Phép Siêu Tính Hé Lộ Dạng Hình Học của ‘Sự Tắc Nghẽn’ (Flickr)
Bằng việc sử dụng một siêu máy tính và các công thức toán học siêu đẳng, các nhà vật lý đã dự đoán được một số hiện tượng sẽ xảy ra khi các vật thể đang chuyển động tự do đột ngột bị ép dừng lại.
Phương pháp của họ nắm bắt được điểm tắc nghẽn thông qua cách xác định các dấu hiệu hình học, với điểm tắc nghẽn là điểm mà tại đó các vật thể dịch chuyển giao nhau.
Thành quả đạt được, mặc dù có lẽ vẫn còn rất xa, có thể là bản vẽ sự vận chuyển chi tiết giúp ngăn ngừa tình trạng ngừng hoạt động của các băng chuyền quá tải trong nhà máy, phân tách các mỏ dầu xen lẫn trong cát, hoặc cho phép chuyển giao các gói dữ liệu có dung lượng lớn qua mạng một cách nhanh chóng và hiệu quả – nghiên cứu sinh Peter K. Morse và giáo sư vật lý Eric I. Corwin của Đại Học Oregon nhận định.
Nghiên cứu của họ đã được đăng lên tạp chí Những lá thư bình phẩm Ngành Vật lý bản điện tử trước khi được xuất bản.
“Lịch sử ngành này chuyên đi nghiên cứu các tính chất cơ học rất gần với trạng thái chuyển giao, ví dụ: ngay khi một đụn cát bắt đầu tản ra”, Corwin nói.
“Điều khác biệt mà chúng tôi đang làm ở đây là việc đặt ra câu hỏi, điều gì đã xảy ra trước khi đụn cát bắt đầu tản ra. Khi nó không tản ra, bạn sẽ không thể lấy được bất kỳ thông tin nào về tính chất cơ học của nó. Nên, thay vào đó, chúng tôi tập trung vào yếu tố hình học – yếu tố này cho biết các phần tử kết hợp với nhau thành hình gì”.
Có tồn tại một loại trạng thái vật chất thứ tư?
Theo Corwin, vấn đề này liên quan đến một câu hỏi cũ rích hay được dùng để giới thiệu môn vật lý ở giáo dục cấp thấp: Cát là chất lỏng, chất rắn, hay chất khí? “Hãy đắp một đụn cát, lùi lại để quan sát, đụn cát sẽ giữ nguyên hình dạng, nên rõ ràng nó là chất rắn”, ông nói. “Nhưng tôi có thể lấy nguyên lượng cát đó và đổ vào một cái xô; cát sẽ chảy vào và có hình dạng của vật chứa với một bề mặt phẳng, nên rõ ràng nó là một chất lỏng. Hoặc là tôi có thể lấy một cái nắp che miệng cái xô lại và rung lắc thật mạnh, khi tôi làm như thế cát sẽ di chuyển khắp bên trong không gian xô. Vậy rõ ràng cát là một chất khí. Trừ khi, nó không phải là các dạng vật chất trên.
“Điều này dẫn đến một loại vật liệu dạng hạt, hoặc các vật thể nhỏ đủ thứ trộn lại, được cho là trạng thái vật chất thứ tư”, ông tiếp tục. “Vậy cát còn là thứ nào khác không? Một điều mà tất cả mọi người đều thừa nhận – đó là cát hoặc một đống sỏi hoặc một đống bi thủy tinh hoặc vật mang dạng cầu đều có một đặc điểm chung rất đặc thù – khi chúng tản ra xung quanh chúng không thể chống đỡ bất kỳ vật nặng nào hết.
“Nếu bạn tiếp tục nén nó, làm chúng càng đặc hơn, đặc hơn nữa, bạn sẽ tiến thêm bước trong việc khám phá về mật độ của vật liệu. Điều này nhanh như bật-tắt một công tắc vậy, đột nhiên nó sẽ có thể chống đỡ được sức nặng”.
“Hàng xóm” của mỗi phần tử
Các nhà nghiên cứu cho biết, điểm cơ bản là việc xác định “láng giềng” của mỗi phần tử. Điều này được thực hiện thông qua sơ đồ Voronoi, một phương thức phân chia các không gian thành một số vùng. Sơ đồ này được phát minh bởi Georgy Feodosevich Voronoy, một nhà toán học người Nga vào cuối thế kỷ XIX.
“Hãy thử tưởng tượng một quần thể các hòn đảo trên đại dương”, Morse nói. “Nếu bạn bị rơi xuống nước bạn cần nhanh chóng bơi đến hòn đảo gần nhất. Bạn có thể nói là mỗi hòn đảo “sở hữu” vùng đại dương áp sát với nó, vậy thì các hòn đảo “sở hữu” các vùng đại dương phụ cận với hòn đảo của bạn là những người hàng xóm gần nhất. Chúng tôi sử dụng ví dụ này để hình dung kết cấu hình học bên trong một đụn cát”.
Khả năng giao nhau tại điểm “tắc nghẽn”
Để nghiên cứu xem điều gì sẽ xảy ra với kết cấu hình học bên của đụn cát khi nó bị nén lại, họ điền các dữ liệu vào siêu máy tính ACISS (Thiết bị tính toán ứng dụng cho quá trình tổng hợp dữ liệu khoa học) của Đại Học Oregon, có áp dụng sơ đồ Voronoi.
“Bằng việc sử dụng những ô này, gọi là các ô khảm lát Voronoi, bạn có thể khám phá ra tất cả những gì bạn muốn biết về các vật thể hình học – thể tích, diện tích bề mặt, số lượng các mặt – thông qua khả năng thu thập được tất cả các loại thông tin”, Morse nói. “Tất cả các đặc tính hình học mà bạn có thể hình dung ra tới nay cho chúng ta thấy các hệ thống dưới mức giới hạn “tắc nghẽn” là rất khác với các hệ thống được quan sát bằng mắt thường hoặc đang ở giới hạn “tắc nghẽn”. Chúng ta rốt cục sẽ hiểu ra rằng cái sơ đồ hình học đơn thuần này sẽ hiển thị ra quá trình chuyển giao tại thời điểm “tắc nghẽn” này”.
Và bằng cách thực hiện các phép toán trong những không gian đa chiều khác nhau – đến tận chiều thứ tám trong dự án này – các nhà nghiên cứu sẽ hiểu được rằng Vật lý học quá trình “tắc nghẽn” có thể được xác định đơn thuần bằng cách quan sát xem điều gì sẽ xảy ra trong sự chuyển giao từ các không gian 2 chiều đến không gian 3 chiều.
Khi đạt được đến trình độ vận dụng các kiến thức vào các chiều không gian cao hơn, Corwin nhận định, chúng ta mới có thể xem xét việc ứng dụng để mở rộng hơn nữa khả năng truyền dữ liệu.
Quỹ Khoa Học Quốc Gia tài là đơn vị tài trợ cho dự án này.
Tác giả: Jim Barlow-Oregon, Đại học Oregon
Tái bản từ Futurity.org dưới Creative Commons phiên bản thứ 3.0
Dịch Việt ngữ bởi: Việt Nguyên