Từ trường giữ một vai trò quan trọng đối với mọi cấp độ từ thế giới hạ nguyên tử cho đến vũ trụ to lớn, từ các hạt đang quay tròn cho đến các đám thiên hà. Mặc dù các nhà khoa học đã biết cách tạo ra và thao tác với từ trường, đồng thời sử dụng chúng cho nhiều ứng dụng đa dạng từ máy vi tính cho đến thẻ tín dụng, tuy nhiên, họ vẫn không có một lí thuyết chung của cách thức từ trường phát sinh ban đầu trong các cấu hình thiên văn vật lí. Trong một nghiên cứu mới, hai nhà khoa học đã đề xuất một cơ chế phát sinh sơ cấp mới cho từ trường dựa trên các biến dạng không thời gian gây ra bởi thuyết tương đối đặc biệt.
Ảnh các vec-tơ (trái), trường xoáy được tạo ra (giữa) và độ lớn (phải) của bình phương độ xoáy của cơ chế mới cho nguồn gốc của từ trường. Ảnh: S. M. Mahajan, et al. © 2010 The American Physical Society.
Từ trường là những trường vô hình tác dụng một lực vec-tơ, đặc trưng bởi độ lớn và hướng, và do những vật từ tính hoặc điện trường biến thiên sinh ra. Khi mô tả bằng cơ sở động lực học lí tưởng, từ trường tương đương về mặt toán học và vật lí học với một xoáy, nghĩa là chúng có xu hướng quay tròn. Đây là cái khiến người ta khó xác định nguồn gốc của từ trường, vì nó có nghĩa là từ trường có tính xoáy, tức một loại “tích tô pô học”. Tuy nhiên, tính xoáy không thể biến thiên dưới tác dụng của một lực lí tưởng, ngăn không cho xuất hiện xoáy nào từ một giá trị zero ban đầu.
Để né tránh sự ràng buộc này, các nhà khoa học mới đây đã chuyển sang cơ sở động lực học phi lí tưởng. Các nhà nghiên cứu đã khảo sát các cơ chế phi tưởng khác nhau, từ cái gọi là hiệu ứng biểu đồ học cho đến các quá trình nảy sinh từ sự lạm phát, sự chuyển tiếp pha sắc động lực học lượng tử, và các hiệu ứng bức xạ. Tuy nhiên, trong khi những cơ chế này có khả năng giữ vai trò nào đó trong sự phát sinh từ trường ở một số cấp độ nào đó, thì không có hiệu ứng nào trong số này có thể được xem là cơ chế phổ biến hoạt động ở mọi cấp độ.
Trong nghiên cứu mới của họ, Swadesh Mahajan thuộc trường Đại học Texas ở Austin và Zensho Yoshida thuộc trường Đại học Tokyo đã đề xuất một cái hoàn toàn khác. Vì mọi cơ chế phi lí tưởng là quá yếu và không đủ bao quát để giải thích nguồn gốc của từ trường, nên họ quyết định xét lại cơ sở động lực học lí tưởng đó. Họ nhận thấy các từ trường/trường xoáy có thể phát sinh trong những cơ sở động lực học hết sức lí tưởng, miễn là cơ sở động lực học đó còn nằm trong một không thời gian xoắn mô tả bởi thuyết tương đối đặc biệt. Cơ chế của họ có thể gieo mầm một từ trường, trường này sau đó có thể khuếch đại lên bởi cơ chế dynamo để tạo ra những từ trường lớn hơn.
Như các nhà vật lí trên chứng minh, các hiệu ứng thuyết tương đối đặc biệt có thể phá hủy các ràng buộc tô pô học nếu không sẽ ngắn cấm sự tạo ra từ trường. Cơ bản mà nói, sự biến dạng tương đối tính của không thời gian có thể làm biến đổi phương thức các trường dòng không đều tương tác với entropy không đều. Mặc dù những cơ chế khác có thể vẫn giữ vai trò nào đó trong việc tạo ra từ trường, nhưng yếu tố tương đối tính mới trên xuất hiện như một cơ chế nguồn gốc phổ quát lí tưởng cho việc gieo mầm từ trường. Cơ chế mới trên đặc biệt át trội đối với các dòng chảy tương đối tính cao, thí dụ như các dòng plasma vũ trụ hạt-phản hạt, nên yếu tố tương đối tính trên có thể dễ dàng vượt qua sự tắt dần và vẫn át trội cho đến khi từ trường đạt tới các giá trị trong ngưỡng chừng 1 gauss, khoảng bằng hai lần giá trị từ trường của Trái đất.
“Để tạo ra từ trường (một trường xoáy) từ một trạng thái không có từ trường, chúng ta phải phá vỡ bất biến tô pô học”, Mahajan nói. “Để cho điều đó xảy ra, lực hiệu dụng phải có tính chất sao cho nó không thể biểu diễn dưới dạng một gradient hoàn hảo. Ngành biểu đồ học có thể làm được yêu cầu đó, và thuyết tương đối đặc biệt thực hiện yêu cầu đó (trong cơ sở động lực học lí tưởng) đơn giản bằng cách đòi hỏi các phương trình của chuyển động là bất biến Lorentz”.
Việc phát hiện thuyết tương đối đặc biệt có thể mang lại một cơ chế phát sinh xoáy phổ quát lí tưởng có thể giúp các nhà khoa học tìm hiểu nguồn gốc của các từ trường lớn trong ngành thiên văn vật lí. Là một trong những bài toán thách thức nhất chưa có lời giải trong ngành vật lí lí thuyết, việc tìm ra một nguồn gốc chung của từ trường còn có thể làm sáng tỏ các tính chất của những hệ vật lí lớn, và có lẽ còn làm sáng tỏ các cơ sở hình học không thời gian tiên tiến.
“Từ trường được tìm thấy ở mọi cấp độ vũ trụ và thiên văn vật lí”, Mahajan nói. “Đa phần trong số chúng, có lẽ, là những trường tàn dư sinh ra vào thời khắc nào đó trong sự phát triển của vũ trụ. Các từ trường đó có thể giữ một vai trò rất cơ bản trong sự hình thành cấu trúc vũ trụ. Trừ khi người ta tách biệt rõ làm thế nào ở ở đâu, và có lẽ khi nào, chúng được tạo ra, thật khó mà dệt nên một câu chuyện vũ trụ làm thỏa mãn mọi người. Việc tháo gỡ câu chuyện nguồn gốc này là một bài toán lớn. Sự phát sinh từ trường trong các hệ thống phòng lab, đặc biệt trong các hệ tương đối tính cao, một lần nữa là một yếu tố quyết định cơ bản của sự phát triển sau đó của những hệ như vậy và cần phải được hiểu rõ. Chúng tôi vẫn chưa đạt tới đâu đó gần điểm sáng tỏ, nhưng chúng tôi hi vọng chúng tôi có thể tiến thêm một bước quan trọng hướng đến việc mang lại một câu chuyện hồi kết; công việc đó đòi hỏi rất nhiều nỗ lực điện toán và mô phỏng để phát triển câu chuyện [đi thêm những chặng đường dài]”.
Nguồn: PhysOrg.com
