Nobeliada-21

TỪ LỊCH SỬ KHOA HỌC

Nobeliada-21

L. BELOPUKHOV

IPO SINH LÝ VÀ Y HỌC, cũng như trong hóa học và kinh tế, giải thưởng năm nay rất phù hợp với mong muốn của Nobel - “giải thưởng thường niên dành cho những cá nhân, trong năm trước, đã có thể mang lại lợi ích lớn nhất cho nhân loại”. Đúng vậy, đã lâu rồi chúng ta không nói về năm trước mà về thời gian trước đó, đôi khi khá quan trọng. Giải thưởng về sinh lý học và y học thật ấn tượng. Một giải pháp đã được tìm ra cho phản ứng của mô thần kinh con người không chỉ đối với hiện tượng như đau đớn mà còn đối với những cảm giác thân mật hơn nhiều - nóng, lạnh và va chạm. Có lẽ giải pháp cho sự đụng chạm như dịu dàng và vuốt ve không còn xa nữa. Không phải vô cớ mà một bài viết về giải thưởng này trên tạp chí “Khoa học và Cuộc sống” được tác giả gọi là “Giải pháp cho những cái ôm ấm áp”. Tôi muốn gọi giải thưởng năm nay là y tế và thi vị. Tôi xin gọi công trình được giải thưởng hóa học là bất thường, “nghịch đảo”. Con đường thông thường để tổng hợp xúc tác của các phân tử bất đối xứng được đưa ra bởi tự nhiên ở cấp độ tế bào. Và bây giờ, đối với một số phản ứng, người ta đã tìm ra con đường để tổng hợp xúc tác các phân tử như vậy mà không cần sự tham gia của cơ chế tế bào sinh học - như các nhà hóa sinh nói, “in vitro”, tức là trong thủy tinh, trong ống nghiệm, chứ không phải “in vivo”, tức là trong cơ thể sống. Điều này mở ra (và đã mở ra) cơ hội rộng lớn cho việc tổng hợp các loại thuốc có tác dụng nhắm mục tiêu, đặc biệt đối với các bệnh di truyền. Giải thưởng về vật lý có phần khác biệt. Tiêu đề chung của nó là: “Vì những đóng góp tiên phong cho sự hiểu biết của chúng ta về sự phức tạp của các vấn đề vật lý.” Nói cách khác, đây là giải thưởng nhằm làm rõ sự hiểu biết về các vấn đề phức tạp

DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20220202

ness. Nói chung, “độ phức tạp của hệ thống” là một khái niệm toán học chứ không phải là khái niệm vật lý. Nhưng giải thưởng năm 2021 không coi trọng khía cạnh toán học trừu tượng của khái niệm “độ phức tạp”, mà là nghiên cứu vật lý rất cụ thể và công trình vật lý lý thuyết toán học, trong một số trường hợp được so sánh với nhiều năm quan sát và đo lường thực nghiệm. Làm bàn đạp cho nghiên cứu, nơi thể hiện sự phức tạp đặc biệt của các hiện tượng, Ủy ban Nobel đã chọn một trong những vấn đề khoa học cấp bách nhất - vấn đề nóng lên toàn cầu của khí hậu trái đất. Vấn đề này đều rõ ràng đối với tất cả cư dân trên Trái đất; nó được thảo luận trên các tạp chí khoa học và khoa học đại chúng, trên các diễn đàn chính trị và kinh tế, và đơn giản là trong các cuộc trò chuyện giữa con người với nhau. Chủ đề này đã trở nên đặc biệt phù hợp ở các thành phố ven biển và các quốc gia ven biển (ví dụ ở Hà Lan). Rốt cuộc, nhiệt độ tăng trên Trái đất đồng nghĩa với việc tan chảy một phần sông băng và mực nước biển dâng cao, đe dọa lũ lụt ở các khu vực nằm ở vị trí thấp trên bờ biển. Khi họ bắt đầu tính toán thời điểm lũ lụt có thể xảy ra và những thay đổi trong hệ động thực vật trên thế giới có thể xảy ra trong quá trình này, các nhà tương lai học khác nhau đã đưa ra thời gian cho các trận đại hồng thủy trong tương lai khác nhau gấp 10 lần. Nguyên nhân của sự nóng lên là do sự hấp thụ nhiệt mặt trời bởi cái gọi là khí nhà kính, chủ yếu là carbon dioxide. Sự nóng lên này được gọi là hiệu ứng nhà kính. Thậm chí đã xuất hiện sự chia rẽ trong thái độ đối với vấn đề này. Một số nhà khoa học khí hậu, nhà địa chất và nhà vật lý thiên văn cho rằng sự nóng lên là hệ quả của các quá trình tự nhiên, chủ yếu liên quan đến Mặt trời và các quá trình trên đó.

23

TỪ

CÂU CHUYỆN

đang xảy ra. Nhưng trở lại năm 1896, nhà hóa học nổi tiếng người Thụy Điển Svante Arrhenius đã bày tỏ ý kiến ​​​​cho rằng nguyên nhân chính của sự nóng lên là sự gia tăng nồng độ carbon dioxide trong bầu khí quyển trái đất. Thật vậy, chẳng hạn, trên sao Kim, nồng độ carbon dioxide cao trong khí quyển là nguyên nhân chính dẫn đến nhiệt độ trung bình cao trên hành tinh này (trên 400 q C). Nhưng trong thế kỷ 20, một bộ phận không nhỏ các nhà khoa học, cũng như các nhà kinh tế, công nghệ và chính trị gia cho rằng sự nóng lên toàn cầu là yếu tố nhân tạo gắn liền với sự gia tăng mạnh mẽ việc tiêu thụ nhiên liệu carbon cho các phương tiện giao thông và nhà máy nhiệt điện xảy ra vào đầu những năm 60 của thế kỷ trước. Chủ đề này rất có lợi cho việc thảo luận và tạo dựng một hình ảnh nhất định trong giới chính trị gia và nhận được tài trợ cho nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm khoa học. Nhưng dần dần sự phấn khích xung quanh vấn đề này bắt đầu lắng xuống; tất cả các khoản tài trợ có thể đã được nhận và chi tiêu. Và nghiên cứu khoa học nghiêm túc bắt đầu. Kết quả của họ không nhận được sự phủ sóng rộng rãi trong các tài liệu khoa học và giả khoa học vào thời điểm đó; họ không vượt ra ngoài các tạp chí khoa học chuyên môn cao. Các nhà nghiên cứu hiểu rằng sẽ cần thời gian để tự tin thu được kết quả đáng tin cậy. Và cuối cùng, những công trình này đã nhận được sự đánh giá cao - giải Nobel Vật lý. Công việc không chỉ tập trung vào phạm vi hẹp - để hiểu vấn đề nóng lên toàn cầu. Các nhà nghiên cứu đã hiểu rõ ràng về mức độ phức tạp của vấn đề nên nó đã được giải quyết như một trường hợp đặc biệt của việc nghiên cứu một hệ thống vật lý phức tạp. Nói chung, đây không phải là giải thưởng Nobel đầu tiên dành cho công trình nghiên cứu về biến đổi khí hậu và hậu quả của nó. Năm 2007, giải Nobel Hòa bình đã được trao cho Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) của Liên hợp quốc và cựu Phó Tổng thống Hoa Kỳ Al Gore “vì những nỗ lực của họ nhằm nâng cao kiến ​​thức về tác động của con người đối với biến đổi khí hậu và xác định các nguyên tắc cơ bản

KHOA HỌC

phải được phát triển để chống lại những thay đổi đó.” Công việc này của một nhóm chuyên gia Liên Hợp Quốc vẫn tiếp tục cho đến ngày nay. Giải Nobel Hòa bình đã được trao cho báo cáo thứ tư của Liên hợp quốc. Và mới đây, vào ngày 9/8/2021, cuộc báo cáo thứ sáu đã diễn ra. Giải Nobel Kinh tế 2018 được trao cho Paul Romer và William Nordhaus (Mỹ) “vì đã tích hợp biến đổi khí hậu và đổi mới công nghệ vào phân tích kinh tế vĩ mô dài hạn”. Nhưng những giải thưởng này không phải là phần thưởng cho công trình khoa học dựa trên nghiên cứu. Họ chỉ ghi lại công việc tóm tắt dữ liệu có sẵn. Công trình “Dự báo thời tiết dưới dạng vật lý bài toán” của nhà vật lý người Na Uy Vilhelm Bjerknes đã được đề cử giải Nobel Vật lý mười hai lần (từ 1924 đến 1945). Nhưng Ủy ban Nobel Vật lý không coi công trình này xứng đáng được giải thưởng cao. Và cuối cùng, năm nay Ủy ban Nobel Vật lý đã quyết định lời giải trao thưởng trực tiếp cho những nhà khoa học đã đặt nền móng cho sự hiểu biết hiện đại của chúng ta về các quá trình biến đổi khí hậu hành tinh. lời giải này đã được chờ đợi từ lâu và phục hồi công lý. Một nửa giải thưởng (5 triệu kronor Thụy Điển, tương ứng với khoảng 500.000 euro hoặc 40 triệu rúp) được trao cho các nhà khí hậu học Syukuro Manabe (Nhật Bản) và Claus Hasselmann (Đức) “vì đã mô hình hóa khí hậu Trái đất, mô tả toán học về các hệ thống biến thiên và dự đoán chính xác về hiện tượng nóng lên toàn cầu”. Rõ ràng từ động lực này, giải thưởng được trao cho dự đoán chính xác về mặt toán học về sự nóng lên toàn cầu, trái ngược với nhiều công trình và thảo luận mang tính suy đoán về chủ đề này. Nửa giải sau thuộc về nhà khoa học người Ý Giordgio Parisi (Ý) “vì phát hiện ra các tương tác hỗn loạn và dao động trong các hệ vật lý từ quy mô nguyên tử đến quy mô hành tinh”.

24

KVANT 2022/№2

Syukuro Manabe

Syukuro Manabe, ở tuổi 26, nhận bằng tiến sĩ khí tượng học tại một trường đại học Nhật Bản, sau đó ông đến Hoa Kỳ vào năm 1957, nơi ông bắt đầu nghiên cứu vật lý khí quyển và trở thành một trong những người đầu tiên trên thế giới tìm kiếm mối quan hệ giữa nồng độ carbon dioxide ngày càng tăng trong khí quyển và sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu. Ông không chỉ ghi lại mối quan hệ này mà quan trọng nhất là xây dựng các mô hình vật lý để giải thích nó. Các mô hình của Manabe đã tính đến sự đối lưu theo chiều dọc của khối không khí và sự đóng góp nhiệt của chu trình nước toàn cầu trong tự nhiên - sự truyền nhiệt trong quá trình ngưng tụ hơi ẩm. Lúc đầu, ông không ngại đưa ra phép tính gần đúng một chiều - hành vi của một cột carbon dioxide thẳng đứng cao 40 km. Công việc tiếp theo của ông trở nên phức tạp hơn đáng kể do việc chuyển đổi sang mô hình ba chiều và có tính đến sự chuyển động của các loại khí trong khí quyển khác. Hóa ra nồng độ nitơ và oxy hầu như không ảnh hưởng đến nhiệt độ khí quyển, trong khi việc tăng gấp đôi nồng độ carbon dioxide (từ 0,02% lên 0,04%) sẽ làm tăng nhiệt độ thêm 2 K. Và con số này là rất nhiều!

Ngày nay, nhà khoa học 90 tuổi tiếp tục làm việc tích cực với tư cách là nhà khí tượng học cao cấp tại Đại học Princeton ở Hoa Kỳ, một trong những tổ chức khoa học nổi tiếng nhất thế giới (chính tại trường đại học này, Albert Einstein đã làm việc trong 20 năm cuối đời). Đó chẳng phải là một vị trí thú vị sao – “nhà khí tượng học cấp cao của trường đại học”? Syukuro Manabe vẫn là một nhà truyền giáo nhiệt huyết về ý tưởng về sự nóng lên toàn cầu do hoạt động của con người gây ra, cái gọi là bản chất nhân tạo của sự nóng lên toàn cầu. Ông nói rằng việc có những người trong giới khoa học không tin vào điều này là bí ẩn lớn nhất của ông, “khó hiểu hơn gấp triệu lần so với hiểu nguyên nhân của biến đổi khí hậu”. Klaus Hasselmann bằng tuổi Manabe, ông cũng 90 tuổi. Ông trở thành tiến sĩ khoa học về thủy động lực học tại Đại học Göttingen và sau đó ông nghiên cứu xây dựng các mô hình toán học về các quá trình sóng trong đại dương và các dòng hải lưu, giữ chức vụ này.

Klaus Hasselmann

25

TỪ

CÂU CHUYỆN

Đường cong Keeling của một nhà hải dương học tại Đại học Hải dương học ở California. Vào thời điểm này, bạn của ông, Charles David Keeling, một người rất thích du lịch leo núi, tại một đài quan sát thời tiết ở độ cao trên quần đảo Hawaii trên đỉnh Mauna Loa, đã thực hiện các phép đo dài hạn về nồng độ $CO_{2}$ ở một khu vực cách xa nền văn minh, nơi mọi ảnh hưởng của con người lên bầu khí quyển được cho là ở mức trung bình. Chính Keeling là người đã thu được dữ liệu đáng tin cậy về sự thay đổi nồng độ carbon dioxide từ 3,15 ppm (1 ppm 0,1%, ký hiệu là 1) vào năm 1958 lên 3,8 vào năm 2005, khi Keeling qua đời vì một cơn đau tim. Nhưng công việc tại đài quan sát này vẫn tiếp tục và đến năm 2020, họ đã đưa ra nồng độ carbon dioxide là 4,15. Đường cong Keeling vẫn là cơ sở thực nghiệm đáng tin cậy nhất cho mọi nghiên cứu về hiện tượng nóng lên toàn cầu. Không có gì ngạc nhiên khi nó được khắc trên tường của tòa nhà Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia ở Va-

KHOA HỌC

Shinton. Và tất nhiên, Charles Keeling giờ đây sẽ là ứng cử viên xứng đáng cho giải Nobel năm 2021. Và việc trao giải thưởng cho người bạn và cộng tác viên khoa học Hasselman của ông sẽ tiếp tục duy trì những thành tựu khoa học của cả hai người bạn. Trong cặp đôi Keeling-Hasselman, người đầu tiên là người “thu thập” các sự kiện và người thứ hai là người phân tích cẩn thận. Ông đã áp dụng một số phương pháp toán học để phân tích thông tin, được gọi theo nghĩa bóng là “bước đi ngẫu nhiên” và “dấu vân tay”. Trọng tâm chính của Hasselman là tìm ra độ lệch chuẩn so với các giá trị trung bình gây ra bởi sự thay đổi theo mùa của carbon dioxide trong khí quyển, kết nối độ lệch cao nhất và thấp nhất với các điều kiện thời tiết cụ thể trong những năm này, tức là nỗ lực liên kết thời tiết và khí hậu và đưa ra dự báo thời tiết đáng tin cậy hơn. Đồng thời, ông chỉ ra một cách đáng tin cậy rằng nếu không có sự gia tăng nồng độ carbon dioxide trong khí quyển, trùng hợp với sự gia tăng mạnh về số lượng các nhà máy nhiệt điện và các yếu tố nhân tạo khác, thì tình hình nhiệt độ của khí quyển sẽ không quá nghiêm trọng chút nào, thực tế nó sẽ không tăng thêm nữa. Hasselmann trở về quê hương Đức vào năm 1975, thành lập Viện Khí tượng Max Planck và cho đến năm 1989 là một trong những giám đốc của viện, và hiện tiếp tục giữ chức giáo sư tại viện này. Giorgio Parisi là một nhà vật lý lý thuyết người Ý. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ tại trường đại học Rome quê hương mình.

26

Giorgio Parisi

KVANT 2022/№2

dì “Sapienum”, nơi ông hiện đang làm giáo sư. Ở Ý, ông nổi tiếng với các hoạt động chính trị xã hội - sự chỉ trích gay gắt của công chúng về việc thiếu kinh phí cho khoa học Ý. Trở lại năm 1977, nhà vật lý hóa học người Bỉ Ilya Prigogine đã đoạt giải Nobel về hóa học “vì công trình nghiên cứu về nhiệt động lực học của các quá trình không thể đảo ngược và ứng dụng của chúng trong hóa học và sinh học”. Prigogine đã công nhận sự tồn tại của các hệ nhiệt động không cân bằng, trong những điều kiện nhất định, hấp thụ năng lượng và vật chất từ ​​không gian xung quanh, có thể tạo ra những bước nhảy vọt về chất khi hệ thống chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, và những bước nhảy vọt này là không thể đoán trước được. Tự tổ chức xảy ra trong hệ thống. Hướng khoa học mà Prigogine bắt đầu tham gia và sau ông là nhiều người theo ông, được gọi là hiệp lực. Bản thân Prigogine đã nghiên cứu câu hỏi làm thế nào một chức năng quan trọng như vậy của trạng thái của một hệ thống như entropy, thước đo định lượng của sự hỗn loạn, hoạt động như thế nào trong thời gian và không gian. Một ví dụ điển hình về sự xuất hiện trật tự từ sự hỗn loạn là sự chuyển pha. Nhiều nhà nghiên cứu bắt đầu phân tích sự chuyển pha từ góc độ tác dụng hiệp lực. Tuy nhiên, hóa ra

rằng các phương pháp toán học của Prigogine và những người theo ông không đủ để dự đoán hành vi của các hệ thống phức tạp. Khi giải quyết vấn đề này, Giorgio Parisi đã đạt được thành công chính xác trong việc chứng minh toán học về mô hình xuất hiện của những biến động khổng lồ đó ở cấp độ vi mô dẫn đến các hiện tượng mới về chất ở cấp độ vĩ mô. Parisi và các cộng tác viên của ông đã nghiên cứu các hiện tượng như mặt cháy (mặt trước ngọn lửa), làm ướt, kết tinh, ranh giới của các vùng hỗn loạn trong tinh thể lỏng, trong vật lý hiện đại nhất - tán xạ không đàn hồi sâu trong sắc động lực học lượng tử (sự xuất hiện của các cấu trúc quark phức tạp bất ngờ) và một vấn đề bất ngờ đối với một nhà vật lý như sự phân bố các dòng vận chuyển. Vào danh sách này, chúng tôi phải thêm tìm kiếm về lượng khí thải trên Đường cong cho thuê - những biến động của biến đổi khí hậu. Sự đa dạng trong những sở thích này của Parisi gợi lên sự ngưỡng mộ và thích thú. Nhưng vấn đề là tất cả những bài toán khác nhau này đều được thống nhất bởi một đặc điểm chung. Mức độ phức tạp của chúng rất cao. Mỗi trong số chúng chứa một số lượng lớn các ảnh hưởng khác nhau và ngay cả những siêu máy tính hiện đại nhất cũng không thể giải quyết được bài toán “trực tiếp” như vậy. Các phương pháp toán học của Parisi cho phép bản thân toán học làm nổi bật những ảnh hưởng dẫn đến những biến động to lớn trong hoạt động của hệ thống. Cuối cùng, kỹ thuật của ông tập trung vào việc tìm ra một số trạng thái thuận lợi nhất định về mặt năng lượng (năng lượng thấp hơn) của hệ thống và toán học được sử dụng cũng tương tự trong các bài toán khác nhau. Trở lại những năm 1980, về mặt lý thuyết, chính Parisi đã phát hiện ra một số mô hình hoạt động có thể có của một số vật liệu dường như hoàn toàn mất trật tự và tạo ra một bộ máy toán học. lời giải hoàn chỉnh nhất đã được Parisi thu được để xem xét các trạng thái có thể có của cái gọi là “kính quay”. Việc sử dụng thành công lời giải Parisi cho kính xoay giờ đây cho phép chúng ta đặt ra câu hỏi về sự ra đời

27

TỪ

CÂU CHUYỆN

nghiên cứu toàn bộ ngành công nghiệp để sản xuất vật liệu hoàn toàn mới. Về mặt toán học, công thức của cả bài toán - hành vi của kính quay khi thành phần của chúng thay đổi và hành vi của khí hậu Trái đất khi trạng thái khí quyển Trái đất thay đổi - hóa ra rất giống nhau. Và thực tế này khiến người ta có thể biện minh cho việc trao giải Nobel cho Parisi vì tính tổng quát của lời giải của ông đối với sự hỗn loạn và những biến động trong một loạt các hệ vật lý - từ nguyên tử đến hành tinh, từ tương tác quark đến sự nóng lên toàn cầu. Bản thân Ủy ban lời giải Nobel không hề có một lời nào về kính quay. Chính các nhà bình luận sau khi biết tin Parisi được trao giải Nobel đã vội vàng lục lọi các tác phẩm của Parisi. Rõ ràng là nếu ít nhất người ta vẫn hiểu được điều gì đó về kính quay, và bản thân các từ “spin” và “thủy tinh” cũng được biết đến nhiều, thì những người “bình thường” không biết gì về quark hay tinh thể lỏng. Tôi phải nói rằng quay

KHOA HỌC

thủy tinh hoàn toàn không phải là thủy tinh theo cách hiểu thông thường của chúng ta. Điểm chung duy nhất của chúng với kính là chúng không phải là tinh thể mà là vật thể vô định hình. Nhưng chúng không phải là hợp chất của oxit silic, natri và canxi (như thủy tinh thông thường), mà là hợp kim của hai kim loại, ví dụ như đồng và mangan, vàng và sắt, bạc và mangan, đồng và neodymium, theo tỷ lệ xấp xỉ 10:1. Và tất nhiên là chúng không minh bạch chút nào. Một nguyên tử của kính quay không có từ tính, và nguyên tử còn lại (sắt, mangan, neodymium) được gọi là sắt từ. Thật không may, sách giáo khoa vật lý ở trường học (và thậm chí cả đại học) không giải thích được bản chất của sắt từ, sắt từ và phản sắt từ. Nó chỉ nói rằng để hiểu nó bạn cần ít nhất một kiến ​​thức tối thiểu về cơ học lượng tử. Cụ thể, cần phải hiểu spin là gì và tương tác trao đổi là gì. Nhưng cố gắng tìm ra điều này thì không bị trừng phạt.

KHÔNG GIỚI HẠN

(Xem phần đầu ở trang thứ 2 của trang bìa) Thật thú vị khi tìm thấy tất cả các hình lưới lồi từ rám nắng. Chúng ta hãy nhớ lại ba định nghĩa về đa giác lồi (chúng tương đương nhau): 1) nếu đa giác nằm trong cùng một nửa mặt phẳng so với mỗi đường thẳng chứa cạnh của nó; 2) nếu tất cả các góc trong của đa giác nhỏ hơn góc gấp; 3) nếu với hai điểm bất kỳ bên trong đa giác, đoạn có điểm cuối tại các điểm này nằm hoàn toàn bên trong đa giác. Từ một bộ hoàn chỉnh các phần tử tangram, 13 đa giác lưới lồi khác nhau có thể được gấp lại. Trong số đó có đúng một hình tam giác, sáu hình tứ giác, hai hình ngũ giác và bốn hình lục giác. Hãy cố gắng giải thích tại sao chỉ có một hình tam giác và không có đa giác nào có 9 cạnh trở lên. Hình bảy cạnh và hình bát giác cũng không tồn tại, nhưng điều này khó chứng minh hơn, vì bạn sẽ phải ước tính diện tích tối thiểu của những hình như vậy từ các hình tan trên lưới. Hãy thử cộng tất cả 13 số liệu này. Những cái khó gấp hơn sẽ được hiển thị bằng màu đỏ. Chúng tôi chúc bạn thành công! A. Kovaldzhi