WILLIAM THOMSON VÀ NỀN CÔNG NGHIỆP CỦA SỰ SỐNG

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'william thomson và nền công nghiệp của sự sống', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: WILLIAM THOMSON VÀ NỀN CÔNG NGHIỆP CỦA SỰ SỐNG

WILLIAM THOMSON VÀ N N CÔNG NGHI P C A S S NG Mark Haw M t th k sau khi ông qua i, công trình tiên phong c a Kelvin v nhi t ng l c h c – cơ s c a Cách m ng Công nghi p – ư c ph n ánh b i các nhà nghiên c u khám phá các ng cơ sinh h c c p ngu n cho b n thân s s ng, như Mark Haw mô t sau ây. i v i a s các nhà v t lí, c m t “lí thuy t c a t t c ” ám ch m t lí thuy t th ng nh t các tương tác cơ b n c a t nhiên, cu c truy tìm cái ã làm cho các nhà nghiên c u b n r n trong ph n t t p nh t c a th k v a qua. V i cách nói c a lí thuy t siêu dây, các a vũ tr và không-th i gian 11 chi u, lí thuy t c a t t c có th trông r t gi ng như ch t li u c a th k 21, c a nh ng biên gi i h u như “ch ng i t i âu” c a toán h c d thư ng và v t lí lí thuy t. N n công nghi p c a s s ng Tính n nay, có m t lo i khác thu c v lí thuy t c a t t c ngư c dòng th i gian tr l i gi a th k 19. Trong khi lí thuy t siêu dây nh m t i b o cho chúng ta bi t m i th là cái gì, thì lí thuy t th i Victoria này úng hơn là lí thuy t c a cái mà m i th u th c hi n. Và b t ch p tu i tác c a nó, lí thuy t ó hi n ang h a h n m t cu c cách m ng th k 21 trong phương pháp chúng ta tìm hi u các ch c năng ph c t p c a b n thân s s ng. © hiepkhachquay Trang 1/12
Lí thuy t c a m i th này còn có tên g i là nhi t ng l c h c: lí thuy t v năng lư ng. M i th x y ra trong vũ tr - t vi c lu c qu tr ng n chuy n ng quay c a các thiên hà – u liên quan t i s chuy n hóa năng lư ng. Vì v y, m t lí thuy t cách th c chuy n hóa năng lư ng nh m làm thay i tr ng thái, s s p x p hay thành ph n c a v t ch t là m t lí thuy t c a m i th x y ra. S ra i c a khoa h c v năng lư ng có niên i t chi u cao c a th i i Victoria cách ây 150 năm, và nh t là v i William Thomson (thư ng g i là huân tư c Kelvin). Kelvin, ngư i m t cách ây tròn 100 năm vào ngày 17/12/1907, tr thành giáo sư tri t h c t nhiên t i trư ng i h c Glasgow lúc tu i 22 và ti p t c tr thành m t nhân v t tinh hoa c a n n khoa h c Victoria, ư c phong quý t c và gi trong tay m t n m b ng phát minh sáng ch . Trong khi ông có nh ng óng góp l n cho m t ph m vi r ng lĩnh v c n m c kinh ng c, thì vai trò quan tr ng nh t c a Kelvin là, sát cánh cùng các nhân v t Rudolf Clausius, Sadi Carnot và James Joule, phát tri n nhi t ng l c h c. M c dù ư c bi t t i nhi u hơn b i tên tu i mà sau này ông có ư c trong cu c s ng, nhưng ngài Kelvin sinh ra trong gia ình William Thomson ch t phác Belfast, vào ngày 26/6/1824. Không bao lâu sau ó, gia ình ông chuy n n Scotland, nơi ó cha ông tr thành giáo sư toán h c trư ng i h c Glasgow. Thomson tham d các bu i thuy t gi ng c a cha ông t khi lên 7 tu i, ư c nh n vào làm sinh viên chính khóa khi lên 10, và tu i 15 ã công b m t bài báo v chu i Fourier. Chàng trai tr Thomson ư c k t n p vào i h c Cambrdige năm 1841, cha ông khuyên can ông nên tránh xa s nh hư ng phung phí c a th thao và gi i trí. M c dù bơi thuy n nhi u trên dòng sông Cam và chơi kèn concert trong h i âm nh c, nhưng Thosom d dàng ư c công nh n là trí tu uyên bác nh t vào th i c a ông. Khi ngư i gi gh giáo sư tri t h c t nhiên c a Glasgow qua i năm 1846, cha c a Thomson ã th c hi n v n ng chính tr tích c c nâng ngư i con trai c a ông vào gi ch c v còn tr ng ó. Thomson m nh n tr ng trách Glasgow tu i m i 22, và r i ông b t u m t s nghi p thành công n m c áng kinh ng c kéo dài hơn n a th k tr i. © hiepkhachquay Trang 2/12
Sau này, ngư i em trai James thăng ti n n ch c giáo sư công ngh : gia ình Thomson tr thành m t tri u i khoa h c và hàn lâm. Ngư i em trai James, ngư i ban u ư c ào t o làm kĩ sư hàng h i h c vi c, gi m t vai trò quan tr ng trong phương pháp ti p c n khoa h c c a Thomson. Trong m t b c thư, James nh l i m t bu i chi u năm 1842 khi ông và William ng bên c nh m t con sông ào quan sát nư c ch y vào m t c a c ng làm y con thuy n i. ó là m t minh ch ng hay c a năng lư ng ang chuy n hóa thành công, vào lúc mà ý tư ng c a ngư i anh trai v năng lư ng và công ch v a m i hình thành. Tuy nhiên, cái làm mê ho c h là năng lư ng b m t i khi nư c b n tóe vô ích trên các m t c a c a c ng thay vì giúp nâng con thuy n lên. Không bi t có nguyên lí cơ b n nào xác nh m c hi u qu mà năng lư ng có th ưa vào s d ng hay không ? Câu h i này choán trong u Thomson su t hàng th p k sau ó. ư c d n d t b i các thí nghi m c a James Joule và nghiên c u c a Sadi Carnot, Thomson d n d n i n hi u th u b n ch t c a năng lư ng, nhi t và nhi t . Ông t ra có m t s c ch u ng vô h n trong cu c v t l n v i nh ng câu h i hóc búa c a t nhiên và công ngh , tuyên b th ng th ng r ng không có v n gì n m ngoài t m v i c a khoa h c. Ông ư c n hoàng Victoria phong tư c hi p sĩ vào năm 1866 cho ph n óng góp c a ông trong vi c thi t k nh ng thi t b nh y dùng cho h th ng truy n thông xuyên i dương u tiên. ư c thăng ti n vào hàng ngũ quý t c năm 1892, ông l y tên là huân tư c Kelvin theo tên con sông ch y qua phía tây sát sau trư ng i h c Glasgow. S hi u kì c a Thomson chưa bao gi gi m sút. Khi ngh hưu Glasgow năm 1899, ông l p t c t ăng kí tr l i làm sinh viên nghiên c u. Ngay c trong năm ông qua i, tám năm sau ó, ông ã công b 6 bài báo nghiên c u. Kelvin m t t i nhà ông Largs, Ayrshire, vào ngày 17/12/1907 sau m t cơn b nh ng n ngày. Carnot, Joule, và Clausius ã ra i trư c ó: s qua i c a William Thomson ánh d u ho t ng cu i cùng c a trong th i kì l n th nh t c a khoa h c v năng lư ng: nhi t ng l c h c. M c dù trư c ó Newton ã mang l i s ti n b l n trong vi c hi u khái ni m l c và h p d n, nhưng năng lư ng g n như hoàn toàn là m t bí n vào u th k th 19. Các nh lu t c a nhi t ng l c h c, do Kelvin và Clausius phát tri n tìm hi u b n ch t c a nhi t và ý nghĩa c a nhi t , mang l i nh nghĩa ch c ch n cho năng lư ng và các quy lu t mà nó có th chuy n hóa. Th t v y, nhi t ng l c h c ã khơi d y m t cu c cách m ng khoa h c quan tr ng không kém các nh lu t Newton hay v t lí lư ng t vào n a u th k 20. Nhưng cu c cách m ng nhi t ng l c h c c a Kelvin ch ang m i b t u. Ngày nay, nghiên c u m i v các h s s ng và công ngh nano ang thách th c các gi i h n c a lí thuy t th k 19 ó. M t th k sau khi Kelvin qua i, các nhà nghiên c u ang làm phát sinh cu c cách m ng l n th hai trong cách th c chúng ta hi u v b n ch t c a năng lư ng. Năng lư ng và n n công nghi p Cơ h c Newton làm thay i cách th c chúng ta nhìn nh n th gi i b ng cách chuy n khái ni m l c sang m t khuôn kh toán h c chính xác. Nhưng i u này l i nghi v n chưa ư c gi i quy t c a năng lư ng: dung lư ng c a l c th t s th c hi n m t vi c gì ó, ví d như chuy n ng, s p x p l i, hay chuy n hóa v t ch t. Trong nh ng năm u th p niên 1880, có ít cách hi u th u áo v các quy lu t c a năng lư ng, hay v b n ch t c a nhi t và nhi t . Cu c cách m ng công nghi p ã mang l i ng cơ thúc y cho khoa h c b t k p v i công ngh . N n công nghi p d a trên các ng cơ: nh ng d ng c chuy n hóa năng lư ng thu nh n công, nó có th là m t bánh xe nư c làm quay chi c c i © hiepkhachquay Trang 3/12
xay hay m t ng cơ hơi nư c i u khi n cái bơm trong m . Vào nh ng năm 1820, nhà kĩ sư quân s ngư i Pháp Sadi Carnot nh n ra r ng trong khi nư c Pháp h u Napoleon khó mà sánh n i v i nư c Anh v phương di n công ngh , thì các quy lu t cơ b n c a ng cơ, ví d như các quy lu t chi ph i hi u su t c a nó, v n không ư c ch ng . Carnot nh n ra r ng m i ng cơ u chuy n hóa năng lư ng t d ng này sang d ng khác, và trong quy n sách năm 1824 c a ông, Sur la puissance motrice du feu, ông ch ra th t s có nh ng quy lu t chung xác nh hi u su t c c i mà m t ng cơ có th thu ư c. Các quy lu t ó không ph thu c vào công ngh , cho dù là s d ng s c hơi nư c, s c nư c hay b t kì ngu n nào khác, mà ph thu c vào nh ng i lư ng cơ s như nhi t và nhi t . M t ph n do ông m t s m vì b nh d ch t năm 1832, nghiên c u c a Carnot ã rơi vào quên lãng. Tuy nhiên, m t th p niên sau, tài c a ông l i ư c khơi d y b i Kelvin, khi ó là m t v giáo sư tr Glasgow, và b i nhà khoa h c ngư i c Rudolf Clausius. Su t th p niên sau ó, Kelvin và Clausius, ư c nh hư ng úng b i các thí nghi m c a James Joule Manchester, ã hoàn thi n nh nghĩa không d t khoát c a Carnot v nhi t và nhi t , và do ó ã hình thành nên cơ s c a nhi t ng l c h c. Kelvin và Clausius nêu ra hai nh lu t, hay “quy lu t c a ng cơ”. nh lu t th nh t phát bi u r ng năng lư ng không th b m t i hay t o ra mà ch chuy n hóa, còn nh lu t th hai bi u di n gi i h n cơ b n c a cái mà s chuy n hóa năng lư ng có th thu ư c dư i d ng thu t ng th c hành. T c là nh lu t th nh t d a trên khái ni m năng lư ng, còn nh lu t th hai xây d ng trên cơ s m t khái ni m m i g i là entropy. i khái ó là s o s m t tr t t , Clausius t tên i lư ng ó như th là ghép nó v i “en-ergy” [năng lư ng] (“trope” ti ng Hi L p có nghĩa là “bi n i”). Khi bi u di n b ng nh ng thu t ng như th , nh lu t th hai phát bi u r ng entropy không th gi m trong b t kì quá trình t phát hay t nhiên nào. Có ư c các nh lu t c a nhi t ng l c h c mô t cách th c chuy n hóa năng lư ng nh hư ng n s bi n i tr ng thái c a m i v t ch t, Kelvin và Clausius ã ti n xa kh i các ng cơ công nghi p c a Carnot. i u này ch ng minh p m t làm th nào s nghiên c u mang l i cho b n nhi u hơn b n m c c : m t nghi v n v hi u su t c a ng cơ hơi nư c ã m ra g c r c a m t lí thuy t c a m i th . Các ng cơ c a s s ng Tuy nhiên, nhi t ng l c h c ki u Kelvin và Clausius v n chưa là m t lí thuy t n r c a m i th . Vâng, s chuy n hóa năng lư ng là chìa khóa m i th x y ra trong vũ tr . Nhưng i m t trư c s h u như hoàn toàn mù t t v b n ch t c a b n thân năng lư ng, Kelvin và Clausius ã ph i b t u v i m t lí thuy t ch áp d ng ư c dư i m t t p h p i u ki n hoàn toàn h n ch - g i là nh ng quá trình g n cân b ng trong nh ng h c l n cô l p v i môi trư ng xung quanh c a chúng. Tuy nhiên, trong 20 năm v a qua hay ng n y năm, ti n b trong ngành hi n vi h c và i u khi n h c kích thư c micron ã cho phép các nhà v t lí và nhà khoa h c khác ào sâu vào s ho t ng c a ch c năng ph c t p nh t c a v t ch t: © hiepkhachquay Trang 4/12
ó là s s ng. Gi ng như m i quá trình trong vũ tr , s s ng b chi ph i b i s chuy n hóa năng lư ng thu ư c b i các ng cơ thu c d ng này hay d ng khác. Khám phá c a Crick và Watson v c u trúc c a DNA vào năm 1953 có th là m t bư c ti n ch y u hư ng t i vi c nh nghĩa các v t li u cơ b n c a s s ng, nhưng câu h i th t s là làm th nào các ng cơ c a s s ng th t s ho t ng ư c ? Trong vi c c g ng tr l i câu h i này, các nhà nghiên c u hi n nay ang ph i m r ng nhi t ng l c h c ra kh i các h n ch th k 19 c a nó Chuy n ng gi ng như bư c c a các ph c t p kinesin trong cơ th ngư i là i tư ng cho các dao ng ng u nhiên và không th mô t b ng nhi t ng l c h c tr ng thái cân b ng. M t ví d c a ng cơ s ng là protein kinesin, protein c n thi t cho s v n chuy n các ch t bên trong t bào. Kinesin chuy n hóa hóa năng thành chuy n ng b ng liên k t adenine triphosphate (ATP) – kho hóa ch t vô song c a sinh v t h c – theo ki u protein thay i hình d ng, nh ó cho phép nó “ i b ” theo giàn khung hay cytoskeleton c a t bào. Nhưng các t bào ho t ng cũng nh nhi u protein khác, t màng bơm i u khi n dòng ch t dinh dư ng i vào t bào cho n các ch t trùng h p c u trúc nên chu i RNA và DNA. T t c các phân t này chuy n hóa năng lư ng làm chuy n d i v t ch t – nói cách khác, chúng u là ng cơ. Nh nh ng thành công trong kĩ thu t b y laser, ngày nay các nhà khoa h c có th quan sát nh ng ng cơ vi mô này lúc ang ho t ng. Ch ng h n, năm 2000, m t nhóm nghiên c u ng u là Toshio Yanagida trư ng i h c Osaka, Nh t B n, ã nghiên c u chuy n ng c a t ng phân t kinesin theo chi u dài c a cytoskeleton liên k t v i các h t b t có th gi trong b y laser. B ng cách g n các ch t ánh d u huỳnh quang lên các kinesin làm cho chúng kh ki n, các nhà nghiên c u ã quan sát ư c t ng protein th b d c theo các rãnh cytoskeleton. Nghiên c u này xây d ng trên công trình th c hi n b i Steven Block, hi n nay trư ng i h c Stanford, Mĩ, ngư i cùng v i các c ng s h i năm 1994 ã o ư c các l c piconewton nh xiu do m t phân t kinesin gây ra. B ng cách nghiên c u cách th c nh ng ng cơ phân t này chuy n hóa năng lư ng thành chuy n ng, các nhà nghiên c u như Yanagida và Block ang l n theo bư c chân c a các nhà khoa h c th k 19 như Kelvin và Clausius. Nhưng bây gi các ng cơ là nh ng phân t vi mô, ch không ph i nh ng c máy g m ghi c c a n n công nghi p th i Victoria, và ang thách th c n n nhi t ng l c h c ã thi t l p. Gi m kích thư c ng cơ Các nhà tiên phong c a nhi t ng l c h c ã phát tri n các nh lu t c a h d a trên các h vĩ mô mà h có th mô t dư i d ng nh ng i lư ng “trung bình”, ví d như áp su t và nhi t . i u này chính xác cho m t ng cơ hơi nư c tiêu © hiepkhachquay Trang 5/12
bi u, ch a hàng trăm lít hơi nư c và c u thành t m t s lư ng r t l n phân t . Ch ng h n, 22 lít hơi nư c ch a nhi u hơn 1023 phân t , khi n cho các i lư ng trung bình hoàn toàn có th ch p nh n ư c vì s b t thư ng c a m t hay hai phân t riêng l là không áng k . Tuy nhiên, m t protein tiêu bi u có kích thư c ch vài ba nano mét và ch a ch vài ch c ngàn nguyên t . Vì th các quy lu t vĩ mô th t b i trong vi c mô t ch c năng c a ng cơ protein, chúng quá nh nên s l ch và thăng giáng c a chuy n ng và năng lư ng c a chúng ph i ư c tính n. Nh ng thăng giáng này là do chuy n ng Brown – k t qu do s b n phá liên t c b i các phân t xung quanh – làm cho năng lư ng c a b t kì m u v t ch t nào cũng dao ng theo ơn v kBT, trong ó kB là h ng s Boltzmann và T là nhi t . Tuy nhiên, vào th i Kelvin, t m quan tr ng c a chuy n ng Brown i v i khoa h c v năng lư ng v n là m t bí n và không ư c ánh giá úng mãi cho n khi có công trình l n c a Einstein trong lĩnh v c này 50 năm sau ó. Khi b kéo căng b i ngo i l c, các phân t RNA b n i l ng l n x n, không gi ng như, ví d , m t d i àn h i. N u m t ng cơ vĩ mô, ví d như ng cơ xe hơi, ch u s thăng giáng năng lư ng như th , piston c a nó s nh y lên xu ng ng u nhiên bên trong xilanh và làm gi m hi u su t ng cơ. Nhưng vì năng lư ng i kèm m t chu trình piston c a ng cơ t trong là kho ng 100 J (b ng v i x p x 1022 kBT), nên s tăng hay gi m t nhiên c a m t ho c hai kBT là hoàn toàn không áng k . Hãy so sánh giá tr này v i lư ng năng lư ng s d ng b i m t ng cơ protein: m t phân t kinesin s d ng kho ng 12 kBT / “bư c”, có nghĩa là thăng giáng vào b c kBT tương ng v i g n 10% năng lư ng chuy n ng. K t qu là phân t thư ng không ti n lên ư c do s thăng giáng năng lư ng. H qu c a s thăng giáng năng lư ng này c a ng ng cơ protein có th nhìn th y tr c ti p trong nh ng thí nghi m, ch ng h n như thí nghi m do Yanagida th c hi n, cho th y kinesin leo theo rãnh cytoskeleton theo m t chuy n ng rung © hiepkhachquay Trang 6/12
l c t o nên nh ng bư c nh y, s ng p ng ng và c gi t lùi ng u nhiên. K t qu tương t có th th y v t ch c a ng cơ protein. Vì v y, câu h i chính trong nhi t ng l c h c hi n i là các thăng giáng năng lư ng y các h vi mô i bao xa ra kh i a h t c a lí thuy t th k 19 ? M r ng nhi t ng l c h c n gi i h n Gi ng như nhi t ng l c h c c a Kelvin ã có cơ s v ng ch c trong nh ng thí nghi m c n th n cho phép ông nghiên c u các quy lu t c a năng lư ng c p vĩ mô, các nhà nghiên c u hi n i ã phát tri n nh ng “phòng thí nghi m” vi mô khai thác nhi t ng l c h c kích thư c nh . a s có liên quan t i vi c ưa m t h vi mô ơn gi n hóa – t c là m t h kém ph c t p hơn nhi u so v i m t protein th t s - ra kh i tr ng thái cân b ng năng lư ng c a nó và sau ó quan sát cái x y ra khi nó quay tr l i tr ng thái cân b ng. Vì năng lư ng i u ch nh thư ng cùng b c l n v i năng lư ng thăng giáng, nên hành trình quay tr l i tr ng thái cân b ng là i tư ng cho s ch ch kh i m c thăng giáng i u ch nh. Năm 2002, Carlos Bustamante trư ng i h c California và các c ng s ã kéo căng m t phân t RNA b ng cách s d ng b y laser gi t m nh m t h t plastic nh bu c m t u. Khi phân t b kéo căng, năng lư ng c a nó tăng lên, cho nên b ng cách cho h t b t chuy n ng, các nhà nghiên c u có th nghiên c u nh hư ng c a các thăng giáng năng lư ng ng u nhiên khi phân t co tr l i. Trong trư ng h p phân t RNA dài và linh ng, nh ng thăng giáng này b chi ph i b i s b n phá Brown u n c a hàng t phân t nư c xung quanh, làm cho nó ng ngu y. i c a Bustamante ã kéo căng phân t RNA nhi u l n v i năng lư ng như nhau, và nh n th y “ ư ng n i l ng” c a nó m i l n m i khác nhau. c p vĩ mô, nó s gi ng như m t cái lò xo b kéo căng, sau khi nó ư c ưa vào chuy n ng, ng th i t kéo căng ra m t chút n a trong m t chu kì ng n b ng cách h p th và phát ra các xung năng lư ng ng u nhiên. M t h vi mô còn ơn gi n hơn n a trong ó các thăng giáng l n át ư c kh o sát t m b i Denis Evans và các ng s t i trư ng i h c qu c gia Australia Caberra vào năm 2002. Các nhà nghiên c u gi m t h t b t plastic kích thư c micron trong m t b y laser, và nghiên c u vai trò c a các thăng giáng năng lư ng t các phân t nư c xung quanh ơn gi n b ng cách i hư ng b y laser ra kh i h t b t và quan sát hi n tư ng x y ra khi s không cân b ng c a áp su t ánh sáng kéo gi t h t b t tr l i v trí ban u c a nó (th i gian m t kho ng ch ng 2s). Th t ng c nhiên, k t qu c a h tho t trông hình như ã ánh n n t ng r t v ng ch c c a nhi t ng l c h c: ó là nguyên lí th hai. Vì nguyên lí hai c a nhi t ng l c h c không cho phép b t c s chuy n hóa năng lư ng t phát nào làm cho entropy c a h gi m, nên nó t m t gi i h n v ng ch c lên kh năng c a h ó chuy n hóa năng lư ng thành công có ích. Tuy nhiên, m t s qu o h t b t trong thí nghi m c a Evans không liên quan t i s gi m entropy, cho dù là h t b t t phát ng tr l i vào b y laser (t c là trong m t h vĩ mô s không d n t i s tăng entropy toàn ph n). Th c ra, h t b t ang thu hút năng lư ng có ích t s b n phá Brown ng u nhiên c a các phân t nư c và chuy n hóa nó thành chuy n ng. Tuy nhiên, hi n tư ng này ch xu t hi n làm phá v nguyên lí th hai n u như gi s nhi t ng l c h c vĩ mô c a Kelvin và Clausius áp d ng ư c m t cách © hiepkhachquay Trang 7/12
tr c ti p cho các h vi mô. Do ó, k t qu c a Evans ch ng minh rõ ràng r ng cách hi u nguyên lí th hai c n ph i xem xét l i khi b n vư t ra kh i gi i h n c a lí thuy t th k 19 ó. Th t v y, b ng cách theo dõi h t b t và l y trung bình theo các qu o ngày càng dài hơn – nghĩa là ti n t i m t tr ng thái vĩ mô – Evans và các c ng s có th tìm l i ư c nguyên lí th hai quen thu c. Trong m t chu kì th i gian vĩ mô, s n i l ng h t b t th t s chưa bao gi làm tăng entropy toàn ph n c a h . Do ó, nguyên lí th hai không b phá v , nó ch tr nên vài ph n huy n o hơn và ph n ánh s tương tác ph c t p gi a năng lư ng và v t ch t trong các ng cơ vi mô. Cân b ng hay không cân b ng Nói i khái, nhi t ng l c h c th k 19 ch áp d ng ư c cho các h gn tr ng thái cân b ng, nói cách khác, ó là nh ng h không có s bi n thiên ch y u nào v nhi t , áp su t hay thành ph n hóa h c, và do ó không có dòng chuy n d i ch y u hay l c nào tác d ng. y là do m i th x y ra m t cách êm m và ch m ch p g n tr ng thái cân b ng, và do ó tuân theo m t lí thuy t tương i ơn gi n. Nhưng vì các thí nghi m như RNA b kéo căng c a Bustamante hay h t b t vi mô b gi t m nh c a Evans ch c ch n b t ngu n t th gi i thi u sót do thăng giáng gây ra, nó h u như gây thêm c m giác ph i lo i b nhi t ng l c h c tr ng thái cân b ng c a Kelvin và b t u tr l i t s h n t p. Tính n nay, b ng cách phân tích nh ng thí nghi m như th ch t ch hơn, m t s s tương ng th t b t ng gi a th gi i vĩ mô và vi mô ã ư c hé m . Tr ng thái cân b ng c a m t h vi mô, ví d m t t p h p nh ng h t b t nh , có th i u khi n ư c b ng cách i u ch nh cư ng c a b y quang laser c m ng t m nh (trái) n y u (ph i), nh ó cho phép các nhà nghiên c u kh o sát các gi i h n c a nhi t ng l c h c truy n th ng. Các h cân b ng vĩ mô có th mô t d dàng b ng cách xét s bi n i năng lư ng toàn ph n, y u t chi ph i các tính ch t ví d như t c c a ph n ng hóa h c. Tuy nhiên, m t quá trình vi mô, không cân b ng là i tư ng cho s thăng giáng năng lư ng s không chia s nhi u v i s o năng lư ng cân b ng. Vì th , vi c tiên oán hành vi c a m t ng cơ vi mô thì ph c t p hơn nhi u, vì ngư i ta không th ch o năng lư ng bi n i cùng v i m t phân t và sau ó gi s r ng k t qu này áp d ng ư c cho m i ng cơ tương t . Tuy nhiên, m t th p niên trư c, Christopher Jarzynski trư ng i h c Maryland, Mĩ, ã tiên oán r ng ngay c nh ng thí nghi m h t s c không cân b ng v t ng phân t cũng n ch a nh ng d u hi u bí n c a s cân b ng © hiepkhachquay Trang 8/12
Tư ng tư ng m t quá trình phân t riêng l vi mô, Jarzynski tính ư c không ch tr trung bình ơn gi n c a năng lư ng c a h khi nó b kéo kh i tr ng thái cân b ng, mà còn tính ư c tr trung bình c a s mũ c a năng lư ng ó. Th t áng chú ý, ông ch ra r ng tr trung bình s mũ này có cùng giá tr như năng lư ng cân b ng thích h p v i mô hình tương ương ch m và êm m c a quá trình ó. i v i Jarzynski, i u này th t b t ng , vì nó có nghĩa là thông tin v s cân b ng vĩ mô vì lí do gì ó chôn vùi bên trong t ng h vi mô thăng giáng ng u nhiên n m xa tr ng thái cân b ng. Các thí nghi m c a Bustamante xác nh n k t qu c a Jarzynski. Phân t RNA trong cơ c u ban u c a Bustamante b kéo căng r t nhanh, nghĩa là h ra kh i tr ng thái cân b ng vì không có th i gian cho năng lư ng và l c căng u ra t ng giai o n c a quá trình. Nhưng i c a Bustamante cũng nghiên c u hi n tư ng x y ra khi phân t b kéo căng r t ch m, theo ó nh ng bi n i ch m ch p có th ư c phân tích b ng nhi t ng l c h c cân b ng chu n. So sánh k t qu này v i tr trung bình s mũ c a Jarzynski c a quá trình kéo căng phi cân b ng c a mình h tìm th y s phù h p trong vòng n a ơn v kBT. V nguyên t c, i u này có nghĩa là các nhà nghiên c u có th tìm hi u và s p t cơ ch hóa h c c a các ng cơ vi mô ch b ng cách ti n hành nh ng thí nghi m phi cân b ng “tàm t m” lên t ng phân t . Nhưng có l quan tr ng hơn là câu h i t i sao m t quá trình vi mô, rõ ràng không cân b ng, ví d như s kéo căng nhanh chóng m t phân t RNA ph i chôn vùi trong nó h t gi ng c a s cân b ng ? Tr l i câu h i này có th bu c chúng ta ph i trau chu t l i khái ni m r t cơ b n v s cân b ng. Năm 2006, Dean Astumian trư ng i h c Maine, Mĩ, xu t r ng trong trư ng h p các ng cơ vi mô, s cân b ng nghĩa là m t th gì ó hơi huy n o hơn so v i cái hình thành trong u c a Kelvin và Clausius. úng hơn, Astumian bi n h , có nhi u v c a tr ng thái cân b ng. Ch ng h n, theo ý nghĩa cơ h c, RNA b kéo căng c a Bustamante là tr ng thái cân b ng, vì trong b t kì ch c lát nào trong su t quá trình chuy n ng c a phân t , l c c a ch t lưu kéo theo và chuy n ng Brown ng u nhiên cân b ng t t v i nhau (n u chúng không cân b ng, phân t s gia t c, ó không ph i là tr ng thái khi b kéo căng nhanh). Cho nên, nhìn m t phía thì nh ng thí nghi m này v n ang nghiên c u nhi t ng l c h c cân b ng, và do ó có th mang l i các s o cân b ng. Tuy nhiên, theo thu t ng năng lư ng, ch không ph i cơ h c, thì nh ng h vi mô này không n m tr ng thái cân b ng. Phân t RNA b kéo căng c a Bustamante liên t c nh n và phát ra các xung năng lư ng nhi t do s b n phá u u c a các phân t nư c xung quanh. K t qu là m i quá trình kéo căng có m t l trình c nh t t tr ng thái năng lư ng này sang tr ng thái năng lư ng khác. S hòa h p tương t c a s cân b ng cơ và thăng giáng năng lư ng áp d ng ư c cho b t kì ng cơ vi mô nào – trong ó có kenesin và các ng cơ sinh h c khác. Nh ng ng cơ này có m t chân n m trong phía cân b ng, và chân kia trong th gi i thăng giáng và phi cân b ng. Có l bài h c ây là n n nhi t ng l c h c m i không ch là m t s b sung cho n n khoa h c th i Victoria: vi c tìm hi u các h vi mô kêu g i m t s xét l i tri t c nh ng khái ni m cơ b n nh t c a chúng ta. © hiepkhachquay Trang 9/12
Lí thuy t th t s c a m i th Nhi t ng l c h c vĩ mô ã làm bi n chuy n m t th i kì hàn n i v i các ng cơ hơi nư c sang nh ng thi t k khoa h c tiên ti n mà chúng ta s d ng ngày nay. Vi c tìm hi u hi u su t c a ng cơ ã ưa n n công nghi p t các ng cơ hơi nư c (v i hi u su t cao nh t c 5%) n các ng cơ diesel hi n i có th tt i hi u su t 60% (m c dù hi u su t c a m t ng cơ xe hơi tiêu bi u ch hơn 20%). Gi ng như các b n sao sinh v t c a chúng, các ng cơ nano – ví d như vòng phân t RNA này – tuân theo m t d ng m i c a nhi t ng l c h c vư t xa ra kh i gi i h n lí thuy t c a Kelvin. Vi c tìm hi u nhi t ng l c h c c a các ng cơ vi mô có th ưa n nh ng ti n b tương t cp vi mô. Ch ng h n, b ng cách làm sáng t nhi t ng l c h c c a các ng cơ sinh h c như kinesin, có th m t ngày nào ó n n y khoa s chuy n bi n t cách x lí v n tương i b a bãi thành m t môn h c mang tính công ngh trong ó các ng cơ sinh h c như protein ư c s a l i và th m chí ư c i u ch m nh n ch c năng m t cách xác th c và hi u qu hơn. Th t v y, có l v n khoa h c l n nh t là làm th nào mà s s ng d a trên nh ng ng cơ vi mô này, v i s nh y c m c a chúng v i các thăng giáng năng lư ng, l i kh i ng ư c v trí u tiên. N n nhi t ng l c h c m i cũng c n thi t cho công ngh nano. Ph n nhi u trích d n ngu n g c v lĩnh v c này trong th p niên 1990 ã b qua th c t là các ng cơ nano, như protein, ư c c p ngu n b i năng lư ng thu c c p vi mô. Vì th , n n khoa h c c a các ng cơ nano không th tách r i kh i n n nhi t ng l c h c c a các ng cơ vi mô. Cho n nay, th m chí b qua trong tích t c nh ng khác bi t huy n o gi a c p vĩ mô và vi mô, và gi a s nh nghĩa cân b ng và không cân b ng, thì v n có m t gi i h n sau cùng c a nhi t ng l c h c th k 19 có kh năng còn áng k hơn n a. © hiepkhachquay Trang 10/12
Nhi t ng l c h c c a Kelvin xây d ng trên s ơn gi n hóa tri t ca nhà v t lí: ó là h cô l p. Do ó, các nguyên lí c a nhi t ng l c h c vĩ mô ch áp d ng cho các h tách r i kh i môi trư ng c a chúng, ví d như xilanh bên trong ng cơ hơi nư c cách li v i s bi n thiên nhi t và áp su t c a th gi i bên ngoài. Các ng cơ protein tuy t i không hoàn toàn cô l p. Các thí nghi m th c hi n t trư c n nay ã nghiên c u các protein ơn l b kéo ra kh i t bào và cung c p phân t ATP “b ng tay” cho chúng năng lư ng. Tuy nhiên, trong cơ c u t nhiên c a chúng, các ng cơ c a s s ng ch là nh ng b ph n c a m t m ng ch c năng ph c t p gi t bào th s ng. Thách th c l n ti p theo, do ó, là ưa s hi u bi t c a chúng ta v các ng cơ s ng cô l p tr l i th gi i th c t i c a các t bào, nó s yêu c u m t bư c chuy n khác c a n n khoa h c v năng lư ng. Nhi t ng l c h c c a Kelvin là m t cu c cách m ng vì nó nh n ra t m quan tr ng ph bi n c a s chuy n hóa năng lư ng. Các nguyên lí c a nó v năng lư ng và entropy mang l i cho các nhà v t lí m t phương pháp mô t s tương tác c a năng lư ng và v t ch t. Nhưng th c t nó ch m i x lí các tr ng thái g n cân b ng và các h vĩ mô, cô l p có nghĩa là nhi t ng l c h c c a Kelvin ơn thu n là m t cú ánh vào m t thuy t th t s c a m i th . Ngày nay, m t th k sau khi Kelvim qua i, biên gi i c a nhi t ng l c h c t ngay trong a h t c a các h vi mô, không cân b ng. Các nhà khoa h c v n ch m i c m th y con ư ng i c a h trong th gi i m i c a ng cơ vi mô. Nhưng vi c tìm hi u làm th nào nh ng ng cơ như th ho t ng, và chúng tương tác như th nào c p ngu n cho n n công nghi p nano và sinh h c, s y nhi t ng l c h c th i Victoria ti n g n hơn áng k t i m t lí thuy t hoàn ch nh c a năng lư ng và v t ch t. Và khi chúng ta hi u cách th c năng lư ng chuy n hóa trong m i quá trình – t c p ngu n cho u máy hơi nư c t i c p ngu n cho t bào – thì có l chúng ta s ti n g n hơn t i m t lí thuy t th t s c a m i th và là m t lí thuy t có l còn thâm thúy hơn c không-th i gian 11 chi u. Kelvin và n n nhi t ng l c h c m i • William Thomson (sau này là huân tư c Kelvin), ngư i m t cách ây 100 năm vào ngày 17/12/1907, là m t trong nh ng nhà tiên phong c a n n khoa h c v năng lư ng: nhi t ng l c h c. • B ng cách mô t cách th c năng lư ng chuy n hóa thành các d ng khác trong nh ng h vĩ mô, các nguyên lí nhi t ng l c h c chính là chìa khóa d n t i thành công c a cu c cách m ng công nghi p. • Các nhà v t lí hi n ang v t l n v i n n nhi t ng l c h c không cân b ng c p vi mô, trong ó các thăng giáng ng u nhiên do chuy n ng Brown th ng tr . • Nh ng ng cơ vi mô ph c t p nh t là protein và nh ng phân t sinh h c khác c p ngu n cho chính b n thân s s ng. • Nh ng ti n b trong ngành hi n vi h c và b y laser ang cho phép các nhà nghiên c u ti n t i m t cu c cách m ng nhi t ng l c h c l n th hai di n t theo ngôn ng c a công ngh sinh h c và công ngh nano ch không ph i than á và hơi nư c. © hiepkhachquay Trang 11/12
c thêm v Kelvin và n n nhi t ng l c h c m i P Atkins 2007 Four Laws That Power the Universe (Oxford University Press) V Balzani et al. 2004 Molecular devices and machines Physics World November pp39–42 P Coveney and R Highfield 1992 The Arrow of Time (Flamingo, London) M Kurzynski 2005 The Thermodynamic Machinery of Life (Springer, Berlin) D Lindley 2004 Degrees Kelvin (Henry Joseph, Washington, DC) J F Marko and S Cocco 2003 The micromechanics of DNA Physics World March pp37–41 M McCartney 2002 William Thomson: king of Victorian physics Physics World December pp25–29 Tác gi Mark Haw hi n làm vi c t i Khoa Hóa h c và Công ngh Môi trư ng, i h c Nottingham, Anh. Ông là tác gi c a quy n sách Middle World: The Restless Heart of Matter and Life (2007, Macmillan). hiepkhachquay d ch Nguyên b n: The industry of life (t p chí Physics World, s tháng 11/2007) An Minh, ngày 06/11/2007, 9:56:47 PM Tài li u download t i http://www.thuvienvatly.com ho c http://home.1asphost.com/manhan101/ © hiepkhachquay Trang 12/12