tuyển những bài báo hay về vật lý năm 2010

Trần Nghiêm dịch 9 Một Trái đất dành cho các nhà vật lí John Baez Physics World, tháng 8/2009 Các nhà khoa học đang bắt đầu tìm hiểu ngữ cảnh trong đó sự tiến hóa của hành tinh chúng ta

TUYN NHNG BÀI BÁO HAY VT LÍ 2010

Trn Nghiêm - http://www.thuvienvatly.com

TUYN NHNG BÀI BÁO HAY VT LÍ 2010

Trn Nghiêm d ch trannghiem@thuvienvatly.com

N"I DUNG

Mt Trái t dành cho các nhà vt lí 9

a k" thut h# khí hu 17

Các công th(c ch) bi)n hành tinh 24

Du hành v tr/ có ng12i lái: khoa h4c hay vi5n t16ng? 33

o cái (h:u nh1) b<ng không 37

T1=ng lai c>a i#n h4c không dây 46

NhBng nhà thiên vDn :u tiên x( Australia 52

Có hay không nhBng ng12i ngoài hành tinh thân thi#n ? 69

M/c tiêu Phobos: b1Qc nhNy lQn ti)p theo c>a loài ng12i 77

Vt lí h4c 6 Trung QuUc 84

=n v vt lí nào 1Vc 1a dùng nht ? 108

Khoa h4c trong th) giQi H[i giáo 115

K\ ni#m 50 nDm laser: T] súng b_n tia )n "a Blu-ray 123

T1=ng lai c>a khoa h4c hu laser 132

Vt lí h4c và Bóng á 151

có thể phát ra hoặc bị hấp thụ thành từng lượng tử rời rạc Cái còn lại là lịch sử Các bóng đèn điện

và quy luật toán học tất yếu đã đưa Planck đến khám phá ra lí thuyết lượng tử và đã kích hoạt cuộc cách mạng khoa học lớn nhất của thế kỉ 20

Max Planck (trái) và Wilhelm Röntgen (phải) đều có những khám phá quan trọng hết sức bất ngờ (Ảnh [trái]: American

Institute of Physics/Science Photo Library; [phải]: Jean-Loup Charmet/Science Photo Library)

2 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Cùng khoảng thời gian đó, người đồng nghiệp của Planck, Wilhelm Röntgen, đang làm thí nghiệm với tia ca-tôt khi ông lưu ý đến lóe sáng kì quặc phát ra từ màn hình huỳnh quang nằm cách đấy khá xa không có liên quan gì trong thí nghiệm đã dự tính; khi làm như vậy, ông đã phát hiện ra tia X, và đã giúp thúc đẩy nền y khoa vào thời kì hiện đại Tất nhiên, không phải chỉ có các nhà khoa học Đức tiến hành những khám phá làm thay đổi thế giới bằng những con đường bất ngờ Năm

1964, các nhà vật lí người Mĩ Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện ra bức xạ nền vi sóng vũ trụ nổi tiếng trong tín hiệu nhiễu bực mình mà họ không thể nào loại trừ hết ra khỏi máy thu vi sóng lạnh lẽo của họ tại Phòng thí nghiệm Bell

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

Library; [phải]:Giphotostock/Science Photo Library)

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

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

Trần Nghiêm dịch 3

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

vỡ và đầy rủi ro

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

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

Vấn đề này làm phát sinh một câu hỏi quan trọng: nền văn hóa khoa học ngày nay có tôn trọng thực tại này hay không? Chúng ta có đang làm những gì tốt đẹp nhất để cho những khám phá quan trọng nhất và đột phá nhất xuất hiện hay không? Hay chúng ta có đang trở nên quá bảo thủ và

bị gượng ép bởi áp lực xã hội và nhu cầu phản hồi nhanh chóng và dễ đo đạc hay không? Khả năng thứ hai, dường như thế, thuộc về một vấn đề đang phát sinh đối với nhiều nhà khoa học, họ cho rằng nền khoa học hiện đại đang ở trong trạng thái nguy hiểm mất tính sáng tạo của nó, trừ khi chúng ta

có thể tìm ra một phương pháp có hệ thống xây dựng một nền văn hóa kiểm soát rủi ro tốt hơn

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

có thể xoay chuyển bất ngờ tình thế như vậy”

Thật đáng tiếc, các nền văn hóa hàn lâm và hợp tác ngày nay dường như đang tiến triển theo

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

“nhưng cuộc sống tầm thường thì nằm ngoài sự cách tân”

4 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Cánh hạc đen của khoa học

Một vấn đề thiết yếu, như đề xuất của nhà vật lí toán Eric Weinstein thuộc Nhóm Natron, một cơ quan tài trợ ở New York, là thật quá dễ dàng cho các nhà khoa học trong bất kì lĩnh vực nào

“đã xác lập” đưa ra những ý tưởng mới, và họ làm như thế mà thật sự chẳng chịu chút rủi ro nào, từ

đó đưa đến một nền văn hóa có thiên hướng nghiêng lệch một cách có hệ thống về phía thận trọng

“Nền khoa học rủi ro cao đồng hành nhiều hơn với những nhân vật từ quá khứ”, ông nói

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

Vấn đề này đặc biệt đang gây hại cho những lợi ích không tương xứng phát sinh từ những khám phá quan trọng nhất, cái dường như vốn dĩ không có khả năng đoán trước được cả về thời gian lẫn bản chất Như Taleb biện luận hết sức thuyết phục trong Cánh hạc đen, bất kì chiến lược lâu dài

có thể nhận thức được nào trong một thế giới bị thống trị bởi những sự kiện cực độ và không thể tiên đoán cũng phải chấp nhận, và thậm chí phải tóm bắt lấy, tính không thể tiên đoán ấy Ông minh họa quan điểm này trong ngữ cảnh tài chính Những người đang đầu tư vào những công ti khởi nghiệp tư bản mạo hiểm, chẳng hạn, phải đặt kì vọng vào những đợt thua lỗ liên tiếp trong thời gian ngắn, và đầu tư tiền của vào thực tế rằng cuối cùng họ sẽ thu xếp xong những thua lỗ ấy bằng cách tác động lên một vài kẻ chiến thắng thật sự to lớn trong cuộc đua dài hơi

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

Tuy vậy, cần có tinh thần kỉ luật và tính chịu đựng để trung thành với chiến lược này Như Taleb vạch rõ, nếu mọi người xung quanh bạn tin vào ưu thế của số liệu thống kê bình thường, thì họ

sẽ nghĩ rằng bạn thật dại dột, và bằng chứng trước mắt có thể sẽ ủng hộ họ Bạn sẽ mất tiền trong cuộc đua ngắn hạn, chẳng nhìn thấy phản hồi gì, và điều này có thể tiếp diễn trong một khoảng thời gian đáng kể Điều tương tự xảy ra đối với nền khoa học rủi ro cao so với nghiên cứu theo đuổi những mục tiêu ngắn hạn hơn Trong cuộc đua ngắn hạn, cái do kẻ cuồng ngông làm sẽ dường như hoàn toàn kém thành công, có lẽ còn làm lãng phí thời gian của họ, và người ta dễ nghĩ rằng đây là loại nghiên cứu chúng ta không nên theo đuổi, cho dù đây thật sự rất có khả năng là sai lầm

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

Trần Nghiêm dịch 5

Viện Santa Fe (trái) và Viện Peremete (phải) đang xúc tiến một phương pháp độc lập, chi phối bởi sự ham hiểu biết, đối

với vật lí học (Ảnh [trái]: Viện Santa Fe Institute; [phải]: Viện Perimeter)

Người leo đồi và kẻ băng qua thung

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

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

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

6 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

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

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

“Đây là tình huống tôi tin rằng chúng ta đang ở trong đó”, Smolin nói, “và chúng ta ở trong

đó vì khoa học đã trở nên chuyên nghiệp hóa theo kiểu những đặc điểm của một người leo đồi giỏi là tiêu biểu cho đặc điểm của một nhà khoa học giỏi, hay triển vọng Những người băng qua thung mà chúng ta cần đã bị ngăn chặn hoặc tống khứ ra rìa”

Smolin cho rằng chúng ta cần phải dịch chuyển cán cân sao cho có nhiều kẻ băng qua thung hơn, và việc này thật ra chẳng quá khó thực hiện nếu chúng ta có phương pháp làm việc rõ ràng, dứt khoát Cái chúng ta cần, nói chung, là đặt ra các chính sách ở nơi sẽ đánh giá các nhà khoa học trẻ không phải xem họ có dính líu vào những chương trình đã được thiết lập hàng thập kỉ trước đây bởi các nhà khoa học thâm niên hiện nay hay không, mà chỉ dựa trên cơ sở năng lực cá nhân, sự sáng tạo

và tính độc lập của họ Có thể có một số bước đặc biệt nào đó, ông đề xuất, để đảm bảo rằng các khoa mạnh về những lĩnh vực đã có nào đó cũng có các nhà khoa học với các quan điểm chia rẽ Tương tự, các hội nghị tập trung vào một chương trình nghiên cứu nên khuyến khích sự tham gia của các đối tác đến từ những chương trình đang cạnh tranh sống còn

Ngoài ra, các cơ quan tài trợ nên phát triển một phương tiện trừng phạt các nhà khoa học vì

bỏ qua những vấn đề thật sự “khó”, và trao giải cho những ai công phá vào những vấn đề mở tồn tại

từ lâu Có lẽ, Smolin đề xuất, cơ quan hay quỹ tài trợ nên có một số suất học bổng thật sự dài hơi để tài trợ các nhà nghiên cứu trẻ, nói ví dụ, trong 10 năm, như vậy sẽ cho phép họ theo đuổi những ý tưởng sâu sắc mà không bị gây áp lực cho các kết quả nhanh chóng

Sự thông thái của số đông

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

Quan điểm của Weinstein là thị trường, ít nhất là trên lí thuyết, hoạt động hiệu quả và - hãy đặt cuộc suy thoái tài chính hiện nay sang một bên – dẫn tới sự định giá chính xác của các sản phẩm

Họ khai thác “sự từng trải của đám đông”, như một quyển sách nổi tiếng cùng tên gần đây đã nêu ra Hãy xét thị trường dự báo điện tử tại trường Đại học Iowa, gồm quan điểm của hàng nghìn cá nhân

ý tưởng của họ thật buồn cười và không nên lãng phí thời gian của cộng đồng Thực tiễn nghiên cứu hiện nay thiếu cơ chế sắp xếp một cuộc gặp hiệu quả giữa hai bên – khiến cho ý tưởng của những kẻ

vô tổ chức kia bị chèn ép tự do trong khi đó thì những người phê bình tha hồ vung búa vung đe dựa trên kiến thức của riêng họ

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

Tình huống na ná như một người kinh doanh trên thị trường vốn nghe biết được rằng, ví dụ, một tài sản nhất định nào đó hiện bị đánh giá thấp, nhưng, vì những lí do gì đó, không thể nào mua

nó và hưởng lợi từ sự hiểu biết đó Trong lí thuyết tài chính, một thị trường thuộc loại này được gọi

là “không đầy đủ”, và tính không đầy đủ của nó dẫn đến sự không hiệu quả, vì mọi kiến thức có liên quan không được thể hiện trong thị trường

Để đối phó với tính không hiệu quả tương tự trong trường hợp khoa học, Weinstein đề xuất,

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

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

Là một ý tưởng đặc biệt, Weinstein hình dung ra cái ông gọi là sự chiếm hữu tổng hợp, cái cộng hưởng với lời kêu gọi của Smolin cho những suất học bổng dài hạn Ngày ngay, ông đề xuất, các nhà khoa học trẻ có thể dễ dàng thoái chí từ việc xử lí những vấn đề thật sự khó vì họ lo sợ cho

sự nghiệp của họ nếu như họ nghiên cứu một vấn đề trong một thập kỉ và không đạt được sự tiến bộ đáng kể nào Để mang lại cho các nhà nghiên cứu ngoại hạng sự yên tâm xử lí những vấn đề khó, ông đề xuất rằng cơ quan hay quỹ tài trợ có thể đưa ra một thỏa thuận trong đó họ hoan nghênh người nào có được địa vị tốt trong tương lai trong một số lĩnh vực hào hứng nào đó, nếu dự án của

họ không đi tới kết quả cuối cùng

8 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Những Einstein mới

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

Cái giá phải trả cho việc không chuyển sang thiết lập lại sự độc lập như thế sẽ nằm ở sự thất bại trước việc nhận ra những khám phá lớn và không thể đoán trước làm chuyển dịch nền khoa học

về trước nhiều nhất trong thời gian dài –những khám phá chỉ có thể thực hiện khi các cá nhân thoát

ra khỏi cái tiện nghi và được chấp nhận, và tha thẩn vào những không gian chưa biết Đó là tầm vóc thật sự của những món lợi tiềm tàng làm cho mục tiêu đạt tới “tiền tuyến hiệu quả này” thật quan trọng Nếu ngày nay dường như chúng ta có quá ít những Einstein mới, Smolin đề xuất, thì điều này

có lẽ chỉ phản ánh rằng chúng ta đã trở thành kẻ chống rủi ro hơi nhiều

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

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

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

Trần Nghiêm dịch 9

Một Trái đất dành cho các nhà vật lí

John Baez (Physics World, tháng 8/2009) Các nhà khoa học đang bắt đầu tìm hiểu ngữ cảnh trong đó sự tiến hóa của hành tinh chúng ta đã được định hình bởi những cú va chạm, những cú bắn phá, và những tai biến lớn John Baez kể về lịch sử dữ dội của cái chấm xanh trên nền trời kia

Viễn cảnh biến đổi khí hậu do con người gây ra khiến cho nhiều người lo ngại Ngoài quy

mô rộng lớn của vấn đề, còn có thách thức của việc nó tồn tại quá phức tạp Hành trạng của Trái đất hết sức khó tiên đoán một cách cụ thể Công suất máy tính không đủ: các mô hình cần xây dựng trên những kiến thức vật lí chắc chắn và một sự hiểu biết tốt về hành trạng hiện nay của Trái đất – cũng như lịch sử của nó

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

và sự kiện “quả cầu tuyết Trái đất” chừng 850 triệu năm trước Chi tiết của những sự kiện này – và

10 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

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

Sự ra đời của Mặt trăng

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

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

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

Bụi quay xung quanh Mặt trời sơ khai bắt đầu hình thành nên các tảng gọi là “tảng hành tinh” Khi các tảng này va chạm nhau, chúng trở nên to hơn, cuối cùng hình thành nên các tiểu hành tinh và hành tinh và chúng ta thấy ngày nay Một số tảng đã tan chảy, để các kim loại nặng co vào trong lõi của chúng trong khi vật chất nhẹ hơn vẫn ở trên bề mặt Và một số tảng đâm sầm vào nhau,

vỡ tan ra và hình thành nên chondrite và những thiên thạch khác, ví dụ như các thiên thạch sắt-nickel

và các thiên thạch phủ đá gọi là “achondrite”

Bằng cách sử dụng các kĩ thuật định tuổi phóng xạ trên thiên thạch, các nhà nghiên cứu khẳng định một kiến thức chính xác bất ngờ về thời điểm khi toàn bộ những sự kiện này xảy ra: đâu

đó giữa 4,56 và 4,55 tỉ năm trước Cho nên, Trái đất có khả năng đã hình thành đâu đó khoảng thời gian trên – và câu chuyện của chúng ta chính thức bắt đầu từ chỗ này

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

Ngược thời gian về đại Hadean Đúng như tên gọi của nó, đây là thời điểm khi Trái đất cực

kì nóng bỏng Nó bắt đầu với một sự kiện hình thành nên Mặt trăng cách nay khoảng 4,53 tỉ năm Cái gì đã tạo ra Mặt trăng? Lời giải thích phổ biến nhất hiện nay là “lí thuyết va chạm lớn” – thỉnh thoảng được gọi là lí thuyết “miếng ván lưng ghế lớn”

Trần Nghiêm dịch 11

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

12 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

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

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

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

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

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

Đợt bắn phá muộn nặng nề

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

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

Trong đợt bắn phá muộn nặng nề, Mặt trăng bị bắn phá bởi 1700 thiên thạch tạo ra những miệng hố rộng hơn 100 km Trái đất có thể dễ dàng nhận nhiều gấp 10 lần những cú va chạm thuộc

cỡ này, với một số hố lớn hơn nhiều Để hình dung ra cường độ của đợt bắn phá túi bụi này, hãy nhớ lại cú va chạm thiên thạch có lẽ đã làm tiệt diệt loài khủng long vào cuối kỉ Phấn trắng cách nay 65 triệu năm Cú va chạm này để lại một miệng hố rộng 180 km Những cú va chạm thuộc cỡ này xảy

ra như cơm bữa trong thời kì bắn phá muộn nặng nề

Trần Nghiêm dịch 13

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

phải) (Ảnh: Mark Wyatt, University of Cambridge) Tại sao thời kì này dữ dội như vậy? Một lắ thuyết cho rằng khoảng thời gian này, Mộc tinh và Thổ tinh di chuyển vào sự cộng hưởng quỹ đạo 2:1 (khi Mộc tinh hoàn thành hai vòng quỹ đạo thì trong thời gian đó Thổ tinh chỉ hoàn thành một vòng), do đó gây ra một sự chia sẽ to lớn trong sự phân bố ban đầu của các tiểu hành tinh và các vật thể băng giá đang quay xung quanh Mặt trời Năm

2005, một chương trình hợp tác quốc tế của các nhà vật lắ hành tinh, trong đó có Hal Levison đến từ Viện Nghiên cứu Tây Nam Ờ một trong những người thúc đẩy quan điểm rằng Diêm vương tinh là một Ộhành tinh lùnỢ Ờ đã công bố một bài báo về một số mô phỏng máy tắnh hấp dẫn của hệ mặt trời (Nature435 466) Chọn điều kiện ban đầu, họ lấy cả bốn hành tinh khắ khổng lồ nằm trong quỹ đạo tròn ở gần nhau hơn vị trắ của chúng ngày nay Do tương tác với các tảng hành tinh, Thổ tinh, Thiên vương tinh và Hải vương tinh đã dần dần di cư ra bên ngoài Khi Thổ tinh đi tới điểm nơi nó quay xung quanh Mặt trời một vòng trong mỗi hai vòng của Mộc tinh, thì toàn bộ hệ mặt trời phắa ngoài

bị mất ổn định Quỹ đạo của Hải vương tinh và Thiên vương tinh trở nên lệch tâm nhiều hơn và chúng ném nhiều tảng hành tinh ra khỏi quỹ đạo ban đầu của chúng Một số bị kéo giật vào hệ mặt trời phắa trong, cái giải thắch cho đợt bắn phá muộn nặng nề

Tai biến oxygen

Người ta tin rằng bề mặt của Trái đất đủ lạnh để hình thành nên một lớp vỏ ngay trước đợt bắn phá muộn nặng nề đó Trong khi đó, hoạt động núi lửa sẽ giải phóng rất nhiều hơi nước, carbon dioxiode và ammonia Hoạt động này hình thành nên cái gọi là Ộkhắ quyển thứ haiỢ của Trái đất

ỘKhắ quyển thứ nhấtỢ của Trái đất, chủ yếu gồm hydrogen và helium, đã bị thoát vào trong không gian Khắ quyển thứ hai chủ yếu gồm carbon dioxide và hơi nước, với một phần nitrogen nhưng có khả năng không có nhiều oxygen Khắ quyển thứ hai này có nhiều chất khắ hơn gấp 10 lần so với

Ộkhắ quyển thứ baỢ ngày nay

Khi Trái đất lạnh đi, các đại dương hình thành Chúng có lẽ đã sôi hết hoàn toàn trong một số

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

14 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

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

Bước thứ nhất trong hoạt động kiến tạo mảng là sự hình thành “các vùng im lìm”: các mảnh

cổ, đan xen chặt chẽ của lớp vỏ và lớp bao của Trái đất, hàng tá trong số đấy còn tồn tại ngày nay

Ví dụ, ở Anh, đông nam xứ Wales và một phần miền tây Anh quốc nằm trong vùng im lìm Midlands Trong khi đa số các vùng im lìm chỉ hoàn thành việc hình thành cách nay 2,7 tỉ năm, thì gần như toàn bộ đã bắt đầu phát triển sớm hơn Các vùng im lìm cấu thành phần lớn từ đá lửa như granite, loại đá phức tạp hơn so với ba-zan Granite hình thành theo nhiều kiểu, ví dụ bằng sự tan chảy trở lại của đá trầm tích Đá kiểu granite buổi đầu thì có khả năng đơn giản hơn

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

Có khả năng là những lỗ thông hơi này giữ một vai trò nào đó trong phần ngoạn mục nhất của tất cả các phát triển thời kì Archean: nguồn gốc của sự sống Vì Trái đất sơ khai thiếu oxygen tự

do, cho nên sự sống đầu tiên phải là kị khí Ngay cả ngày nay, phần nhiều trong số những vi khuẩn

cổ xưa nhất được biết tới, ví dụ như các vi khuẩn tìm thấy trong các lỗ thông hơi nhiệt động, không thể chịu đựng sự có mặt của oxygen Những sinh vật đó gây ra một chu kì sulphur hoạt động và sự lắng đọng quặng sulphate đã bắt đầu khoảng 3,6 tỉ năm trước Sau này, chúng đã làm cho khí quyển giàu thêm nhiều khí methane

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

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

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

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

Quả cầu tuyết Trái đất

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

Trần Nghiêm dịch 15

bản cực đoan của kịch bản này gọi chúng là sự kiện “quả cầu tuyết Trái đất”, còn những người khác thì biện hộ cho một “quả cầu tuyết bẩn” Vì băng tuyết làm phản xạ ánh sáng mặt trời, làm cho Trái đất càng lúc càng lạnh hơn, cho nên người ta dễ dàng đoán được làm thế nào sự hồi tiếp phi mã như thế có thể xảy ra Loại hồi tiếp ngược lại hiện đang xảy ra, vì băng tan chảy làm cho Trái đất tối hơn

và do đó ngày càng ấm hơn Những câu hỏi hấp dẫn là tại sao sự mất cân bằng này không đưa Trái đất đến những nhiệt độ cùng cực theo kiểu này hoặc kiểu kia, tại sao các sự kiện quả cầu tuyết Trái đất bắt đầu khi chúng xuất hiện, và tại sao Trái đất không còn băng giá nữa

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

có thể là carbon dioxide – gấp chừng 350 lần so với cái chúng ta thấy ngày nay!

Theo giả thuyết “quả cầu tuyết Trái đất”, cách đây 850 triệu năm, bề mặt hành tinh của chúng ta hoàn toàn băng giá

(Ảnh: Simon Terrey/Science Photo Library) Vào cuối những chu kì băng giá này, người ta tin rằng oxygen đã tăng từ 2% khí quyển lên 15% (Bây giờ nó là 21%) Đây có thể là nguyên do các sinh vật đa bào hít thở oxygen có tuổi từ thời

kì này Những người khác thì cho rằng chu kì “băng khô” gây áp lực tiến hóa dữ dội lên sự sống và dẫn đến sự phát triển của các sinh vật đa bào Cả hai lí thuyết này đều có thể đúng (Muốn tìm hiểu chi tiết, hãy đọc quyển Quả cầu tuyết Trái đất của Gabrielle Walker)

16 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

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

Chúng ta hiện ở trong kỉ Cenozoic của đại Phanerozoic Kỉ Holocene chỉ vừa kết thúc và kỉ Anthropocene vừa mới bắt đầu, đặc trưng bởi sự tác động đáng kể của con người lên các hệ sinh thái

và khí hậu Bằng việc phá hủy môi trường tự nhiên, loài người đã đưa vào chuyển động một sự kiện diệt vong có thể xếp ngang hàng với sự kết thúc của kỉ Phấn trắng cách đây 65 triệu năm Chúng ta còn làm tăng thêm hàm lượng carbon dioxide khí quyển ở tốc độ không thể tin nổi Nếu nhiệt độ tăng lên thêm một độ, thì nhiệt độ của Trái đất sẽ nóng nhất trong 1,35 triệu năm qua, trước khi chu

kì băng hà hiện nay bắt đầu Chúng ta đang đi về đâu? Chẳng ai biết cả

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

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

(theo Physics World, số tháng 8/2009)

Trần Nghiêm dịch 17

Địa kĩ thuật hệ khí hậu

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

Sự biến đổi khí hậu mà chúng ta đang chịu hiện nay gây ra bởi sự gia tăng lượng khí nhà kính do các hoạt động của con người, đáng kể nhất là việc đốt các nhiên liệu hóa thạch, thâm canh nông nghiệp và tàn phá rừng Mặc dù sự ấm lên toàn cầu đã có mặt trong tác phẩm khoa học kể từ một bài báo đánh dấu bước ngoặc của nhà vật lí người Thụy Điển, Svante Arrhenius, viết hồi năm

1896, nhưng chỉ đến những thập niên gần đây thì kiến thức khoa học của chúng ta về hệ thống khí hậu mới làm sáng tỏ được rằng một sự ấm lên toàn cầu cao hơn 2oC so với mức thời kì tiền công nghiệp có thể là nguy hiểm và vì thế cần nên tránh

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

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

18 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

giảm phát thải CO2 Trong thời gian ba tháng, Hội nghị lần thứ 15 của các đảng cầm quyền (CoP15),

bộ phận của Hội nghị Liên hiệp quốc về Biến đổi khí hậu ở Copenhagen, sẽ hướng tới thiết lập những mục tiêu liên kết cho sự cắt giảm phát khí thải (cái gọi là bản thỏa ước cắt giảm) Nhưng cho

dù sự phát khí thải CO2 toàn cầu được cắt giảm 50% vào năm 2050, thì hiện nay yêu cầu này dường như không đủ để giữ cho sự ấm lên toàn cầu dưới 2oC trong thế kỉ này Thật vậy, kể từ khi hiệp định Kyoto được đưa ra hồi năm 1997, sự phát khí thải CO2 vẫn tiếp tục leo thang bất chấp những lo ngại ngày càng tăng về sự biến đổi khí hậu Biết rằng bản thỏa ước cắt giảm hiện nay không đủ hiệu quả

để tránh sự biến đổi khí hậu nguy hiểm, vậy chúng ta có nên có một kế hoạch B hay không? Đây là một động cơ thúc đẩy cho địa kĩ thuật, một thuật ngữ mô tả sự can thiệp có cân nhắc và hệ thống khí hậu để chống lại sự ấm lên toàn cầu do con người gây ra Kĩ thuật này có thể thu được theo hai cách, bằng cách dọn dẹp trực tiếp cacbon đi-ôxit hoặc bằng cách điều khiển bức xạ mặt trời, cái nhắm tới làm nguội hành tinh bằng cách cho phản xạ ánh sáng nhiều hơn vào trong không gian

Loại trừ cacbon đi-ôxit

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

Một phương pháp an toàn hơn lọc bỏ cacbon đi-ôxit là bẫy không khí, sử dụng phương pháp chiết tách bằng hóa chất hoặc bằng tác nhân vật lí lọc CO2 ra khỏi không khí và chôn cacbon trong các kho địa chất Bộ phận trữ của phương pháp này giống với phương pháp bắt và trữ cacbon thông thường, nhắm tới việc loại CO2 ra khỏi các chất khí thải của các nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch Bẫy không khí trên nguyên tắc có thể thực hiện ở bất kì địa điểm nào, mặc dù nó hữu dụng nhất là ở gần các kho trữ địa chất Các phương pháp hóa học của bẫy không khí thường đi cùng với phản ứng của cacbon đi-ôxit với natri hyđrôxit để tạo ra natri cacbonat, trong khi phương pháp bẫy vật lí sử dụng các chất nhựa trao đổi ion có khả năng lọc CO2 ra khỏi không khí, sau đó có thể rửa sạch chúng

từ các bộ lọc với nước Có những ưu điểm nổi trội đối với các kĩ thuật bẫy không khí vì chúng loại

bỏ được nguyên do chính của sự ấm lên toàn cầu và, không giống như các phương pháp khác, nó mang lại khả năng hạ hàm lượng CO2 xuống dưới mức hiện nay Tuy nhiên, những kĩ thuật này hiện nay thật tốn kém và còn gặp khó khăn ở chỗ tìm các kho trữ địa chất ổn định thích hợp cho cacbon

Chắn bớt mặt trời hoặc làm cho hành tinh sáng hơn

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

Trần Nghiêm dịch 19

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

Một lá chắn mặt trời có diện tích khoảng 3 × 106 km2 đặt cao 1.5 × 103 km phía trên hành tinh chúng ta

sẽ là cần thiết để chống lại sự tăng gấp đôi hàm lượng cacbon đi-ôxit trong khí quyển của Trái đất (Ảnh: Victor Habbick Visions/Science Photo Library)

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

xạ cao Lợi ích về mặt khí hậu của những kĩ thuật này thay đổi theo khu vực được cải tạo Ví dụ, các

20 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

phương pháp nóc nhà trắng có tác động tương đối nhỏ lên nhiệt độ trung bình toàn cầu, vì các công trình ở của con người vẫn chỉ chiếm có 2% diện tích đất liền toàn cầu Mặt khác, sự cải tạo ở quy mô lớn suất phản chiếu của hành tinh có thể mang lại sự nguội đi toàn cầu đủ để bù lại sự ấm lên toàn cầu tính cho tới nay, nhưng những áp lực khẩn cấp khác đặt lên nền sản xuất nông nghiệp có thể khiến cho phương pháp này không khả thi về mặt thực tế Việc làm các sa mạc sáng hơn lên có thể

có tác dụng làm nguội còn lớn hơn, nhưng sự cưỡng ép cục bộ như thế của hệ khí hậu mang lại mối rủi ro là làm thay đổi vòng tuần hoàn khí quyển hết sức quan trọng, ví dụ như gió mùa mang mưa đến cho những phần lớn dân cư của Trái đất

Những rủi ro tương tự đi cùng với các kĩ thuật trên là làm cho các đám mây sáng lên, vì những

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

kể so với phương pháp làm nguội tương tự bằng những kĩ thuật hạ nhiệt thông thường khác

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

Mang tính khoa học viễn tưởng nhất trong số các kĩ thuật điều khiển bức xạ mặt trời ở trên là việc đặt những lá chắn mặt trời giữa Mặt trời và Trái đất Vị trí đặt tấm chắn triển vọng nhất hình như là tại điểm Lagrange L1, nơi cách Trái đất khoảng 1.5 × 106 km về phía Mặt trời, tại đó lực hút hấp dẫn của hai thiên thể triệt tiêu nhau Tại điểm này, những tấm chắn khoảng chừng 3 × 106 km2 sẽ

là cần thiết để chống lại sự tăng gấp đôi lượng CO2 Có những thách thức ghê gớm đi cùng với việc thiết kế và sản xuất các chất liệu nhẹ, bền có thể dùng cho các tấm chắn mặt trời, nhưng sự tốn kém lâu dài có thể đi cùng với việc phóng các bộ phận của tấm chắn cũng như việc sửa chữa và thay thế định kì của chúng Cho dù một phương pháp địa kĩ thuật như vậy tỏ ra khả thi về mặt công nghệ và

Trần Nghiêm dịch 21

kinh tế, thì vẫn còn đó những vấn đề chính sách quốc tế cần phải dàn xếp trước khi triển khai được Những vấn đề ấy cũng phổ biến đối với những kĩ thuật quy mô lớn khác, ví dụ như cải tạo suất phản chiếu của sa mạc, cải tạo suất phản chiếu mây và bơm aerosol tầng bình lưu, tất cả những kĩ thuật này đều làm nguội khí hậu toàn cầu nhưng sẽ không bù đắp được những biến đổi khí hậu vùng miền

và có khả năng còn làm trầm trọng thêm sự biến đổi khí hậu ở một số nơi Ngoài ra, các kĩ thuật xây dựng trên việc điều khiển bức xạ mặt trời rõ ràng không giải quyết được những tác dụng không chắc chắn của sự axit hóa đại dương do CO2 tăng thêm

Bớt cấm kị

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

So sánh giá thành theo lợi ích của các đề xuất địa kĩ thuật với thỏa ước biến đổi khí hậu Những rủi ro đi cùng với những

đề xuất này được biểu thị là thấp (màu xanh), trung bình (màu vàng) và cao (màu đỏ) Lựa chọn thay thế an toàn nhất đối với thỏa ước cắt giảm là bẫy cacbon đi-ôxit không khí, nhưng giải pháp bơm aerosol tầng bình lưu có tỉ số lợi ích trên giá thành cao nhất

22 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Các giải pháp địa kĩ thuật thay thế có thể ước định dựa trên chi phí thường niên, lợi ích thu được tính theo độ giảm nhiệt độ trung bình toàn cầu và những rủi ro đi cùng với từng kĩ thuật một Những yếu tố này được trình bày dưới dạng giản đồ trong hình trên Trong khi một số phương pháp,

ví dụ như bón phân đại dương hoặc kĩ thuật nóc nhà trắng, có thể bị bác bỏ vì chúng không có khả năng có lợi ích khí hậu toàn cầu đáng kể, thì đa số đề xuất địa kĩ thuật dường như rẻ tiền so với thỏa ước cắt giảm Quan trọng hơn, nhiều phương pháp có lợi ích khí hậu tính trên chi phí thường niên cao hơn so với thỏa ước cắt giảm (tức là chúng nằm phía trên đường đứt nét)

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

Lựa chọn an toàn nhất cho thỏa ước cắt giảm là bẫy CO2 không khí, loại bỏ nguyên do chủ yếu của sự ấm lên toàn cầu và do đó tránh được những rủi ro đi cùng với sự biến đổi vùng miền chết người và sự axit hóa đại dương Tuy nhiên, hiện nay, bẫy không khí dường như tương đối tốn kém

so với thỏa ước cắt giảm và rất đắt tiền so với các kĩ thuật quy mô lớn nhằm làm chủ bức xạ mặt trời

Nguyên do chính khiến ít có sự tranh luận về địa kĩ thuật giữa các nhà khoa học khí hậu là người ta e ngại rằng một cuộc tranh luận như thế sẽ ngụ ý một lựa chọn khác để làm giảm trách nhiệm phát thải cacbon của con người Trong trường hợp tệ hơn, điều này có thể làm chậm tiến trình đàm phán khí hậu quốc tế Nhưng hiện nay có cảm giác đang tăng lên là thời gian đã nâng điều cấm

kị địa kĩ thuật đến chỗ những nghiên cứu khoa học thích hợp có thể được thực hiện trước khi có bất

kì sự thực thi quy mô lớn có khả năng gây nguy hại nào lên hệ khí hậu, như bản báo cáo trong tháng này của Hội Hoàng gia Anh nêu bật Ưu tiên nghiên cứu lúc này sẽ là việc đánh giá tác động của các

kĩ thuật làm chủ bức xạ mặt trời lên khí hậu vùng miền, sử dụng các mô hình khí hậu và những cái tương tự như các đợt phun trào núi lửa từ quá khứ của Trái đất, và sự phát triển ngày càng nhanh của các kĩ thuật bẫy không khí, bao gồm cả ngành khoa học vật liệu hết sức tinh vi Đối với các nhà khoa học muốn cứu lấy hành tinh, thì không có lĩnh vực nghiên cứu nào có sức cuốn hút hơn là địa kĩ thuật

Tóm tắt

• Ngày nay, dường như việc nghiêm khắc cắt giảm 50% lượng khí thải cacbon đi-ôxit vào năm

2050 là không đủ để ngăn cản sự ấm lên toàn cầu nguy hiểm

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

• Có hai loại đề xuất địa kĩ thuật: lọc loại cacbon đi-ôxit trực tiếp và làm chủ bức xạ mặt trời

• Nhiều đề xuất địa kĩ thuật có tỉ số lợi ích khí hậu trên giá thành thường niên cao hơn thỏa ước cắt giảm

24 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Các công thức chế biến hành tinh

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

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

Ai từng sử dụng soda thay cho bột nổi khi làm bánh đều biết một sự thật đơn giản: công thức pha chế là cả một vấn đề Điều đó cũng đúng đối với sự hình thành hành tinh Các hành tinh cấu thành từ những chất liệu kết tập trong một đĩa quay tròn xung quanh những ngôi sao trẻ - về cơ bản

“phần thừa còn lại” khi bản thân các ngôi sao hình thành qua sự co sập hấp dẫn của đám mây khí và bụi đang quay tròn Do đó, cái đĩa sinh ra hành tinh ấy ban đầu phải có tỉ số khí-trên-bụi bằng với môi trường giữa các sao: khoảng chừng 100 trên 1, tính theo khối lượng Tương tự, có vẻ thật hợp lí

là thành phần cơ bản của cái đĩa ấy phải phù hợp với thành phần cơ bản của ngôi sao, phản ánh các điều kiện ban đầu lại nơi đặc biệt đó trong thiên hà

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

Trần Nghiêm dịch 25

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

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

318 lần Trái đất – giàu hơn Mặt trời ở những nguyên tố này đến 3 lần Điều tương tự cũng đúng đối với Thổ tinh

Bên ngoài Thổ tinh trong hệ mặt trời nhóm ngoài là Thiên vương tinh và Hải vương tinh Những cái gọi là những kẻ khổng lồ băng giá này hình thành ở bán kính tại đó người ta cho rằng cacbon, nitrogen và oxygen đều ngưng tu từ pha khí để hình thành nên băng ở thể rắn Hai hành tinh

xa xôi này cấu thành từ hydrogen và helium ở tỉ lệ đại khái bằng ới các nguyên tố nặng Điều này cho thấy lõi của chúng được tạo ra ngay sau khi đĩa khí từ đó Mộc tinh và Thổ tinh hình thành bay hơi ra phía ngoài Sự kiện này được cho là xảy ra lúc hơn 10 triệu năm sau khi sự cô đặc tiền sao đầu tiên hình thành từ đám mây phân tử đang quay tròn, đang co lại để trở thành Mặt trời

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

Quyển sách ‘nữ công gia chánh’ hành tinh

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

Bắt đầu với một đĩa khí và bụi, ban đầu chừng 10-20% khối lượng của ngôi sao trẻ Cái đĩa

sẽ nóng nhất ở bán kính nhỏ (vài lần bán kính của ngôi sao) và lạnh nhất ở bán kính lớn nhất (thường hơn 10 AU) do các tác dụng kết hợp của sự giải phóng thế năng hấp dẫn và sự chiếu xạ giữa các sao

26 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

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

Nếu cái đĩa đủ nặng, bạn có thể quan sát thấy các sóng mật độ xoắn ốc đang phát triển, không hẳn không giống như các xoắn trông thấy ở những thiên hà có những cánh tay xoắn ốc rõ rệt Đừng

lo lắng gì cả Điều này thật ra có thể giúp thu thập các hạt chất rắn cần thiết để hình thành nên những mảng hành tinh lớn, hay thậm chí lõi của những hành tinh khổng lồ, như mô tả dưới đây

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

ở phía trong của đĩa Đường băng tuyến, nơi cacbon, nitrogen và oxygen ngưng tụ, nằm ngoài 3 AU Ảnh: C P Dullemond, 2001 ApJ 560 957)

Tiếp theo, xảy ra chuyển động khuấy hỗn loạn khi hệ trải qua sự bồi tụ sền sệt Cơ chế mang lại sự nhớt cần thiết không hoàn toàn rõ ràng Tuy nhiên, nếu cái đĩa bị ion hóa đủ mức, thì lí thuyết cho thấy một sự mất cân bằng cố hữu trong các đĩa Kepler của chất khí dẫn – gọi là sự mất cân bằng magneto-quay (MRI) – có thể tạo ra sự xáo trộn cần thiết Nếu cái đĩa dày về mặt quang tính (như đa

số như thế khi bạn bắt đầu), thì một “vùng chết” có thể hình thành trong mặt phẳng giữa của đĩa từ chưa tới 1 AU cho đến hơn 190 Au, nơi MRI không thể hoạt động do sự ion hóa thấp Tuy nhiên, bề mặt đĩa phải bị ion hóa đủ mức để cho phép sự bồi tụ sền sệt: đa số chất liệu chuyển động vào trong hướng về phía ngôi sao trong khi một số chất liệu chuyển động ra phía ngoài, làm bảo toàn xung lượng góc Trong suốt quá trình pha trộn này, các hạt bụi nhỏ va chạm và dính vào nhau, hình thành nên những vật thể lớn hơn theo thời gian Khi điều này xảy ra, cái đĩa sẽ trở nên kém trong suốt hơn,

vì các hạt lớn có tỉ số khối lượng trên diện tích bề mặt lớn hơn so với các hạt nhỏ

Trần Nghiêm dịch 27

Một khi các vật thể nhỏ đạt tới 1m đường kính, chúng có thể bị đẩy vào ngôi sao ở giữa qua một hiện tượng gọi là “lưỡi kéo chất khí” Hiện tượng này xảy ra vì chất khí ở trong đĩa một phần được nương đỡ bởi áp suất chất khí, cho nên nó quay tròn chậm hơn so với các tảng đá cuội lân cận

Vì thế, những tảng đá này cảm thấy một “cơn gió ngược” từ phía chất khí, làm mất xung lượng góc

và xoắn ốc về phía một điểm chết nảy lửa ở gần ngôi sao Nếu quá nhiều vật chất rắn bị mất, thì bạn

sẽ không thể làm ra hành tinh của mình Kiểu pha bột này không dành cho những người yếu bóng vía!

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

Nếu quá trình này thành công, nó sẽ để lại một vài vật thể lớn chừng 100 km đường kính sẵn sàng cho việc nhào nặn tiền hành tinh Sự kết tập hấp dẫn, trong đó quỹ đạo của các hạt nhỏ bị nhiễu loạn đáng kể bởi sự chạm trán với những vật thể lớn hơn, có thể làm tăng tốc quá trình này, dẫn đến

sự tăng trưởng phi mã trong đó các vật thể to ngày một to hơn Nhưng một khi các tiền hành tinh đã lớn hơn Mặt trăng, thì còn có một vấn đề nữa: sự kết hợp của mômen quay và cộng hưởng giữa các tiền hành tinh đá và chất khí còn lại có thể đẩy và hút phôi mầm hành tinh vào một quỹ đạo xoắn ốc hướng vào trong, một hiện tượng gọi là sự di trú loại I Điều này có thể mang lại sự thất thoát thêm chất liệu rắn cần thiết vì nó rơi vào bên trong ngôi sao trẻ Tuy nhiên, nếu phần đĩa bên trong có thể duy trì sự xáo trộn MRI cảm ứng, thì Richard Nelson ở trường Đại học Nữ hoàng Mary ở London đề xuất rằng sự tăng mật độ cục bộ có thể tạo ra một hiệu ứng “bắn bi”, làm tán xạ các tiền hành tinh ra xung quanh và làm chậm dần sự mất mát chất liệu rắn Điều này còn có thể dẫn đến sự va vào nhau của các vật thể cỡ mặt trăng tại nơi chuyển tiếp giữa vùng bồi tụ mạnh và vùng chết của đĩa vật chất

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

28 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Nghệ thuật xào nấu cao cấp

Bốn chiếc kính thiên văn quang học/hồng ngoại 8,2 m tạo nên trận địa Kính thiên văn Rất

lớn tại Đài thiên văn Paranal, Chile, có thể phân biệt những vật thể 4 tỉ lần mờ hơn so với

cái mắt trần có thể trông thấy Ảnh: ESO

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

Tuy nhiên, nếu bạn có thể tạo ra phần lõi của hành tinh khí khổng lồ của bạn đủ nhanh, thì bạn có thể kích hoạt sự bồi tụ nhanh của chất khí, dẫn tới sự hình thành một hành tinh khổng lồ Nhưng ngay cả khi đó, hành tinh khí khổng lồ của bạn có thể vẫn không an toàn! Hành tinh ấy có thể

bị kéo lê theo đĩa bồi tụ sền sệt kia theo mộ kiểu quá trình di cư khác, gọi là di cư loại II Nếu điều này xảy ra, hành tinh của bạn có thể đi đến “đỗ lại” trong phần đĩa ở sâu bên trong (giống như cái gọi là Mộc tinh nóng người ta tìm thấy ở rất gần ngôi sao chủ của chúng) hoặc thậm chí bị đẩy vào chính ngôi sao trẻ ấy

Toàn bộ những hoạt động mạnh mẽ và năng động này có tác động nổi bật lên hóa học của cái đĩa và do đó lên thành phần của các hành tinh hình thành ở bất cứ chỗ đặc biệt nào Hans Peter Gail

ở trường Đại học Heidelberg và các cộng sự đã tính toán được rằng ở nhiệt độ trên 800 K, các phân

tử hydroxide giúp chuyển hóa các chất rắn giàu cacbon thành những dạng khác, làm giảm thành phần cacbon của chúng trong quá trình trên Các nguyên tử cacbon “tự do” này nhanh chóng phản ứng với đĩa khí giàu oxygen, hình thành nên cacbon monoxide

Trần Nghiêm dịch 29

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

lí Max Planck ở Đức và các cộng sự phát triển

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

AU Nếu quá trình này tỏ ra phổ biến, thì nó sẽ dẫn đến sự dồi dào các hành tinh đất đá trong thiên

hà – chứ chưa nói tới toàn thể vũ trụ

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

Nhìn ra bên ngoài

May thay, những quan sát mới về các hành tinh ngoại đang diễn ra ngày một nhanh chóng và dồn dập Càng lúc chúng ta càng học được nhiều điều về thành phần của chúng - và, trong một vài trường hợp, cả cấu trúc hệ hành tinh của chúng Hành tinh ngoại đầu tiên được tìm thấy đang quay xung quanh một ngôi sao giống như Mặt trời được phát hiện ra vào giữa thập niên 1990, bởi Michel Mayor ở Đài thiên văn Geneva và các cộng sự, họ đã sàng lọc qua quang phổ sao nhằm tìm kiếm sự dịch chuyển Doppler trong các vạch phổ hấp thụ của các nguyên tử và phân tử Những dịch chuyển

ấy có thể phát sinh do chuyển động lắc lư của ngôi sao phản ứng với lực hút hấp dẫn của một hành tinh ở gần Sử dụng kĩ thuật này, các nhà nghiên cứu tìm thấy ngôi sao 51 Pegasi có một hành tinh đồng hành cỡ Mộc tinh nằm tại một bán kính quỹ đạo đưa nó tiến gần ngôi sao của nó hơn với Thủy tinh trong hệ Mặt trời

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

30 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

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

đá (ví dụ COROT 7b)

Một kĩ thuật nữa dùng trong mô tả đặc trưng các hành tinh ngoài hệ mặt trời được phát triển tiên phong bởi các nhà khoa học nghiên cứu số liệu từ kính thiên văn vũ trụ Spitzer và Hubble Bằng cách chia sự phát xạ của hệ sao-hành tinh thành sự phát xạ của riêng ngôi sao, khi hành tinh đi qua phía sau nó, chúng ta có thể phát hiện ra những hành tinh ngoài hệ mặt trời một cách trực tiếp, thay

vì suy ra sự tồn tại của chúng từ sự chao đảo hấp dẫn của ngôi sao chủ của chúng Hồi năm ngoái, các nhà thiên văn còn xem xét những bức ảnh chụp trực tiếp đầu tiên của những hành tinh ngoại từ kính thiên văn mặt đất lẫn kính thiên văn vũ trụ Những phát hiện trực tiếp này mang lại thông tin độc nhất vô nhị về nhiệt độ và thành phần của những thế giới mới này Đối với những hành tinh nằm

xa ngôi sao chủ của chúng, xa đến mức nguồn quỹ năng lượng của chúng không bị thống trị bởi “ánh sáng sao” mà chúng nhận được, các quan sát phổ phát xạ của các hành tinh đã cung cấp các ước tính năng lượng nội tại của bản thân các hành tinh – một ràng buộc quan trọng đối với các mô hình về sự hình thành và tiến hóa của chúng

Tương lai của các hành tinh ngoại

Dưới sự chỉ dẫn của kĩ thuật RV, và gần đây được cách mạng hóa trở lại bởi những phát hiện

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

Trần Nghiêm dịch 31

Với gương chính có đường kính 42 m, Kính thiên văn Cực Lớn châu Âu sẽ đủ nhạy để phát

hiện ra những hành tinh kiểu Mộc tinh và có lẽ cả những hành tinh kiểu Trái đất đang quay

xung quanh những ngôi sao khác Ảnh: ESO

Trong khi Kepler có khả năng xác định tần số của các hành tinh đất đá trong vòng 1 AU xung quanh các ngôi sao giống Mặt trời, thì những cuộc khảo sát vi thấu kính có thể cung cấp các thống

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

32 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

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

Xào nấu các hành tinh ngoại

Số liệu thống kê của những khám phá hành tinh ngoại tiết lộ một số chiều hướng thú vị Andrew Cumming thuộc trường Đại học McGill và các cộng sự mới đây đã tiến đoán rằng khoảng 20% các ngôi sao kiểu Mặt trời hóa ra sẽ có các hành tinh khí khổng lồ Tiên đoán của họ dựa trên

cơ sở ngoại suy tần số và phân bố khối lượng của các hành tinh (như đã quan sát với các phép đo vận tốc hướng tâm) quay trên quỹ đạo trong vòng 3 AU tính từ ngôi sao chủ của cúng với bán kính quỹ đạo từ 3 đến 20 AU (1 AU là khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời) Tuy nhiên, có một số yếu tố có thể làm tăng thêm lợi thế của những bếp trưởng sẽ-là-hành-tinh-khí-khổng-lồ Ví dụ, những cái đĩa quay xung quanh những ngôi sao nặng hơn thì to hơn, do đó, làm cho quá trình hình thành một lõi hành tinh khí khổng lồ dễ dàng hơn, ít nhất là trên nguyên tắc Mặt hạn chế là những cái đĩa quay xung quanh những ngôi sao như vậy không tồn tại được lâu: mối liên hệ giữa những kết cục trông đợi từ các mô hình hình thành hành tinh là hàm của khối lượng sao là không rõ ràng Như thế, dường như những ngôi sao khối lượng lớn hơn hình thành nên những hành tinh lớn hơn ở bán kính quỹ đạo lớn hơn so với những ngôi sao khối lượng nhỏ hơn

Mặt khác, đối với những cái đĩa cực nặng có thể nguội đi rất hiệu quả ở bán kính lớn, các mô hình của Lucio Mayer thuộc trường Đại học Zurich và những người khác cho thấy các bếp trưởng hành tinh có thể tránh qua nhiều vấn đề hình thành lõi đối với những hành tinh khí lớn, và thay vào

đó tạo ra những hành tinh khổng lồ thông qua sự mất cân bằng hấp dẫn tức thời Nhưng sự khan hiếm những hành tinh khí khổng lồ quan sát thấy ở bán kính lớn bằng các kính thiên văn mặt đất (ví

dụ như Kính thiên văn Rất Lớn, Gemini, Keck, và Kính thiên văn Gương bội) cho thấy những trường hợp được điều chỉnh tinh vi như thế có lẽ tương đối hiếm Tuy nhiên, có một vài phản thí dụ thật lạ lùng, trong đó có những bức ảnh mới đây của các hành tinh quay xung quanh những ngôi sao

ví dụ như HR 8799, Fomalhaut và Beta Pictoris

Còn hấp dẫn hơn nữa là thực tế trong khí quyển của một ngôi sao càng phong phú nguyên tố nặng, thì nó càng có khả năng có một hành tinh khí khổng lồ kiểu như Mộc tinh Điều này phù hợp với một lí thuyết đã biết của sự hình thành hành tinh khí khổng lồ, nó đòi hỏi một lõi đá hình thành khi một vị trí tạo hạt nhân cho các hành tinh khổng lồ xuất hiện trong những cái đĩa giàu chất khí Với độ chính xác vận tốc của những phép đo RV đạt tới 10 cm/s (chậm hơn 20 lần so với tốc độ đi

bộ trung bình điển hình của một người), các hành tinh nhỏ cỡ vài lần khối lượng Trái đất đã được nhận ra đang quay xung quanh một số ngôi sao tĩnh lặng kiểu Mặt trời Như đối với quy luật những hành tinh khí khổng lồ càng có khả năng hình thành ở xung quanh những ngôi sao kiểu Mặt trời với nhiều nguyên tố nặng, còn có bằng chứng cho thấy có thể phá vỡ quy luật cho những hành tinh nhỏ hơn hình thành xung quanh những ngôi sao khối lượng nhỏ hơn

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

Trần Nghiêm dịch 33

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

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

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

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

Nhưng cũng trong khoảng thời gian đó, những sứ mệnh khoa học rô-bôt đã nghiên cứu Mặt trời, các sao chổi, tiểu hành tinh và các vệ tinh, và đã đi đến mỗi hành tinh trong hệ mặt trời (Chúng

ta vẫn đang chờ đợi sự xuất hiện của sứ mệnh Chân trời Mới gần đây đã giáng cấp Diêm vương tinh) Chúng cũng đã khảo sát gió mặt trời và thám hiểm phần còn lại của vũ trụ trong vùng phổ điện

từ, từ vô tuyến cho đến tia gamma – truy ngược lại đến Big Bang và phông nền vi sóng vũ trụ

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

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

34 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

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

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

từ khi những cỗ xe được thiết kế) Đây là cái mà một sứ mệnh có con người lên sao Hỏa, ngay cả với nhiều tháng ở trên bề mặt hành tinh đỏ, không thể đạt được

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

Biết tất cả những điều trên, nói thẳng ra thì tại sao chúng ta cứ phải quan tâm đến chuyến bay

vũ trụ có con người chứ Rõ ràng nó không mang lại nhiều khoa học trên mỗi bảng, mỗi đô la, hay mỗi euro như các sứ mệnh rô-bôt Vấn đề là chuyến bay vũ trụ có con người chưa bao giờ mang tính khoa học Từ lúc bắt đầu, với sứ mệnh Vostok của Liên Xô và dự án Mercury của NASA, mỗi bên đi tìm phương án đưa con người vào vũ trụ, nó là, và vẫn là, uy thế và tiềm lực quốc gia chứ không phải khoa học Khoa học có thể là một nhãn mác có ích giúp quảng bá một sứ mệnh không gian, nhưng uy thế quốc gia luôn luôn là động cơ chính Một sứ mệnh có con người lên Hỏa tinh hay Mặt trăng cuối cùng sẽ là một chương trình trình diễn TV trực tiếp, nhưng nó có đáng giá trị hàng trăm tỉ

đô la mà nó tiêu tốn hay không? Đây là câu hỏi mà Ủy ban Augustine đang nêu ra ở Mĩ, và câu trả lời của nó có thể làm thất vọng cộng đồng ủng hộ những chuyến bay vũ trụ có người lái

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

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

nó đã đoản thọ hơn nhiều, và kém linh hoạt hơn nhiều

Có lẽ những sứ mệnh Apollo lên Mặt trăng là sự trình diễn tốt nhất của các nhà du hành với

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

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

Gần địa cầu hơn, môi trường không trọng lượng của quỹ đạo Trái đất tầm thấp như môi trường trên Trạm Không gian quốc tế (ISS) mang lại một cơ hội vô song dành cho nghiên cứu các khoa học sự sống (kể cả sinh lí học người và y khoa), khoa học vật liệu và vật lí học cơ bản Loại môi trường này có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc có một không hai vào những lĩnh vực như biểu hiện gen, chức năng miễn dịch, sinh lí học xương và chức năng tim mạch, chúng quan trọng cho việc tìm hiểu nhiều chứng bệnh dưới địa cầu như chứng loãng xương, teo cơ và suy tim Vì con người là đối tượng của những thí nghiệm sinh lí học này, nên rô-bôt không thể nào là vật thay thế được Sự tiến

bộ trong những lĩnh vực này sẽ dựa trên sự tài trợ cho ISS duy trì hoạt động trong những thập kỉ tới Mặc dù khoa học sẽ không phải là kẻ thừa hưởng chính của việc có con người trong không gian, nhưng nó không phải, vừa không bao giờ có thể, là động cơ chính cho sự thám hiểm không gian có con người Những lợi ích khác của việc đầu tư vào sự thám hiểm không gian có con người bao gồm việc kích thích nó vì mục tiêu giáo dục khoa học và kĩ thuật: thám hiểm không gian vốn gây hấp dẫn,

và là một phương thức rõ ràng truyền cảm hứng cho những người trẻ tuổi tăng thêm niềm yêu thích đối với khoa học và công nghệ Du hành vũ trụ có con người cũng tốt đối với những ngành nghề công nghệ cao và có thể thúc đẩy sự đổi mới Cuối cùng, nó cung cấp một tiêu điểm cho sự hợp tác quốc tế có thể giúp xây dựng một môi trường địa chính trị ổn định hơn

Ích lợi nhiều mặt của sự thám hiểm vũ trụ có con người được ghi nhận bởi ấn phẩm hồi tháng

5 năm 2007 của bản báo cáo Chiến lược Thám hiểm Toàn cầu của 14 cơ quan không gian trên thế

36 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

giới Việc phát triển một chương trình thám hiểm toàn cầu, với mục tiêu tối hậu là đưa các nhà du hành trở lại Mặt trăng và lên sao Hỏa, là một tầm nhìn xung quanh cho thế kỉ 21, là sự hiện thực hóa của cái sẽ mang lại những lợi ích khoa học, kinh tế và văn hóa quan trọng trong thế giới của chúng

ta Như vậy, du hành vũ trụ có người lái phải được xem là một sự đầu tư cho tương lai của nhân loại

và nó xứng đáng được sự ủng hộ của toàn thể cộng đồng khoa học, và thật ra là của mọi công dân của hành tinh chúng ta

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

nó, vì một kết quả khác không có thể hàm ý sự tồn tại của nền vật lí mới

Đo cái (hầu như) bằng không (Ảnh: physicsworld.com) Khi đa số chúng ta nghĩ tới việc tìm kiếm nền vật lí ngoài Mô hình Chuẩn – mô hình thống trị của ngành vật lí hạt cơ bản – điều đầu tiên nảy ra trong đầu có lẽ là một cỗ máy gia tốc hạt khổng

lồ kiểu như Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) của CERN Bên trong vòng tròn 27 km của cỗ máy va chạm hạt số một hành tinh này, các proton lao vào nhau ở tốc độ 99.9999991% tốc độ ánh sáng Những detector kích cỡ bằng tòa nhà tạo ra hàng terabyte dữ liệu cho các nhà vật lí sàng lọc, tìm kiếm vết tích khó nắm bắt của những loại hạt mới

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

Cơ sở cho sự tìm kiếm của họ là theo Mô hình Chuẩn, một EDM electron có thể phát hiện ra

là bị cấm Vì thế, việc tìm ra một EDM nhỏ xíu những hữu hạn sẽ cho biết rằng Mô hình Chuẩn cần