Khi định luật III Newton bị vi phạm

Cho dù bạn biết tên gọi của nó hay không, nhưng mọi người chúng ta đều quen thuộc với định luật III Newton – định luật phát biểu rằng với mỗi tác dụng luôn có một phản tác dụng bằng về độ lớn và ngược chiều. Bạn có thể nhìn thấy quan điểm này trong nhiều tình huống hằng ngày, ví dụ khi đi bộ, bàn chân của người đạp xuống mặt đất, và mặt đất đẩy lại một lực bằng về độ lớn và ngược chiều. Định luật III Newton còn thiết yếu cho việc tìm hiểu và phát triển xe hơi, máy bay, tên lửa, tàu thuyền, và nhiều công nghệ khác.

Mặc dù là một trong những định luật cơ bản của vật lí học, nhưng định luật III Newton có thể bị vi phạm trong những tình huống phi cân bằng nhất định. Khi hai vật hay hai hạt vi phạm định luật III, người ta nói chúng có tương tác phi tương hỗ. Các vi phạm có thể xảy ra khi môi trường tham gia vào tương tác giữa hai hạt theo một cách nào đó, ví dụ khi môi trường chuyển động so với hai hạt. (Tất nhiên, định luật III Newton vẫn đúng cho hệ “hạt-cộng-với-môi-trường” hoàn chỉnh.)

Trong các thí nghiệm mới, hai lớp vi hạt lơ lửng ở độ cao khác nhau phía trên một điện cực đã cho phép các nhà nghiên cứu khảo sát cơ học thống kê của các tương tác phi tương hỗ vi phạm định luật III Newton. Ảnh: A. V. Ivlev, et al. CC-BY-3.0

Mặc dù đã có vô số thí nghiệm trên các hạt với tương tác phi tương hỗ, nhưng người ta chẳng biết gì nhiều về cái đang xảy ra ở mức vi mô – cơ học thống kê – của những hệ này.

Trong một bài báo mới công bố trên tạp chí Physical Review X, Alexei Ivlev, cùng các cộng sự, đã khảo sát cơ học thống kê của những loại tương tác phi tương hỗ khác nhau và phát hiện một số kết quả bất ngờ - chẳng hạn các gradient nhiệt độ cực độ có thể phát sinh ở cấp độ hạt.

“Tôi nghĩ ý nghĩa to lớn nhất của công trình của chúng tôi là chúng tôi đã chứng minh chặt chẽ rằng những họ nhất định của những hệ về căn bản không cân bằng có thể được mô tả chính xác theo cơ học thống kê cân bằng (tức là người ta có thể suy ra một giả-Hamiltonian mô tả những hệ như thế),” phát biểu của Ivlev tại Viện Max Planck Vật lí Ngoài địa cầu ở Garching, Đức. “Một trong những hàm ý hấp dẫn nhất là, chẳng hạn, người ta có thể quan sát một hỗn hợp gồm hai chất lỏng cân bằng, nhưng mỗi chất lỏng có nhiệt độ riêng của nó.”

Một ví dụ của một hệ tương tác phi tương hỗ mà các nhà nghiên cứu đã chứng minh bằng thí nghiệm trong nghiên cứu của họ là các vi hạt tích điện lơ lửng phía trên một điện cực trong một buồng plasma. Sự vi phạm định luật III Newton phát sinh từ thực tế hệ gồm hai loại vi hạt lơ lửng ở độ cao khác nhau do kích cỡ và tỉ trọng khác nhau của chúng. Điện trường trong buồng lái một dòng plasma thẳng đứng, giống như một dòng chảy trên sông, và mỗi vi hạt tích điện tập trung các ion plasma đang chảy xuôi dòng, tạo ra một lằn plasma thẳng đứng phía sau nó.

Mặc dù lực đẩy xảy ra do các tương tác trực tiếp giữa hai lớp hạt là tương hỗ, nhưng các lực hút lằn-hạt giữa hai lớp thì không. Đây là do các lực lằn giảm theo khoảng cách đến điện cực, và các lớp đang lơ lửng ở độ cao khác nhau. Kết quả là lớp hạt ở dưới tác dụng một lực toàn phần lên lớp trên lớn hơn lực mà lớp trên tác dụng lên lớp hạt ở dưới. Vì thế, lớp trên có động năng trung bình lớn hơn (và do đó có nhiệt độ cao hơn) lớp ở dưới. Bằng cách điều chỉnh điện trường, các nhà nghiên cứu còn có thể làm tăng hiệu độ cao giữa hai lớp, từ đó làm tăng thêm hiệu nhiệt độ.

“Bình thường, tôi hơi bảo thủ một chút khi nghĩ về loại tiềm năng ‘trước mắt’ mà một khám phá nhất định (chí ít trong vật lí học) có thể có,” Ivlev nói. “Tuy nhiên, cái tôi khá chắc chắn là các kết quả của chúng tôi mang lại một bước quan trọng hướng đến hiểu rõ hơn những loại hệ phi cân bằng nhất định. Có vô số ví dụ của những hệ phi cân bằng rất khác nhau trong đó đối xứng tác dụng-phản tác dụng bị phá vỡ trong các tương tác liên hạt, nhưng chúng tôi chứng minh rằng, tuy vậy, người ta có thể tìm thấy một đối xứng căn bản cho phép chúng ta mô tả những hệ như vậy theo cơ học thống kê (cân bằng) trong sách vở.”

Trong khi thí nghiệm plasma trên là một ví dụ của sự đối xứng tác dụng-phản tác dụng bị phá vỡ trong một hệ 2D, thì đối xứng này cũng có thể xảy ra trong những hệ 3D. Các nhà khoa học trông đợi cả hai loại hệ biểu hiện hành trạng khác lạ và nổi bật, và họ hi vọng nghiên cứu kĩ hơn những hệ này trong tương lai.

“Nghiên cứu hiện nay của chúng tôi tập trung vào vài chủ đề theo chiều hướng này,” Ivlev nói. “Một là hiệu ứng phá vỡ đối xứng tác dụng-phản tác dụng ở các thể vẩn chất keo, trong đó các tương tác phi tương hỗ dẫn tới nhiều hiện tượng tự tổ chức đa dạng (co cụm động, hình thành vân, phân tách pha,...). Các kết quả của nghiên cứu này có thể đưa đến một vài ứng dụng hấp dẫn. Một chủ đề khác thì thuần túy căn bản: làm thế nào người ta có thể mô tả một họ rộng hơn nhiều của những hệ phi tương hỗ ‘gần Hamiltonian’, những hệ có tương tác hầu như khớp với các tương tác được mô tả bởi một giả-Hamiltonina? Hi vọng rằng chúng tôi có thể báo cáo những kết quả này trong thời gian sớm nhất.”

Tham khảo: A. V. Ivlev, et al. "Statistical Mechanics where Newton's Third Law is Broken." Physical Review X. DOI: 10.1103/PhysRevX.5.011035

Nguồn: PhysOrg.com