Bí ẩn từ trên trời rơi xuống

• Về những siêu cỗ máy vũ trụ trong tương lai

Tranh cãi bùng nổ, với giả thuyết giả tinh thể có cấu trúc ổn định nhờ các lực liên nguyên tử bí ẩn, trong khi một vài quan điểm khẳng định giả tinh thể hình thành từ mối liên kết nguyên tử ngẫu nhiên, và dần phân rã theo thời gian.

Tính chất kỳ quặc

Trước đây, khoa học chỉ định nghĩa khái niệm tinh thể, coi chúng là những vật rắn với những tế bào đơn vị đồng nhất với nhau sắp xếp trong một cấu trúc có chu kỳ. Đối với tinh thể, tế bào đơn vị chỉ có thể mang dạng khối lập phương, tứ diện hay bát diện. 

Từ đá tới kim cương, tất cả các tinh thể trong vũ trụ chứa đựng 14 cấu trúc đối xứng, mỗi cấu trúc tinh thể gồm có một ô cơ sở và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp theo một cách đặc biệt, trong đó vị trí của chúng được lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian ba chiều. 

Khi ý tưởng giả tinh thể xuất hiện, con người vẫn luôn tin rằng chúng không tồn tại trong tự nhiên, mà chỉ được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Bởi lẽ, trật tự nhất định của nguyên tử trong giả tinh thể không lặp lại tuần hoàn, khiến chúng có vô số cấu trúc đối xứng.

Giải mã bí ẩn giả tinh thể có thể giúp khoa học tìm thấy lời giải cho nguồn gốc của vũ trụ.

Khoa học trở nên “phát cuồng” về giả tinh thể. Vô số những giả thuyết ra đời, thậm chí có người tin rằng loại vật chất kỳ quặc này được gửi tới từ một thiên hà xa xôi có người sinh sống ở đâu đó trong vũ trụ. Sự xuất hiện của giả tinh thể đã thay đổi tất cả, mở ra kỷ nguyên nghiên cứu một dạng tồn tại khác biệt của chất rắn, trong đó các nguyên tử sắp xếp dường như đều đặn nhưng không có sự lặp lại. 

Giới chuyên gia gọi giả tinh thể là “ẩn số khó đoán” trong vũ trụ, phá vỡ sự hài hoà vốn có của thế giới nguyên tử siêu nhỏ. Số khác ví von giả tinh thể chẳng khác nào một nốt nhạc lạc tông, được “thả” vào những câu từ lắng đọng giữa các nốt đúng nhịp điệu để tạo nên sự khác biệt.

Sự khác biệt ấy là tính phi chu kỳ của giả tinh thể, không có đối xứng tịnh tiến. Các thí nghiệm chỉ ra một sự thật lý thú: khi dịch chuyển tịnh tiến một mẫu giả tinh thể, hình ảnh thu được sau đó lại không trùng khớp với mẫu ban đầu. Điều này đi ngược lại bản chất vốn có của tinh thể thông thường, đặc trưng bởi tính đối xứng tịnh tiến khiến những tế bào đơn vị được sắp xếp theo một quy luật rõ ràng. 

Chính vì không lặp lại nên các giả tinh thể tạo nên rất nhiều dạng đối xứng quay, có thể được quan sát dưới nhiều góc độ khác nhau với cùng một hình mẫu ban đầu. Ví dụ, giả tinh thể Florence được phát hiện trong mẩu thiên thạch rơi xuống khu vực Khatyrka (Nga) có dạng khối đa diện 20 mặt (nhị thập diện), cho phép quan sát từ 60 góc nhìn khác nhau.

Khoáng chất độc đáo

Sự độc đáo của mảnh thiên thạch chứa giả tinh thể Florence nằm ở thành phần kim loại nhôm (Al), đặt ra câu hỏi lớn về cơ chế hình thành giả tinh thể trong vũ trụ. Các chuyên gia còn tìm thấy sắt và đồng, và những hợp chất của hai kim loại này với nhôm trên mẩu thiên thạch. 

Đây là điều kỳ lạ bởi lẽ từ trước đến nay, đồng không phản ứng với nhôm, chỉ trừ khi có tác động của con người với các chất xúc tác nhất định, còn không thì “mẹ Trái Đất” luôn tách rời hai kim loại này. Hiệp hội khoáng vật học quốc tế (IMA) đã công nhận giả tinh thể nhị thập diện này mang theo một loại khoáng vật mới, với thành phần hóa học khác biệt có công thức hoá học Al63Cu24Fe13.

Đầu năm 2021, thí nghiệm tại Viện công nghệ California (CIT) khảo sát ba đồng vị oxygen khẳng định giả tinh thể Florence nhiều khả năng đến từ thiên thạch dạng carbonaceous chondrites - một loại vật liệu không giống bất cứ thứ gì trên Trái Đất, hình thành trong vài giờ sau khi hệ Mặt Trời ra đời, được coi như đá không gian dù khá mềm dẻo. 

Theo đó, nghiên cứu loại thiên thạch này mở ra cơ hội tìm hiểu thời kỳ Mặt Trời ra đời. Việc tìm thấy nhiều đồng vị kim loại gợi ý về sự hình thành của Mặt Trời liên quan đến suy sụp hấp dẫn (hiện tượng co nén cực nhanh của các vật thể có khối lượng lớn dưới tác dụng của lực hấp dẫn), do sóng xung kích từ vụ nổ siêu tân tinh lân cận gây ra.

Con người luôn tin giả tinh thể không tồn tại trong tự nhiên vì trật tự nhất định của nguyên tử trong giả tinh thể không lặp lại tuần hoàn.

Chưa hết, khoa học đang tập trung giải mã những khoáng chất lạ từ không gian để phát triển lý thuyết tiến hoá của tinh vân Mặt Trời, từ đó hiểu thêm về lịch sử vũ trụ. Đó là giả tinh thể nhị thập diện cùng khoáng chất stishovite (do silica dày đặc kết tinh thành), dấu vết ringwoodite trong thiên thạch (được tạo nên khi khoáng chất olivine bị áp suất cực lớn ép lại và tiếp xúc với một môi trường ít áp lực hơn), hay các hỗn hợp kim loại hiếm gặp như nhôm-đồng và nickel-sắt. 

Quan điểm được ủng hộ mạnh nhất tin rằng kim loại xuất hiện trước trong tinh vân Mặt Trời, sau đó chịu “cú sốc” đến từ vụ va chạm cực mạnh giữa các tiểu hành tinh trước khi “bám” vào bề mặt của tiểu hành tinh, trải qua những phản ứng chưa xác định để tạo nên các khoáng chất lạ.

Cấu trúc phức tạp

Lần đầu tiên khoa học thừa nhận tìm thấy dấu vết giả tinh thể trong một thiên thạch, đánh dấu giai đoạn mới trong cuộc đua lý giải nguồn gốc thứ vật chất này. Bí ẩn vẫn còn đó, liên quan tới lý do xuất hiện giả tinh thể trong tự nhiên, và cơ chế những nguyên tử trong giả tinh thể hình thành một cấu trúc phức tạp vượt ra khỏi lý thuyết hiện có. 

Từ đây, hai trường phái trái ngược ra đời. Thuyết nhiễu loạn tin rằng giả tinh thể được cấu thành từ các nguyên tử ở trạng thái hỗn loạn, liên kết ngẫu nhiên thành các cụm đối xứng, sau đó các cụm sẽ linh hoạt tương tác với nhau khiến giả tinh thể có hình dạng không ổn định, rồi dần phân rã.

Trái lại, Paul Steinhardt, giáo sư khoa học tại Đại học Technion (Israel), đề xuất khả năng các nguyên tử trong giả tinh thể ban đầu hút nhau và tạo thành các cụm có dạng ngũ giác, thập giác hoặc nhiều “giác” khác. Các “giác” này sau đó chịu tác dụng của một lực bí ẩn để tương tác với các “giác” khác xung quanh, tạo thành hình dạng nhất định. 

Khi ấy, các cụm nguyên tử bị ràng buộc với nhau, dần rơi vào trạng thái không chu kỳ, tạo nên giả tinh thể. Sự liên kết này được khoa học miêu tả giống hệt tính chất của hoa văn Penrose (khái niệm nổi tiếng trong kiến trúc được tạo ra bằng hai loại gạch lát kín một mặt phẳng theo phong cách không tuần hoàn).

Paul Steinhardt cho rằng các nguyên tử trong giả tinh thể tạo thành các cụm nhiều “giác”.

Trong khi khảo sát cấu trúc giả tinh thể Florence, một vài bằng chứng xác nhận nó chứa một loại giả hạt mới được đặt tên là “phason”, tham gia đảo ngược các cụm nguyên tử, phá vỡ các nguyên tắc liên kết giữa chúng khi giả hạt này tương tác với vật chất khác. 

Phát hiện này củng cố niềm tin vào khả năng giả tinh thể là hoàn toàn tự nhiên, đồng thời nhấn mạnh giả thuyết của Paul Steinhardt là có cơ sở. Bên cạnh đó, khoa học cũng rất tích cực tìm hiểu về tính chất ổn định của giả tinh thể. Hai cơ chế được đề xuất, tương hỗ lẫn nhau trong sự tồn tại của giả tinh thể, bao gồm cơ chế tuỳ ý và cơ chế entropy (số đo hỗn độn - nguồn gốc để hiểu động học của các thiên hà và vũ trụ).

Khi giá trị entropy tăng, một số nguyên tử trong giả tinh thể sẽ rung và quay, từ đó thử các dạng liên kết “ngẫu hứng” với nhau, ở nhiều vị trí trước khi chúng bị “khoá” vào một vị trí xác định. Các cụm nguyên tử cũng có thể chồng chéo với nhau, chia sẻ các nguyên tử dưới ảnh hưởng của cơ chế liên kết tuỳ ý. 

Nghiên cứu trên mô hình các giả tinh thể trong phòng thí nghiệm phát hiện tính chất ổn định của loại vật chất này phụ thuộc vào tỉ lệ electron/nguyên tử. Vì vậy, khoa học suy đoán electron sở hữu khả năng ổn định các cụm nguyên tử. Tuy nhiên, vẫn cần thêm nhiều bằng chứng nữa để khẳng định chắc chắn về tính ổn định của giả tinh thể trong tự nhiên.

Rõ ràng, hành trình giải mã giả tinh thể vẫn còn rất dài, với nhiều câu hỏi hóc búa. Chẳng hạn như, làm cách nào nhôm, đồng và sắt cùng tồn tại bên trong các hợp kim để tạo nên khoáng chất khác thường. Sự xuất hiện của nhôm trong vài mẫu thiên thạch đặt ra nghi vấn kim loại này xuất hiện từ thời kỳ đầu trong quá trình hình thành của hệ Mặt Trời. 

Quan trọng hơn, liệu có tồn tại nhiều loại giả tinh thể khác trong tự nhiên, và loại lực nào “khoá” các cụm nguyên tử lại với nhau. Trả lời được những câu hỏi này sẽ giúp khoa học phác thảo một bức tranh mới cho tương lai của lĩnh vực vật lý, đồng thời tiến gần hơn đến lời giải cho bí ẩn lớn nhất mọi thời đại: vũ trụ này rốt cuộc đến từ đâu...