Nói tới con vật biểu trưng của ngành vật lí, có lẽ nhiều người sẽ nghĩ tới bé kitty tội nghiệp của nhà bác Schrodinger mà số phận lượng tử cho đến nay sống hay chết còn chưa rõ. Các nhà vật lí đã có nhiều sẽ không bao giờ chết.
Một thế kỉ rưỡi trước khi con mèo Schrodinger chào đời, có một con vật khác cũng đã chễm chệ đặt chân vào lịch sử vật lí. Vâng, đặt chân vào, cả nghĩa đen lẫn nghĩa ẩn dụ. Tên khoa học của nó Anura, hay Bộ không đuôi, còn tên ‘cúng cơm’ thường gọi hàng ngày là Ếch. Ếch là một bộ động vật thuộc lớp lưỡng cư, gồm hơn 5000 loài, với kích cỡ, màu sắc, và hình dáng hết sức đa dạng.
Ếch và điện sinh vật
Vào khoảng năm 1771, một giáo sư phẫu thuật người Italy tên là Luigi Galvani (1737 – 1798) đang làm thí nghiệm với những cái chân ếch cắt ra (đồng thời với tử thi người) thì tình cờ ông chú ý thấy một đầu que kim loại khi chạm vào cơ chân của ếch cắt ra làm cho chân ếch co giật. Sau khi loại trừ linh cảm ban đầu của ông rằng hành trạng này là do thời tiết, Galvani xem nó là một bằng chứng của một loại “chất lỏng” điện riêng biệt bẩm sinh ở động vật.
Năm 1791, vị giáo sư nối tiếng ở trường Đại học Bologna khi ấy đã báo cáo những quan sát của ông thực hiện trong tiến trình nhiều năm trời về tác dụng của đầu nhọn kim loại lên cơ chân của con ếch cắt ra trong bài báo De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius (“Bàn về tác dụng của Điện lên chuyển động cơ”). Ông đã gán cho sự co giật cơ mà ông nhìn thấy là một lực bẩm sinh ông đặt tên là điện sinh vật.
Điện sinh vật ư?
Tất nhiên Galvani đã sai lầm. Chân ếch không tạo ra điện, mà dẫn nó giữa một loại kim loại mà chân đó tiếp xúc với loại kim loại kia ở đầu que nhọn. Nhưng sai lầm của ông rất có lợi, vì nó đưa đến khám phá rằng các dây thần kinh mang xung điện và khai sinh ra lĩnh vực điện hóa học. Nó cũng đã kích động Alessandro Volta, một người đồng hữu người Italy bị thuyết phục rằng Galvani không đúng.
Vào năm 1796, khi thực hiện các thí nghiệm với các miếng kim loại đặt trong miệng của ông, Alessandro Volta nhận thấy ông có thể tạo ra dòng điện trong sự vắng mặt của mô động vật bằng cách sử dụng một miếng bìa cứng tẩm nước muối thay cho lưỡi của ông. Vì vậy, ông suy ra rằng hiệu ứng đó được kích thích bởi sự tiếp xúc hai kim loại khác nhau với một vật ẩm. Và thế là cột Volta ra đời.
Như vậy, pin hóa học đã ra đời từ sự kiện cái chân ếch bị điện giật trên bàn mỗ của bác sĩ Galvani.
Giải Ig Nobel cho con ếch bay
Năm 1997, con ếch lại có mặt trên báo giới chính thống của ngành vật lí. "Of Flying Frogs and Levitrons" của M.V. Berry và A.K. Geim đăng trên tập san European Journal of Physics, số 18, trang 307-313. Trong bài báo đó, cặp đôi tác giả mô tả việc sử dụng nam châm để nâng một con ếch lơ lửng (xem video tại Youtube). Công trình này mang về cho cặp đôi tác giả giải Ig Nobel Vật lí năm 2000.
A.K. Geim là một trong hai cha đẻ của chất liệu thần kì Ig Nobel là sáng kiến của trường ĐH Harvard ở Mĩ dành trao cho những nghiên cứu khiến bạn phải phì cười, nhưng sau đó thì bạn phải suy nghĩ.
Thí nghiệm con ếch bay (xem video tại Youtube)
Theo Michael Berry ở trường ĐH Bristol, Anh quốc, thì con ếch bay là thí nghiệm của Andrey Geim. Ông được nghe mọi người kể về nó sau một buổi giảng về cơ sở vật lí của levitron – một món đồ chơi trong đó một con quay từ hóa được nâng lơ lửng phía trên một mặt đế từ hóa. Món đồ chơi đó do Roy Harrigan và William Hones phát minh ra. Có vẻ như con ếch bay và con quay lơ lửng phải phụ thuộc vào những nguyên lí vật lí giống nhau, nên Berry đã đến gặp Andrey (khi ấy làm việc ở trường ĐH Nijmegen, Hà Lan). Sau đó họ đã hợp tác với nhau, mở rộng thí nghiệm con ếch bay với cách lí giải levitron mà Berry đã tìm thấy trước đó.
Thật bất ngờ khi thấy con ếch lơ lửng trong không trung, bất chấp cả trọng lực. Nó được nâng lên bởi lực từ. Lực từ được tác dụng bởi một nam châm điện (một cuộn dây trong đó có dòng điện chạy qua). Bình thường, con ếch không có từ tính, nhưng khi đặt nó trong từ trường của nam châm điện thì nó cũng trở thành một nam châm yếu – đây là hiện tượng trong vật lí gọi là “sự nghịch từ cảm ứng”. Lực từ đẩy con ếch lên. Vì lực từ cân bằng với trọng lực của con ếch nên nó ở trạng thái cân bằng và có thể lơ lửng trong không trung.
Theo Andrey Geim, lực nâng nghịch từ vốn rất yếu nên hàng ngày chúng ta chẳng ai quan tâm. Chuyện lực từ cân bằng với trọng lực phải thấy mới tin được. Ông không chỉ làm thí nghiệm với con ếch mà còn biểu diễn với những vật khác nữa. Ban đầu chỉ có đồng nghiệp và học trò đến xem cho vui, sau đó thì quan khách các nơi cũng tò mò kéo đến xem.
Berry và Geim không phải là những người đầu tiên khám phá ra lực nâng nghịch từ. Vào năm 1991, hai nhà vật lí người Pháp ở Grenoble (Eric Beaugnon và Robert Tournier) đã công bố một bài báo trên tạp chí Nature nói về lực nâng nghịch từ của một vài chất hữu cơ và graphite. Thật ra mà nói thì khám phá của hai nhà khoa học người Pháp đó là một khám phá lại. Vào năm 1939, Werner Braunbeck đã cho nâng những hạt nhỏ bismuth và graphite rồi (những chất liệu này biểu hiện sự nghịch từ mạnh).
Khi lần đầu tiên xem ảnh hoặc video thí nghiệm con ếch bay, nhiều người nghĩ rằng chúng là trò đùa vui. Chẳng hạn, khi bức ảnh chụp đầu tiên của thí nghiệm con ếch bay xuất hiện trên số tháng 4 của tạp chí Physics World vào năm 1997, nhiều đồng nghiệp đã chúc mừng Berry và Geim vì đã có một trò đùa Cá tháng 4 quá hoàn mĩ. Tuy nhiên, ảnh chụp và phim quay của thí nghiệm con ếch bay đã dần dần giúp phổ biến kiến thức về lực nâng nghịch từ cho đông đảo công chúng. Đây chính là xu hướng nghiên cứu mà nhiều nhà khoa học và kĩ thuật đang theo đuổi với giấc mơ về những đoàn tàu siêu tốc “bay” trên những đường ray siêu dẫn.
Theo Andrey Geim và Michael Berry, họ vui vẻ tự bỏ tiền túi đến Harvard nhận giải Ig vì họ luôn xem đó là một bổn phận phải làm để khiến vật lí học trở nên dễ hiểu hơn và mang nó đến gần hơn với dân không chuyên.
Dùng tế bào mắt ếch đếm từng photon
Con ếch xuất hiện mới đây nhất trong báo giới vật lí 2012 là trong công trình của Leonid Krivitsky và các đồng sự tại Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu ở Singapore (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i11/e113601). Lần này là tập trung vào những tế bào hình que lấy từ mắt của con Ếch Chân vuốt châu Phi (Xenopus laevis), một loài đã được nghiên cứu nhiều bởi các nhà sinh học.
Mắt người và những sinh vật sống khác là những máy dò ánh sáng cực nhạy và linh hoạt, chúng thường có thể hoạt động hiệu quả hơn các dụng cụ nhân tạo. Thật vậy, một tế bào cảm quang hình que trong võng mạc người sẽ chỉ phản ứng với một photon – công việc chỉ có những máy dò nhân tạo nhạy nhất mới có khả năng thực hiện.
Nghiên cứu mắt không những biết được cách chế tạo những máy dò ánh sáng tốt hơn, mà việc hiểu rõ hơn chức năng của nó có thể đưa đến sự phát triển của các dụng cụ “sinh lượng tử” (bioquantum) kết hợp với bộ phận sinh học và bộ phận nhân tạo để nghiên cứu các phương diện của quang học lượng tử ví dụ như ánh sáng “nén”.
Ếch chân vuốt châu Phi.
Mỗi tế bào hình que có một đoạn ngoài chứa quang sắc tố rhodopsin – một chất bị biến đổi hóa học khi phơi sáng. Khi ở trong tối, một dòng không đổi gồm những ion natrium, kalium và calcium chảy vào và chảy ra khỏi tế bào đó. Tuy nhiên, khi một photon đi tới rhodopsin, nó kích hoạt một chuỗi phản ứng hóa học làm tắt nghẽn một số kênh truyền ion. Kết quả là gây ra sự phân cực điện của tế bào, mang lại một tín hiệu điện được hệ thần kinh thu nhận và phản hồi lên não.
Với tế bào hình que của mắt ếch dài khoảng 50 μm và có đường kính khoảng 5 μm, đội của L. Krivitsky chứng minh rằng mỗi photon trong xung laser trong thí nghiệm của họ tương tác với chỉ một phân tử rhodopsin. Như vậy, người ta có thể chế tạo những máy dò quang có khả năng phát hiện từng photon đến.
Để loại máy dò này hoạt động, có lẽ loài người chúng ta cần có sự hi sinh của những chú ếch chân vuốt châu Phi. Liệu rằng các chú ếch có sẵn lòng hi sinh vì khoa học của con người không nhỉ?!
Dẫu sao thì lịch sử khoa học của loài người cũng đã ghi nợ với loài ếch rồi. Ộp ộp!
Trần Nghiêm (thuvienvatly.com)
