TUYN NHNG BÀI BÁO HAY VT LÍ 2010Trn Nghiêm - TUYN NHNG BÀI BÁO HAY VT LÍ 2010
Trn Nghiêm dch NI DUNG

Truy tìm cánh hc en 1
Mt Trái t dành cho các nhà vt lí 9
a k thut h khí hu 17
Các công thc ch bin hành tinh 24
Du hành v tr có ngi lái: khoa hc hay vin tng? 33
o cái (hu nh) bng không 37
Tng lai ca in hc không dây 46
Nhng nhà thiên vn u tiên x Australia 52
Con ngi hot ng nh th nào? 58


Max Planck (trái) và Wilhelm Röntgen (phải) đều có những khám phá quan trọng hết sức bất ngờ (Ảnh [trái]: American
Institute of Physics/Science Photo Library; [phải]: Jean-Loup Charmet/Science Photo Library)
2 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Cùng khoảng thời gian đó, người đồng nghiệp của Planck, Wilhelm Röntgen, đang làm thí
nghiệm với tia ca-tôt khi ông lưu ý đến lóe sáng kì quặc phát ra từ màn hình huỳnh quang nằm cách
đấy khá xa không có liên quan gì trong thí nghiệm đã dự tính; khi làm như vậy, ông đã phát hiện ra
tia X, và đã giúp thúc đẩy nền y khoa vào thời kì hiện đại. Tất nhiên, không phải chỉ có các nhà khoa
học Đức tiến hành những khám phá làm thay đổi thế giới bằng những con đường bất ngờ. Năm
1964, các nhà vật lí người Mĩ Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện ra bức xạ nền vi sóng vũ
trụ nổi tiếng trong tín hiệu nhiễu bực mình mà họ không thể nào loại trừ hết ra khỏi máy thu vi sóng
lạnh lẽo của họ tại Phòng thí nghiệm Bell.

Transistor (trái) và laser (phải) cũng là những sản phẩm của sự may mắn (Ảnh [trái]: Ton Kinsbergen/Science Photo
Library; [phải]:Giphotostock/Science Photo Library)
Đây là cách thức sự khám phá được thực hiện: các phản hồi của sự đầu tư cho nghiên cứu
không đến một cách đều đặn và tiên liệu được, mà đến một cách thất thường và không thể đoán
trước, theo kiểu giống như những trận động đất trí tuệ. Thật vậy, quan điểm này có vẻ không hẳn chỉ
đơn thuần là định tính. Dữ liệu về sự phát minh của loài người, cho dù về khoa học cơ bản hoặc công
nghệ hoặc kinh doanh, cho thấy các tiến bộ xuất hiện từ một quá trình thất thường đi cùng với tính
không thể tiên đoán nỗi. Chẳng hạn như nhà vật lí Didier Sornette thuộc trường ETH ở Zurich và các
cộng sự chỉ ra cách nay vài năm trước, rằng số liệu thống kê mô tả những khoản thu kếch sù của
những bộ phim Hollywood trong 20 năm qua không tuân theo tập hợp thống kê bình thường mà tuân
theo một đường cong quy luật hàm số mũ – rất giống với định luật nổi tiếng Gutenberg— Richter
cho những trận động đất – với một cái đuôi dài cho những bộ phim thu nhập cao. Một hình ảnh
tương tự mô tả sự phản hồi tài chính cho những loại thuốc mới được sản xuất ra bởi ngành công
nghiệp công nghệ sinh học, cho những khoản tiền đầu tư mà các trường đại học được tài trợ, hay cho
các phản hồi thị trường chứng khoán từ các công ti khởi nghiệp công nghệ cao.
Cái chúng ta biết về những quá trình có động lực học tuân theo quy luật hàm mũ là những sự

Lí lẽ đưa ra lập luận này có nhiều bất đồng.Ví dụ, nhà vật lí Geoffrey West, người hiện là
chủ tịch Viện Santa Fe (SFI) ở New Mexico, Mĩ, chỉ ra rằng trong những năm sau Thế chiến thứ hai,
nền công nghiệp Mĩ đã tạo ra một luồng ổn định những cách tân làm thay đổi kiểu thức, trong đó có
transistor và laser, và điều đó xảy ra vì những nơi như Phòng thí nghiệm Bell đã thai nghén ra một
nền văn hóa đổi mới hết sức tự do. “Họ đã mang những nhà khoa học lớn – nhà vật lí, kĩ sư và nhà
toán học – lại với nhau từ những ngành khoa học khác nhau”, West nói, “và đã tạo ra một nền văn
hóa tự do suy nghĩ mà không có nó thì thật khó mà tưởng tượng nổi làm thế nào những ý tưởng này
có thể xoay chuyển bất ngờ tình thế như vậy”.
Thật đáng tiếc, các nền văn hóa hàn lâm và hợp tác ngày nay dường như đang tiến triển theo
xu hướng ngược lại, với thói quen dập tắt ngay những người không theo lề thói mà có một quan
điểm rộng về khoa học. Tại các trường đại học và các cơ quan tài trợ nghiên cứu, chẳng hạn, giới
lãnh đạo và các ủy ban tai to mặt lớn đưa ra quyết định dựa trên những điều kiện hẹp hòi (tập trung
vào cách danh sách đã công bố, danh sách trích dẫn và hệ số tác động) hoặc dựa trên những kế hoạch
đặc biệt cho những kết quả ngắn hạn, tất cả vốn dĩ nghiêng về những người đang làm việc trong
những lĩnh vực đã hiểu rõ với mẫu hình được chấp nhận rộng rãi. Trong những năm qua, các thói
quen thương mại gò bó và những nỗ lực nhằm cải thiện hiệu quả cũng đã chi phối các chương trình
hợp tác theo chiều hướng tương tự. “Điều đó có thể tốt trong khâu quản lí hành chính”, West nói,
“nhưng cuộc sống tầm thường thì nằm ngoài sự cách tân”.
4 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Cánh hạc đen của khoa học
Một vấn đề thiết yếu, như đề xuất của nhà vật lí toán Eric Weinstein thuộc Nhóm Natron,
một cơ quan tài trợ ở New York, là thật quá dễ dàng cho các nhà khoa học trong bất kì lĩnh vực nào
“đã xác lập” đưa ra những ý tưởng mới, và họ làm như thế mà thật sự chẳng chịu chút rủi ro nào, từ
đó đưa đến một nền văn hóa có thiên hướng nghiêng lệch một cách có hệ thống về phía thận trọng.
“Nền khoa học rủi ro cao đồng hành nhiều hơn với những nhân vật từ quá khứ”, ông nói.
Kết quả, ông đề xuất, là khoa học đang trở thành một sự nghiệp khảo sát bánh-xe-tự-do kém
mang tính “từ dưới lên” hơn – như loại suy nghĩ đã đưa Einstein đến thuyết tương đối – và là một
quá trình “từ trên xuống” nhiều hơn bị trói buộc bởi ý chí xã hội, với tiền chi cho tài trợ khoa học
tuân theo những lộ trình hợp mốt. Nguyên tắc công-bố-hay-là-chết, đặc biệt, thưởng công xứng đáng

Trần Nghiêm dịch

5
Viện Santa Fe (trái) và Viện Peremete (phải) đang xúc tiến một phương pháp độc lập, chi phối bởi sự ham hiểu biết, đối
với vật lí học (Ảnh [trái]: Viện Santa Fe Institute; [phải]: Viện Perimeter)

Người leo đồi và kẻ băng qua thung
Vậy người ta đã làm gì? Một số cơ quan tài trợ, tất nhiên, từ lâu đã nhận ra nhu cầu tài trợ
cho nghiên cứu “bầu trời xanh” – công trình có thể rủi ro cao nhưng đồng thời mang lại giải thưởng
lớn. Ở Mĩ, chẳng hạn, Quỹ Khoa học quốc gia có những chương trình rủi ro cao dành cho những lĩnh
vực đa dạng từ vật lí cho đến nhân chủng học. Tương tự, Ủy ban châu Âu, còn dành cho cả lĩnh vực
công nghệ thông tin và truyền thông mang tính thực tiễn cao, có hẳn một chương trình cho những
công nghệ tương lai và công nghệ đang xuất hiện chỉ tài trợ cho nghiên cứu được nhận ra là có tiềm
năng đánh đổ những mô hình hiện có. Có lẽ trung tâm nổi tiếng nhất ủng hộ cho nghiên cứu khoa
học dài hạn mang tính rủi ro cao là Viện Santa Fe (SFI), được cá nhân tài trợ. Trong vài năm qua,
SFI đã được hậu thuẫn bởi ông chủ của những trung tâm mới, ví dụ như Viện Vật lí Lí thuyết
Peremeter ở Waterloo, Canada, một sáng kiến cá nhân được chính phủ Canada hỗ trợ và thành lập
vào năm 1999 bởi Mike Lazaridis, ông chủ cơ quan Research in Motion, nơi chế tạo ra BlackBerry.
Nhưng nhà vật lí Lee Smolin, hiện ở Viện Peremeter, cho rằng nền khoa học nói chung đòi
hỏi một cách tiếp cận rộng rãi hơn và đồng nhất hơn với nền khoa học rủi ro. Để xem loại chính sách
nào là cần thiết, ông đề nghị, thật hữu ích là hãy lưu ý rằng các nhà khoa học, ít nhất là trong chừng
mực nào đó, theo đuổi những phong cách làm việc thuộc hai loại rất khác nhau, phản ánh sự khác
biệt của Kuhn giữa khoa học bình thường và khoa học cách mạng.
Một số nhà khoa học, ông đề xuất, là cái chúng ta có thể gọi là “người leo đồi”. Họ có
khuynh hướng thành thạo về thao tác kĩ thuật và công việc của họ chủ yếu đi theo những lối đã có
sẵn đưa họ tiến xa hơn; họ leo lên trên những ngọn đồi trong không gian có phần trừu tượng của
trạng thái khoa học, luôn luôn tiến những bước nhỏ để cải thiện sự ăn khớp của lí thuyết và quan sát.

Sự thông thái của số đông
Weinstein đề xuất một ý tưởng khác – cái chúng ta sẽ phải vay mượn một số ý tưởng từ kĩ
thuật tài chính và lại làm cho các nhà khoa học hồi sinh những chỉ trích của họ khi xem xét những
rủi ro tài chính thật sự. Bạn nghĩ rằng lí thuyết có phần mới đó thật hết sức vô giá trị và đáng bị giễu
cợt? Trong thế giới Weinstein hình dung ra, bạn không thể vứt một nghiên cứu vào sọt rác trong một
bài đánh giá nặc danh, nhưng bạn sẽ mua một số loại lựa chọn cho bạn món cược tài chính vào
tương lai khoa học của nó, một món hời sẽ tuột khỏi tay nếu, như bạn trông đợi, công trình trôi êm ả
vào trong tăm tối. Tiền sẽ đến từ những người đề xướng của lí thuyết đó, họ cũng thu lợi như vậy
nếu cát đã được đãi thành vàng.
Quan điểm của Weinstein là thị trường, ít nhất là trên lí thuyết, hoạt động hiệu quả và - hãy
đặt cuộc suy thoái tài chính hiện nay sang một bên – dẫn tới sự định giá chính xác của các sản phẩm.
Họ khai thác “sự từng trải của đám đông”, như một quyển sách nổi tiếng cùng tên gần đây đã nêu ra.
Hãy xét thị trường dự báo điện tử tại trường Đại học Iowa, gồm quan điểm của hàng nghìn cá nhân
Trần Nghiêm dịch

7đa dạng và dường như luôn cho tiên đoán tốt hơn bất kì chuyên gia nào. Chẳng hạn, họ đã dự đoán
cuộc bầu cử tổng thống Mĩ hồi năm ngoái chính xác đến nửa phần trăm.
Điều tương tự có thể nào thực hiện đối với việc cân đong giá trị của các ý tưởng khoa học
hay không? Những ý tưởng đó, Weinstein tranh luận, ngày nay không nặng cân lắm. Như ông chỉ rõ,
những kẻ cuồng ngông vô tổ chức có những bài báo của họ thường bị từ chối vì cái họ cảm thấy là
những lí do không hợp lí, và họ thường cảm thấy bị cản trở bởi cộng đồng đang xuôi theo dòng chảy
chung, trong khi các nhà khoa học đang xuôi dòng chính đó nghĩ thật hoàn toàn hiển nhiên rằng các
ý tưởng của họ thật buồn cười và không nên lãng phí thời gian của cộng đồng. Thực tiễn nghiên cứu
hiện nay thiếu cơ chế sắp xếp một cuộc gặp hiệu quả giữa hai bên – khiến cho ý tưởng của những kẻ
vô tổ chức kia bị chèn ép tự do trong khi đó thì những người phê bình tha hồ vung búa vung đe dựa
trên kiến thức của riêng họ.
“Bạn sẽ làm gì khi bạn đối mặt với một số người cuồng ngông với một ý tưởng rồ dại?”, ông

Đây đúng là thứ cần thiết, Smolin tranh luận. Nếu như có người nhà khoa học trở lại với nền
khoa học độc lập, chi phối bởi sự ham hiểu biết, thì điều này còn có thể khuyến khích các cơ quan tài
trợ lớn và những nguồn quỹ cá nhân mới, ví dụ như Viện Peremeter hay Howard Hughes and Gates
Foundations. Thật vậy, Weinstein đề xuấ, những cấu trúc mới này có thể có những tương tự với
những phát triển gần đây trong kĩ thuật tài chính với những cấu trúc mới đang xuất hiện là “nguồn
quỹ rào cản trí tuệ” đối phó với sự không hiệu quả nhận thấy được của việc có nhiều tác nhân truyền
thống hơn, cái giữ vai trò của các nguồn quỹ tương trợ chống rủi ro.
Cái giá phải trả cho việc không chuyển sang thiết lập lại sự độc lập như thế sẽ nằm ở sự thất
bại trước việc nhận ra những khám phá lớn và không thể đoán trước làm chuyển dịch nền khoa học
về trước nhiều nhất trong thời gian dài –những khám phá chỉ có thể thực hiện khi các cá nhân thoát
ra khỏi cái tiện nghi và được chấp nhận, và tha thẩn vào những không gian chưa biết. Đó là tầm vóc
thật sự của những món lợi tiềm tàng làm cho mục tiêu đạt tới “tiền tuyến hiệu quả này” thật quan
trọng. Nếu ngày nay dường như chúng ta có quá ít những Einstein mới, Smolin đề xuất, thì điều này
có lẽ chỉ phản ánh rằng chúng ta đã trở thành kẻ chống rủi ro hơi nhiều.
Những Einstein mới, ông chỉ rõ, sẽ không hoạt động trong những lĩnh vực đã được thiết lập
sẵn trong hàng thập kỉ qua. Họ có lẽ cũng không hoạt động trong một lĩnh vực liên quan đến tên tuổi
của bất kì nhà khoa học chủ đạo, đã có danh tiếng nào. Những Einstein mới có thể đi trượt quan
điểm và bị đẩy ra khỏi khoa học hoàn toàn chỉ bởi vì nền văn hóa khoa học của chúng ta hiện nay
đơn giản là chẳng có phương thức nào khuyến khích họ cả.
Mark Buchanan là một nhà viết sách khoa học sinh sống ở Anh. Cuốn sách gần đây nhất của
ông là Nguyên tử Xã hội(2007, Cyan Books).
Trần Nghiêm dịch (theo Physics World, số tháng 4/2009) Trần Nghiêm dịch

9Một Trái đất dành cho các nhà vật lí

tăng đến điểm mà sự phun trào của khí nóng ngăn cản Mặt trời bồi tụ thêm bất kì chất liệu gì nữa.
Tại điểm này, Mặt trời trở thành cái chúng ta gọi là “sao Tauri T”, được cấp nguồn chỉ bởi năng
lượng hấp dẫn khi nó từ từ co lại. Sau chừng 100 triệu năm nữa, nó trở thành một ngôi sao bình
thường khi hydrogen tại tâm của nó bắt đầu chịu sự nhiệt hạch.
Một số bụi xoay tròn xung quanh Mặt trời sơ khai trở nên nóng bỏng và tan đi, và một số
trong những giọt tan chảy này sau đó đông lại thành “cục” – những quả cầu kích cỡ milimet của
những khoáng chất đơn giản, như pyroxene và olivine, chủ yếu cấu thành từ sodium, calcium,
magnesium, nhôm, sắt, silicon và oxygen. Những cục này là thành phần chính của một số trong
những vật thể nguyên thủy nhất vẫn miệt mài hành trình của chúng trong hệ mặt trời: các thiên thạch
phủ đá gọi là “chondrite”.
Bụi quay xung quanh Mặt trời sơ khai bắt đầu hình thành nên các tảng gọi là “tảng hành
tinh”. Khi các tảng này va chạm nhau, chúng trở nên to hơn, cuối cùng hình thành nên các tiểu hành
tinh và hành tinh và chúng ta thấy ngày nay. Một số tảng đã tan chảy, để các kim loại nặng co vào
trong lõi của chúng trong khi vật chất nhẹ hơn vẫn ở trên bề mặt. Và một số tảng đâm sầm vào nhau,
vỡ tan ra và hình thành nên chondrite và những thiên thạch khác, ví dụ như các thiên thạch sắt-nickel
và các thiên thạch phủ đá gọi là “achondrite”.
Bằng cách sử dụng các kĩ thuật định tuổi phóng xạ trên thiên thạch, các nhà nghiên cứu
khẳng định một kiến thức chính xác bất ngờ về thời điểm khi toàn bộ những sự kiện này xảy ra: đâu
đó giữa 4,56 và 4,55 tỉ năm trước. Cho nên, Trái đất có khả năng đã hình thành đâu đó khoảng thời
gian trên – và câu chuyện của chúng ta chính thức bắt đầu từ chỗ này.
Lịch sử của Trái đất được phân chia thành bốn kỉ nguyên: Hadean, Archean, Proterozoic và
Phanerozoic. Khi tôi còn nhỏ thì “kỉ Cambri” đã lùi xa vào dĩ vãng như sách vở của tôi bảo thế,
ngoại trừ “kỉ Tiền Cambri” u ám. Nhưng kỉ Cambri chỉ mới bắt đầu 540 triệu năm trước. Kỉ Cambri
đánh dấu sự bắt đầu của thời kì hiện đại, Phanerozoic, nghĩa là “tuổi của sự sống khả kiến”. Đây là
lúc các sinh vật đa bào thống lĩnh thế giới, để lại các hóa thạch mà chúng ta thấy ngày nay. Nhưng
chúng ta sẽ đào sâu thêm nhiều nữa: đại Phanerozoic sẽ kết thúc câu chuyện của chúng ta.
Ngược thời gian về đại Hadean. Đúng như tên gọi của nó, đây là thời điểm khi Trái đất cực
kì nóng bỏng. Nó bắt đầu với một sự kiện hình thành nên Mặt trăng cách nay khoảng 4,53 tỉ năm.
Cái gì đã tạo ra Mặt trăng? Lời giải thích phổ biến nhất hiện nay là “lí thuyết va chạm lớn” – thỉnh
thoảng được gọi là lí thuyết “miếng ván lưng ghế lớn”.

12 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

cách nghiêm túc đến mức hành tinh thủ phạm giả thuyết đã va chạm vào Trái đất còn có một cái tên:
Theia. Theo thần thoại Hi Lạp, Theia là vị nữ thần đã khai sinh ra Mặt trăng.
Năm 2004, nhà thiên văn vật lí Robin Canup thuộc Viện Nghiên cứu Tây Nam ở Boulder,
Colorado, đã công bố một số chương trình mô phỏng máy tính đáng chú ý của vụ va chạm lớn. Để
cho một mặt trăng giống như mặt trăng của chúng ta hình thành – thay vì một mặt trăng quá giàu sắt,
hay quá nhỏ, hay không thích hợp ở những khía cạnh khác – bạn cần phải chọn những điều kiện ban
đầu thích hợp. Canup tìm thấy tốt nhất là giả sử rằng Theia hơi nặng hơn Hỏa tinh một chút: chừng
10% đến 15% khối lượng của Trái đất. Nó còn phải bắt đầu di chuyển chậm về phía Trái đất, và va
chạm với Trái đất ở một góc sớt qua.
Kết quả là một ngày rất tồi tệ. Theia va vào Trái đất và cắt ra một mảng lớn, hình thành một
vệt dài đất đã vỡ vụn, tan chảy hoặc bốc hơi uốn thành vòng cung vào trong không gian. Trong vòng
một giờ, một nửa bề mặt Trái đất bị nóng đỏ lên, và vệt mảnh vụn kéo dài gần bằng bốn lần bán kính
Trái đất trong không gian. Sau ba đến năm giờ, lõi sắt của Theia và phần lớn các mảnh vụn lại rơi trở
xuống. Toàn bộ lớp vỏ và lớp bao ngoài của Trái đất bị tan chảy. Tại thời điểm này, một phần tư
Theia thật sự bốc hơi hết.
Sau một ngày, vật chất không còn rơi trở xuống hình thành nên một vành mảnh vụn bay xung
quanh Trái đất. Nhưng một vành như thế là không bền: trong vòng một thế kỉ, nó sẽ tập hợp lại hình
thành nên Mặt trăng mà chúng ta biết đến và yêu thích. Trong khi đó, lõi sắt của Theia co vào tâm
của Trái đất.
Lí thuyết va chạm lớn vẫn gây nhiều tranh luận, một phần vì có ít bằng chứng trực tiếp còn
sót lại: những tảng đá già nhất được biết trên Trái đất được hình thành gần như nửa tỉ năm sau đó.
Đợt bắn phá muộn nặng nề
Đại Archean bắt đầu với sự hình thành của những tảng đất đá đầu tiên tồn tại cho đến ngày
nay. Chuyện này xảy ra khoảng 4 tỉ năm trước. Nhiều tảng đá lửa, đặc biệt là ba-zan, phải hình thành
trước thời kì này. Thật ra, các đại dương có lẽ đã hình thành cách nay 4,2 tỉ năm. Nhưng chúng ta
không thấy bất kì vết tích nào của địa mạo sơ khai này. Một lí do có thể là sự bắt đầu của đại
Archean không phải là một thời điểm hòa bình.
Sau khi Mặt trăng hình thành, Trái đất tiếp tục chịu nhiều cú va chạm. Thật kì lạ, thay vì tần

tròn ở gần nhau hơn vị trí của chúng ngày nay. Do tương tác với các tảng hành tinh, Thổ tinh, Thiên
vương tinh và Hải vương tinh đã dần dần di cư ra bên ngoài. Khi Thổ tinh đi tới điểm nơi nó quay
xung quanh Mặt trời một vòng trong mỗi hai vòng của Mộc tinh, thì toàn bộ hệ mặt trời phía ngoài
bị mất ổn định. Quỹ đạo của Hải vương tinh và Thiên vương tinh trở nên lệch tâm nhiều hơn và
chúng ném nhiều tảng hành tinh ra khỏi quỹ đạo ban đầu của chúng. Một số bị kéo giật vào hệ mặt
trời phía trong, cái giải thích cho đợt bắn phá muộn nặng nề.
Tai biến oxygen
Người ta tin rằng bề mặt của Trái đất đủ lạnh để hình thành nên một lớp vỏ ngay trước đợt
bắn phá muộn nặng nề đó. Trong khi đó, hoạt động núi lửa sẽ giải phóng rất nhiều hơi nước, carbon
dioxiode và ammonia. Hoạt động này hình thành nên cái gọi là “khí quyển thứ hai” của Trái đất.
“Khí quyển thứ nhất” của Trái đất, chủ yếu gồm hydrogen và helium, đã bị thoát vào trong không
gian. Khí quyển thứ hai chủ yếu gồm carbon dioxide và hơi nước, với một phần nitrogen nhưng có
khả năng không có nhiều oxygen. Khí quyển thứ hai này có nhiều chất khí hơn gấp 10 lần so với
“khí quyển thứ ba” ngày nay.
Khi Trái đất lạnh đi, các đại dương hình thành. Chúng có lẽ đã sôi hết hoàn toàn trong một số
cú va chạm lớn nhưng sau đó đã định hình lại. Cuối cùng, phần nhiều carbon dioxide trong khí
quyển hòa tan vào trong biển nước. Hoạt động này sau đó làm kết tủa carbonate, từ đó bắt đầu một
pha mới trong cái nhà địa chất học Robert Hazen thuộc Viện Carnegie ở Phòng thí nghiệm vật lí địa
cầu Washington gọi là “sự tiến hóa khoáng chất”. Đây không phải là sự tiến hóa theo ý nghĩa
Darwin luận, mà chỉ là sự đa dạng hóa dần dần của các kháng chất trong lịch sử Trái đất. Năm 2008,
một đội các nhà địa chất đứng đầu là Hazen đã ước tính 350 loại khoáng chất có thể tìm thấy trên
Trái đất trong đại Hadean. Nhưng khi lịch sử Trái đất tiếp diễn, con số đếm của họ lại tăng lên. Vào
14 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

cuối đại Archean, nó đạt tới con số 1500, một phần nhờ sự hình thành của các đại dương – nhưng
còn nhờ sự phát triển của sự kiến tạo mảng.
Bước thứ nhất trong hoạt động kiến tạo mảng là sự hình thành “các vùng im lìm”: các mảnh
cổ, đan xen chặt chẽ của lớp vỏ và lớp bao của Trái đất, hàng tá trong số đấy còn tồn tại ngày nay.
Ví dụ, ở Anh, đông nam xứ Wales và một phần miền tây Anh quốc nằm trong vùng im lìm
Midlands. Trong khi đa số các vùng im lìm chỉ hoàn thành việc hình thành cách nay 2,7 tỉ năm, thì

Những tỉ năm tiếp theo được thống trị bởi cái gọi là “trung đại dương”: nước biển chứa rất nhiều
oxygen hơn so với trước đó, nhưng vẫn còn ít hơn nhiều so với ngày nay.
Quả cầu tuyết Trái đất
Bắt đầu khoảng 850 triệu năm trước, một số điều kì diệu đã xảy ra: giai đoạn đóng băng
khủng khiếp trong đó phần lớn hay toàn bộ Trái đất phủ đầy băng tuyết. Những người ủng hộ phiên
Trần Nghiêm dịch

15bản cực đoan của kịch bản này gọi chúng là sự kiện “quả cầu tuyết Trái đất”, còn những người khác
thì biện hộ cho một “quả cầu tuyết bẩn”. Vì băng tuyết làm phản xạ ánh sáng mặt trời, làm cho Trái
đất càng lúc càng lạnh hơn, cho nên người ta dễ dàng đoán được làm thế nào sự hồi tiếp phi mã như
thế có thể xảy ra. Loại hồi tiếp ngược lại hiện đang xảy ra, vì băng tan chảy làm cho Trái đất tối hơn
và do đó ngày càng ấm hơn. Những câu hỏi hấp dẫn là tại sao sự mất cân bằng này không đưa Trái
đất đến những nhiệt độ cùng cực theo kiểu này hoặc kiểu kia, tại sao các sự kiện quả cầu tuyết Trái
đất bắt đầu khi chúng xuất hiện, và tại sao Trái đất không còn băng giá nữa.
Đây là câu trả lời phổ biến hiện nay cho câu hỏi sau cùng. Các tảng băng làm chậm lại sự
phong hóa của đá. Sự phong hóa này là một trong những quá trình dài hạn chủ yếu hấp thụ carbon
dioxide khí quyển, chuyển hóa thành những khoáng chất carbonate khác nhau. Mặt khác, ngay cả
trên một Trái đất phủ băng, thì hoạt động núi lửa sẽ tiếp tục đưa carbon dioxide vào khí quyển. Cho
nên, cuối cùng thì carbon dioxide sẽ tích lũy thêm và hiệu ứng nhà kính sẽ làm ấm mọi thứ trở lại.
Khi băng tan đi, sự phong hóa sẽ tăng lên và lượng carbon dioxide trong khí quyển giảm trở lại. Tuy
nhiên, vòng hồi tiếp này rất chậm. Thật vậy, người ta cho rằng trong pha nóng, đến 13% khí quyển
có thể là carbon dioxide – gấp chừng 350 lần so với cái chúng ta thấy ngày nay!

Theo giả thuyết “quả cầu tuyết Trái đất”, cách đây 850 triệu năm, bề mặt hành tinh của chúng ta hoàn toàn băng giá
(Ảnh: Simon Terrey/Science Photo Library)
Vào cuối những chu kì băng giá này, người ta tin rằng oxygen đã tăng từ 2% khí quyển lên
15% (Bây giờ nó là 21%). Đây có thể là nguyên do các sinh vật đa bào hít thở oxygen có tuổi từ thời


Địa kĩ thuật hệ khí hậu
Từ trước đến nay, địa kĩ thuật vẫn được xem là đề tài cấm kị đối với các nhà khoa học khí
hậu. Trong bài viết, Peter Cox và Hazel Jeffery giải thích tại sao lúc này cần phải xem xét
vấn đề đó một cách nghiêm túc.
Sự biến đổi khí hậu mà chúng ta đang chịu hiện nay gây ra bởi sự gia tăng lượng khí nhà
kính do các hoạt động của con người, đáng kể nhất là việc đốt các nhiên liệu hóa thạch, thâm canh
nông nghiệp và tàn phá rừng. Mặc dù sự ấm lên toàn cầu đã có mặt trong tác phẩm khoa học kể từ
một bài báo đánh dấu bước ngoặc của nhà vật lí người Thụy Điển, Svante Arrhenius, viết hồi năm
1896, nhưng chỉ đến những thập niên gần đây thì kiến thức khoa học của chúng ta về hệ thống khí
hậu mới làm sáng tỏ được rằng một sự ấm lên toàn cầu cao hơn 2
o
C so với mức thời kì tiền công
nghiệp có thể là nguy hiểm và vì thế cần nên tránh.

Các thí dụ công nghệ có thể sử dụng để làm biến đổi các điều kiện khí quyển của Trái đất nhằm làm giảm các tác dụng
của sự biến đổi khí hậu. Từ trên xuống: hai loại kính phản xạ mặt trời; một khí cầu gieo mầm cho mây và máy bay thả
hơi nước; du thuyền gieo mầm cho mây; các bộ phản xạ mặt trời trên biển và trên đất liền; và bón chất dinh dưỡng cho
sinh vật phù du trên biển sinh sôi. (Ảnh: Henning Dalhoff/Bonnier Publications/Science Photo Library)
Trong khi các chất khí nhà kính không chỉ có cacbon đi-ôxit (CO
2
) mà còn cả mêtan, ni-tơ
ôxit, ô-zôn và CFC, thì những cuộc thương thuyết chính trị quốc tế lại tập trung vào nhu cầu cắt
18 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

giảm phát thải CO
2
. Trong thời gian ba tháng, Hội nghị lần thứ 15 của các đảng cầm quyền (CoP15),
bộ phận của Hội nghị Liên hiệp quốc về Biến đổi khí hậu ở Copenhagen, sẽ hướng tới thiết lập
những mục tiêu liên kết cho sự cắt giảm phát khí thải (cái gọi là bản thỏa ước cắt giảm). Nhưng cho

chiết tách bằng hóa chất hoặc bằng tác nhân vật lí lọc CO
2
ra khỏi không khí và chôn cacbon trong
các kho địa chất. Bộ phận trữ của phương pháp này giống với phương pháp bắt và trữ cacbon thông
thường, nhắm tới việc loại CO
2
ra khỏi các chất khí thải của các nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch.
Bẫy không khí trên nguyên tắc có thể thực hiện ở bất kì địa điểm nào, mặc dù nó hữu dụng nhất là ở
gần các kho trữ địa chất. Các phương pháp hóa học của bẫy không khí thường đi cùng với phản ứng
của cacbon đi-ôxit với natri hyđrôxit để tạo ra natri cacbonat, trong khi phương pháp bẫy vật lí sử
dụng các chất nhựa trao đổi ion có khả năng lọc CO
2
ra khỏi không khí, sau đó có thể rửa sạch chúng
từ các bộ lọc với nước. Có những ưu điểm nổi trội đối với các kĩ thuật bẫy không khí vì chúng loại
bỏ được nguyên do chính của sự ấm lên toàn cầu và, không giống như các phương pháp khác, nó
mang lại khả năng hạ hàm lượng CO
2
xuống dưới mức hiện nay. Tuy nhiên, những kĩ thuật này hiện
nay thật tốn kém và còn gặp khó khăn ở chỗ tìm các kho trữ địa chất ổn định thích hợp cho cacbon.
Chắn bớt mặt trời hoặc làm cho hành tinh sáng hơn
Một phương pháp khác lọc loại cacbon đi-ôxit là điều khiển bức xạ mặt trời, bao gồm việc
làm giảm lượng ánh sáng mặt trời bị hấp thụ bởi Trái đất như một tổng thể. Nhiệt độ trung bình toàn
cầu của hành tinh được xác định bởi sự cân bằng giữa bức xạ mặt trời bị hấp thụ và bức xạ hồng
ngoại bị mất bởi Trái đất vào trong không gian. Người ta có thể làm nguội hành tinh bằng cách hoặc
tăng lượng bức xạ hồng ngoại bị mất vào trong không gian (như trong các kĩ thuật lọc loại CO
2
),
hoặc giảm lượng bức xạ mặt trời bị hành tinh hấp thụ. Điểu khiển bức xạ mặt trời là hoặc chặn bớt
Trần Nghiêm dịch


Những rủi ro tương tự đi cùng với các kĩ thuật trên là làm cho các đám mây sáng lên, vì những
kĩ thuật này rõ ràng chỉ hoạt động nơi tồn tại các đám mây. Tuy nhiên, việc cải tạo suất phản chiếu
của mây có khả năng là một đòn bẩy lớn đối với khí hậu có thể mang lại sự nguội đi toàn cầu để bù
trừ sự gấp đôi hàm lượng cacbon đi-ôxit khí quyển. Đề xuất cải tạo mây tiên tiến nhất là gieo rắc
thêm muối biển để cung cấp thêm nhân ngưng tụ mây có thể làm cho những đám mây tích đại dương
sáng hơn lên – đây là những đám mây thấp trên các vùng duyên hải và đại dương. Đề xuất cải tạo
mây còn tiến xa đến chỗ thiết kế những con tàu tự động phân phối muối biển cho những đám mây
tích tầng thấp. Chi phí cho phương pháp này thì không rõ, nhưng chúng có khả năng thấp hơn đáng
kể so với phương pháp làm nguội tương tự bằng những kĩ thuật hạ nhiệt thông thường khác.
Một kĩ thuật còn rẻ tiền hơn nữa có thể là bắt chước các tác động lên khí hậu của những đợt
phun trào núi lửa quan trọng bằng cách bơm các hạt nhỏ li ti hay "aerosol" vào tầng bình lưu của
Trái đất (khí quyển tầng trên). Những hạt aerosol này sẽ phản xạ ánh sáng mặt trời giống hệt như
chúng đã làm sau đợt phun trào của núi lửa Pinatubo hồi năm 1991, dẫn đến sự nguội đi toàn cầu
chừng 0,5
o
C. Các ý tưởng thuộc loại này có khả năng xuất phát từ nhà vật lí người Nga Mikhail
Budyko vào những năm 1970, người đề xuất sử dụng sunphua làm cơ sở cho aerosol tầng bình lưu
như trong trường hợp núi lửa phun. Khái niệm địa kĩ thuật thông qua các hạt aerosol tầng bình lưu
sau đó được theo đuổi vào những năm 1990 bởi nhà vật lí và là người phát minh ra bom H, Edward
Teller, người đã dự tính tới các hạt phản xạ phức tạp hơn. Nhưng việc bàn tới các đề xuất địa kĩ thuật
vẫn là thứ cấm kị trong số các nhà khoa học khí hậu chính thống mãi cho đến năm 2006, khi nhà hóa
học đoạt giải Nobel Paul Crutzen đánh giá lại lợi ích của việc bơm sunphua vào tầng bình lưu bắt
chước các tác động lên khí hậu của đợt phun trào núi lửa Pinatubo. Các e ngại còn lại là những sự
không chắc chắn ở phản ứng vùng của lượng mưa đối với sự kết hợp của việc lọc loại CO
2
và làm
giảm ánh sáng mặt trời, và ở tác động tiềm tàng của việc thêm aeosol đối với sự hồi phục của lỗ
thủng tầng ô-zôn. Tuy nhiên, chi phí theo ước tính của việc duy trì một tấm chắn aerosol sunphat, có
khả năng nhất là thông qua một số máy bay tầm cao chuyên dụng, rẻ hơn đáng kể so với chi phí thỏa
ước cắt giảm đến hàng trăm hay hàng nghìn lần. Vì những lí do đó, các kĩ thuật aerosol tầng bình lưu

tăng thêm.
Bớt cấm kị
Theo Stern Riview, xuất bản hồi năm 2006 và là một trong những tư liệu có sức ảnh hưởng
nhất về tính kinh tế của sự biến đổi khí hậu, việc sử dụng thỏa ước cắt giảm để tránh một sự ấm lên
toàn cầu có khả năng nguy hiểm cỡ 2
o
C là tiêu tốn tới 1% tổng GDP toàn cầu, khoảng chừng 350 tỉ
đôla mỗi năm ở thời giá hiện nay. Con số trên tổng kết tiềm năng của các đề xuất địa kĩ thuật khác
nhau xây dựng trên một bản đánh giá do Hội Hoàng gia Anh công bố trong tháng này. Ngoài ra, nó
còn so sánh từng kĩ thuật với thỏa ước cắt giảm, vì đây là giải pháp rõ ràng nhất đối với sự ấm lên
toàn cầu và nó nằm tại trọng tâm của những cuộc đàm phán khí hậu quốc tế.

So sánh giá thành theo lợi ích của các đề xuất địa kĩ thuật với thỏa ước biến đổi khí hậu. Những rủi ro đi cùng với những
đề xuất này được biểu thị là thấp (màu xanh), trung bình (màu vàng) và cao (màu đỏ). Lựa chọn thay thế an toàn nhất đối
với thỏa ước cắt giảm là bẫy cacbon đi-ôxit không khí, nhưng giải pháp bơm aerosol tầng bình lưu có tỉ số lợi ích trên
giá thành cao nhất.
22 Tuyển những bài báo vật lí hay Vol.3

Các giải pháp địa kĩ thuật thay thế có thể ước định dựa trên chi phí thường niên, lợi ích thu
được tính theo độ giảm nhiệt độ trung bình toàn cầu và những rủi ro đi cùng với từng kĩ thuật một.
Những yếu tố này được trình bày dưới dạng giản đồ trong hình trên. Trong khi một số phương pháp,
ví dụ như bón phân đại dương hoặc kĩ thuật nóc nhà trắng, có thể bị bác bỏ vì chúng không có khả
năng có lợi ích khí hậu toàn cầu đáng kể, thì đa số đề xuất địa kĩ thuật dường như rẻ tiền so với thỏa
ước cắt giảm. Quan trọng hơn, nhiều phương pháp có lợi ích khí hậu tính trên chi phí thường niên
cao hơn so với thỏa ước cắt giảm (tức là chúng nằm phía trên đường đứt nét).
Tỉ số lợi ích trên giá thành dường như là lớn nhất đối với giải pháp bơm aerosol tầng bình
lưu, mặc dù phương pháp này mang lại rủi ro là làm biến đổi khí hậu vùng miền và làm chậm sự hồi
phục của lỗ thủng tầng ô-zôn. Ngoài ra, các kĩ thuật hiệu quả cao đối với việc làm chủ bức xạ mặt
trời ví dụ như bơm aerosol sunphua mang lại cái đôi khi gọi là “rủi ro chết người”, nghĩa là rủi ro
của việc ấm lên toàn cầu một cách đột ngột nếu như phương pháp địa kĩ thuật đó không thành công.

•
Nhiều đề xuất địa kĩ thuật có tỉ số lợi ích khí hậu trên giá thành thường niên cao hơn thỏa ước
cắt giảm.