Tiếng ca phiền muộn của những cồn cát ( Matthew Chalmers Matthew ) pdf

© hiepkhachquay – Trang 1 Tiếng ca phiền muộn của những cồn cát Matthew Chalmers Matthew Chalmers trình bày về cuộc tranh luận dữ đội đằng sau những nỗ lực nhằm giải thích bí ẩn của “giọng ca” của những cồn cát, câu chuyện mang lại một cái nhìn thâm thúy hiếm có về cách thức vật lí học được thực hiện. Làm khoa học trong sa mạc thật khó, cả vào những thời gian tốt nhất. Dù là nghiên cứu quần thực vật hay quần động vật kì lạ của nó, hay đánh hơi các giếng dầu bằng các bộ cảm biến phức tạp, thì các nhà nghiên cứu phải chịu đựng cái nóng và lạnh cực độ, ấy là chưa kể bụi bặm nghẹt thở và bão cát. Nhưng đối với các nhà vật lí đang cố gắng đi tìm lời giải cho một trong những bí ấn lâu đời nhất của sa mạc – hiện tượng kì quái về “tiếng hát” của cồn cát – thì bầu nhiệt độ đang ấm dần vì những lí do khác nhau đến một lượt với nhau. Thật vậy, sự bất đồng giữa hai nhà nghiên cứu người Pháp về cơ chế gây ra hiệu ứng âm thanh quái dị này quá gay gắt, nên họ không còn làm việc chung với nhau trong một cơ quan nữa. Cắm một cặp headphone vào máy vi tính để nghe một số bản ghi và phim quay của chúng từ Sahara, thật dễ dàng thấy được cái mà mọi sự om sòm đang bàn tới. Tiếng o o thấp tần tạo ra bởi cồn cát khi cát chảy như thác từ trên mặt của nó xuống thật tuyệt vời làm người ta mất hết nhuệ khí. Chẳng lạ gì mà Marco Polo, một trong những người đầu tiên ghi lại hiện tượng đó khoảng chừng 700 năm về trước, đã bị quy cho là có tinh thần xấu xa. Tuy nhiên, một vị khách du lịch thời hiện đại lại có khả năng nhầm bài ca cồn cát là tiếng máy bay đang bay thấp. Đối với các nhà vật lí, thách thức của việc giải thích làm thế nào âm thanh khác thường – và rất inh ỏi – như thế được tạo ra bởi một đống cát đơn giản thật quá cuốn hút khó mà cưỡng lại. Đặc biệt, tiếng ca cồn cát mang lại cơ hội khám phá một cách thức hoàn toàn mới phát ra âm thanh khác với cơ chế mà đa số các thiết bị âm nhạc hoạt động dựa trên đó. Nhưng trong sự phát sinh thách thức này, hai nhà vật lí và là đồng nghiệp cũ ở Paris đã tranh cãi khốc liệt, trong một tình tiết bộc lộ quá trình rất mang tính con người của sự phát triển các lí thuyết khoa học. Một câu chuyện khoa học thường có hai mặt. © hiepkhachquay – Trang 2 Trên đồng cát Cồn cát là những đồi cát tạo ra bởi hoạt động của gió. Lên tới hàng trăm mét chiều cao và tồn tại ở một số hình dạng khác nhau, cồn cát biểu hiện hành trạng động học phức tạp làm cho các nhà khoa học trái đất bận rộn trong hàng thập kỉ. Nhưng bất chấp bộ phận nghiên cứu tập quán sa mạc đã tồn tại hàng trăm năm, tiếng hát hay “giọng trầm” cồn cát vẫn là một bí ẩn. Tiếng ca cồn cát có thể nghe ở hơn 30 nơi trên khắp thế giới, mỗi nơi có tần số hay nốt đặc trưng riêng của nó. Người ta đã biết từ lâu rằng những âm thanh đó – có thể tồn tại lên tới vài ba phút và có thể nghe từ xa hơn một kilomet – phát ra từ cát tích lũy ở phần trên cồn và tự phát lở xuống bề mặt cồn. Khó khăn là việc giải thích chính xác làm thế nào quá trình này có thể phát ra một nốt đơn điệu, mạnh mẽ như thế. Cuộc tranh luận hiện nay xung quanh cơ chế này có thể truy ngược trở lại vào năm 2000, khi Stéphane Douady, lúc ấy ở phòng thí nghiệm vật lí thông kê tại Ecole Normale Supérieure (ENS) ở Paris, nghe các nhà địa chất bàn về nghiên cứu của ông về hình dạng và chuyển động của những đụn cát. Sau khi đến thăm một số cồn cát ở Mĩ, Douady đã được đảm bảo tài trợ cho nghiên cứu về vấn đề đó cùng với cựu nghiên cứu sinh tiến sĩ của ông, Bruno Andreotti, và đôi nghiên cứu gia nhập thêm chàng tiến sĩ mới Pascal Hersen. Đầu năm 2001, nhóm nghiên cứu bắt đầu lên đường khảo sát nền vật lí của những đụn cát hình trăng lưỡi liềm gọi tên là Morocco. Nhưng trong khi đi bộ dọc theo những đụn cát một ngày trời, các nhà nghiên cứu bất ngờ bắt gặp những loạt cát lở dồn dập đi cùng với những tiếng bùm lớn. Đã từng đọc về hiện tượng này trên tở Scientific American một vài năm trước đó, Douady lập tức biết rõ cái ông đang nghe. Ngoài ra, dựa trên nghiên cứu của ông trải nghiệm với những đợt tuyết lở, ông đã đi đến cách giải thích của riêng ông cho hiệu ứng đó dựa trên chuyển động “trượt-dính” của các hạt cát chuyển động xuống bờ dốc như một khối vật đơn lẻ. Tuy nhiên, đối mặt với cảnh tượng và âm thanh không thể chối cãi của những hạt cát chảy tự do xuống cồn, ông đã nhận ra có nhiều hơn hiện tượng mà ông ban đầu đã nghĩ. “Thật là hứng thú phải đi đến với một cách giải thích mới”, Douady nhớ lại. “Bruno, Pascal và tôi đã chơi trên những đụn cát suốt buổi chiều, tạo ra âm thanh và cố tìm nguyên do cho sự hình thành của nó”. Cái thứ nhất đội nghiên cứu phát hiện ra là những đợt cát lở phát sinh bằng tay phát ra âm thanh giống hệt như âm thanh xảy ra tự nhiên, loại trừ vai trò của gió. Tương tự, các nhà nghiên cứu nhận thấy âm thanh không được tạo ra bởi toàn bộ đụn cát cộng hưởng – tức là theo kiểu giống như các thiết bị âm nhạc tạo ra âm thanh – vì tần số của nó là giống nhau (khoảng 100 Hz) đối với những đụn cát kích cỡ khác nhau. Thật vậy, Douady nhận thấy ông © hiepkhachquay – Trang 3 có thể tạo ra âm thanh đơn giản bằng cách làm di chuyển các cột cát với bàn tay trần của ông. Những quan sát này hướng tới kết luận giống nhau: tiếng hát của những cồn cát được tạo ra bởi chuyển động của chính các hạt cát, và không phải bởi những đặc điểm chung của cồn cát. Theo chiều kim đồng hồ từ hình trên cùng bên trái: Nhóm ENS trước khi trục trặc phát sinh, trong hình là Bruno Andreotti (người thứ hai từ trái sang), Stéphane Douady (ở giữa) và Pascal Hersen (bên phải). Ảnh: Phillipe Claudin. Douady trên đồng cát hồi năm ngoái. Ảnh: Hubert Raguet/CNRS. Ảnh cận cảnh của những hạt cát Moroccan và việc đo giới hạn ngưỡng cho cồn cát hát ca. Ảnh: Stéphane Douady. Andreotti tạo ra tiếng bùm bằng cách trượt xuống bề mặt cồn cát và giai điệu cồn cát trong phòng thí nghiệm, phát sinh bằng cách đẩy một cánh chong chóng qua một số hạt cát đang ca hát. Ảnh: Phillipe Claudin. Bí ẩn thêm sâu sắc Sau bảy ngày dài ở trong sa mạc, đội nghiên cứu quay về khách sạn Moroccan của mình, ở đó Andreotti đã tranh luận về một lời giải thích cặn kẽ hơn cho cách thức chuyển © hiepkhachquay – Trang 4 động của các hạt cát có thể tạo ra âm thanh. Dựa trên công trình có phần sớm hơn do ông và Douady đã thực hiện trên những trận lở dạng hạt, ông cho rằng tần số của âm thanh tạo ra sẽ tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của đường kính hạt. Nhưng khi ông đưa vào trong số liệu, ông nhận thấy những cồn cát mà đội đã nghiên cứu dường như không tuân theo mô hình đơn giản này. Andreotti và Douady không phải là những nhà nghiên cứu duy nhất cố gắng làm sáng tỏ tiếng hát của những đụn cát. Ảnh: Stéphane Douady. Vấn đề trở nên phức tạp hơn khi các nhà nghiên cứu trở lại Paris. Hersen rà soát các tác phẩm khoa học và tìm thấy khoảng 10 bài báo nói về sự phát ra âm thanh của những cồn cát. Nhưng cho dù một số bài báo cũng tiên đoán rằng âm thanh phát sinh từ chuyển động tương đối của các hạt cát, không có ai đưa ra được một lời giải thích có sức thuyết phục điều này xảy ra như thế nào. Cho nên, chừng nào các nhà nghiên cứu tìm được thời gian trong những tháng sau đó – nói cho cùng thì hoạt động nghiên cứu chính của họ liên quan tới hình dạng của những đụn cát, chứ không phải tính chất âm học của chúng – họ sẽ nghiên cứu lời giải thích riêng của họ cho tiếng ca của những cồn cát. Điều đầu tiên đội nghiên cứu kết luận dứt khoát là tần số của âm thanh tạo ra bằng với tần số của tốc độ va chạm của các hạt trong lớp cát “trượt” chuyển động xuống bề mặt đụn. Sau đó, nhớ lại một đoạn phim do một đồng nghiệp thực hiện cho thấy những hạt bột nhôm chuyển đổi tập thể từ kiểu sắp xếp lục giác sang hình vuông khi chúng chảy xuống một cái rảnh, Douady nhận ra rằng một số hạt phải trở nên đồng bộ hóa để phát ra âm thanh. Tiếng ca cồn cát, ông nghĩ, là kết quả của không khí bị đẩy vào và đẩy ra giữa các hạt đã đồng bộ hóa. Andreotti đồng ý rằng sự đồng bộ của những hạt cát là nguyên nhân cho tiếng hát của cồn cát. Nhưng thay vì là kết quả của không khí bị nén, ông giải thích rằng âm thanh đó là do dao động của bề mặt bị lở - thực sự hướng nó vào màng của một loa phóng thanh mạnh. Cuối cùng, Douady chấp nhận rằng đây là lời giải thích tốt hơn của nguồn gốc âm thanh – tiếng ầm ĩ đó ông đã từng hứng chịu khi chôn tai ông vào mặt đụn cát trong một trận lở. Tuy nhiên, trong khi những thảo luận về cơ chế thật sự làm cho các hạt đồng bộ hóa, các quan điểm khoa học bắt đầu rời xa nhau. © hiepkhachquay – Trang 5 Quan điểm của Douady được hồi sinh bởi một quan sát khác thực hiện trong thời gian ở Morocco: âm thanh chỉ được tạo ra khi những lớp cát ở trên một bề dày nhất định trượt lên nhau. Điều này, ông lí giải, nghĩa là âm thanh đó phải phát sinh từ sự cộng hưởng bên trong chính lớp trượt, nhờ đó các hạt va lên nhau ở tần số bằng nhau và hình thành những sóng đứng, thành ra, làm đồng bộ hóa các hạt. Andreotti đã làm xoay chuyển lập luận lôgic này đi, ông cho rằng va chạm giữa các hạt kích thích các sóng bên ngoài lớp trượt trên bề mặt đụn khi đó đồng bộ hóa các va chạm thông qua một cơ chế gọi là chốt hạt-sóng. “Vấn đề với cơ chế của Stéphane”, Andreotti giải thích, “là nó yêu cầu sự tồn tại của một số dạng sóng đôi truyền đi ở tốc độ dưới 1 ms -1 , nghĩa là nhỏ hơn 40 hay 50 lần tốc độ đo được của sóng đàn hồi trong những cồn cát”. Douady nói rằng mặc dù cho đến lúc này chưa rõ ràng tại sao các sóng truyền đi trong lớp trượt chậm hơn nhiều so với khi chúng truyền đi trong phần còn lại của đụn, nhưng ông có “những khó khăn tương tự” trong việc tìm hiểu cách thức các va chạm hạt ngẫu nhiên trong cơ chế hạt-sóng của Andreotti có thể kích thích một sóng kết hợp trong đụn ở nơi đầu tiên. Nhận thấy họ đã đặt ra những câu hỏi nghiên cứu khác nhau, Douady và Andreotti bắt đầu nghiên cứu vấn đề đó một cách độc lập. Không đồng bộ Mùa xuân năm 2002, Douady có một bài thuyết trình ngắn về cơ chế đồng bộ của ông tại một hội nghị về vật lí thống kê ở Paris. Việc này đưa đến một bài báo trên tập san của Ủy hội nghiên cứu quốc gia Pháp (CNRS), Douady đã tỏ ra nổi bật khi cung cấp một CD bản ghi tiếng ca sa mạc. Bài báo này được tiếp nhận và làm phát sinh nhiều tin tức của giới truyền thông. Nhưng Andreotti đã bày tỏ mối quan tâm về việc công bố những lời giải thích về nguồn gốc của tiếng hát trước khi chúng xuất hiện trong một bài báo đánh giá ngang hàng. Suốt năm tiếp theo đó, các nhà nghiên cứu người Pháp đã tiến hành những chuyến đi thực địa riêng của họ: Douady với Hersen, người chắc chắn đã bị lôi kéo vào trận chiến, và Andreotti thì đi với chàng nghiên cứu sinh người Maroc Hicham Elbelrhiti. Cả hai nhóm đều thiết tha thu thập thật nhiều dữ liệu như họ có thể về tốc độ và âm lượng của những trận lở phát ra âm thanh để họ có thể phát triển giả thuyết của mình về sự đồng bộ hóa hạt. Andreotti, chẳng hạn, đã đạt tới một sự hiểu biết thích đáng về tầm quan trọng của các mode đàn hồi bề mặt trong sự truyền sóng âm, còn Douady đã đến thăm các đụn cát ở những nơi khác khắp thế giới và bắt đầu nhận ra rằng kích cỡ của các hạt rốt cuộc thật sự giữ vai trò quan trọng với các đặc trưng bề mặt của chúng. Douady cũng hăng hái tái tạo tiếng ca cồn cát trong phòng thí nghiệm của ông. Cho nên, nhớ cách ông đã từng tạo ra âm thanh với tay của mình trong chuyến du khảo đầu tiên © hiepkhachquay – Trang 6 của ông, ông đã phát triển một thí nghiệm “lưỡi chuyển động” trong đó thể tích cát đã biết có thể chuyển động ở tốc độ khác nhau theo một cách điều khiển được. Có thể tạo ra bất kì nốt nào mong muốn trong toàn bộ bát độ, thí nghiệm này chứng minh rằng tiếng hát của những cồn cát được tạo ra bởi chuyển động tương đối của các hạt và rằng trong thực tế không cần đụn cát nào hết. Về cuối năm 2003, những thí nghiệm này còn cho phép Douady chứng minh điều kiện ngưỡng thiết yếu cho lí thuyết đồng bộ hóa của ông. Chừng ba hay bốn năm sau chuyến du khảo đầu tiên của họ, bây giờ đã đến lúc cho các nhà nghiên cứu đăng kí công bố lượng kiến thức to lớn mà họ đã tích lũy được về tiếng ca của những cồn cát. Tuy nhiên, vào lúc này, sự bất đồng giữa Douady và Andreotti về cơ chế đồng bộ hóa càng thêm sâu sắc. “Vì những mối quan hệ tồi tệ, tôi đã kêu gọi một cuộc họp nhóm vào mùa xuân 2004 trong dó toàn thể lãnh đạo nhóm ENS đã đề nghị tôi viết một bài báo về tiếng hát của những cồn cát với tên của tất cả chúng tôi”, Douady nhớ lại. “Nhưng cái sớm trở nên sáng tỏ là điều này chẳng đi vào hoạt động”. Theo Douady, ông nhận ra trong cuộc họp này rằng Andreotti đã tiến hành những phép đo vận tốc của sóng đàn hồi trong chuyến đi thực địa của ông mâu thuẫn với cơ chế đồng bộ hóa của Douady, mặc dù Andreotti khăng khăng rằng công trình của ông không có gì bí mật. Nên Douady viết một bài báo nháp mà không hề nhắc đến các phép đo của Andreotti. Từ chối đưa tên của ông vào một lời giải thích mà ông không tin tưởng, Andreotti quyết định công bố bài báo riêng của ông về đề tài tiếng ca cồn cát. Và không bao lâu sau khi đôi nghiên cứu tách riêng ra, với việc Andreotti gia nhập phòng thí nghiệm thủy động lực học và cơ học tại trung tâm nghiên cứu Paris ESPCI – đúng là đã đường ai nấy đi. Câu chuyện những bài báo riêng của họ đã được công bố như thế nào có sự hấp dẫn riêng của nó. Sau khi một bản thảo ban đầu bị tờ Science loại bỏ, Douady đăng kí đăng một bản đã đánh bóng lại của bài báo của ông với tờ Nature vào tháng 12 năm 2004. Nhưng nó bị gửi trả lại với lập luận rằng đề tài tiếng ca cồn cát đã đủ sức thu hút, lí do là bài báo của Andreotti vừa mới đăng trên tờ Physical Review Letters (93 238001). Cảm thấy cần phải chứng minh rằng ông đã tiến hành một nghiên cứu tương tự đồng thời, Douady lập tức đưa bài báo của ông lên server bản thảo arXiv. Tuy nhiên, đây hóa ra là một sai lầm, vì vài tháng sau đó một tập san khác tên là Geology – tờ báo nhanh chóng chấp nhận sự đăng kí của Douady – đã loại bỏ nó vào phút chót với lập luận nó đã được công bố rồi. Cuối cùng bài báo được đăng trong cùng tập san như bài của Andreotti vào đầu năm nay, không hề nhắc tới vận tốc âm (Phys. Rev. Lett. 97 018002). © hiepkhachquay – Trang 7 Nền vật lí đang chuyển mình Những ngày này Douady và Andreotti có xu hướng tránh mặt nhau, thật không dễ gì khi làm việc trong một lĩnh vực nhỏ như thế. “Tình tiết này đã làm hỏng hết vài năm của cuộc đời tôi”, Douady nói. “Nhưng nó cũng dạy cho tôi biết rằng khoa học có thể được tiến hành theo những cách rất khác nhau – hoặc bởi những bước nhảy trực giác bất ngờ có vẻ như phi lí, hoặc là thận trọng và có phương pháp”. Andreotti cũng học được kinh nghiệm, “Bây giờ tôi mới tin tưởng hơn bao giờ hết rằng đánh giá ngang hàng là hệ thống tốt nhất, hay ít tồi tệ nhất, trong công tác nghiên cứu”, ông nói. “Khi các nhà khoa học sử dụng phương tiện truyền thông để đưa ra những khẳng định khoa học, mọi thứ bắt đầu trở nên rắc rối”. Nhưng câu chuyện bão táp về tiếng ca cồn cát không dừng lại ở đây. Trong thực tế, với hai hay ba nhóm khác đây đó công bố những lời giải thích riêng của họ về hiệu ứng đó, không có lời giải thích nào yêu cầu các hạt cát bị đồng bộ hóa, cuộc tranh luận có lẽ sẽ còn bùng phát trở lại lần nữa. “Phân tích của Douady lẫn của Andreotti không giải thích tại sao một số cồn cát không ca hát”, theo lời Melany Hunt tại Viện Công nghệ California (Caltech), người cùng với các cộng sự đã tiến hành những phép đo phạm vi rộng về tiếng ca cồn cát bằng những kĩ thuật như radar. “Vì chúng tôi không quan sát thấy bất kì sự phụ thuộc nào của tần số vào đường kính hạt, và vì chúng tôi có thể cảm nhận tự nhiên âm thanh trên một khu vực cồn cát rộng lớn, cho nên chúng tôi kết luận rằng âm thanh đó phụ thuộc vào bản thân cồn cát và không phụ thuộc vào từng hạt cát riêng rẽ”. Đặc biệt, Hunt và các đồng sự của bà đã nhận ra rằng các cồn cát có cấu trúc phân lớp mà họ nói gây ra một đụn hoạt động như sóng mang, trong đó những tần số nhất định được ưu tiên truyền đi. “Như trong thí nghiệm lưỡi-chuyển động của Douady, chúng tôi không đồng ý rằng đẩy cát theo cách này là hiện tượng vật lí giống như cái người ta tìm thấy trong sa mạc”, bà thêm. Trong khi đó, cuộc chiến giữa Douady và Andreotti, đã lan sang những thành viên khác thuộc nhóm nghiên cứu của họ, không ngăn cản nhà nghiên cứu nào tiếp tục làm việc về vấn đề đó. Trong thực tế, trong công trình mới nhất của Andreotti, ông khẳng định giải thích được hiệu ứng ngưỡng quá chính yếu đối với cơ chế đồng bộ hóa của Douady, đồng thời ủng hộ kết quả của nhóm Caltech (arXiv.org/abs/cond-mat/0601584). Trong khi đó, Douady – người đang chờ chuyển sang một phòng thí nghiệm mới ở Paris về vật liệu và các hệ phức tạp – hiện đang cố gắng tìm hiểu làm thế nào lớp phủ của những hạt cát ảnh hưởng tới âm thanh tạo ra. Điều này, ông hi vọng, có thể giải thích vấn đề gây tranh cãi ồn ào về vận tốc ghép đôi thấp mà mô hình của ông yêu cầu. © hiepkhachquay – Trang 8 Khoa học cồn cát không thể lấn át chương trình tài trợ nghiên cứu, nhưng việc hé lộ bí ẩn của tiếng ca cồn cát mang lại một cái nhìn có giá trị vào cách thức khoa học được tiến hành. Với động cơ giải quyết những vấn đề đặc biệt thay đổi giữa từng cá nhân, và mối quan hệ con người nằm ở trọng tâm của mọi nghiên cứu khoa học, chỉ có nhà thực chứng nhẫn tâm nhất mới có thể khẳng định rằng khoa học tiến lên bởi một số suy diễn giả thuyết duy tâm không có sự tác động của con người. “Tôi đảm bảo rằng loại câu chuyện này còn lặp lại nhiều lần trong những phòng thí nghiệm khác trên khắp thế giới”, Douady nhận xét. “Chỉ có điều là đa số mọi người không nhận ra nó”. Thật vậy, 10 hay 15 năm nữa – khi các nhà nghiên cứu đã giải xong bí ẩn và các chương giáo trình đã được viết ra – thì cơ sở vật lí của tiếng ca cồn cát sẽ chắc chắn không hồ nghi gì nữa được viết lại là sản phẩm của một chuỗi bước tiến lôgic, còn toàn bộ những miêu tả khác dần dần bị chôn vùi giống như những bộ xương trong cát bỏng. Matthew Chalmers Nguồn: The troubled song of the sand dunes (Physics World, 11/2006) hiepkhachquay dịch An Minh, ngày 07/07/2008, 14:01:28 Tài liệu phát hành tại http://www.thuvienvatly.com Hãy cho đi tất cả những gì bạn có Bạn sẽ còn lại… hai bàn tay không! . Tiếng ca phiền muộn của những cồn cát Matthew Chalmers Matthew Chalmers trình bày về cuộc tranh luận dữ đội đằng sau những nỗ lực nhằm giải thích bí ẩn của “giọng ca của những cồn cát, . trần của ông. Những quan sát này hướng tới kết luận giống nhau: tiếng hát của những cồn cát được tạo ra bởi chuyển động của chính các hạt cát, và không phải bởi những đặc điểm chung của cồn cát. . một số cồn cát không ca hát”, theo lời Melany Hunt tại Viện Công nghệ California (Caltech), người cùng với các cộng sự đã tiến hành những phép đo phạm vi rộng về tiếng ca cồn cát bằng những