Loài chim ‘nhìn thấy’ từ trường của Trái đất pps

Loài chim ‘nhìn thấy’ từ
trườngcủa Trái đất
Rõ ràng chim chóc có quan điểm đúng khi di trú đến những vùng ấm hơn lúc
mùa đông chớm về ở những vĩ độ cao, nhưng các nhà khoa học đang bắt đầu ngờ
vực rằng những người bạn lông vũ của chúng ta có lẽ còn thông minh hơn chúng ta
nghĩ nữa. Nhà vật lí Erik Gauger tại trường Đại học Oxford trao đổi cùng phóng viên
tạp chí Physics World về chim chóc có thể có những cái la bàn bên trong nhỏ xíu như
thế nào để cho phép chúng di trú bằng cách sử dụng từ trường của trái đất. Gauger
nói về cơ chế của la bàn ở loài chim và lí giải vì sao người ta có thể bắt chước nó để
phát triển các máy tính lượng tử.
Erik Gauger,Đại họcOxford,trở nên hứng thú vớichimcổ đỏ di trúsau khi
nghe nói tới một mối liên hệ với cơ học lượng tử. (Ảnh: Ernst Vikne)
Có bằng chứng nào cho thấy chim chóc sử dụng từ trường của trái
đất để định hướng?
Bằng chứng cho thấy chimchócsử dụng từ trường của Tráiđất để định
hướngphongphú từ những báo cáo mang tính chất suyđoán cho đến sự ditrúcủa
chim chócgây rabởi sự nhiễu từ, cũngnhư những nghiên cứu rấtđáng tin cậy về
chim chóctrong các môi trườngtừ tính được điều khiểnnhântạo.
Tại sao chúng cần đến khả năng này khi di trú?
Để tránhmùa đôngkhắc nghiệt,chẳng hạn, loài chimcổ đỏ xứ Scandinavia
và Nga ditrú theohướngnamvào mùa thu, trở lại những vĩ độ phương bắcvào
mùa xuân. Ngườita chorằng chim chócsử dụng các manh mối thị giác để định
hướng,thí dụ như các thiênthể, nhưng chúngcòn sử dụng các địa hình như núi
non, sông ngòi,và cólẽ cả đường cao tốcnữa. tuy nhiên, việc có thêm thông tinvề
phươnghướng từ tính rõ ràng sẽ giúp ích cho các loài di trú trên hànhtrình đường
dài củachúng quanhững vùng đấtkém quen thuộchơn.
Nhưng chúng có biết đâu là bắc, đâu là nam không?
Thật thú vị, cácthí nghiệm cho thấy loài chim cổ đỏ châu Âu chỉ cảm nhận
góc nghiêng của các đường sức từ với bề mặt Tráiđất, chứ khôngcảm nhận tính
phân cựccủa từ trường.Điều nàycó nghĩa thực chất chúngkhông thể phân biệt
hướngbắc với hướng nam. Tuy nhiên, theo ngônngữ kĩ thuật,thì việc biết được

góc nghiêng – là góc hợpbởi đường sức từ với mặt phẳngnằm ngang– cung cấp
đủ thông tinđể phânbiệt hướng nam bắc ở bán cầu bắc.
Làm thế nào chim chóc phát hiện ra từ trường?
Sự cảm nhận từ trường hoạt động khác nhau đối với nhữngloài chim khác
nhau. Thí dụ,loài bồ câu nhàcó khả năng nhấtlà có mộtcái labàn cấutạo từ
những chất sắt từ nằmtrong phần phíatrên mỏ của chúng. Ngược lại,bằng chứng
cho thấy một cái la bàn kích hoạtbằng ánh sáng nằm trongmắt chim đốivới
những loài khác như chim cổ đỏ châu Âu. Trongsố những manh mối khác, thì vị trí
biểukiến củala bàn trongmắt chimđã dẫn đến đề xuất rằng những con chim cổ đỏ
này cókhả năng “nhìnthấy” từ trường.
Chúng ta có biết những la bàn này hoạt động ra sao không – cái gì đang
diễn ra trong cơ chế sinh học ở loài chim?
Ý tưởng chủ đạođược biếtlà cơ chế “cặpcăn”, liên quanđến cácphântử la
bàn hóahọc nằm trên võng mạccủa chim ở dạng cóphầntrật tự.Năng lượngcủa
một photon tới có thể kích thíchmột phân tử la bànnhư vậy từ trạngthái cơ bản
của nólên một trạng thái kích thích, trong đó hai trong cácelectron củanó được
gửi vào một trạng thái lượng tử đặc biệtgọi là “trạng tháiđộc thân”.
Chimcổ đỏ châu Âu.(Ảnh: Ernst Vikne)
Trạng thái này tương tác như thế nào với từ trường của Trái đất?
Sự định hướng của phântử la bàn đó với trường tĩnh của Tráiđất có thể làm
thayđổi mối tương quantồn tại giữa haispin electron, thành ra dẫn tới những
phản ứng hóahọc khácnhau trong võng mạc củachim. Việc có nhiều phân tử như
vậy trongmột phân bố có trật tự trên võng mạc có thể tạo nêntín hiệu labàn.
Ông đang nói rằng cơ học lượng tử có thể đang nằm tại trung tâm của
hệ này?
Anh cóthể nói nólà cơ học lượng tử một cách dễ dàngvì nó liênquan đến
các spinelectron,đó là nhữngtính chất lượng tử. Với số đo ấy, đasố các quá trình
hóa học sẽ là “lượng tử”.Câu hỏi thậtsự hấp dẫn là cơ học lượngtử có giữ vai trò
nào không tại một cấpđộ sâu sắchơn nhiều liên quan đến sự kết hợp lượng tử và
các hiệntượng đi kèm của sự chồngchất lượng tử và sự vướngvíu lượng tử.

Và đây có là cái mà nhóm nghiên cứu của ông đang quan tâm phải
không?
Vâng, phântíchmới đâycủa chúng tôi về chim cổ đỏ châu Âu, đăng trêntạp
chí Physical Review Letters, chothấy để dunghòa môhình cặp cănvới dữ liệu thu
từ những thí nghiệm gầnđây, sự kết hợp lượng tử thật sự phảitồn tại trong la bàn
ấy – mặc dùkhôngrõ làđiều này giúpla bàn hoạtđộngnhư thế nào. Thôngthường,
các trạng tháilượng tử kết hợp phân hủy rấtnhanh chóng, và đối với các ứng dụng
công nghệ, như các hệ thông tin lượngtử,thách thứclà làm saoduy trìchúng càng
lâu càng tốt. Nhưng dường như la bàn của mắt chim có thể duy trìtrạng thái độc
thân củanó trongít nhất100 µs, nếu khônglâu hơn nhiều nữa. Con số này nghecó
vẻ như một khoảng thời gianngắn, nhưngcác phân tử nhân tạotốt nhất có thể so
sánh chỉ thu được80 µsở nhiệt độ phòng trong điều kiện phòng thí nghiệm lí
tưởng.
Vậy ông có thể kết luận gì từ nghiên cứu của mình?
Bài báocủa chúng tôinêu hai câu hỏi cầngiải quyết. Thứ nhất, tại saochim
chóc sử dụngcác trạng thái lượngtử này và chúng thu lợi lộc gì từ đó? Thứ hai,
làm thế nào chúng có thể duytrì sự kết hợp lượng tử trong một khoảng thời gian
dài đáng kể như vậy? Nếu chúng ta có thể tìm ra câu trả lời cho câu hỏithứ hai vừa
nêu, thìđiều này có thể giúp các nhànghiêncứu bắtchướcphương thức chim chóc
khai thácnhữngtrạng thái lượng tử này trong nhữngkhoảngthời giankéo dàihơn
và giúp phát triển cáccông nghệ lượng tử thực tiễn.
Theo mô hìnhcặp căn, phía saucủa mắt chim chứa vôsố phân tử cảm thụ từ
trường. Những phântử này tạo ra mộthình ảnh,mà chimchóc có thể nhìnthấy,
chỉ rõhướngcủa từ trường.Mỗi phân tử như vậy có bathành phầnquan trọng: có
hai electron,ban đầubị quang kích thích sangtrạng thái độc thân, và mộtspin hạt
nhânkết hợpvới một spin của haielectron. Sự kết hợp nàylà dị hướng, chonên
phân tử đó có tínhđịnh hướng đối với nó. (Ảnh:Erik Gauger/Hội Vật lí HoaKì)
Làm thế nào ông lại quan tâm đến lĩnh vực nghiên cứu này?
Nghiêncứu của tôi là công nghệ thông tin lượngtử, lĩnh vực thường thì
chẳng cógì để làm với các loài sinhvật sống cả. Các đồng nghiệp và tôitrở nên

hứngthú với la bàn ở thế giới loàichim saukhi đọc đượcnhững kết quả thực
nghiệmmới nhấttừ Roswithavà WolfgangWiltschko, các nhà nghiên cứu ở
Frankfurt. Chúng tôi đã nhập cuộc sau khimột phép tính nhẩmđơn giản khiến
chúng tôi nhậnra rằng sự kết hợp lượng tử phải đượcduy trì trong mộtkhoảng
thời gian rất lâu trong cấu trúc phân tử của cặpcăn, chonên chúngtôi thựchiện
thêmcác phép tính phứctạp, và rồi nhận thấy ước tínhbanđầu của chúng tôi thật
sự làđúng.Cho dù rốt cuộc khám phá này cótỏ rahữuích hay không đốivới các
ứng dụngthôngtin lượng tử, thì la bàn ở thế giới loài chim là một vấn đề nghiên
cứu thậtlí thú,và nghiên cứuvấn đề nàyđúng là thật sự vui đấy.