Giữa rất trật tự và rất hỗn loạn

 

 Nhưng Göran Hansson, tổng thư ký Viện hàn lâm Hoàng gia Thụy Điển, đã nói: “Nhiều người vẫn nghĩ rằng vật lý chỉ là những hiện tượng đơn giản và có trật tự (order). Vật lý rộng hơn thế rất nhiều. Vật lý sử dụng các lý thuyết cơ bản để giải thích những hiện tượng phức hợp khổng lồ (vast complexity) của thế giới tự nhiên. Công trình nghiên cứu của các nhà khoa học đoạt giải Nobel vật lý năm nay đòi hỏi phải có trực giác sâu sắc về những cấu trúc và tiến trình thiết yếu... Những nhà khoa học đoạt giải năm nay thực sự là những bậc thầy”.

Trong suốt lịch sử 120 năm của mình, các giải Nobel dành cho khoa học dần trở nên thủ cựu khi chỉ khuôn vào ba ngành khoa học lâu đời là y học, hóa học và vật lý; trong khi khoa học của loài người đã phát triển mạnh mẽ và đa dạng trong suốt thế kỷ 20 rồi vắt qua 20 năm đầu thế kỷ 21. 

Cách trao giải Nobel vật lý cho các công trình và các nhà khoa học “rất vật lý” như Ủy ban Nobel vẫn trao suốt cả trăm năm qua có lẽ không còn phù hợp thời đại mới. Các giải Nobel trao cho Einstein, Heisenberg, Dirac, Schrödinger, Pauli... cách nay hơn nửa thế kỷ vẫn tiếp tục là những lần trao giải vĩ đại, giải Nobel trao cho Penrose năm ngoái cũng rất vật lý và thời thượng, nhưng việc mở rộng giải vật lý, dung hợp những ngành khoa học khác là việc nên làm và đáng được hoan nghênh.

Vài năm gần đây, giải Nobel vật lý bắt đầu “dung hợp” hơn, được trao cho những nhà khoa học ở những ngành vật lý mới mẻ, hoặc “cận vật lý”. Năm 2018 giải được trao cho các nhà khoa học làm về vật lý laser, một lĩnh vực giống công nghệ nhiều hơn là khoa học cơ bản. (Năm nay các nhà khoa học làm ra vắc xin mRNA không được trao giải y sinh, các ý kiến “ngoài luồng” cho rằng nghiên cứu về vắc xin mRNA nặng về công nghệ mà ít hàm lượng khoa học cơ bản. Năm 2019 giải được trao cho ngành khoa học Trái đất và năm 2020 (Penrose) danh chính ngôn thuận là trao cho vật lý thiên văn, một ngành rất non trẻ (tuy chữ thiên văn làm chúng ta nhầm tưởng đó là ngành lâu đời).

Năm nay, giải Nobel vật lý trao cho các nhà khoa học có đóng góp về khoa học khí hậu. Mặc dù một nửa giải về tay nhà vật lý thực thụ là Giorgio Parisi, nhưng tựu trung, tất cả đều bất ngờ khi ngành khoa học khí hậu mới là ngành đoạt giải thưởng danh giá này.

Một trong ba nhà khoa học được giải, Syukuro Manabe, còn ngạc nhiên: “Chẳng ai đi trao giải thưởng vật lý cho lĩnh vực nghiên cứu của tôi, [mà giải Nobel thì lại trao] và tôi thực sự đánh giá cao Viện hàn lâm Khoa học Thụy Điển [đã chọn] lĩnh vực này, một lĩnh vực chứa đựng các chủ đề về khí hậu và biến đổi khí hậu”.

Quả thật, nhìn vào “ngành nghề” hoặc công trình của các nhà khoa học đoạt giải Nobel vật lý năm nay, ta có chút ngạc nhiên.

3 nhà khoa học nhận giải Nobel Vật Lý 2021

Một nửa giải Nobel vật lý 2021 được trao cho hai nhà khoa học khá xa lạ với những gì ta vẫn quen gọi là vật lý. Một người là nhà khí hậu học (người Mỹ gốc Nhật) và một người là nhà hải dương học (người Đức). Họ được trao giải vì đã có công xây dựng mô hình vật lý của khí hậu Trái đất, định lượng các biến động và dự đoán được sự ấm lên toàn cầu.

Nhà khí hậu học tên là Syukuro Manabe. Từ những năm 1960, Manabe đã tiên phong dùng mô phỏng máy tính vào nghiên cứu khí hậu, qua đó đưa ra dự đoán đáng tin cậy về việc nhiệt độ trung bình của hành tinh tăng lên tương ứng sự tăng lượng CO2 bị phát thải vào khí quyển. Mô phỏng khí hậu Trái đất của Manabe tiếp tục phát triển suốt 30 năm sau đó, ngày càng phức tạp, có thêm nhiều biến số phức tạp của lưu chuyển các dòng không khí và hải lưu, từ đó đặt nền tảng cho mô hình dự báo sự nóng lên toàn cầu.

Nhà hải dương học tên là Klaus Hasselmann. Từ những năm 1970, Hasselmann đã phát hiện và xác định được các mối liên hệ mang tính hệ thống và thống kê giữa các hiện tượng thời tiết hỗn loạn (chaotic) xảy ra mỗi ngày với sự biến động diễn ra chậm chạp hơn của khí hậu hành tinh, từ đó đóng góp vào các mô phỏng khí hậu mà trong đó các biến động ngắn hạn như thời tiết hay hoạt động của con người (ô nhiễm) có ảnh hưởng đến biến đổi dài hạn của khí hậu.

 Nửa giải Nobel vật lý còn lại về tay một nhà vật lý lý thuyết thực sự: G. Parisi. Ông là người Ý thứ sáu được giải Nobel vật lý. Ông được trao giải vì “đã khám phá ra tác động qua lại của sự mất trật tự (disorder) và biến động thăng giáng (fluctuation) trong các hệ thống vật lý có quy mô từ cỡ nguyên tử đến cỡ hành tinh”. Công trình mà Parisi được trao giải thuộc về lĩnh vực khoa học cơ bản, “spin glass”, đã được công nhận từ những năm 1970 và 1980.

 

 Spin glass là một loại hợp kim đặc biệt, ví dụ một chút nguyên tử sắt được hòa tan ngẫu nhiên vào mạng lưới các nguyên tử đồng. Dù chỉ số lượng nguyên tử sắt rất ít, chúng vẫn làm biến đổi rất mạnh từ tính của hợp kim. Đây là hiện tượng rất khó hiểu.

Theo Parisi, hợp kim bỗng thể hiện các đặc tính từ tính kỳ lạ do sự mất trật tự trong cấu trúc nguyên tử của chúng. Khi nghiên cứu các mô thức (pattern) bí ẩn xuất hiện trong spin glass, Parisi thu nhận được các hiểu biết khoa học mang tính đột phá về mất trật tự và hỗn loạn trong các hệ vật lý ở mọi quy mô, từ cỡ nguyên tử đến cỡ các hành tinh. 

Các cấu trúc phức hợp (complex structure) trong spin grass mà Parisi mô tả sau này được áp dụng để tìm hiểu các hệ thống mất trật tự tự nhiên, chẳng hạn não người, hệ thần kinh, hệ sinh học, học máy; hoặc các hiện tượng có sẵn trong thiên nhiên như chuyển động của các đàn chim và khoa học khí hậu.

Tại sao spin glass lại quan trọng?

Đó là do ta có thể sử dụng nó như một cẩm nang hướng dẫn du lịch đi qua sự hỗn loạn để đến với tính phức hợp (complexity).

Trong vật lý nói riêng và các ngành khoa học cơ bản nói chung, đối tượng nghiên cứu thường là một thứ gì đó đồng nhất (homogenous), có thể giản lược, quy giản nó về cốt lõi. Những “thứ gì đó” thường là một hệ (system) chứa đựng những thứ hợp lý, cân đối, bình dị, chuẩn chỉ. 

Các hệ này luôn có tính đối xứng về không gian và thời gian. Ví dụ hệ Mặt trời, có thể quy giản nó về một hệ mà Mặt trời, Trái đất và các hành tinh là các hạt điểm. Hoặc các “hệ” vật chất như tinh thể, nam châm, chất siêu dẫn... đều có cấu trúc trật tự và đối xứng, dễ dàng giản ước để phân tích và nghiên cứu.

Trong một số loại chất rắn, ví dụ sắt từ, mỗi nguyên tử sẽ có một spin từ tính (magnetic spin). Spin là tên gọi của các vector từ tí hon của mỗi nguyên tử, nó được biểu diễn bằng một mũi tên bé tí hướng từ cực nam đến cực bắc của các viên nam châm tí hon này. Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử hỗn loạn, mất trật tự, nhưng khi nguội dần, các nguyên tử ổn định dần, các spin sắp xếp ngay hàng thẳng lối, các mũi tên hướng về cùng một hướng, một hệ rất trật tự.

 

 Thế nhưng cấu trúc của thủy tinh, một loại chất rắn vô định hình, lại không trật tự như vậy. Nó rất mất trật tự. Ngay cả khi hạ nhiệt độ xuống thấp, thủy tinh định hình rồi, mà các phân tử vẫn rất lung tung, không theo một mô thức (pattern) thông thường nào cả. 

Với “hệ” thủy tinh, những tính chất cân đối, chuẩn chỉ, bình dị... một cách có trật tự bỗng dưng biến mất. Ta không thể đơn giản hóa hệ thống để dễ dàng phân tích và nghiên cứu được nữa.

Khi nghiên cứu tính mất trật tự, ví dụ tính mất trật tự của từ tính trong hợp kim, người ta dùng phép so sánh tương tự, họ ghép hình ảnh spin từ trường với cấu trúc mất trật tự thủy tinh, từ đó có cái tên spin glass.

Điểm khác biệt mấu chốt ở đây là: trong khi tính mất trật tự của hợp kim do nhiệt đã được nghiên cứu và có được những hiểu biết khá trọn vẹn; thì tính mất trật tự do giảm nhiệt độ (luyện nguội), các spin (phân tử) bị mắc kẹt ở tư thế hỗn loạn trong vật chất ngưng tụ (condensed matter) lại là cái mà con người chưa có mấy hiểu biết.

Câu hỏi sao chất rắn nó lại rắn là câu hỏi không dễ trả lời, xét về mặt vật lý nói chung và khoa học vật liệu nói riêng. Câu hỏi này, về mặt triết học đã được xới lên từ lâu, có thể kể đến người biện luận nổi tiếng của phái phi vật chất luận là giám mục Berkely chống lại việc vật chất (chất rắn) có thể động chạm vào được, tác động qua lại được, nhưng không có thật, mà chỉ là các ý niệm.

Đến thế kỷ 19, các nhà vật lý như Ludwig Boltzmann, Josiah Gibbs bắt đầu đặt nền móng cho cơ học thống kê và hệ nhiệt động học, đây là trụ cột của vật lý hiện đại và sau đó có ảnh hưởng đến nhiều ngành khoa học khác, trong đó có khoa học khí hậu. 

Sang thế kỷ 20, các nhà vật lý bắt đầu tìm hiểu sâu hơn về các định luật bảo toàn (năng lượng, động lượng, điện tích...) nhưng người tìm ra bản chất của bảo toàn lại là một nhà toán học nữ là Emmy Noether. 

Bản chất tự nhiên của bảo toàn năng lượng, động lượng hay điện tích là do tính đối xứng có trong tự nhiên. Nếu tính đối xứng bị phá vỡ, nó sẽ sinh ra một cái gì đó đặc biệt. Ví dụ, sự phá vỡ đối xứng mang đến cho vật chất khối lượng (nếu không, vật chất sẽ không có khối lượng). Đây là công trình mang đến cho Higgs giải Nobel vật lý, và cái hạt truyền khối lượng ấy gọi là Higg Boson.

Câu hỏi về một hệ rắn (vật chất rắn) tại sao có khối lượng, tại sao nó trật tự... đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và đem lại cho loài người hiểu biết đầy đủ để giải thích đủ loại hiện tượng, từ việc tại sao miếng dán nam châm lại dính được lên tủ lạnh, tại sao màn hình tinh thể lỏng lại... phát được hình. Còn hệ mất trật tự vẫn là một thế giới bí ẩn. Lúc này đây spin glass bắt đầu thể hiện vai trò của mình. Spin glass có sự tương đồng với các hệ có cấu trúc nội tại phức hợp.

Các đặc trưng của spin glass tương tự đặc trưng của một hệ phức hợp. Khi nhiệt độ của một hệ trật tự (ví dụ sắt từ) giảm xuống tới nhiệt độ định hình, cấu trúc nội tại của nó ổn định và trật tự dần, cho tới khi đạt tới trạng thái tối ưu và bền vững duy nhất. 

Còn một hệ phức hợp (như spin glass), ở nhiệt độ định hình, nó rơi (các spin bị mắc kẹt) vào một trong nhiều trạng thái cực tiểu khác nhau. Tức là khi xuống đến nhiệt độ định hình, sự định hình của nó rơi vào một trong nhiều trạng thái tạm bền vững khác nhau (metastable).

Mỗi trạng thái mà nó rơi vào ấy là cả một sự giằng co: một số cặp spin muốn chỉ theo cùng một hướng và những cặp khác theo hướng ngược lại. Vậy làm thế nào để chúng tìm ra một hướng tối ưu? Đó chính là lý do khi đã định hình rồi mà spin glass vẫn có cấu trúc mất trật tự.

Parisi phát hiện một cấu trúc ẩn của spin glass và tìm ra cách để mô tả nó bằng toán học. Sau khi phương pháp của Parisi được chứng minh là đúng, nó đã được áp dụng vào nhiều hệ thống phức hợp, trở thành nền tảng của lý thuyết về hệ thống phức hợp.

Tại sao lại dành cho nghiên cứu về khí hậu?

Khí hậu là một hệ thống phức hợp điển hình. Đầu tiên nó là một hệ động, tức là nó liên tục biến đổi theo thời gian. 

Tiếp đó, nó không phải là một hệ tuyến tính. Nó là hệ đa biến số, các biến lại phụ thuộc lẫn nhau. Một hệ thống phức hợp như khí hậu có hàng triệu biến số có ảnh hưởng đến nhau và gây ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.

Tác động phức hợp giữa các biến số gây khó khăn trong việc dự đoán biến động của toàn bộ hệ thống. Ví dụ, mặt nước đóng băng có màu trắng sẽ làm giảm độ hấp thụ ánh nắng. Băng tan làm mặt đất giảm độ sáng trắng và thêm độ tối của mặt nước. Mặt nước tối hấp thụ nắng nhiều hơn, làm băng tan nhiều thêm. 

Kiểu tác động giữa các biến này được gọi là vòng lặp phản hồi (feedback loop). Tác động của nó được gọi là tác động kiểu quả tuyết lăn (tác động ban đầu rất nhỏ, đơn lẻ, mà kết quả do nó tạo ra rất lớn và toàn cục). Đây cũng là một đặc trưng của hệ phức hợp.

Công trình về spin grass của Parisi mang đến hiểu biết về cách một cá thể có tính cục bộ mỗi khi xoay chuyển (một spin đổi chiều) lại có thể tạo ra các ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.

Đóng góp của Suki Manabe và Klaus Hasselmann vào nghiên cứu khí hậu Trái đất khá rõ nét. Manabe phát minh ra mô hình biến đổi khí hậu hiện đại trong đó sử dụng máy tính (thời đó còn khá thô sơ) để khảo sát khí hậu ở quy mô khắp bề mặt Trái đất và lên tới tầng bình lưu của khí quyển.

Klaus Hasselmann phát triển các kỹ thuật so sánh để định lượng tác động của các yếu tố đầu vào lên kết quả đầu ra, trong đó có kỹ thuật “lấy dấu vân tay tối ưu”. Kỹ thuật này sử dụng một bộ công cụ toán thống kê để lập chiến lược tối ưu trong việc truy tìm các dấu vết còn sót lại (rất nhỏ) của con người trong vô vàn các tác nhân có thể gây ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu. 

Bằng việc sử dụng kỹ thuật “vân tay tối ưu”, các nhà khoa học khẳng định một cách chắc chắn rằng biến đổi khí hậu gần đây là do con người.

Thế còn đóng góp của Parisi vào nghiên cứu khí hậu cụ thể là gì? Chính Parisi thuật lại rằng, các nghiên cứu của ông về sự mất trật tự trong các hệ thống phức hợp đã được sử dụng để mô hình hóa các chu kỳ băng hà (dài khoảng 100.000 năm) đã tạo ra kỷ băng hà của Trái đất. 

Ông cũng nói, chúng ta không còn nhiều thời gian để giải quyết vấn đề Trái đất của chúng ta đang nóng lên nhanh một cách đáng ngại. “Rõ ràng là vì các thế hệ tương lai, chúng ta phải hành động ngay lập tức, và hành động thật nhanh chóng”.

Như vậy, biến đổi khí hậu, một vấn đề đã đi ra khỏi địa hạt hẹp của mình, đến với các diễn đàn chính trị, các phong trào xã hội, và nay còn đến với giải Nobel.