Vật lý chứng tỏ những điều không hoàn hảo tạo ra sự hoàn hảo

Các nhà nghiên cứu trường đại học Northwestern đã tăng thêm một chiều kích nữa về tầm quan trọng của đa dạng sinh học.

Lần đầu tiên, các nhà vật lý đã chứng minh bằng thực nghiệm là sự tương tác của các thực thể trong các hệ chỉ có thể xảy ra một cách đồng bộ khi tồn tại sự khác biệt giữa các thực thể trong hệ.

Phát hiện này đem đến thay đổi so với hiểu biết trước đây về cách các hành xử chung trong tự nhiên – như những con đom đóm phát sáng trong cùng một bầy hoặc các tế bào dẫn dắt nhau hoạt động để cùng tạo ra một nhịp tim – có thể xuất hiện ngay cả khi các con côn trùng đơn lẻ hoặc các tế bào khác biệt

Giáo sư Adilson Motter, người dẫn dắt nghiên cứu, giải thích các thực thể đồng nhất về mặt tự nhiên hành xử tương tự nhau – cho đến khi chúng bắt đầu tương tác.

“Điều bất ngờ là khi các thực thể giống hệt nhau cùng tương tác, chúng thường có cách hành xử hoàn toàn khác biệt với nhau”, Motter, giáo sư vật lý của trường Nghệ thuật và Khoa học Weinberg (ĐH Northwestern), nói. “Chúng tôi đã tìm ra các kịch bản khác nhau, trong đó các thực thể đó hành xử tương tự nhau nếu như anh khiến chúng khác biệt một cách đúng lúc với nhau”.    

Khám phá này có thể giúp các nhà nghiên cứu tối ưu các hệ thống do con người tạo ra, như lưới điện, trong đó có nhiều phần phải được giữ trạng thái đồng bộ hóa trong khi tương tác với nhau. Nó có thể có tiềm năng cung cấp thông tin về cách các nhóm hợp tác, như các bồi thẩm đoàn, để họ có thể phối hợp với nhau để đạt được sự nhất trí trong kết luận.

Nghiên cứu này được xuất bản trên tạp chí Nature Physics. Motter là đồng tác giả của bài báo cùng với hai nhà nghiên cứu của Northwestern là Takashi Nishikawa và Ferenc Molnar, một cựu postdoct ở trường trước khi chuyển sang ĐH Notre Dame.

Công trình này đã mở rộng một nghiên cứu xuất bản năm 2016 của Nishikawa và Motter, trong đó dự đoán hiện tượng về mặt lý thuyết.

Các nhà nghiên cứu đã cho thấy cách ngỗng trời có thể phối hợp để tất cả cùng chuyển động thành bầy  hoặc hinh chữ V ngay cả khi từng con là khác biệt với nhau. Credit: Wendy Wei

“Thật thú vị khi điều các hệ cần là sự phi đối xứng để có được sự đối xứng trong hành xử”, Nishikawa, một giáo sư vật lý ở Weinberg, nói. “Nó thật đặc biệt về mặt toán học, không chỉ riêng về vật lý. Vì vậy nhiều đồng nghiệp của tôi từng cho rằng chứng minh được về thực nghiệm hiệu ứng này là điều không thể”.

Motter và cộng sự của ông đã tạo ra điều tưởng chừng không thể bằng việc sử dụng ba máy phát điện. Mỗi máy phát dao động tại một tần số 100 vòng mỗi giây một cách chính xác. Khi bị chia tách, các máy phát điện giống nhau hành xử tương tự nhau. Nhưng khi được kết nối để hình thành một khối tam giác, các tần số của chúng lại lệch nhau – nhưng chỉ cho đến lúc các máy phát điện không thể ghép với nhau để có những tiêu hao về năng lượng khác nhau. Tại điểm đó, chúng lại đồng bộ hóa một lần nữa.

“Có thể được hình dung ra điều này bằng việc đặt một cái đèn nhỏ giữa các cặp máy phát điện”, Molnar giải thích. “Khi các máy phát được đồng nhất, đèn sáng nhấp nháy, điều đó có nghĩa là các máy phát không đồng bộ. Nhưng khi sự tiêu hao năng lượng của các máy phát được điều chỉnh ở các mức độ khác nhau, hiện tượng nhấp nháy không còn nữa, nó chỉ dấu là máy phát điện áp đang dao động trong sự đồng bộ hóa”.

Các nhà nghiên cứu đặt cho hiện tượng này là “phá vỡ đối xứng đảo ngược” (converse symmetry breaking) bởi vì nó đại diện cho sự đối lập của hiện tượng phá vỡ đối xứng mà chúng ta đã biết trước đây, vốn đặt nền tảng cho siêu dẫn và thậm chí là sự xuất hiện của các sọc vằn của ngựa vằn.

Trong phá vỡ đối xứng, các phương trình động lực đều có một đối xứng không quan sát được hành xử của hệ, trong khi phá vỡ đối xứng đảo ngược liên quan đến các tình huống trong đó hành xử của hệ có đối xứng cho trước chỉ khi đối xứng đó bị ngăn trong các phương trình động lực.

“Điều này dường như là phản trực giác”, Motter nói. “Nhưng lý thuyết của chúng ta dự đoán đây là sự thật có trong nhiều hệ, không chỉ riêng hệ điện cơ” lập kế hoạch khám phá các gợi ý từ phát hiện của họ trong các hệ sinh học, xã hội và kỹ thuật. Ngoài ra, họ đang tiếp tục nghiên cứu về thiết kế một lưới điện thêm bền vững trong khi cho phép hợp nhất thành một phần năng lượng chung từ các nguồn tái tạo.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-01-physics-imperfections.html