Kỳ lạ chưa: tại sao lắc tung cái bình này lên mà các viên xúc xắc lại tự xếp lại thành hàng ngay ngắn như thế này?

Bạn tưởng tượng ra một bình thủy tinh đựng cát hoặc sỏi, và đều đặn gõ nhẹ vào nó. Bạn gõ ngón tay của mình lên thành bình, sau mỗi cú táp nhẹ nhẹ đó, cát/sỏi sẽ bị nén xuống đôi chút. Sẽ đến lúc nó đạt được độ đặc tuyệt đối, không thể xuống được nữa.

Nhưng trong thử nghiệm mới này, các nhà khoa học thấy được rằng với những vật thể hình hột như vậy đặt trong một bình lớn, không nhất thiết là gõ nhẹ nó mới đạt được độ đặc tuyệt đối. Những vật thể được sử dụng là các viên xúc xắc, các nhà nghiên cứu chỉ cần xoay nó theo hai chiều, những viên xúc xắc đã có thể đạt được trạng thái đặc tuyệt đối – chúng xếp gọn gàng, ngay ngắn lại với nhau, vừa vặn trong thể tích hộp.

Thử nghiệm này có thể mở ra những cách thức khác nữa để ta có thể "đặc hóa" được một tổ hợp vật chất gồm những hạt có dạng hột, không chỉ trên Trái Đất mà còn trong môi trường không trọng lực của Vũ trụ.

Vật chất có dạng hột, viên có rất nhiều trong tự nhiên và trong các ngành công nghiệp: từ cát, sỏi trong xây dựng cho tới các loại bột trong ngành thực phẩm, trong ngành điều chế thuốc. Dưới tác động từ lực hấp dẫn của Trái Đất, những rung động đơn giản hay việc gõ lên thành một bình đựng vật chất có thể khiến độ đặc vật chất tăng lên, do từng hạt vật chất sẽ tìm cách len xuống dưới.

Trong lúc tìm một cách hiệu quả để "đặc hóa" những vật chất có dạng viên, nhà nghiên cứu Diego Maza và các đồng nghiệp của mình tại Đại học Navarra, Tây Ban Nha đã sử dụng những viên xúc xắc bằng nhựa, cho vào một lồng trong suốt có hình trụ, cho nó xoay theo cả hai chiều. Họ thấy rằng việc xoay có những hiệu ứng khác với việc gõ lên ống.

Họ đổ vào ống hình trụ này 25.000 viên xúc xắc, mỗi viên có đường chéo một mặt khoảng nửa centimet, rồi tiến hành xoay ống đó. Cứ một giây họ xoay một lần, theo cả hai chiều thuận và ngược kim đồng hồ, cứ thế khoảng vài trăm ngàn lần. Tốc độ xoay được điều chỉnh xuyên suốt quá trình thử nghiệm.

Kết quả cho thấy cách thức những con xúc xắc được xếp trong ống thử nghiệm dựa rất nhiều vào lực của mỗi lần xoay, vào thời điểm ống chuyển hướng từ thuận sang ngược chiều kim đồng hồ và ngược lại. Tại gia tốc bằng nửa gia tốc của lực hấp dẫn (0,5g), đống xúc xắc sẽ đạt độ đặc tối đa (được sắp xếp gọn gàng) sau 10.000 lần xoay.

Điều kỳ lạ là với gia tốc dưới 0,5g, việc "đặc hóa" diễn ra cực kì chậm, thậm chí là sau 100.000 vòng quay, những viên xúc xắc nằm giữa vẫn rất hỗn loạn. Maza và các cộng sự ước đoán rằng khoảng 10 năm xoay liên tục nữa, những viên xúc xắc này mới có thể đạt được độ đặc cao nhất.

Không thể phủ nhận rằng những nghiên cứu này cho ta một cách hiệu quả hơn để "đặc hóa" được tổ hợp vật chất dạng viên. Cách thức "gõ để các hạt rơi dần xuống" mất thời gian mà sẽ đến lúc, chúng không thể dặc hơn được nữa, sẽ phải trải qua một quá trình "tôi" nữa: các cú gõ phải nhẹ dần đi.

"Những thử nghiệm này rất chắc chắn và rõ ràng", nhà vật lý học Matthias Schröter tại Viện Động lực học Max Planck nói. Nhà nghiên cứu từ nước Đức này cũng bổ sung thêm rằng cách thức sắp xếp này có thể áp dụng trong trạng thái không trọng lực, giúp ích cho việc khám phá Vũ trụ trong tương lai.

Bài viết dựa theo lời Mark Buchanan, một cây bút khoa học đang "du hành" khắp nơi, từ xứ Wales, ANh Quốc sang Normandy và Pháp, để tìm dự án.