Một thí nghiệm tưởng tượng đã 100 tuổi nay được chứng minh là có thể thực hiện được

Với việc xây dựng một cỗ máy sử dụng 2000 hạt bột khỏe làm quay một cánh quạt và thực hiện công, các nhà nghiên cứu ở Đại học Twente cuối cùng đã hiện thực hóa một thí nghiệm tưởng tượng gây tranh cãi lâu nay.

alt

Thiết bị sử dụng các hạt bột để thực hiện công, xác nhận một thí nghiệm tưởng tượng hồi năm 1912. Ảnh: Đại học Twente.

Một cỗ máy tương tự lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1912 bởi nhà vật lí người Ba Lan Marian Smoluchowski. Trong thí nghiệm tưởng tượng của mình, ông đề xuất rằng những hạt nhỏ xíu đang chuyển động có thể tạo ra đủ lực tác dụng để làm quay một cánh quạt loại cối xay gió. Một cơ chế khóa, thí dụ như một mấu cam, có thể ngăn cản chuyển động giật lùi, buộc cánh quạt chỉ chuyển động theo một hướng về phía trước.

Tuy nhiên, vài năm sau đó, nhà vật lí Richard Feynman cho rằng, trong thực tế, các hạt bột khỏe sẽ không có khả năng thực hiện công có ích. Feynman chỉ ra rằng, vì toàn bộ hệ hoạt động ở nhiệt độ bằng nhau, nên mấu cam thỉnh thoảng sẽ trượt khỏi cánh quạt. Hệ quả là hệ sẽ tạo ra chuyển động tổng hợp là zero.

Nay nhà vật lí Devaraj van der Meer ở trường Đại học Twente và các đồng nghiệp của ông vừa chứng minh được rằng một cỗ máy như vậy trên thực tế có thể làm quay các cánh quạt chỉ theo một chiều, tạo ra chuyển động tổng hợp dương. Các chi tiết nghiên cứu của họ sẽ được công bố trong số ra sắp tới của tạp chí Physical Review Letters.

Trông có chút gì đó giống như một máy xổ số tốc độ cao, hệ thống mới trên gồm một bệ lắc mạnh làm cho 2000 hạt bột thủy tinh nhỏ nảy ra xung quanh. Khi các hạt bột tiếp xúc với các chong chóng của một dụng cụ kiểu cối xay gió bên trong cỗ máy, thì các chong chóng chuyển động, làm xoay một cái thanh, thanh này làm quay một bộ cảm biến.

Thách thức chính là làm cho các chong chóng chỉ chuyển động theo một chiều. Các nhà khoa học đã làm được việc ấy với – có chút bất ngờ - keo dán ống nước. Với keo dán ống nước dán lên một mặt của mỗi chong chóng, thì các chong chóng quay chỉ theo một chiều. Vì các hạt bột mất nhiều năng lượng hơn khi chúng chạm trúng phía dán keo mềm so với phía không dán keo của các chong chóng, nên cỗ máy tạo ra một chuyển động toàn phần dương.

Van der Meer lưu ý rằng cỗ máy trên không đi đến vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, vì hệ thống rất không hiệu quả. Phần lớn năng lượng của các hạt bột bị tiêu tán thành nhiệt và âm.

Tuy nhiên, hệ thống trên có thể vẫn cung cấp cho các nhà khoa học cái nhìn sâu sắc về cơ học cổ điển. Chẳng hạn, hệ trên khai thác một tính chất gọi là tương tác ngược, sao cho không chỉ các hạt bột làm các chong chóng chuyển động, mà các chong chóng cũng làm các hạt bột chuyển động. Sau khi các chong chóng bắt đầu quay theo một chiều, các nhà nghiên cứu quan sát thấy một kiểu khuấy trộn mới ở các hạt bột.

Các nhà vật lí cho biết tương tác ngược này còn có thể xảy ra ở các “bánh cóc phân tử” nhỏ xíu, kể cả các phân tử trong cơ thể như ARN polymerase và protein kinesin. Ở những cấp độ nhỏ hơn nhiều, những phân tử này tự chuyển động trong cơ thể bằng cách lắp khít theo các rảnh bên trong các tế bào. Hệ thống vĩ mô xây dựng ở đây có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn các bánh cóc phân tử hoạt động như thế nào bởi nó cho phép các nhà nghiên cứu quan sát và điều khiển các tương tác ở quy mô lớn.