: chúng đều copyright © bị giới hạn bởi cơ học lượng tử. Ngay cả con lắc đơn cũng bị giới hạn bởi Thuyết lượng tử. Christoph Đồng hồ đã có từ lúc nào?“Die Zukunft war früher auch besser.*” Schiller June 1990–05 Karl Valentin. Khi tìm hiểu Thuyết tương đối tổng quát, ta đã thấy rằng không có đồng hồ hấp dẫn thuần tuý vì không thể tạo ra đơn vị đo thời gian nếu chỉ sử dụng hai hằng số �� và ��. Quyển II, trang 287 Đồng hồ giống như các chuẩn đo lường khác, muốn hoạt động được, cần phải tương tác (không phải là tương tác hấp dẫn) với vật chất. Đây là lĩnh vực của Thuyết lượng tử. Ta 2021 hãy xem xét trường hợp này. free pdf file available at www.m Xem 26 Trước tiên, trong Thuyết lượng tử, thời gian không phải là một biến động lực. Thật vậy, toán tử thời gian không phải là toán tử Hermite. Nói cách khác, Thuyết lượng tử cho rằng không có biến động lực nào tỷ lệ với thời gian. Mặt khác, đồng hồ khá thông dụng; Mặt trời hay đồng hồ Big Ben đều làm mọi người hài lòng. Các thí nghiệm đều khuyến khích ta tìm một toán tử mô tả vị trí kim đồng hồ. Nhưng nếu làm như vậy ta sẽ gặp một kết quả kỳ lạ. Một hệ lượng tử có toán tử Hamilton bị chặn dưới – có một năng lượng cực tiểu – thì lại không có toán tử Hermite có giá trị tăng đơn điệu theo thời gian. Người ta có thể chứng minh kết quả này một cách chặt chẽ như một định lý toán học. otionm Lấy một đồng hồ con lắc. Trong các đồng hồ như vậy, quả nặng sẽ ngừng lại khi đến vị trí thấp nhất. Tổng quát hơn, mọi đồng hồ đều ngừng khi pin hay nguồn năng lượng ountain.net * ‘Tương lai vẫn thường tốt hơn quá khứ.’ Karl Valentin (b. 1882 Munich, d. 1948 Planegg), văn sĩ, nhà soạ n kịch và diễn viên hài. 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 45 cạn kiệt. Nói cách khác, trong các đồng hồ thực, toán tử Hamilton bị chặn dưới. Và theo định lý trên thì một đồng hồ như vậy không hoạt động được. Tóm lại, Thuyết lượng tử chứng tỏ rằng trong thiên nhiên không có đồng hồ đúng. Nó cho rằng mọi đồng hồ chỉ có thể gần đúng. Người ta không thể đo thời gian một cách chính xác mà chỉ có thể đo gần đúng. Hiển nhiên là kết quả này quan trọng đối với đồng hồ có độ chính xác cao. Điều gì sẽ xảy ra khi ta tăng độ chính xác đồng hồ lên hết cỡ? Độ chính xác càng cao thì càng nhạy với các thăng giáng. Mọi đồng hồ đều có một bộ dao động bên trong tức là một động cơ giúp chúng hoạt động. Đồng hồ chính xác M cần một bộ dao động chính xác. Trong mọi đồng hồ, vị trí của bộ dao động được đọc và otion hiển thị trên một mặt chia độ. Lượng tử tác dụng hàm ý rằng một bộ dao động dù chính M xác cũng có một độ bất định về vị trí. Như vậy độ chính xác của đồng hồ có giới hạn. ountain Điều tệ hơn là giống như một hệ lượng tử bất kỳ, bộ dao động của đồng hồ dù nhỏ thì cũng có một xác suất hữu hạn để ngừng hay chạy ngược lại trong một khoảng thời gian. – The Adventure of Physics Bạn có thể tự kiểm tra điều này. Chỉ cần nhìn vào đồng hồ khi ‘hết pin’ hay khi quả nặng của hệ cung cấp năng lượng ‘chạm đáy’. Đồng hồ sẽ bắt đầu các chuyển động khôi hài, như đi ngược lại một chút hay nhảy tới nhảy lui. Khi đồng hồ hoạt động bình thường, hiện tượng này bị triệt tiêu tuy nó có thể xảy ra dù với một xác suất rất nhỏ. Điều này Câu đố 24 e cũng đúng cho đồng hồ Mặt trời. Tóm lại, đồng hồ phải là hệ vĩ mô để chạy đúng. Nó phải đủ lớn để quân bình các thăng giáng. Các hệ thiên văn là một thí dụ như vậy. Một đồng hồ chạy tốt cũng phải là một đồng hồ được cô lập với môi trường, như một vật rơi tự do có toạ độ được sử dụng copyright © làm biến thời gian. Điều này đã được áp dụng trong đồng hồ quang nguyên tử. Độ chính xác của đồng hồ Christoph Nếu sự hạn chế của đồng hồ là do Thuyết lượng tử thì độ chính xác cao nhất �� của đồng hồ là bao nhiêu? Trước tiên hệ thức bất định đặt ra một giới hạn về khối lượng của một Schiller June 1990–05 Câu đố 25 ny đồng hồ. Khối lượng đồng hồ �� phải thoả hệ thức �� > ℏ��2��(2) 2021 Câu đố 26 e điều này luôn đạt được trong đời sống hằng ngày. Nhưng ta có thể làm tốt hơn. Giống như một con lắc, ta có thể liên hệ độ chính xác �� của đồng hồ với thời gian đọc lớn nhất free pdf file available at www.m Xem 27 ��. Ý tưởng này được Salecker và Wigner đưa ra đầu tiên. Họ cho rằng �� > ℏ��2������(3) trong đó �� là thời gian đo được. Bạn có thể kiểm tra là điều kiện này đòi hỏi đồng hồ phải có tính vĩ mô. Hãy xem công thức của Salecker và Wigner. Ta có thể phát biểu nó dưới một dạng khác. Đối với đồng hồ có thể đo thời gian ��, giữa kích thước �� và khối otionm lượng �� có hệ thức �� > √ℏ����. (4) ountain.net 46 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời Xem 28 Ta có thể tiến sát giới hạn này đến cỡ nào? Hoá ra đồng hồ nhỏ nhất, tiếp cận giới hạn này gần nhất là vi khuẩn. Vi khuẩn nhỏ nhất, mycoplasmas, có khối lượng khoảng 8 ⋅ 10−17 kg, sinh sản 100 phút một lần, với độ chính xác khoảng 1 phút. Kích thước được tiên đoán từ biểu thức (4) là từ 0.09 μm và 0.009 μm. Kích thước quan sát được của mycoplasmas nhỏ nhất là 0.3 μm. Sự kiện vi khuẩn có thể tiến sát giới hạn của đồng hồ cho ta thấy rằng sự tiến hoá là một kỹ sư tài ba nhất. Ta cũng nên nhớ rằng yêu cầu của Salecker và Wigner không mâu thuẫn với khả năng tạo ra các bộ dao động đồng hồ rất nhỏ; các nhà nghiên cứu đã tạo ra các bộ dao động M Xem 29 chỉ có một nguyên tử đơn lẻ. Đúng ra các dao động như vậy sẽ là các đồng hồ chính xác otion nhất do con người làm ra. Nhưng bộ dao động chỉ là một phần của đồng hồ như ta đã M Trang 42 giải thích ở trên. ountain Trong thế giới thực, giới hạn đồng hồ có sát sao hơn. Không thể sử dụng cả khối lượng �� trong giới hạn trên. Đối với các đồng hồ làm bằng các nguyên tử, ta chỉ có thể – The Adventure of Physics sử dụng năng lượng liên kết giữa các nguyên tử. Điều này dẫn đến giới hạn lượng tử tiêu chuẩn của đồng hồ; nó giới hạn độ đúng của tần số đồng hồ �� theo hệ thức ���� �� = √ Δ�� ��tot(5) trong đó Δ�� = ℏ/�� là độ bất định năng lượng bắt nguồn từ thời gian đo hữu hạn �� và copyright © ��tot = ����bind là tổng năng lượng liên kết của các nguyên tử trong thước đo. Tính cho đến nay, chưa có đồng hồ nào đạt tới giới hạn lượ ng tử mặc dù có nhiều thí nghiệm đã tiến gần đến giới hạn đó. Christoph Tóm lại, chỉ có những đồng hồ trong giới hạn mà ℏ có thể bỏ qua. Trong thực tế, có thể giảm thiểu sai số do đồng hồ và thước đo bằng cách làm đồng hồ đủ lớn. Đồng hồ được tạo ra trong não người phù hợp với yêu cầu này. Ta có thể tiếp tục nghiên cứu kỹ Schiller June 1990–05 càng về vật chất mà không phải lo lắng nhiều, ít nhất là trong một thời gian nào đó. Chỉ tới phần cuối của cuộc thám hiểm, khi yêu cầu về chính xác cao hơn và Thuyết tương đối tổng quát hạn chế kích thước của các hệ vật lý, thì khó khăn sẽ xuất hiện: việc không thể tạo ra các đồng hồ chính xác sẽ trở thành vấn đề chính của chúng ta. Quyển VI, trang 65 2021 Tạ i sao rất khó t iên đoán, đặc b iệt là tương la i? “Tương lai: là khoảng thời gian lúc việc kinh free pdf file available at www.m thật và là lúc hạnh phúc của ta được đảm bảo.” doanh của ta phát đạt, lúc ta biết rõ ai là bạn Ambrose Bierce Thiên nhiên hạn chế sự tiên đoán của ta theo 4 cách: 1. Thuyết lượng tử, thông qua các hệ thức bất định, giới hạn độ chính xác của các phép đo, của đồng hồ và đặc biệt là của phép đo thời gian. Như vậy lượng tử tác dụng sẽ khiến ta khó xác định đượ c trạng thái ban đầu với độ chính xác hoàn toàn – ngay cả otionm đối với hệ chỉ có 1 hạt. Quyển I, trang 239 2. Số lượng hạt nhiều sẽ làm ta khó tiên đoán tương lai do bản chất thống kê của các ountain.net điều kiện ban đầu của chúng. Quyển I, trang 423 3. Sự tiên đoán tương lai đã trở nên khó khăn do tính phi tuyến và do sự phân kỳ từ 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 47 các điều kiện lân cận ban đầu. Thí 4. Một topo không-thời gian không tầm thường có thể hạn chế khả năng tiên đoán. Quyển II, trang 111 dụ như hố đen và chân trời có thể hạn chế khả năng tiên đoán do sự hàm chứa một chiều của năng lượng, khối lượng và tín hiệu. 5. Trong phần cuối của cuộc thám hiểm, ta sẽ khám phá ra rằng hiệu ứng hấp dẫn lượng Quyển VI, trang 40 tử sẽ khiến cho ta không thể có một định nghĩa chính xác về không thời gian. Như vậy các phép đo và tính dự đoán được trong thực tế bị hạn chế. Lý do chính của sự giới hạn này chính là lượng tử tác dụng. Nhưng nếu lượng tử tác dụng ngăn cản việc tạo M otion ra các đồng hồ hoàn hảo thì tất định luận có còn mô tả đúng về thiên nhiên hay không? Thời gian có hiện hữu không? Câu trả lời cũng rõ ràng: có và không. Ta đã biết mọi giới M ountain hạn của đồng hồ đã nói ở trên đều có thể vượt qua trong những khoảng thời gian giới hạn; thật ra ta có thể làm cho những khoảng thời gian này lớn đến nỗi các giới hạn trở – nên không đáng kể trong đời sống hằng ngày. Kết quả là, The Adventure of Physics ⊳ Trong thực tế, tất định luận và khái niệm thời gian vẫn còn khả dụng trong các hệ lượng tử. Kết luận này vẫn đúng mặc dù lý thuyết có nói khác đi. Khả năng thưởng ngoạn cuộc đời của chúng ta bắt nguồn từ việc dòng thời gian vẫn còn nguyên vẹn. Tuy vậy, khi dòng động lượng hay kích thước cực lớn thì ta không thể chỉ áp dụng copyright © Thuyết lượng tử; trong những trường hợp đó ta cần dùng đến Thuyết tương đối tổng quát. Các hiệu ứng quyến rũ xảy ra trong các trường hợ p này sẽ đượ c ta tìm hiểu kỹ càng Quyển VI, trang 57 ngay sau đây. Christoph Sự phân rã và quy luật vàng“Điều tôi thích nhất là nhớ được tương lai. ” Schiller June 1990–05 Salvador Dalì Mọi lạc thú chỉ có ý nghĩa khi ta đối diện với thần chết. Và cái chết chính là một dạng phân rã. Phân rã là một sự thay đổi tự phát. Giống như bản chất sóng của vật chất, phân rã là một quá trình không có sự tương tự cổ điển. Dĩ nhiên một sự phân rã bất kỳ – bao 2021 gồm sự phát ra ánh sáng của một ngọn đèn, sự kích khởi một cảm biến của máy ảnh, free pdf file available at www.m hiện tượng phóng xạ hay sự lão hoá của con người – đều có thể quan sát theo lối cổ điển; tuy vậy, nguồn gốc của sự phân rã là một hiệu ứng lượ ng tử thuần tuý. Trong sự phân rã của các hệ hay các hạt không bền, sự mất điều hợp của sự chồng chập các trạng thái phân biệt vĩ mô đóng một vai trò quan trọng. Thật vậy, thí nghiệm Quyển IV, trang 144 chứng tỏ rằng việc tiên đoán sự phân rã đối với một hệ đặc biệt, giống như sự tán xạ của một hạt, chỉ có thể tính trung bình đối với một số lớn các hạt hay hệ, chứ không thể áp dụng cho một hạt đơn lẻ. Các thí nghiệm này khẳng định nguồn gốc lượng tử của sự phân rã. Trong mỗi quá trình phân rã, sự chồng chập các trạng thái phân biệt vĩ mô – otionm trong trường hợp này là sự chồng chập của các hạt đã và chưa phân rã – bị mất điều hợp một cách nhanh chóng do sự tương tác với môi trường. Thường thường ‘môi trường’ là ountain.net chân không, với sự thăng giáng của các trường điện từ, các trường yếu và mạnh, đủ để tạo ra sự mất điều hợp. Thường thì ta không thể biết chi tiết về các trạng thái của môi trường có liên quan đối với một hệ đơn lẻ và do đó ta cũng không thể tiên đoán được 48 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời điều gì. Nguồn gốc của sự phân rã là gì? Sự phân rã luôn bắt nguồn từ sự xuyên hầm. Theo ngôn ngữ của Điện động lực học lượng tử, ta có thể nói rằng phân rã là sự chuyển động sinh ra do sự thăng giáng của chân không. Sự thăng giáng của chân không có tính ngẫu nhiên. Thí nghiệm về các bản mỏng khẳng định sự quan trọng của thăng giáng của môi trường đối với quá trình phân rã. Thuyết lượng tử làm cho việc mô tả sự phân rã trở nên đơn giản. Đối với một hệ gồm một số rất lớn �� các hạt đồng nhất đang phân rã, sự phân rã được mô tả bằng phương M trình otion ��=− ̇ ���� trong đó 1�� = 2πℏ��������⟨��initial|��int|��final⟩��������2 . (6) M ountain Kết quả �� =̇ d��/d�� được Fermi đặt tên là quy luật vàng,* vì mặc dù nó là quy luật gần – đúng nhưng hoạt động tốt đến nỗi ta khó mà xác định được phạm vi áp dụng của nó. The Adventure of Physics Câu đố 27 e Từ quy luật vàng ta suy ra ��(��) = ��0 e−��/�� . (7) Sự phân rã đượ c tiên đoán là tuân theo quy luật hàm số mũ độc lập với các chi tiết của quá trình. Ngoài ra, thời gian phân rã �� phụ thuộc vào sự tương tác và bình phương của các phần tử của matrix chuyển. Trong gần một thế kỷ, mọi thí nghiệm đều khẳng định copyright © sự phân rã lượng tử theo quy luật hàm số mũ. Mặt khác, khi Thuyết lượ ng tử đượ c sử dụng để suy ra quy luật vàng, người ta nhận Xem 30 thấy rằng sự phân rã chỉ theo quy luật hàm số mũ trong những hệ đặc biệt. Sự tính toán Christoph có tính đến các số hạng bậc cao, tiên đoán có hai sự sai lệch với quy luật hàm số mũ đối với những hệ hoàn toàn cô lập: trong những khoảng thời gian ngắn, tốc độ phân rã sẽ Schiller June 1990–05 triệt tiêu; trong thời gian dài, tốc độ phân rã sẽ phụ thuộc thời gian theo kiểu đại số – Xem 31 không phải hàm số mũ – trong một số trường hợp ngay cả với các dao động chồng chập. Sau những nỗ lực tìm kiếm, người ta đã quan sát được sự sai lệch trong thời gian ngắn. Người ta không thể tiến hành các thí nghiệm về sự sai lệch trong thời gian dài vì sự có mặt của tiếng ồn nhiệt. Tóm lại, sự phân rã chỉ theo quy luật hàm số mũ khi môi trường ồn ào, hệ được tạo nên từ các hạt tương tác yếu hay cả hai. Vì đây là trường hợp thường 2021 gặp, sự giảm theo hàm số mũ, đặc biệt về mặt toán học, trở thành quy luật (vàng) trong việc mô tả sự phân rã. free pdf file available at www.m Bạn có thể giải thích lý do tại sao đời sống con người, mặc dù là một hiệu ứng lượng Câu đố 28 s tử, lại không theo quy luật hàm số mũ không? Hiện tại trong Thuyết lượng tử“Utere temporibus.** ”Ovidius otionm ountain.net * Đầu tiên, quy luật vàng là một lời khuyên trong kinh thánh (Matthew 7,12) cụ thể là ‘Hãy làm cho người khác những điều mà bạ n muốn họ làm cho mình.’ ** ‘Hãy tận dụng các cơ hội.’ Tristia 4, 3, 83 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 49 Nhiều nhà hiền triết khuyên ta nên tận hưởng hiện tại. Từ các công trình nghiên cứu về Xem 32 sự nhận thức, điều mà ta gọi là ‘hiện tại’ kéo dài từ 20 đến 70 ms. Kết quả dựa trên hiện tại sinh học này khiến ta thắc mắc là hiện tại vật lý có chiều dài hay không. Trong đời sống hằng ngày, ta thường tưởng tượng rằng việc rút ngắn hết cỡ thời gian dùng để đo vị trí của một chất điểm sẽ giúp ta tiếp cận tới mức lý tưởng là hạt sẽ cố định tại điểm đã cho trong không gian. Khi Zeno lý luận về chuyển động của một mũi tên, ông đã giả sử rằng điều này có thể thực hiện được. Tuy vậy, Thuyết lượng tử đã làm thay đổi tình thế. M Ta có thể nói rằng một hệ chuyển động đang ở tại một điểm đã cho vào thời điểm otion đã cho hay không? Để tìm câu trả lời bằng thí nghiệm, ta có thể sử dụng một máy ảnh M có thời gian đóng mở cửa trập nhỏ tuỳ ý. Ta sẽ tìm thấy điều gì? Khi thời gian đóng mở ountain của cửa trập tiến gần đến chu kỳ dao động của ánh sáng, độ nét của ảnh sẽ giảm đi; hơn nữa, chuyển động của cửa trập cũng ảnh hưởng đến màu sắc của ánh sáng. Ta có thể – The Adventure of Physics tăng năng lượng của ánh sáng đang sử dụng nhưng bước sóng nhỏ đi cũng không giải quyết được vấn đề. Tệ hơn, khi bước sóng cực nhỏ, vật chất trở nên trong suốt và cửa trập không có tác dụng gì nữa. Xem xét hết mọi điều dẫn ta đến kết luận: khi giảm thời gian đóng mở cửa trập, hình ảnh trở nên không rõ. Việc không sắc nét bắt nguồn từ lượng tử tác dụng. Thuyết lượng tử không khẳng định là thời gian cửa trập càng nhỏ thì ảnh càng sắc nét. Trái lại, bản chất lượng tử của thiên nhiên cho ta thấy rằng, về nguyên tắc, không có cách để tiếp cận giới hạn mà Zeno đã bàn đến. Tóm lại, hệ thức bất định và tác dụng cực tiểu không cho phép vật đang chuyển động copyright © có vị trí cố định ở một thời điểm đã cho. Các lý luận của Zeno dựa trên sự ngoại suy các khái niệm cổ điển vào các lĩnh vực mà nó không còn đúng nữa. Mọi thí nghiệm, như sự chụp ảnh, đều dẫn tới một trị trung bình theo thời gian: Christoph Thí nghiệm cho ta trị trung bình của các tương tác trên khoảng thời gian Schiller June 1990–05 đã cho. Đối với máy ảnh, thời gian là thời gian đóng mở cửa trập; trong một thí nghiệm, trị trung bình do bộ dụng cụ thí nghiệm quyết định. Bất kể dụng cụ thí nghiệm là gì, thời gian trung bình luôn khác 0. * Không có ‘thời điểm kiểu hình học’ để ta mô tả hiện tại. Hiện tại vật lý, được quan sát, luôn luôn là một trị trung bình tính trên một khoảng thời gian 2021 khác 0. Trong thiên nhiên hiện tại có chiều dài hữu hạn. Để có một giá trị thô giúp cho ta free pdf file available at www.m dễ lý luận, trong đa số các trường hợp, chiều dài của hiện tại sẽ nhỏ hơn 1 yoctosecond, vì vậy nó thường được bỏ qua. Tạ i sao ta có thể quan sát được chuyển động? Zeno ở Elea đã sai khi giả sử rằng chuyển động là một chuỗi các vị trí trong không gian. Thuyết lượng tử hàm ý rằng chuyển động chỉ là sự thay đổi vị trí theo thời gian một cách gần đúng. Như vậy tại sao ta có thể quan sát và mô tả chuyển động trong Thuyết lượng tử? otionm Thuyết lượng tử đã chứng tỏ chuyển động là sự xấp xỉ ở mức năng lượng thấp của sự tiến hoá lượ ng tử. Sự tiến hoá lượ ng tử giả sử rằng ta có thể thực hiện các phép đo không ountain.netTrang 50 * Việc bàn luận về hiệu ứng Zeno lượng tử dưới đây cũng không làm cho kết luận của phần này thay đổi. 50 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời thời gian với độ chính xác vừa đủ. Ta đã biết rằng đối với năng lượng quan sát đã cho, có thể tạo ra các đồng hồ và thước đo có độ chính xác cao hơn mức đòi hỏi, sao cho trong thực tế, sự tiến hoá lượng tử khả dụng trong mọi trường hợp. Chỉ cần năng lượng và thời gian không bị hạn chế, ta sẽ không gặp vấn đề gì và chuyển động là một chuỗi các trạng thái lượng tử theo thời gian. Tóm lại, ta có thể quan sát được chuyển động vì đối với năng lượng và hệ đang quan sát, ta vẫn có thể tìm được một mức năng lượng cao hơn và một thời gian trung bình dài hơn, để sử dụng được các dụng cụ đo xác định không thời gian với độ chính xác cao hơn. Trong phần cuối của cuộc thám hiểm, M ta sẽ khám phá ra là có một năng lượ ng cực Quyển VI, trang 46 otion đại trong thiên nhiên nên ta sẽ cần thay đổi cách mô tả trong những trường hợp đó. Tuy M vậy, giá trị năng lượng này lớn đến nỗi ta không cần bận tâm đến nó vào thời điểm này. ountain Sự đứng yên và h iệu ứng Zeno lượng tử – The Adventure of Physics Lượng tử tác dụng hàm ý không có sự đứng yên trong thiên nhiên. Đứng yên luôn luôn là một sự gần đúng hay một giá trị trung bình theo thời gian. Thí dụ như một electron liên kết với một nguyên tử, không chuyển động tự do thì đám mây xác suất, hay phân bố mật độ, ở trạng thái dừng theo thời gian. Nhưng cũng có các trường hợp đứng yên khác trong Thuyết lượng tử, hiệu ứng Zeno lượng tử. Thông thường sự quan sát làm thay đổi trạng thái của hệ. Tuy vậy, đối với một số hệ nào đó, sự quan sát lại có tác dụng ngược lại là cố định hệ thống. copyright © Cơ học lượng tử cho rằng một hạt không bền có thể không bị phân rã nếu nó được quan sát liên tục. Lý do là sự quan sát, sự tương tác với thiết bị quan sát, tạo ra một xác suất, để hệ không tiến hoá, khác 0. Nếu tần số quan sát tăng lên, xác suất để hệ không Christoph phân rã dần tới 1. Ba nhóm nghiên cứu – Alan Turing năm 1954, A. Degasperis, L. Fonda và G.C. Ghirardi năm 1974, George Sudarshan và Baidyanath Misra năm 1977 – đã độc lập tiên đoán hiệu ứng mà ngày nay đượ c gọi là hiệu ứng Zeno lượng tử. Nói một cách Schiller June 1990–05 đơn giản, hiệu ứng Zeno lượng tử là: nếu bạn không rời mắt khỏi một hệ thì sẽ không thấy điều gì xảy ra. Hiệu ứng Zeno lượng tử là một hệ quả tự nhiên của Thuyết lượng tử; tuy vậy, tính chất kỳ lạ của nó làm cho nó đặc biệt hấp dẫn. Sau khi tiên đoán được công bố, cuộc đua cho việc quan sát được hiệu ứng này trước tiên, bắt đầu. David Wineland và cộng sự đã 2021 quan sát được một phần hiệu ứng này năm 1990, và nó được Mark Raizen và cộng sự Xem 33 quan sát đầy đủ năm 2001. Trong thời gian đó, các nhóm khác cũng đã thực hiện nhiều free pdf file available at www.m thí nghiệm kiểm chứng. Như vậy tính chất kỳ lạ của Thuyết lượng tử đã được khẳng định. Hiệu ứng Zeno lượng tử cũng liên quan tới sự sai lệch với quy luật hàm số mũ – bắt nguồn từ quy luật vàng – là quy luật mà Thuyết lượng tử đã tiên đoán. Thật vậy, Thuyết lượng tử cho rằng mọi sự phân rã chỉ tuân theo hàm số mũ ở những thời điểm trung gian, hàm bậc 2 trong những khoảng thời gian ngắn và hàm đa thức trong những khoảng thời gian rất dài. Hiện nay vấn đề này vẫn đang đượ c nghiên cứu. Xem 34 Bằng các lý luận khôn khéo, năm 2002, Saverio Pascazio và cộng sự đã tiên đoán rằng otionm hiệu ứng Zeno lượng tử có thể được sử dụng để chụp cắt lớp các vật thể bằng tia X có cường độ rất thấp. ountain.net Tóm lại, hiệu ứng Zeno lượng tử không mâu thuẫn với kết luận không có sự đứng yên trong thiên nhiên; trong khi hiệu ứng diễn ra vẫn có sự tương tác giữa hệ và môi trường. 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 51 Xem 35 Trong một số trường hợp, quan sát thường xuyên có thể làm tăng sự phân rã hay tiến hoá. Vật lý lượng tử vẫn chứa rất nhiều hiệu ứng thú vị. Ý thức – một kết quả của lượng tử tác dụng Ý thức đóng vai trò cốt yếu trong niềm hoan lạc của sự sống. ⊳ Ý thức là khả năng quan sát các điều diễn ra trong trí óc của chúng ta. Quyển III, trang 338 M otion Hoạt động này, giống như các loại biến đổi, có thể được quan sát và nghiên cứu. Mặc dù khó và không thể làm được điều đó bằng sự nội quan, ta vẫn có thể tìm hiểu ý thức M ountain bằng cách khác. Điều hiển nhiên là ý thức xảy ra trong não bộ. Nếu không thì ta không thể giữ liên lạc với nó. Nói một cách đơn giản, ta đã biết rằng mỗi bộ não trên Trái đất – này đều chuyển động với tốc độ 1 triệu km/h xuyên qua bức xạ nền của vũ trụ; ta cũng The Adventure of Physics biết rằng ý thức cũng chuyển động cùng với nó. Não là một hệ lượng tử: nó hoạt động dựa trên phân tử và dòng điện. Sự thay đổi trong ý thức xuất hiện khi vật chất bị lấy đi khỏi não – trong phẫu thuật hay tai nạn – hay khi dòng điện được truyền vào não – trong tai nạn, thí nghiệm hay điều trị sai – đã được mô tả chi tiết trong y học. Ta cũng đã quan sát được ảnh hưởng của hoá chất lên não – từ rượ u tới ma tuý. Não là một hệ lượ ng tử. Các máy chụp ảnh hiện đại có thể phát hiện được phần của não đang hoạt động khi ta copyright © có cảm giác, hồi tưởng hay tư duy. Hình ảnh, âm thanh và tư tưởng được xử lý trong não và ta có thể theo dõi các quá trình này bằng các dụng cụ đo. Các máy chụp ảnh tốt nhất Trang 162 hoạt động dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ được mô tả dưới đây. Một kỹ thuật chụp Christoph ảnh khác, khó hiểu hơn, phép chụp cắt lớp positron, hoạt động bằng cách cho người nuốt đường phóng xạ. Cả hai kỹ thuật đều cho ta tìm thấy các vị trí của ý nghĩ và sự phụ thuộc của chúng vào hoá chất. Ngoài ra, ta đã biết rằng ký ức phụ thuộc vào bản chất Schiller June 1990–05 hạt của vật chất. Tất cả các thí nghiệm này đều phụ thuộc vào lượng tử tác dụng. Ngày nay, ta đang ở trong tình trạng giống như các khoa học gia về vật liệu cách nay một thế kỷ: họ biết rằng vật chất được tạo thành từ các hạt mang điện nhưng không thể chỉ ra cách mà vật chất được tạo nên. Tương tự như vậy, hiện nay ta đã biết rằng ý thức được tạo thành từ việc truyền và xử lý tín hiệu trong não; ta đã biết ý thức là một quá 2021 trình điện hoá. Nhưng ta chưa biết chi tiết về cách mà tín hiệu tạo nên ý thức. Việc làm rõ sự hoạt động của hệ lượng tử đầy mê hoặc này là mục tiêu của Thần kinh học. Đây là free pdf file available at www.m một trong các thách thức lớn nhất của khoa học thế kỷ 21. Bạn có thể bổ sung thêm một số lập luận để chứng tỏ rằng ý thức là một quá trình vật lý hay không? Bạn có thể chứng minh rằng không chỉ ý thức của những người khác mà cả ý thức của bạn cũng là một quá trình lượng tử không? Hơn nữa, bạn có thể chứng minh rằng, mặc dù là một quá trình lượng tử, sự điều hợp không có vai trò quan trọng Câu đố 29 s trong ý thức hay không? Tóm lại, ý thức của chúng ta là một hệ quả của vật chất đã tạo nên chúng ta. Ý thức và niềm hoan lạc phụ thuộc vào vật chất, sự tương tác của nó và lượng tử tác dụng. otionm Lại nói về lý do tại sao ta có thể quan sát được chuyển động ountain.net Việc tìm hiểu thiên nhiên có lẽ là một trong những điều hạnh phúc nhất trên đời. Mọi niềm hoan lạc đều dựa trên khả năng quan sát hay phát hiện chuyển động của chúng ta. 52 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời Và con người là điều kiện quyết định cho khả năng này. Đặc biệt, cho đến bây giờ ta đã tìm đượ c các mối liên hệ sau đây: ta cảm nhận đượ c chuyển động — vì ta có kích thước hữu hạn, đặc biệt, vì ta lớn so với bước sóng cơ lượ ng tử của chúng ta (nên ta không cảm nhận đượ c các hiệu ứng sóng trong đời sống hằng ngày), — vì ta lớn so với hố đen có cùng khối lượ ng với ta (nên ta có những tương tác hữu ích với môi trường xung quanh), — vì ta được tạo ra từ một số lớn nhưng hữu hạn nguyên tử (để tạo ra ký ức và khả năng quan sát), M otion — vì ta có ký ức hữu hạn (nên ta có thể xoá nó đi), — vì ta có nhiệt độ hữu hạn và khiêm tốn (do đó ta có một thời gian sống khác 0 và ta M ountain có thể là những cái máy làm việc), — vì ta là một hỗn hợp chất lỏng và rắn (giúp ta có thể chuyển động và làm thí nghiệm), – — vì ta gần như trung hoà về điện (khiến cho các cảm biến của chúng ta không bị ‘sa The Adventure of Physics lầy’), — vì não buộc ta phải ước tính không thời gian bằng những thực thể liên tục (nếu khác đi thì ta không thể hình thành được những khái niệm này), — vì não của ta không thể tránh khỏi việc mô tả thiên nhiên được tạo thành từ các phần khác nhau (nếu không ta không thể nói hay suy nghĩ), — vì tổ tiên ta đượ c tái tạo, — vì ta là động vật (và như vậy ta có não), copyright © — vì đời sống tiến hoá trên Trái đất này, — vì ta sống trong một vùng tương đối yên tĩnh của Ngân hà (nên sự tiến hoá có thể xảy ra), và Christoph — vì loài người tiến hoá sau big bang rất lâu (khi điều kiện đã thân thiện với cuộc sống). Nếu một trong các điều kiện này – và các điều kiện khác – không được thoả mãn, ta sẽ Schiller June 1990–05 không quan sát đượ c chuyển động và ta sẽ không có niềm vui tìm hiểu Vật lý. Đúng ra ta cũng có thể nói: nều thiếu một trong các điều kiện trên, sẽ không có chuyển động. Trong Quyển I, trang 15 nhiều trường hợp, chuyển động là một ảo thị, như Zeno của Elea đã đề cập cách nay đã lâu. Dĩ nhiên chuyển động là một ảo thị không tránh khỏi, điều đã đượ c nhiều động vật và máy móc khác chia sẻ. Thật tình mà nói thì hiện tượng và khái niệm chuyển động là 2021 kết quả của những tính năng và hạn chế của thế nhân. Việc mô tả đầy đủ chuyển động và thiên nhiên phải tính đến điều này. Trước khi bước vào đoạn cuối cuộc hành trình, free pdf file available at www.m ta sẽ tìm hiểu thêm một vài điều nữa. Những câu đố vu i và lạ về sự trả i ngh iệm lượng tử Phần lớn các đồng hồ được sử dụng trong đời sống hằng ngày, có trong cơ thể người hay được con người tạo ra, đều là đồng hồ điện từ. Một đồng hồ treo tường bất kỳ, dù được điều khiển theo kiểu cơ, thạch anh, vô tuyến hay mặt trời đều dựa trên các hiệu ứng điện Câu đố 30 s từ. Bạn có biết một ngoại lệ nào không? otionm ∗ ∗ ountain.net Khứu giác rất phức tạp. Thí dụ chất có mùi rất khó chịu với người là skatole, còn có tên là 3-methylindole. Đây là phân tử mà mũi người nhạy nhất. Skatole làm cho phân có mùi khó chịu; nó là kết quả của haemoglobin khi đi vào đường tiêu hoá xuyên qua mật. 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 53 Skatole không gây khó chịu cho mọi động vật; khác với con người, ruồi lại bị nó thu hút. Skatole cũng được một số cây tạo ra vì lý do này. Mặt khác, một lượng nhỏ skatole không làm con người khó chịu. Skatole cũng được công nghiệp thực phẩm sử dụng với các lượng nhỏ để tạo mùi vị cho kem vani – mặc dù nó có tên khác. ∗ ∗ Ta cũng nên nhớ rằng giác quan của người phát hiện được năng lượng có độ lớn khác M nhau. Mắt có thể phát hiện quang năng cỡ 1 aJ, trong khi xúc giác có thể phát hiện năng otion Câu đố 31 s lượng cỡ 10 μJ. Có phải một trong hai hệ này có tương đối tính hay không? M ountain ∗ ∗ Bản vẽ xây dựng của người được chứa trong DNA. DNA được tạo nên từ 20 000 gene, – The Adventure of Physics chiếm khoảng 2 % DNA, và 98 % là DNA không mã hoá, từng được gọi là ‘DNA phế liệu’. Con người có số gene nhiều như các con sâu; thực vật còn có nhiều gene hơn. Vào khoảng năm 2010 nhờ các dự án ‘giải mã’ quốc tế, người ta đã biết rõ công dụng của 98 % DNA phụ: mở/tắt gene. Chúng tạo thành bộ phận quản trị của các gene và hoạt động bằng cách liên kết với các protein đặc biệt. Các nghiên cứu cho ta thấy nhiều khuyết tật và bệnh di truyền không bắt nguồn từ các sai hỏng trong gene mà từ các sai hỏng của các bộ điều khiển này. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu khá nhộn nhịp. copyright © ∗ ∗ Dù ở trong bóng tối hoàn toàn, mắt cũng không cho ta một ấn tượng tối đen mà là một Christoph cảm giác hơi sáng, đượ c gọi là màu xám riêng. Đây là kết quả của tín hiệu nhiễu được tạo ra bên trong mắt, có lẽ được kích khởi do sự phân rã tự phát của rhodopsin, hay xen Schiller June 1990–05 kẽ với sự giải phóng tự phát của chất dẫn truyền thần kinh. ∗ ∗ Độ nhạy cao của tai có thể đượ c sử dụng để nghe ánh sáng. Để làm điều này, hãy lấy một lọ mứt không, thể tích 750 ml. Giữ trục của lọ nằm ngang, hơ đen nửa trên bên trong lọ bằng đèn cầy. Nửa dưới để trong suốt. Sau đó, đóng nắp lọ và khoan một lỗ rộng từ 2 tới 2021 3 mm. Nếu bạn giữ cái lọ, quay lỗ về phía tai, mặt đen quay lên và chiếu vào lọ, từ dưới free pdf file available at www.m lên bằng một đèn tròn 50 W, điều kỳ lạ sẽ xảy ra: bạn nghe một âm có tần số 100 Hz. Tại Câu đố 32 s sao? ∗ ∗ Phần lớn các giác quan đã hoạt động trước khi bạn ra đời. Từ nhiều thế kỷ qua người ta đã biết đến việc đàn violon cho các bà mẹ đang mang thai nghe mỗi ngày sẽ có tác dụng hữu ích. Mặc dù người ta không nói gì với em bé nhưng sau này nó vẫn trở thành một nghệ sĩ violon. Thật ra nhiều nhạc sĩ đã được ‘tạo ra’ bằng cách này. otionm ∗ ∗ ountain.net Có nhiều bằng chứng cho thấy việc không sử dụng các giác quan sẽ gây ra sự tổn thất. Người ta đã nghiên cứu những điều sẽ xảy ra, khi trong năm đầu tiên của cuộc đời, hệ tiền đình – cơ quan được sử dụng để phát hiện chuyển động và giữ thăng bằng – không 54 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời được sử dụng đầy đủ. Việc thiếu sự lắc lư sẽ làm cho ta khó mà bù đắp cho chúng sau này. Việc ít sử dụng xúc giác cũng nguy hiểm không kém. Trẻ em, giống như các động vật hữu nhũ con khác, nếu thiếu các kinh nghiệm tổng quát và có tính hệ thống này, sẽ Xem 37 ngả theo hướng có hành vi hung bạo trong phần còn lại của cuộc đời. ∗ ∗ Điều quan trọng là các kênh ion trong cơ thể người không thể làm việc quá sức. Sự sai hỏng các kênh ion là nguyên nhân của sự nhiễm trùng, tiểu đường và nhiễm độc. Nhưng M Xem 38 điều chủ yếu là các kênh ion và điện nói chung, rất quan trọng cho sự sống. otion ∗ ∗ M ountain Cơ thể chúng ta chứa nhiều hệ thống ngăn ngừa các hậu quả xấu. Thí dụ, năm 2006 người ta đã khám phá ra nước bọt có chứa một chất giảm đau mạnh hơn morphine rất – The Adventure of Physics nhiều; hiện nay người ta gọi nó là opiorphin. Chúng giúp cho các vết bầm nhỏ trong miệng không làm cho ta quá khó chịu. Opiorphine cũng có tác dụng như chất chống trầm cảm. Các nghiên cứu trong tương lai phải chứng minh được là việc nghiện thực phẩm có liên hệ tới hoá chất này hay không. ∗ ∗ Người ta vẫn chưa biết tại sao con người – và các động vật hữu nhũ khác – lại ngáp. Chủ đề này vẫn đang được nghiên cứu. copyright © ∗ ∗ Thiên nhiên đã phát minh ra các giác quan để làm tăng sự hỷ lạc và tránh sự đau đớn. Christoph Nhưng các nhà thần kinh học nhận thấy rằng thiên nhiên đã đi xa hơn; có một hệ hỷ lạc dành riêng trong não, được trình bày trong Hình 16, có chức năng quyết định xem Schiller June 1990–05 trải nghiệm nào mang lại niềm vui và trải nghiệm nào thì không. Phần chính của hệ hỷ lạc là VTA trong trung não và NAcc tiền não. Hai phần điều chỉnh lẫn nhau thông qua dopamine và GABA, hai chất dẫn truyền thần kinh quan trọng. Các nhà nghiên cứu đã thấy rằng dopamine được tạo ra khi sự hỷ lạc vượt quá mong đợi. Thiên nhiên đã phát triển một tín hiệu đặc biệt cho điều này. Đúng ra hạnh phúc và hoan lạc được điều khiển bởi một số lớn các chất dẫn truyền 2021 thần kinh và nhiều dòng điện điều chỉnh phụ. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng mô hình free pdf file available at www.m hoá hệ hỷ lạc bằng hàng trăm phương trình vi phân ghép với nhau, nhằm mục đích tìm hiểu về sự nghiện ngập và sự trầm cảm. Mặt khác, người ta cũng có thể tạo ra các mô hình đơn giản của hệ hỷ lạc. Một mô hình như đã thấy trong Hình 15, là mô hình ‘Giàn Xem 39 treo hoá-thần kinh’ của não. Trong mô hình này, người ta đạt được hạnh phúc khi 6 chất dẫn truyền thần kinh quan trọng nhất * ở trong trạng thái cân bằng tương đối. Các khả năng mất cân bằng khác nhau, tại khớp nối của giàn treo, thường được mô tả là sự trầm cảm, tâm thần phân liệt, loạn tâm thần, tác dụng của nicotine hay rượu, sự nghiện rượu, chứng hoang tưởng, sự nghiện ma tuý, sự giải độc, chứng động kinh và nhiều hơn nữa. otionm ountain.net * Có nhiều loại chất dẫn truyền thần kinh. Có thể phân chúng thành các nhóm mono- và diamines – như dopamine, serotonin, histamine, adrenaline – acetylcholine, amino acid – như glycine, GABA và glutamate – polypeptide – như oxytocin, vasopressin, gastrin, opiod, neuropetides v.v... – khí – như NO và CO – và nhiều phân tử không thuộc nhóm nào – như anandamide hay NAAG. 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 55 Ideal state: Sympathetic or ergotrope system brain noradrenaline acetylcholine Parasympathetic or trophotrope system M otion serotonin dopamine glutamate GABA M ountain excitatory inhibitory – Psychosis/intoxication: noradrenaline The Adventure of Physics brain acetylcholine glutamate copyright © GABA serotonin dopamine Christoph Schiller June 1990–05 HÌNH 15 Mô hình ‘Giàn treo hoá-thần kinh’ của hạnh phúc, kèm theo một thí dụ về sự mất cân bằng. ∗ ∗ Không phải Hệ hỷ lạc trong não chỉ chịu trách nhiệm về sự nghiện ngập. Nó còn chịu 2021 trách nhiệm về tình yêu lãng mạn như Helen Fisher đã chứng minh qua việc chụp ảnh free pdf file available at www.m Xem 40 não bằng MRI. Tình yêu lãng mạn, hướng về một cá nhân khác, là một trạng thái được tạo ra trong VTA và trong NAcc. Như vậy tình yêu lãng mạn là một phần của não bò sát; thật vậy, tình yêu lãng mạn được thấy trong nhiều loại động vật. Tình yêu lãng mạn là một loại nghiện ngập tích cực và hoạt động giống như cocaine. Tóm lại, trong đời sống, ta có thể lựa chọn giữa nghiện ngập và tình yêu. ∗ ∗ Một mặt quan trọng của sinh là tử. Khi ta qua đời, các đại lượng bảo toàn như năng otionm lượng, động lượng, moment động lượng và nhiều lượng tử số khác được tái phân bố. Chúng được tái phân bố vì bảo toàn có nghĩa là không có gì bị mất đi. Phần này nói lên ountain.net Câu đố 33 s điều gì về những việc xảy ra sau khi chết? ∗ ∗ 56 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời M otion M ountain – The Adventure of Physics copyright © HÌNH 16 Vị trí của vùng vỏ bụng (VTA - ventral tegmental area) và nhân kề vách (NAcc - nucleus accumbens) trong não. Những vùng khác có liên quan tới hỷ lạc và nghiện ngập là Amy, hạch hạnh nhân, Hip, hồi hải mã, Thal, đồi thị, rACC, vòng cung vỏ não trước, mPFC, Christoph vỏ não trung gian trước trán, Ins, thuỳ đảo, và LN, nhân bèo (courtesy NIH). Schiller June 1990–05 Chúng ta ai cũng biết mùi hương của một cánh đồng bát ngát khi một cơn mưa hạ nhẹ nhàng rơi xuống hay mùi hương của mặt đất mát mẻ, trong lành. Mùi hương này có nguồn gốc từ geosmin, một chất rượu hai vòng do vi khuẩn trong đất tạo ra khi trời mưa. Người ta vẫn chưa biết rõ vì sao mũi người lại nhạy một cách đặc biệt với mùi của geosmin: ta có thể ngửi thấy mùi của nó khi nồng độ nhỏ hơn 10−10. 2021 ∗ ∗ free pdf file available at www.m Thực vật cũng có các cảm biến. Cây cối có thể cảm nhận được ánh sáng, sự tiếp xúc, trọng lực, hoá chất, cũng như điện trường và dòng điện. Nhiều cây tăng trưởng khác thường khi được chạm vào; rễ cây có thể cảm nhận, dẫn điện rồi phát triển nhanh chóng; điều hiển nhiên là cây tăng trưởng ngược chiều trọng lực và hướng về phía ánh sáng. Điều chủ yếu là cây có thể phân biệt nhiều loại hoá chất trong không khí, đặc biệt là ethene (ethylene), cũng là một hormone quan trọng của cây. ∗ ∗ otionm Nhiều cây sở hữu các cảm biến và đồng hồ có thể đo được chiều dài của một ngày. Thí ountain.net dụ rau chân vịt không phát triển trong vùng nhiệt đới, vì để ra hoa, rau phải trải qua ít nhất 14 ngày, ban ngày kéo dài ít nhất 14 giờ liên tiếp – và điều này không bao giờ xảy ra ở vùng nhiệt đới. Tính chất này được gọi là hiện tượng quang chu kỳ, do Wightman Garner 1 chuyển động để thưởng ngoạn cuộc đời 57 và Harry Allard khám phá vào năm 1920 trong khi đi bộ ngang qua những cánh đồng thuốc lá. Họ đã phát hiện – và chứng minh bằng thực nghiệm – rằng cây thuốc lá và đậu nành chỉ ra hoa khi chiều dài ban ngày đủ ngắn, tức là vào khoảng tháng 9. Garner và Allard cũng nhận thấy rằng thực vật có thể chia thành nhiều loài nở hoa khi ngày ngắn – như cây hoa cúc, cà phê – loại khác thì ra hoa khi ngày dài – như cây cẩm chướng, cỏ ba lá – và các loại không phụ thuộc chiều dài ban ngày – như hồng, cà chua. Độ chính xác của phép đo chiều dài ban ngày là khoảng 10 phút. Sau này người ta mới khám phá ra các cảm biến chiều dài ban ngày; nó nằm trong lá cây, được gọi là hệ phytochrome do M các protein chuyên biệt tạo thành. Các protein này có thể đo được tỷ số giữa ánh sáng otion đỏ nhạt và đỏ đậm và kiểm soát thời điểm nở hoa của cây. M ountain Tóm tắt về sinh học và n iềm hoan lạc – Để bảo đảm cho sự sinh sản của sinh vật, sự tiến hoá phải tiểu hình hoá hết mức. Động The Adventure of Physics cơ phân tử, kể cả bơm phân tử, là những động cơ nhỏ nhất mà ta đã biết cho đến nay; chúng hoạt động giống như một bánh cóc lượng tử. Động cơ phân tử được tìm thấy rất nhiều trong mỗi tế bào sống. Tóm lại: ⊳ Mỗi con người đượ c tạo thành từ hàng tỷ tỷ cái máy. Để tăng hỷ lạc và tránh khổ đau, sự tiến hoá đã cung cấp cho cơ thể người nhiều cảm copyright © biến, nhiều cơ cấu cảm biến và hệ hỷ lạc nằm sâu trong não bộ. Tóm lại, thiên nhiên đã phát minh ra sự hỷ lạc để hướng dẫn hành vi. Các nhà thần kinh học đã chứng minh điều mà Epicurus đã nói cách nay 23 thế kỷ và Sigmund Freud đã lặp lại cách nay 1 thế Christoph kỷ: ⊳ Sự hỷ lạc điều khiển đời sống của con người.* Schiller June 1990–05 Mọi cảm biến hỷ lạc sinh học và hệ hỷ lạc đều dựa trên chuyển động lượng tử, đặc biệt là dựa trên Hoá học và Khoa học vật liệu. Do đó ta sẽ tìm hiểu cả hai lĩnh vực đó ngay sau đây. 2021 free pdf file available at www.m otionmountain.net * Nhưng Epicurus cũng nói rằng: ‘Không thể có một cuộc sống hạnh phúc nếu không sống một cuộc sống thông minh, đức hạnh và chính trực, và không thể sống một cuộc sống thông minh, đức hạnh và chính trực nếu không có một cuộc sống đầy hỷ lạc.’ Đây là một phát biểu trong tuyển tập Principal Doctrines của ông. Chương 2 Thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử M otion Việc khám phácác hiệu ứng lượng tử đã làm thay đổi cuộc sống thường ngày. Nó M ountain góp phần vào việc phổ biến ngôn ngữ, âm nhạc và điện ảnh. Không thể có truyền – thông, Internet, các tiến bộ về Hoá học, Khoa học vật liệu, Điện tử và Y học nếu The Adventure of Physics không có các hiệu ứng lượng tử. Cuộc sống hằng ngày của chúng ta cũng bắt nguồn từ Vật lý lượng tử và người ta vẫn trông chờ nó được cải thiện thêm. Hoá học – từ nguyên tử tới DNA “Bier macht dumm.** ” Albert Einstein copyright © Phương trình Schrodinger chứa toàn bộ Hoá học đã là một chân lý cũ kỹ. Nhờ Thuyết ¨ lượng tử, lần đầu tiên người ta đã tính được cường độ của các liên kết hoá học, và quan trọng hơn, là góc giữa các liên kết. Như vậy Thuyết lượng tử giải thích được hình dạng Christoph của phân tử và một cách gián tiếp, hình dạng của vật chất. Đúng ra ta phải nói là: phương Xem 41 trình Dirac chứa toàn bộ Hoá học. Ta cần các hiệu ứng tương đối tính để phân biệt hai Schiller June 1990–05 phương trình, khi tìm hiểu lý do vàng có màu vàng và không rỉ sét hay khi tìm hiểu lý do thuỷ ngân là chất lỏng. Để hiểu rõ các phân tử hay vật chất thông thường, bước đầu tiên là tìm hiểu các nguyên tử. Các nhà vật lý lượng tử trước kia, do Niels Bohr dẫn đầu, đã cống hiến cả cuộc đời để tìm hiểu về phân tử và cấu trúc chi tiết của chúng. Kết quả chính của các nỗ lực này là điều mà bạn đã học trong trường trung học: trong các nguyên tử có nhiều hơn 2021 một electron, các đám mây electron khác nhau tạo thành các lớp hình cầu bao quanh free pdf file available at www.m hạt nhân. Các lớp electron có thể được nhóm thành các đám mây có liên hệ với nhau gọi là các lớp vỏ. Đối với các electron bên ngoài lớp vỏ được lấp đầy sau cùng, hạt nhân và các lớp vỏ bên trong, lõi nguyên tử, thường được xem gần đúng là một thực thể tích điện. Các lớp vỏ đượ c đánh số từ trong ra ngoài. Số lượng tử chính, thường đượ c viết là ��, được suy ra từ lượng tử số xác định các trạng thái trong nguyên tử hydrogen. Mối liên hệ được biểu diễn trong Hình 17. Thuyết lượ ng tử chứng tỏ rằng vỏ nguyên tử đầu tiên là chỗ của 2 electron, vỏ thứ 2 dành cho 8 electron, vỏ thứ 3 là 18 và vỏ thứ n là của 2��2 electron. Nguyên tử (trung otionm hoà) có 1 electron là hydrogen, có 2 electron là helium. Mỗi nguyên tố hoá học có một ountain.net số electron riêng (với cùng số proton, như ta sẽ thấy). Một cách minh hoạ cho sự kết nối ** ‘Bia làm cho người ta ngớ ngẩn.’ 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 59 Năng lượng V ục c ng thái i n = 8 n = 3 n = 2 M otion M ountain – The Adventure of Physics n = 1 Các mức (Bohr) phi tương đối tính HÌNH 17 Lượng tử số trong nguyên tử hydrogen. copyright © Xem 42 này được trình bày trong Hình 18. Đó là Bảng tuần hoàn các nguyên tố. Cách tiêu chuẩn để trình bày bảng này có ở Trang 345 và cách sinh động hơn là trong Hình 19. (Một bảng Christoph tuần hoàn có video cho từng nguyên tố, có ở trang www.periodicvideos.com.) Các thí nghiệm đã chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có số electron ngoài cùng giống nhau sẽ có hoá tính tương tự. Các hoá học gia đã biết rằng hoá tính của một nguyên Schiller June 1990–05 tố bắt nguồn từ các liên kết của nguyên tử. Thí dụ như các nguyên tố có 1 electron ở lớp s bên ngoài là các kim loại kiềm lithium, sodium, potassium, rubidium, caesium và francium; hydrogen, một ngoại lệ, được giả định là một kim loại khi áp suất cao. Các nguyên tố có lớp vỏ ngoài cùng được lấp đầy là các khí hiếm helium, neon, argon, krypton, xenon, radon và oganesson. 2021 Liên kết nguyên tử free pdf file available at www.m Khi 2 nguyên tử đến gần nhau, các đám mây electron của chúng bị biến dạng và hoà trộn với nhau. Tác dụng gắn kết của 2 hạt nhân đã gây ra sự thay đổi này. Sự thay đổi nhiều nhất xảy ra cho các electron ngoài cùng: chúng tạo nên các liên kết hoá học. Ta có thể hình dung một cách gần đúng, các liên kết là sự xen phủ của các đám mây lấp đầy lớp vỏ ngoài cùng của cả 2 nguyên tử. Sự xen phủ này toả ra năng lượng. Năng lượng toả ra là lý do làm cho ngọn lửa nóng. Trong củi cháy, phản ứng hoá học giữa các nguyên tử carbon và oxygen giải phóng một số lớn năng lượng. Sau khi năng lượng được otionm toả ra, liên kết hoá học tạo ra một khoảng cách cố định giữa các nguyên tử, như ta thấy trong Hình 20. Khoảng cách này bắt nguồn từ cực tiểu năng lượng: khoảng cách giảm sẽ ountain.net làm phát sinh lực đẩy tĩnh điện giữa 2 lõi nguyên tử, khoảng cách tăng sẽ làm tăng năng lượng của đám mây electron. Nhiều nguyên tử có thể liên kết với nhiều ‘hàng xóm’. Trong trường hợp này, sự cực 60 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử n = 1 1H 2He n = 2 n = 3 7N 8O 6C 3Li 4Be 9F 5B 10Ne 25Mn 26Fe 24Cr 15P 16 S 27Co 23V 14Si 11Na 12Mg 17Cl 22Ti 13Al 18Ar 29Cu 21Sc 30Zn 28Ni M otion 64Gd 65Tb n = 4 63Eu 43Tc 44Ru 66Dy M ountain 62Sm 42Mo 33As 34Se 45Rh 67 Ho 61Pm 41Nb 32Ge 19K 20Ca 35Br 46Pd 68Er 60Nd 40Zr 31Ga 36Kr 47Ag 69Tm – 59Pr 39Y 48Cd 70Yb The Adventure of Physics 58Ce 71Lu 96Cm 97Bk n = 5 95Am 75Re 76Os 98Cf 94Pu 74W 51Sb 52Te 77Ir 99Es 93Np n = 6 73Ta 50Sn 37Rb 38Sr 53I 78Pt 100Fm 92U 72Hf 49In 54Xe 79Au 101Md 91Pa 57La 80Hg 102No 90Th 103Lr copyright © 107Bh 108Hs 106Sg 83Bi 84Po 109 Mt 105Db 82Pb 55Cs 56Ba 85At 110Ds Christoph 104Rf 81Tl 86Rn 111Rg 89Ac 112Cn 115 116Lv Mc Schiller June 1990–05 n = 7 114Fl 87Fr 88Ra 117 Ts 113 118 Og Nh n = 8 119Uun 120Udn s p d f Lớp vỏ electron ngoài cùng Số electron tăng theo chiều kim đồng hồ 2021 free pdf file available at www.m HÌNH 18 Một dạng khác thường của Bảng tuần hoàn các nguyên tố. tiểu hoá năng lượng sẽ dẫn tới các góc liên kết đặc biệt, như ta thấy trong Hình 21. Có lẽ bạn còn nhớ các hình ảnh vui mắt khi học hoá ở trường trung học của các vân đạo và Xem 43 các liên kết đong đưa. Bây giờ người ta đã có thể quan sát và đo đượ c các liên kết đong otionm đưa như vậy. Người ta đã chụp được ảnh của chúng bằng cách sử dụng kính hiển vi lực Xem 44 quét hay kính hiển vi hiệu ứng xuyên hầm quét, như ta thấy trong Hình 22. ountain.net Lực đẩy giữa các đám mây liên kết giải thích lý do tại sao ta thường gặp các góc gần Câu đố 34 e bằng với góc của khung tứ diện (2 arctan√2 = 109.47°) trong các phân tử. Thí dụ như góc H–O–H trong phân tử nước là 107°. 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 61 M otion M ountain – The Adventure of Physics HÌNH 19 Một bảng tuần hoàn các nguyên tố hiện đại (© Theodore Gray, có bán tại www. theodoregray.com). thế năng [eV~100kJ/mol] copyright © 4 electron hạt nhân 2 Christoph 0 Schiller June 1990–05 -2 -4 Độ dài liên kết Độ dài liên kếtkhoảng cách 2021 hạt nhân [pm] -6 free pdf file available at www.m 0 200 100 HÌNH 20 Sự thành lập một liên kết hoá học giữa 2 nguyên tử và cực tiểu năng lượng liên quan (hình bên trái © chemistry4gcms2011.wikispaces.com). Các nguyên tử cũng thường đượ c nối với nhau bằng các đa liên kết. Liên kết đôi xuất hiện trong carbon dioxide, hay CO2, do đó nó thường đượ c viết là O = C = O, liên kết otionm 3 xuất hiện trong carbon monoxide, CO, thường được viết là C ≡ O. Cả hai loại liên kết này thường gặp trong hợp chất hữu cơ. (Thêm nữa, vòng lục giác nổi tiếng của phân tử ountain.net benzene ��6��6, giống như các hợp chất khác, có liên kết một rưỡi.) Các liên kết bậc cao hơn cũng có tuy ít gặp; liên kết 4 xuất hiện trong các nguyên tử kim loại chuyển tiếp như rhenium hay tungsten. Các công trình nghiên cứu cũng cho ta thấy rằng phân tử 62 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử HÌNH 21 Hình minh hoạ các góc của liên kết hoá học liên quan tới nhiều nguyên M otion tử: trong một phân tử nước, sự phân bố điện tích M ountain bắt nguồn từ các liên kết cộng hoá trị, màu xanh ở 2 đầu chỉ điện tích dương, và – The Adventure of Physics màu đỏ ở trên chỉ điện tích âm. Phần bên trong biểu diễn một cấu trúc điển hình của phân tử nước © Benjah-bmm27). uranium U2, có liên kết 5 và phân tử tungsten W2 Xem 45 có liên kết 6. copyright © Ac id R ibonucleic và ac id deox yribonucle ic Có lẽ phân tử quyến rũ nhất trong tất cả các phân tử là acid deoxyribonucleic của người, Christoph được biết với tên viết tắt là DNA. Acid nucleic được bác sĩ Friedrich Miescher (b. 1844 Basel, d. 1895 Davos) khám phá trong bạch huyết cầu năm 1869. Ông cũng tìm thấy nó Schiller June 1990–05 trong nhân tế bào và gọi nó là chất ‘Nuklein’. Năm 1874, ông công bố một bài nghiên cứu quan trọng để chứng minh rằng phân tử này được chứa trong tinh trùng và bàn luận về vấn đề chất này có liên quan đến sự di truyền hay không. Bằng công trình này, Miescher đã mở đường cho lĩnh vực nghiên cứu đã đem lại cho các đồng nghiệp các giải Nobel (dù ông không được nhận vì ông đã qua đời trước khi giải được thành lập). Chất này được đổi tên thành ‘acid nucleic’. 2021 DNA như ta thấy trong Hình 23, là một polymer. Polymer là một phân tử do nhiều free pdf file available at www.m đơn vị giống nhau tạo thành. Đúng ra DNA là phân tử dài nhất trong các phân tử mà người ta đã biết. Phân tử DNA của người, có thể dài tới 5 cm. Trong mỗi tế bào của người có 46 nhiễm sắc thể. Nói cách khác, trong mỗi tế bào của người có các phân tử với tổng chiều dài là 2 m. Cách thiên nhiên lưu giữ chúng mà không bị rối hay thắt gút là một đề tài thú vị. Mọi phân tử DNA đều gồm có một chuỗi xoắn kép chất dẫn xuất từ đường, gắn với nhau bằng 4 acid nucleic theo một thứ tự đặc biệt. Ngày nay, người ta đã có thể Xem 46 tạo ra các hình ảnh phân tử DNA; một thí dụ được trình bày trong Hình 24. Đến đầu thế kỷ 20 thì Desoxyribonukleinsaure ( ¨ DNS) – dịch sang tiếng Anh là otionm deoxyribonucleic acid (DNA) – đúng là chất mà Erwin Schrodinger đã tiên đoán trong ¨ quyển sách của ông có tựa Đời sống là gì? Là thành phần chính của nhiễm sắc thể nằm ountain.net trong nhân tế bào, DNA chịu trách nhiệm cho việc lưu trữ và tái sản xuất thông tin về cấu trúc và chức năng của Sinh vật nhân thực. Thông tin được mã hoá theo thứ tự của 4 acid nucleic. DNA là vật mang thông tin di truyền. DNA xác định phần lớn phương thức 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 63 M otion M ountain – The Adventure of Physics copyright © Christoph HÌNH 22 Hai hàng trên: các liên kết hoá học đo được trong phân tử pentacene bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau; hàng dưới: các tính toán lý thuyết và minh hoạ của cùng thí Schiller June 1990–05 nghiệm (© IBM). mà một tế bào đơn lẻ - chúng ta lúc ban đầu - phát triển thành một bộ máy có nhân tính phức tạp - chúng ta khi trưởng thành. DNA xác định màu tóc, khả năng mắc một bệnh 2021 nào đó, kích thước cực đại của người, v.v... Trong các phân tử mà ta đã biết, DNA có mối liên hệ mật thiết nhất với sự hiện hữu của con người. Kích thước lớn của nó là lý do ta free pdf file available at www.m cần nhiều thế hệ khoa học gia dành cho công việc tìm hiểu tường tận cấu trúc và chức năng của nó. Để trải nghiệm các điều kỳ diệu của DNA, hãy xem các phim hoạt hình về việc sao chép DNA và các quá trình phân tử khác tại website độc nhất vô nhị www.wehi.edu.au/ education/wehitv. Các câu đố vu i và lạ về hoá học otionm Giữa các đề tài hấp dẫn của hoá học là sự nghiên cứu các chất ảnh hưởng đến con người: Độc chất học nghiên cứu về chất độc, Dượ c lý học nghiên cứu về thuốc (y dược) và Nội ountain.net tiết học nghiên cứu về hormone. Người ta đã biết trên 50 000 chất độc, bắt đầu từ nước (thường gây tử vong khi được uống với lượng lớn hơn 10 l) và muối ăn (gây tử vong khi ăn 100 g) hay polonium 210 64 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử M otion M ountain – The Adventure of Physics HÌNH 23 Có nhiều cách copyright © hình dung B-DNA, tất cả đều không đúng màu thực (© David Deerfield). Christoph Schiller June 1990–05 (gây tử vong với liều nhỏ cỡ 5 ng, nhỏ hơn một hạt bụi). Nhiều quốc gia có cơ sở dữ liệu về chất độc có thể truy cập rộng rãi; hãy tham khảo trang www.gsbl.de. Bạn có biết tại sao ‘Độc chất học’, khoa học về chất độc, có nghĩa là ‘Khoa học về Câu đố 35 e cung tên’ trong tiếng Hy Lạp không? Đúng ra không phải mọi chất độc đều là hoá chất. Paraffin và dầu hôi chẳng hạn, thường làm trẻ em tử vong khi nếm phải nó vì dầu vào trong phổi sẽ tạo ra một màng mỏng trên các phế nang, cản trở sự lưu thông của oxygen. 2021 Triệu chứng này được gọi là viêm phổi do lipid có thể gây tử vong dù chỉ có một giọt dầu free pdf file available at www.m trong miệng rồi sau đó được hít vào phổi. Không nên để Paraffin trong nhà có trẻ em. Trong thập niên 1990, nhà sinh vật học Binie Ver Lipps khám phá ra một chất, một polypeptide có thể chống nọc rắn và các động vật có nọc độc khác. Các công ty dược phẩm trên thế giới không bán chất này – nó có thể cứu được nhiều sinh mạng – vì nó quá rẻ. ∗ ∗ Một chất có là chất độc hay không tuỳ thuộc vào động vật tiếp nhận nó. Chocolate là độc otionm chất đối với chó nhưng với trẻ em thì không. Ốc sên ăn được nấm độc; nấm nhai được không phải là dấu hiệu có thể ăn được. ountain.net ∗ ∗ Hormone là các chất phát tín hiệu được sản xuất trong cơ thể người. Về mặt hoá học 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 65 M otion M ountain – The Adventure of Physics copyright © Christoph Schiller June 1990–05 HÌNH 24 Hai cách chụp ảnh các phân tử DNA đơn lẻ: bằng toàn ký với các electron được phát ra từ các đầu nhọn cỡ nguyên tử (hình trên) và bằng phương pháp hiển vi huỳnh quang, với kính hiển vi quang học thương mại (hình dưới) (© Hans-Werner Fink/Wiley VCH). 2021 chúng có thể là peptide, lipid hay monoamine. Hormone làm thay đổi tâm trạng, gây ra free pdf file available at www.m các phản ứng hiếu chiến, mơ mộng hay trầm lắng, kích thích sự tăng trưởng, khởi phát sự dậy thì, kiểm soát sự sinh tử và lão hoá của tế bào, kích hoạt hay kiềm chế hệ miễn dịch, điều hoà chu kỳ sinh sản và kích hoạt sự đói khát và ham muốn tình dục. ∗ ∗ Khi ta trộn 50 ml nước cất với 50 ml ethanol (rượu), thể tích của hỗn hợp ít hơn 100 ml. Câu đố 36 s Tại sao? ∗ ∗ otionm Tại sao chất hữu cơ tức là chất chứa nhiều nguyên tử carbon thường cháy ở nhiệt độ thấp ountain.net Câu đố 37 ny hơn chất vô cơ như nhôm hay magnesium? ∗ ∗ 66 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử Một khối lập phương đường không cháy nhưng nếu bạn đặt một ít tàn thuốc lên đỉnh Câu đố 38 ny của nó thì nó sẽ cháy. Tại sao? ∗ ∗ Đường là chất cốt yếu của sự sống. Một loại đường đơn giản nhất là glucose, còn đượ c gọi là dextrose hay đường nho. Glucose là một monosaccharid, khác với đường mía, là một disaccharid, hay tinh bột là một polysaccharid. Sự tiêu hoá glucose và sự đốt cháy glucose có phản ứng hoá học giống nhau: M otion C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2808 kJ (8) M ountain Đây là phản ứng chính và đơn giản nhất cung cấp nhiên liệu cho các hoạt động của cơ và não trong cơ thể chúng ta. Phản ứng này cũng là lý do khiến ta phải ăn, mặc dù ta – The Adventure of Physics ngừng tăng trưởng về mặt kích thước. Sự cần thiết của Oxygen ��2 là lý do ta phải hít vào và carbon dioxide, ����2 là lý do ta thở ra. Đời sống, khác với lửa, có thể ‘đốt’ đường ở 37°C. Đó là một trong những kỳ quan vĩ đại của thiên nhiên. Bên trong các tế bào, năng lượng thu được từ sự tiêu hoá đường được biến đổi thành adenosinetriphosphate (ATP) và sau đó được biến đổi thành chuyển động của các phân tử. ∗ ∗ Phản ứng hoá học có thể chậm nhưng vẫn nguy hiểm. Thuỷ ngân đổ lên nhôm sẽ tạo copyright © ra một hỗn hống làm giảm độ bền của nhôm sau một thời gian. Đó là lý do việc mang nhiệt kế thuỷ ngân lên phi cơ bị cấm triệt để. Christoph ∗ ∗ Nhờ một số hiệu ứng, hai nguyên tử có thể tạo thành một liên kết; liên kết này yếu hơn Schiller June 1990–05 liên kết electron. Một liên kết nổi tiếng là trạng thái liên kết giữa 2 nguyên tử natrium Xem 47 cách nhau khoảng 60 bán kính Bohr, lớn hơn khoảng cách liên kết thông thường. Liên kết này bắt nguồn từ sự trao đổi liên tục một photon giữa 2 nguyên tử. ∗ ∗ Điều gì sẽ xảy ra khi bạn lấy bột potassium iodide trắng – KI – bột nitrate chì trắng – 2021 Pb(NO3) Câu đố 39 s 2 – rồi trộn chúng bằng một máy xay? (Việc này cần có sự bảo vệ và giám sát free pdf file available at www.m cẩn thận.) ∗ ∗ Viết lên giấy bằng viết chứa nước chanh thay cho mực sẽ tạo ra các văn bản vô hình. Sau đó, để đọc được chữ viết ta có thể hơ giấy trên đầu một ngọn nến. ∗ ∗ Nồng độ ozone, công thức hoá học là O3, được duy trì trên thượng tầng khí quyển như otionm thế nào? Người ta phải mất nhiều năm nghiên cứu để chứng tỏ rằng chất làm lạnh được sử dụng trong tủ lạnh, fluoro-chloro-hydrocarbon hay FCHC, đã phá huỷ dần lớp khí ountain.net quan trọng này. Sự suy giảm ozone đã làm tăng tỷ lệ ung thư da trên thế giới. Bằng cách cấm chất nguy hiểm này, người ta hy vọng nồng độ ozone có thể hồi phục. Kết quả ban đầu thật đáng khích lệ. Năm 1995, Paul Crutzen, Mario Molina và Sherwood Rowland 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 67 đã nhận được giải Nobel hoá học nhờ các nghiên cứu dẫn tới các kết quả và các thay đổi về chính sách này. ∗ ∗ Năm 2008, người ta đã chứng tỏ rằng việc tiêm truyền chất etanercept, làm giảm hội chứng Alzheimer của một bệnh nhân Alzheimer khởi phát muộn, trong vài phút. Việc chữa bệnh Alzheimer là một trong những thách thức lớn đối với nền y học hiện đại. Năm 2013, Jens Pahnke nhận thấy rằng chất chiết xuất từ cây Hypericum có tác dụng M tích cực đối với sự nhận thức và ký ức của bệnh nhân Alzheimer. Chất này đã là dược otion phẩm miễn phí, cho các mục đích sử dụng khác, có tên LAIF900. M ountain ∗ ∗ Cyanoacrylate là một chất kỳ lạ. Nó là thành phần chính trong keo dính nhanh, keo khô – The Adventure of Physics chỉ trong vài giây. Mùi của cyanoacrylate bốc hơi thì rất nồng mà người sử dụng keo này Xem 48 đều biết. Hơi này còn một công dụng khác: chúng làm cho dấu vân tay hiện rõ. Bạn có Câu đố 40 e thể thử làm ở nhà xem sao! ∗ ∗ Pháo bông quyến rũ ở nhiều phương diện. Thách thức lớn nhất trong công nghệ pháo bông là tạo ra màu xanh lục của rừng cây. Các nhà sản xuất vẫn đang tìm lời giải của bài toán này. Để có thêm thông tin về pháo bông, hãy ghé thăm website cc.oulu.fi/~kempmp. copyright © Khoa học vật l iệu“Bạ n có biết rằng người ta không thể sử dụng Christoph trứng luộc để làm tăm không? ” Karl Valentin Schiller June 1990–05 Chúng ta đã nói nhiều lần rằng lượng tử tác dụng có thể giải thích cho mọi tính chất của vật chất. Nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Vật lý, Hoá học, Luyện kim, Kỹ thuật, Toán học và Sinh học đã hợp tác trong việc chứng minh cho điều này. Trong hành trình lên đỉnh ta chỉ còn chút ít thời gian để thám hiểm chủ đề hấp dẫn nhưng mênh mông này. 2021 Tạ i sao sàn nhà không rơ i xuống? free pdf file available at www.m Chúng ta không rơi xuyên qua ngọn núi mà ta đang leo lên. Một số tương tác đã giữ cho ta không rơi. Đến lượt các lục địa giữ cho núi không rơi. Magma lỏng trong ruột Trái đất giữ cho các lục địa không chìm. Tất cả phát biểu có thể tóm tắt thành hai ý: Một, các nguyên tử không xuyên qua nhau: dù chúng gần như là các đám mây rỗng nhưng các nguyên tử vẫn giữ khoảng cách. Hai, các nguyên tử không thể nén được. Cả hai tính Quyển IV, trang 137 chất đều bắt nguồn từ nguyên lý loại trừ Pauli giữa các electron. electron không cho các nguyên tử trên Trái đất xuyên qua nhau. Bản chất fermion của otionm Đúng ra không phải tất cả sàn nhà đều nâng lên do bản chất fermion của electron. Các nguyên tử cũng không phải không thể xuyên qua nhau. Nếu áp suất đủ lớn, các ountain.net nguyên tử sẽ suy sụp tạo nên một loại sàn mới. Các sàn như vậy không có trên Trái đất. Nhiều người đã mất cả đời để tìm hiểu tại sao các sàn khác, cụ thể là mặt các ngôi sao, 68 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử M otion M ountain – The Adventure of Physics HÌNH 25 So sánh kích thước của các ngôi sao (© Dave Jarvis). copyright © không rơi xuống, hay khi rơi xuống, nó đã xảy ra như thế nào. Christoph Các tấm sàn và kích thước của các thiên thể đều bắt nguồn từ các hiệu ứng lượ ng tử. Hình 25 minh hoạ kích thước của các thiên thể đã được tìm thấy. Trong mỗi vật thể, hiệu Schiller June 1990–05 ứng lượng tử sẽ tạo ra một nội áp suất làm cho sàn và kích thước của vật thể cố định. Trong các hành tinh rắn hay lỏng, kích thước của chúng là do tính không nén được của vật chất ngưng tụ và tính này lại bắt nguồn từ nguyên lý loại trừ Pauli. Nội áp suất hiệu dụng của vật chất ngưng tụ thường được gọi là áp suất Pauli. Trong hành tinh khí, như Mộc tinh và các ngôi sao thông thường, như trong Mặt trời, áp suất khí đóng vai trò của tính không nén được của chất rắn và chất lỏng của các hành tinh nhỏ. Áp suất khí 2021 bắt nguồn từ nhiệt lượng chứa trong các vật thể và nhiệt lượng thường toả ra từ các phản free pdf file available at www.m ứng hạt nhân bên trong vật. Áp suất ánh sáng nhận trách nhiệm trong việc xác định kích thước của các sao kềnh đỏ, như Betelgeuse; nhưng đối với các sao trung bình, áp suất của ánh sáng có thể bỏ qua. Các hiệu ứng lượng tử khác xuất hiện trong các ngôi sao có mật độ cao. Khi áp suất ánh sáng, khí áp và áp suất điện tử Pauli không thể giữ cho các nguyên tử xuyên vào nhau, các nguyên tử sẽ bị nén lại cho đến khi các electron được ép vào trong proton. Proton lúc đó trở thành neutron và cả ngôi sao có mật độ như hạt nhân nguyên tử, cụ thể là khoảng 2.3 ⋅ 1017 kg/m3. Một giọt vật chất sẽ nặng khoảng 200 000 tấn. Trong các otionm sao neutron này, sàn – hay đúng hơn, kích thước – cũng được xác định bởi áp suất Pauli ountain.net Trang 186 nhưng đó là áp suất Pauli giữa các neutron, do các tương tác hạt nhân kích khởi. Các sao neutron này có bán kính khoảng 10 km. Nếu áp suất tăng thêm, sao sẽ trở thành một hố đen và không bao giờ ngừng suy sụp. Quyển II, trang 267 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 69 Hố đen không có sàn; tuy vậy chúng vẫn có một kích thước không đổi, được xác định bởi đường chân trời. Câu hỏi liệu có các loại sao khác trong thiên nhiên, có một cơ chế hình thành sàn khác – như các ngôi sao quark giả định – hay không, vẫn còn được tìm hiểu. Đá tảng và đá cuộ i Nếu một nhà địa chất cầm một viên đá trong tay và ngắm nghía, ông ta có thể xác định được tuổi của nó, với sai số vài phần trăm. Câu chuyện đầy đủ đằng sau khả năng đáng M otion kinh ngạc này tạo thành một phần lớn của Địa chất học, nhưng các nhà vật lý cũng nên biết một vài kiến thức tổng quát. M ountain Nói một cách tổng quát, mật độ của Trái đất giảm từ tâm đến bề mặt. Lớp mantle trên, nằm dưới lớp vỏ cứng của Trái đất, phần lớn được tạo thành từ peridotite, một loại đá hoả sinh đặc, mật độ khoảng 3.3 g/cm3. Lớp vỏ đại dương, bề dày khoảng từ 5 đến – The Adventure of Physics 10 km, chủ yếu là đá hoả sinh như basalt, diabase và gabbro. Các loại đá này ít đặc hơn, mật độ khoảng 3 g/cm3 và có tuổi khoảng 200 triệu năm. Lớp vỏ đại lục dày khoảng từ 30 tới 50 km, bao gồm các loại đá nhẹ hơn, mật độ khoảng 2.7 g/cm3, như granite. Tuổi của lớp này thay đổi nhiều; tính trung bình tuổi của nó khoảng 2000 triệu năm, là đá rất trẻ, tới đá già hơn, có tuổi khoảng 4300 triệu năm. Lớp vỏ đại lục chứa nhiều nguyên tố không tương hợp. Mỗi viên đá trong tay chúng ta đều trải qua các chu trình đá. Chu trình đá chính là copyright © một quá trình biến đổi magma từ bên trong Trái đất thành đá hoả sinh thông qua hiện tượng nguội dần và kết tinh. Đá hoả sinh, như basalt, có thể biến đổi do sự xâm thực, vận chuyển và bồi tích thành đá trầm tích, như sa thạch. (Đá trầm tích cũng có thể được Christoph tạo thành từ vật liệu có nguồn gốc sinh vật). Cả hai loại đá này đều có thể bị biến đổi do áp suất hay nhiệt độ cao để thành đá biến chất, như cẩm thạch. Sau cùng, phần lớn các loại đá – thường nhưng không luôn luôn – được biến đổi trở lại thành magma. Schiller June 1990–05 Chu trình đá chính kéo dài khoảng từ 110 tới 170 triệu năm. Vì lý do này, ta ít gặp đá già hơn trên Trái đất. Một viên đá bất kỳ mà ta lượ m đượ c khi đi dạo là sản phẩm của sự xâm thực của một trong các loại đá kể trên. Một nhà địa chất chỉ cần nhìn đã có thể nói tên loại đá; nếu ông ta thấy hay biết môi trường nguyên thuỷ của nó, ông ta có thể cho biết tuổi và quá trình sinh tạo mà không cần phòng thí nghiệm. 2021 Trong thời gian hàng triệu năm, khoáng chất nổi lên từ lớp mantle hay bị chìm xuống dưới lớp vỏ, thường bị nhiệt và áp suất làm thay đổi; chúng sẽ hoà tan hay trầm hiện và free pdf file available at www.m sẽ có mặt nhiều ở một nơi nào đó. Những câu chuyện hấp dẫn về khoáng chất này đã được các nhà địa chất tìm hiểu kỹ càng. Các nhà địa chất có thể nói nơi để tìm ra các bãi biển có cát màu lục (được tạo ra từ olivine); họ có thể nói cách mà đá vôi trầm tích tiếp xúc với đá hoả sinh nóng chảy để tạo ra cẩm thạch, ruby và các loại đá quý khác, kèm Xem 49 theo các điều kiện chính xác; họ cũng có thể nói cho ta biết, từ các tinh thể nhỏ thạch anh bao quanh coesite từ thuở xa xưa, đá đã chịu một áp suất rất lớn – do ở dưới độ sâu cỡ 70 km, hay do sự va chạm của các thiên thạch hay do các vụ nổ nguyên tử. Theo quan điểm của Khoa học vật liệu, đá là hỗn hợp các khoáng chất. Mặc dù có otionm hơn 5000 loại khoáng chất nhưng chỉ có khoảng 200 loại tạo thành đá. Những loại khoáng chất tạo nên đá này có thể nhóm thành vài loại tổng quát. Nhóm chính là các ountain.net loại đá chứa nhiều silica. Chúng chứa SiO4 và tạo nên 92 % đá. 8 % đá còn lại có thành phần khác, như carbonate hay oxide. Bảng 5 cung cấp thêm một số thông tin. Bảng 70 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử M otion M ountain – The Adventure of Physics copyright © Christoph Schiller June 1990–05 2021 free pdf file available at www.m HÌNH 26 Đá hoả sinh (3 hàng trên): gabbro, andesite, permatite, basalt, đá bọt, porphyry, otionm obsidian, granite, tuff; đá trầm tích (hàng giữa): đất sét, đá vôi, sa thạch; và (hàng dưới) 2 mẫu đá biến chất: cẩm thạch (© Siim Sepp at www.sandatlas.org, Wikimedia). ountain.net 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 71 BẢNG 4 Các loại đá tảng và đá cuội. Loạ i chính Tính chất Loạ i con Thí dụ Đá hoả sinh (magmatites) được tạo thành từ magma, 95 % của các loại đá núi lửa hay phun trào basalt (đáy biển, Giant’s Causeway), andesite, đá vỏ chai Đá trầm tích (sedimentites) Đá biến chất (metamorphites) thường ở chung với hoá thạch, vài % bị biến đổi do nhiệt và áp suất, vài % thể xâm nhập đá hoa cương, gabbro vụn ngoại sinh đá phiến sét, đá bột kết, M sa thạch otion nguồn gốc sinh vật đá vôi, phấn, dolostone M ountain trầm hiện thạch diêm, thạch cao dạng lá đá phiến lớp, đá phiến, – đá phiến ma The Adventure of Physics (Himalayas) không có dạng lá (grandoblastic hay hornfelsic) Thiên thạch từ Thái dương hệ thiên thạch đá thiên thạch sắt cẩm thạch, skarn, quartzite copyright © này bao gồm các khoáng chất tìm thấy trên vỏ Trái đất. Tuy vậy khoáng chất thông Christoph dụng nhất là Bridgmanite, một dạng của MgSiO3. Khoảng 1/3 Trái đất được tạo thành từ Bridgmanite, một silicate perovskite; nó được tạo nên trong lớp mantle dưới, ở nhiệt độ khoảng 1800°C và áp suất trên 24 GPa. Người ta không bao giờ tìm thấy khoáng chất Schiller June 1990–05 này trên vỏ Trái đất. Các nghiên cứu gần đây cho rằng một số dạng của Bridgmanite có Xem 50 thể đã hợp với oxigen trong khí quyển khi nó nổi lên trên do sự đối lưu. Theo quan điểm hoá học, đá có vẻ thuần nhất hơn. 99 % đá được tạo thành từ 9 nguyên tố. Bảng 6 cho thấy điều này. Hầu hết các khoáng chất có dạng tinh thể. Tinh thể là chất rắn có các nguyên tử được 2021 sắp xếp một cách đều đặn và cũng là một chủ đề hết sức hấp dẫn. free pdf file available at www.m Sự kết tinh Bạn đã từng ngắm một tinh thể thạch anh hay một chất kết tinh nào khác chưa? Hình dạng xinh xắn và cách sắp xếp các nguyên tử đã hình thành một cách tự phát, do chuyển động của các nguyên tử dưới nhiệt độ và áp suất cao, trong thời gian vật liệu còn nằm sâu dưới mặt đất. Chi tiết của sự kết tinh thì phức tạp nhưng thú vị. Có phải các mạng tinh thể đều đặn này đã tối ưu về mặt năng lượng không? Câu hỏi đơn giản này dẫn tới một núi vấn đề. Ta có thể khởi đầu bằng một câu hỏi đơn giản hơn otionm nhiều là các quả cầu được bó chặt đã dày đặc hết mức chưa. Mật độ chất là π/√18 , tức là Câu đố 41 s lớn hơn 74 % một chút. Mặc dù con số này đã được Johannes Kepler giả định là con số ountain.net Xem 51 lớn nhất vào năm 1609 nhưng nó chỉ mới được Tom Hales chứng minh vào năm 1998. Chứng minh điều này rất khó vì trong một thể tích nhỏ thì khả năng xếp chặt các quả cầu lên đến 78 %. Việc chứng minh với các thể tích lớn thì giá trị đó sẽ nhỏ đi là một 72 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử BẢNG 5 Thành phần khoáng vật học của đá tảng và đá cuội trong lớp vỏ Trái đất. Nhóm Khoáng chất Tỷ lệ theo thể tích Inosilicates silicates chuỗi đơn: pyroxenes, như diopside silicates chuỗi kép: amphiboles/hornblende, như tremolite 11(2) % 5(1) % M Phyllosilicates silicates phiến: 10 (2) % otion đất sét, như kaolinite, talc 5(1) % khoáng chất chứa nhiều mica, như biotite, muscovite 5(1) % Mountain – The Adventure of Physics Tectosilicates silicates khối: 65(5) % quartz, tridymite, cristobalite, coesite plagioclase feldspar, như albite alkali feldspars, như orthoclase Silicates khác với nhóm silica cô lập, kép hay vòng như olivine, beryl và garnets, hay silicates vô định hình, như opal Đá Oxide như magnetite, hematite, bauxite Đá Carbonate như calcite, dolomite Đá Sulfate như gypsum, anhydrite Đá Halide như thạch diêm hay halite, fluorite Các loại đá khác 11(1) % 43(4) % 14(2) % 3(1) % 5(1) % copyright © Christoph Schiller June 1990–05 2021 phosphates, như apatite 1(0.5) % free pdf file available at www.m sulfides, như pyrite kim loại tự nhiên, như vàng borates, và nhiều loại khác. otionm công việc khá rắc rối. Tiếp đến, một tinh thể gồm các hình cầu rắn, trong đó các hình cầu không chạm nhau, ountain.net có thực là có entropy lớn nhất hay không? Vấn đề đơn giản này đã là đề tài nghiên cứu chỉ từ thập niên 1990 trở đi. Điều thú vị là, khi nhiệt độ thấp, sự sắp xếp đều đặn các hình cầu thực sự cho ta thấy entropy khả hữu lớn nhất. Ở nhiệt độ thấp, các hình cầu trong 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 73 BẢNG 6 Thành phần hoá học của đá tảng và đá cuội trong lớp vỏ Trái đất. Nguyên tố Tỷ lệ theo thể tích Oxygen 46.7(1.0) % Silic 27.6(0.6) % Aluminium 8.1(0.1) % Sắt 5(1) % Calcium 4.3(0.7) % M Sodium 2.5(0.2) % otion Potassium 2.0(0.5) % M ountain Magnesium 2.5(0.4) % Titanium 0.5(0.1) % – Các nguyên tố khác 0.8(0.8) % The Adventure of Physics copyright © Christoph Schiller June 1990–05 HÌNH 27 Trên các đầu nhọn bằng tungsten, các nguyên tử rhenium, nhìn thấy ở giữa hình, không tạo thành các dimer (hình bên trái) mà tạo thành các trimer (hình bên phải) (© Hans-Werner Fink/APS, from Xem 53). 2021 free pdf file available at www.m tinh thể có thể dao động quanh một vị trí cân bằng và như vậy mất trật tự hơn khi chúng ở trong chất lỏng; trong trạng thái lỏng các hình cầu sẽ cản trở chuyển động của nhau và không cho phép đạt tới giá trị entropy của chất rắn. Nhiều kết quả tương tự đã được tìm thấy từ các nghiên cứu về các lực entropy này chứng tỏ rằng sự chuyển từ phase rắn sang phase lỏng – ít nhất là trong từng phần – chỉ đơn giản là một hiệu ứng hình học. Tương tự, người ta có thể kiếm được một kết quả đáng ngạc nhiên là ngay cả các hình cầu (hay nguyên tử) bị đẩy nhẹ cũng có thể tạo Xem 52 thành các tinh thể và nóng chảy ở nhiệt độ cao. Đây là những thí dụ đẹp đẽ về việc ta có otionm thể giải thích các tính chất của vật chất theo tư duy cổ điển bằng cách chỉ sử dụng mô hình hạt vật chất của Thuyết lượng tử. ountain.net Nhưng xét về mặt năng lượng khi kết tinh ta lại gặp một số câu hỏi thú vị khác. Thuyết lượng tử chứng tỏ rằng hai nguyên tử đẩy nhau trong khi ba nguyên tử lại hút nhau. Hiệu ứng độc đáo này đã được Hans-Werner Fink khám phá và giải thích năm 74 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử HÌNH 28 Một số dạng của bông tuyết (© Furukawa Yoshinori). M otion M ountain Xem 53 1984. Ông nghiên cứu các nguyên tử rhenium trên mặt tungsten và chứng tỏ rằng, như ta đã thấy, chúng không thể tạo thành các dimer – hai nguyên tử cùng đi với nhau – mà – lại tạo thành các trimer. Đây là một thí dụ mâu thuẫn với vật lý cổ điển; hiệu ứng này The Adventure of Physics không thể xảy ra nếu ta hình dung các nguyên tử là các hình cầu không biến đổi được, nhưng lại có thể xảy ra khi ta nhớ lại rằng các đám mây electron bao quanh các nguyên tử có thể biến đổi tuỳ theo môi trường của chúng. Để có thể nghiên cứu chính xác về năng lượng tinh thể, ta phải kể đến sự tương tác giữa các nguyên tử. Câu hỏi đơn giản nhất về năng lượng tinh thể là xác định năng lượng của một dãy đều đặn các hình cầu có điện tích trái dấu xen kẽ nhau có nhỏ hơn năng lượng của một tập hợp không đều đặn hay không. Đó vẫn còn là vấn đề đang được copyright © nghiên cứu và ta chưa có câu trả lời. Chủ đề trước liên quan tới khối tinh thể. Chủ đề kế tiếp là sự tạo thành mặt trong các tinh thể. Bạn có thể chứng minh rằng các mặt tinh thể là các mặt có tốc độ phát triển Christoph Câu đố 42 s nhỏ nhất vì tất cả các mặt phát triển nhanh nhất đều bị loại bỏ hết hay không? Quá trình Xem 54 này tự nó đã tạo thành một lĩnh vực nghiên cứu riêng. Tuy vậy không phải các mặt phát triển chậm nhất luôn luôn là kẻ chiến thắng trong Schiller June 1990–05 quá trình phát triển của tinh thể. Hình 28 cho ta thấy một số ngoại lệ nổi tiếng: bông tuyết. Ngày nay ta đã có thể giải thích được hình dạng của bông tuyết. Furukawa Yoshinori đứng đầu một nhóm nghiên cứu đặc biệt, là một trong những chuyên gia Xem 55 của lĩnh vực này. Việc giải thích cũng giải quyết luôn câu hỏi về sự đối xứng: tại sao tinh thể thường có tính đối xứng, thay vì không đối xứng? Đây là chủ đề về sự tự tổ chức đã 2021 Quyển I, trang 414 được đề cập trong phần Vật lý cổ điển. Hoá ra tính đối xứng là một kết quả tự động của phương thức phát triển của hệ phân tử dưới ảnh hưởng của sự khuếch tán kết hợp với free pdf file available at www.m các quá trình tăng trưởng phi tuyến. Nhưng như thường lệ đây cũng là một đề tài đang được nghiên cứu. Một số tinh thể đáng chú ý Tinh thể, giống như mọi cấu trúc trong thiên nhiên đều là kết quả của một sự tăng trưởng. Chúng là kết quả của sự chuyển động. Để tạo thành một tinh thể có tính đều đặn nhiều nhất và hình dạng của nó có tính đối xứng cao nhất, chuyển động phải là một otionm sự phát triển chậm rãi của các mặt từ các thành phần cơ bản của chất lỏng (hay chất khí). Sự tăng trưởng cần có một áp suất, nhiệt độ và gradient nhiệt độ trong một khoảng ountain.net thời gian nào đó. Đối với các tinh thể gây ấn tượng mạnh nhất là đá quý, các điều kiện thường ở cực hạn; đó là lý do tại sao chúng lại bền bỉ. Các điều kiện này thể hiện trong các loại đá đặc biệt ở sâu dưới lòng đất, nơi quá trình phát triển có thể diễn ra trong 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 75 Trang 69 hàng ngàn năm. Các tinh thể khoáng chất có thể hình thành trong 3 loại đá: đá hoả sinh (magma), đá biến chất và đá trầm tích. Các tinh thể khác có thể được tạo ra tại phòng thí nghiệm trong vài phút, vài giờ hay vài ngày và đã dẫn tới việc hình thành một ngành công nghiệp đặc biệt. Chỉ có một vài tinh thể lớn lên từ chất lỏng ở điều kiện tiêu chuẩn; thí dụ như thạch cao và nhiều loại sulfate, có thể kết tinh tại nhà; potassium bitartrate xuất hiện trong khi làm rượu, và những tinh thể lớn lên trong cây cỏ hay động vật như răng, xương hay các vi tinh thể nhạy từ. Việc nuôi lớn, cắt, mài dũa các tinh thể là một ngành công nghiệp quan trọng. Đặc M biệt nuôi tinh thể là một khoa học. Bạn có thể chứng minh bằng giấy và viết chì rằng chỉ otion có các mặt phát triển chậm nhất là có mặt trong các tinh thể hay không? Sau đây là một M vài tinh thể quan trọng. ountain – The Adventure of Physics copyright © HÌNH 29 Thạch anh được tìm thấy ở St. Gotthard, Switzerland, có kích thước 12 cm (© Rob Lavinsky). HÌNH 30 Citrine được tìm thấy ở Magaliesberg, Nam Phi, chiều cao tinh thể 9 cm (© Rob Lavinsky). ∗ ∗ Christoph HÌNH 31 Amethystine và thạch anh màu cam được tìm thấy ở Schiller June 1990–05 sông Orange, Namibia, có kích thước 6 cm (© Rob Lavinsky). 2021 free pdf file available at www.m Thạch anh, thạch anh tím (có màu bắt nguồn từ bức xạ và tạp chất sắt Fe4+), citrine (có màu bắt nguồn từ tạp chất Fe3+), thạch anh màu khói (có các tâm màu bị kích thích bởi các tia phóng xạ), mã não và onyx là tất cả các dạng tinh thể silicon dioxid hay SiO2. Thạch anh được hình thành trong đá hoả sinh và đá magma; chúng cũng được tìm thấy trong nhiều loại đá trầm tích. Tinh thể thạch anh có khi lớn hơn con người. Phần lớn thạch anh tím phai màu theo thời gian nên đừng phí tiền mua sắm chúng. Thạch anh là tinh thể thường gặp nhất trên Trái đất và người ta cũng đã thực hiện otionm việc kết tinh nhân tạo để sử dụng trong các công việc đòi hỏi độ tinh khiết cao. Tinh thể có cấu trúc mặt thoi, hình dạng lý tưởng của nó là một lăng trụ 6 mặt, hai đầu là hai hình ountain.net tháp 6 mặt. Thạch anh nóng chảy ở 1986K, là chất áp điện và hoả điện. Tính áp điện giúp thạch anh trở nên hữu dụng trong các máy phát dao động điện và bộ lọc. Bạn có Quyển I, trang 291 thể xem film về dao động của thạch anh trong đồng hồ ở quyển I. Thạch anh cũng được 76 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử sử dụng trong việc sản xuất kính, sợi quang, lớp phủ của polymer, quẹt gas, là nguồn cung cấp silic ... M otion M ountain – HÌNH 32 Cương ngọc tìm thấy ở Laacher See, Germany, kích thước 4 mm (© Stephan Wolfsried). HÌNH 33 Hồng ngọc tìm thấy ở Jagdalak, Afghanistan, chiều cao 2 cm (© Rob Lavinsky). ∗ ∗ HÌNH 34 Lam ngọc tìm thấy ở Ratnapura, Sri Lanka, kích thước 1.6 cm (© Rob Lavinsky). The Adventure of Physics copyright © Christoph Schiller June 1990–05 Cương ngọc, hồng ngọc và lam ngọc là các dạng tinh thể của alumina, hay Al2O3. Cương ngọc là tinh thể alumina tinh khiết và không màu, hồng ngọc có pha tạp Cr và lam ngọc có pha tạp Ti hay Fe. Chúng có cấu trúc tinh thể tam giác và nóng chảy ở 2320K. Ngọc thiên nhiên được tạo thành trong đá biến chất. Đã có lam ngọc vàng, lục, tím, hồng, nâu, xám và màu cam cá hồi, khi pha tạp với các chất khác. Màu của lam ngọc tự nhiên, giống như màu của nhiều loại đá quý khác, thường bị thay đổi khi ta thiêu kết hay xử lý 2021 nó bằng những cách khác. free pdf file available at www.m Cương ngọc, hồng ngọc và lam ngọc được sử dụng làm nữ trang, chất tản nhiệt, giá thể tăng trưởng và trong laser. Cương ngọc có độ cứng chỉ thua kim cương nên đượ c sử dụng làm ‘kính’ chống trầy cho đồng hồ và điện thoại. Hồng ngọc là đá quý đầu tiên được kết tinh nhân tạo năm 1892 bởi Auguste Verneuil (1856-1913), người đã phát tài nhờ công việc này. Các tinh thể cương ngọc nhân tạo hiện nay có thể cân nặng 30 kg hay hơn. Gốm alumina, có thể trắng hay trong suốt có vai trò quan trọng trong kỹ nghệ và y học. ∗ ∗ otionm Tourmaline là khoáng vật thường gặp và có thể có màu đỏ, lục, lam, cam, vàng, hồng hay ountain.net đen tuỳ theo thành phần của nó. Công thức hoá học của nó phức tạp dị thường và thay đổi tuỳ theo loại. Tourmaline có cấu trúc tam giác và thường tạo thành các tinh thể lăng trụ thiết diện tam giác. Nó chỉ được sử dụng làm nữ trang. Paraiba tourmaline, một loại 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 77 M otion M ountain – The Adventure of Physics HÌNH 35 Hình bên trái: tinh thể thô của cương ngọc nhân tạo, kích thước khoảng 50 cm. Hình bên phải: một đơn tinh thể cương ngọc hiện đại 115 kg, kích thước khoảng 50 cm (© Morion Company, GT Advanced). tourmaline rất hiếm màu lục hay lam, là một trong các loại đá quý đẹp nhất, nếu để tự nhiên và không mài dũa, có khi còn đắt hơn kim cương. copyright © Christoph Schiller June 1990–05 2021 HÌNH 36 Tourmaline lưỡng sắc tự nhiên, tìm thấy ở Paprok, Afghanistan, kích thước 9 cm (© Rob Lavinsky). free pdf file available at www.m HÌNH 37 Paraiba tourmaline đã được cắt gọt, xuất xứ từ Brazil, kích thước 3 cm (© Manfred Fuchs). ∗ ∗ otionm Ngọc hồng lựu là một họ hợ p chất thuộc loại X2Y3(SiO4)3. Chúng có cấu trúc tinh thể ountain.net lập phương, có thể có nhiều màu tuỳ theo thành phần. Chúng không có tính cát khai và thường có dạng thập nhị diện thoi. Một số ngọc hiếm thay đổi màu sắc khi nhìn dưới ánh sáng ban ngày hay dưới ánh đèn nóng sáng. Ngọc hồng lựu thiên nhiên được tạo ra 78 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử trong đá biến chất và được sử dụng làm nữ trang, đá mài và trong lọc nước. Ngọc hồng lựu nhân tạo đượ c sử dụng trong các loại laser quan trọng. M otion HÌNH 38 Ngọc hồng lựu đỏ có thạch anh ám khói tìm thấy ở Lechang, China, kích thước 9 cm (© Rob Lavinsky). HÌNH 39 Demantoid lục, một loại ngọc hồng lựu có màu thay đổi do có pha chromium, tìm thấy ở Tubussis, Namibia, kích thước 5 cm (© Rob Lavinsky). ∗ ∗ M HÌNH 40 Cr,Tm,Ho:YAG nhân tạo, ountain ngọc hồng lựu nhôm có pha yttrium, kích thước 25 cm (© Northrop – Grumman). The Adventure of Physics Alexandrite, một dạng chrysoberyl có tạp chất chromium, đượ c sử dụng làm nữ trang và copyright © trong laser. Thành phần của nó là BeAl2O4; cấu trúc tinh thể là trực thoi. Chrysoberyl nóng chảy ở 2140K. Alexandrite nổi tiếng do màu sắc có thể thay đổi: nó có màu lục dưới ánh sáng ban ngày hay ánh đèn huỳnh quang và màu tím thạch anh dưới ánh đèn nóng Christoph sáng, như đã thấy trong Hình 38. Hiệu ứng này bắt nguồn từ chất chromium: trường ligand nằm giữa trường của chromium trong hồng ngọc và trong ngọc lục bảo. Vài loại Schiller June 1990–05 đá quý khác cũng có tính chất này đặc biệt là ngọc hồng lựu xanh và một số Paraiba tourmaline. 2021 HÌNH 41 Alexandrite tìm thấy trong sông Setubal, Brazil, chiều cao tinh thể là 1.4 cm, dưới ánh sáng ban ngày (hình trái) và dưới ánh đèn nóng sáng (hình bên phải) (© Trinity Mineral). ∗ ∗ free pdf file available at www.m HÌNH 42 Alexandrite nhân tạo, kích thước 20 cm (© Northrop Grumman). otionm ountain.net Perovskites là một loại tinh thể lập phương được dùng làm nữ trang và sử dụng trong laser điều hưởng. Cấu tạo tổng quát của chúng là XYO3, XYF3 hay XYCl3. 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử 79 M otion M ountain HÌNH 43 Perovskite tìm thấy ở Hillesheim, Germany. Bề rộng 3 mm (© Stephan Wolfsried). – HÌNH 44 PZT nhân tạo hay chì The Adventure of Physics zirconium titanate là một loại perovskite được sử dụng trong nhiều sản phẩm. Bề rộng 20 cm (© Ceramtec). ∗ ∗ Kim cương là một dạng nửa bền của graphite, tức carbon tinh khiết. Lý thuyết cho ta biết graphite là một dạng bền; thực tế cho ta thấy kim cương còn đắt hơn. Khác với graphite, copyright © kim cương có cấu trúc lập phương diện tâm, là chất bán dẫn có vùng cấm lớn và thường có hình bát diện. Kim cương cháy ở 1070K; nếu không có oxygen nó biến thành graphite ở nhiệt độ khoảng 1950K. Kim cương có thể được tạo thành trong đá hoả sinh và đá Christoph biến chất. Người ta có thể tổng hợp được kim cương có chất lượng vừa phải, tuy vậy người ta vẫn chưa tạo được kim cương kích thước lớn, có chất lượng cao. Kim cương có Schiller June 1990–05 thể có màu và được pha thêm tạp chất để có tính dẫn điện. Kim cương chủ yếu được sử dụng làm nữ trang, trong việc đo độ cứng và trong đá mài. ∗ ∗ Silic, Si, không có dạng tinh khiết trong thiên nhiên; mọi tinh thể đều là nhân tạo. Có cấu trúc lập phương diện tâm giống kim cương. Nó khá giòn và có thể cắt thành các 2021 phiến mỏng và còn có thể làm mỏng hơn bằng cách mài hay khắc bằng phương pháp free pdf file available at www.m hoá học, để đạt tới bề dầy 10 μm. Là một chất bán dẫn, cấu trúc vùng năng lượng khiến cho nó có màu đen, vẻ sáng kim loại và tính giòn. Silic được sử dụng nhiều trong các chip silicon và trong chất bán dẫn điện tử. Ngày nay người ta có thể tạo ra các tinh thể silic lớn cỡ con người, không bị lệch mạng hay các ‘sai hỏng đường’ khác. (Chúng vẫn có thể chứa các ‘sai hỏng điểm’.) ∗ ∗ Răng là các cấu trúc cho phép động vật sinh sôi nảy nở trên Trái đất. Chúng được tạo otionm thành từ nhiều vật liệu; lớp bên ngoài, men răng, là 97 % hydroxylapatite, trộn với một tỷ lệ nhỏ của 2 nhóm protein, amelogenin và enamelin. Người ta vẫn chưa hiểu đầy đủ ountain.net về sự tăng trưởng của răng, kể cả ở mức độ phân tử lẫn cơ chế tạo hình. Hydroxylapatite hoà tan trong acid; việc thêm các ion fluor biến hydroxylapatite thành fluorapatite và làm giảm mạnh tính hoà tan này. Đây là lý do của việc sử dụng fluor trong kem đánh 80 2 thay đổi thế giới bằng các hiệu ứng lượng tử HÌNH 45 Kim cương thiên nhiên có xuất xứ từ Saha republic, Russia, kích thước 4 cm (© Rob Lavinsky). HÌNH 46 Kim cương nhân tạo, M kích thước 20 cm (© Diamond otion Materials GmbH). M ountain – The Adventure of Physics copyright © Christoph HÌNH 47 Dao kim cương nhãn khoa, kích thước 1 cm Schiller June 1990–05 (© Diamatrix Ltd.). răng. Hydroxylapatite (hay hydroxyapatite) công thức hoá học Ca10(PO4)6(OH)2, có cấu 2021 trúc tinh thể lục giác, cứng (hơn thép) nhưng tương đối giòn. Nó là khoáng chất có free pdf file available at www.m trong đá trầm tích (xem Hình 49), xương, sỏi thận, sỏi bàng quang, sỏi mật, xơ vữa động mạch, khớp bị viêm và răng. Hydroxylapatite là quặng phosphor được khai thác để dành cho công nghiệp hoá chất, được sử dụng trong Di truyền học để phân tách DNA dải đơn và dải đôi, để phủ các mảnh cấy ghép trong xương. ∗ ∗ Kim loại tinh khiết, như vàng, bạc và ngay cả đồng, được tìm thấy trong thiên nhiên, thường ở trong đá magma. Nhưng chỉ có vài hợp chất kim loại tạo thành tinh thể, như otionm pyrite. Các đơn tinh thể kim loại tinh khiết đều là nhân tạo. Kim loại đơn tinh thể, thí dụ như sắt, nhôm, vàng hay đồng, rất mềm và dễ kéo thành sợi. Việc bẻ đi bẻ lại – còn gọi ountain.net là gia công nguội – hay pha thêm tạp chất, tạo thành các hợp kim đều khiến cho chúng cứng và bền hơn. Thép không rỉ, hợ p kim sắt giàu carbon là một thí dụ về việc sử dụng cả 3 quá trình trên.