[Sunnata]

Vài nét về tác giả Trương Văn Tân

Nguyên quán: tỉnh Đồng Tháp.
Học vị: B. Eng. (1975) và M. Eng. (1977) (Tokyo Institute of Technology, Nhật Bản), Ph.D. (1980) (University of Adelaide, Úc).
Hiện làm việc tại Defence Science and Technology Organisation (Viện Khoa học và Công nghệ Quốc phòng, Úc)
Đã công bố nhiều công trình về vật liệu polymer, polymer dẫn điện và ống than nano trên các tạp chí khoa học quốc tế.
Chuyên gia thẩm định các đề án nghiên cứu cho Australian Research Council (Bộ Giáo dục, Úc).
Giải thưởng: Best Research Awards (1995 và 2006, DSTO Bộ Quốc phòng, Úc), Marshall Fordham Award for Best Research Paper (1999, Australasian Corrosion Association).
Sở thích: Lịch sử, văn học, du lịch.

 

Sự sống trên bờ rìa: Buổi bình minh của Sinh học Lượng tử

(Quantum Biology)
Trương Văn Tân

"Mọi việc mà sinh vật làm
có thể hiểu qua sự đưa đẩy,
ngọ nguậy của các nguyên tử"

Richard Feynman

Tóm tắt
 
Sinh học và cơ học lượng tử là hai ngành khoa học lớn, nhưng không có một giao điểm nào. Sinh học nói về sự sống "hữu tình" của động thực vật, lượng tử bàn về những vật cực nhỏ của cõi vô tri. Nếu có một điểm chung thì có lẽ là chữ "kỳ". Sinh học thì "kỳ diệu", lượng tử thì "kỳ bí" thậm chí "kỳ quặc". Khi hai cái "kỳ" gặp nhau, liệu chúng có thể cho ta chiếc chìa khóa để giải mã những bí ẩn của Mẹ Thiên nhiên? Trong ba thập niên qua, đã có những phát hiện cho thấy sự can dự của quy luật lượng tử trong các quy trình sinh học. Lưỡng tính "sóng hạt", hiệu ứng chui hầm lượng tử và vướng víu lượng tử là những cơ chế cơ bản trong chất xúc tác enzyme, khứu giác, khả năng định hướng của động vật và phản ứng quang hợp. Bản chất "kỳ quặc" phản trực giác của lượng tử là nền tảng hành xử của một số phân tử sinh học. Sự tiến hóa của muôn loài đã khiến cho phân tử sinh học biết ứng biến một cách lượng tử. Chúng làm việc có trật tự, có phối hợp, có quy luật cho nhiều mục đích khác nhau để duy trì sự sinh tồn và thích ứng với hoàn cảnh. "Sự sống" ở trên bờ rìa giữa cái kỳ bí vi mô và cái bình thường vĩ mô. Nhưng cơ học lượng tử không phải toàn năng để có thể diễn giải mọi điều của sinh học. Thiên nhiên mãi là một bí ẩn triền miên.
 

1. Dẫn nhập
 
Vào thế kỷ thứ 19, sinh học trở thành một ngành khoa học lớn nhờ vào hai nhân vật kiệt xuất sinh ra cùng thời, Charles Darwin (1809-1882) và Gregor Mendel (1822-1884). Thuyết tiến hóa bởi sự chọn lọc tự nhiên được Darwin đề xướng và cơ chế di truyền của Mendel đã trở thành hai cột trụ trong khoa học về sự sống (life sciences). Sinh học được thành hình với những môn học như thực vật học, động vật học, di truyền học, tế bào học. Sinh học sau đó đươc kết hợp với hóa học, cho ra bộ môn sinh hóa và sinh học phân tử để tìm hiểu cơ chế của các phản ứng sinh học và cấu trúc phức tạp của phân tử sinh học. Trong thập niên đầu của thế kỷ 20, các nhà di truyền học và thống kê học bắt đầu kết hợp di truyền học Mendel và ý tưởng về sự chọn lọc tự nhiên của Darwin để tạo một thuyết tiến hóa qua sự chọn lọc tự nhiên của các biến đổi di truyền. Sinh học tiến một bước vĩ đại.

Mặt khác, cũng vào năm 1900 nhà vật lý người Đức, Max Planck, khám phá bản chất lượng tử của ánh sáng. Vào những năm kế tiếp, sự hình thành và phát triển nhanh chóng của thuyết lượng tử về vi hạt (hạt cực nhỏ) như electron, proton, neutron, nguyên tử và phân tử, được tiếp nối với các hàm số sóng của Erwin Schrödinger và nguyên lý bất định của Werner Heisenberg. Hàm số sóng và nguyên lý bất định trở thành hai cột trụ làm nên cơ học lượng tử. Schrödinger cùng với Heisenberg, Einstein và các nhà vật lý khác ở đầu thế kỷ 20 trở thành các nhà khoa học tiên phong tạo lập nên bộ môn cơ học lượng tử (còn gọi là vật lý lượng tử). Từ một dòng suối nhỏ ở đầu thế kỷ 20, ngày nay cơ học lượng tử trở thành một dòng sông hùng vĩ đổ vào biển cả vật lý mênh mông. Khái niệm lượng tử ngày nay không còn là sân chơi của các nhà triết học, toán học hay vật lý lý thuyết mà đã có những ứng dụng vào cuộc sống đời thường. Con chip, bộ não của chiếc điện thoại thông minh, máy tính hay nhiều thiết bị điện tử hiện đại, chứa hàng trăm triệu, hàng tỷ transistor trên một bề mặt rộng vài cm2. Dựa trên các nguyên lý cơ học lượng tử, người ta lựa chọn các vật liệu thích hợp cho transistor để kiềm chế sự phát nhiệt và điều khiển sự di động của dòng điện trong các transistor nhỏ hơn con vi khuẩn. Một ứng dụng lớn trong y học là thiết bị chẩn bệnh có tên là "Tạo ảnh cộng hưởng từ" (Magnetic Resonance Imaging, MRI). Thiết bị có chức năng chụp những bộ phận mềm chứa nước hay mỡ trong cơ thể con người, những nơi không thể tạo ảnh bằng tia X. Ngoài ra, máy tính lượng tử đang ló dạng ở chân trời khoa học xa xa với tốc độ xử lý dữ liệu sẽ nhanh hơn máy tính hiện đại trăm triệu lần.

Một trăm năm trước, dù là hai bộ môn lớn trong khoa học nhưng sinh học và vật lý là hai ngành riêng biệt. Các nhà nghiên cứu sinh học và vật lý gần như sống ở hai ốc đảo riêng biệt không có sự đối thoại giao lưu. Sinh học có đặc tính mô tả vật sống và tìm hiểu quy trình của sự sống trong khi cơ học lượng tử tìm hiểu nguyên lý của sự vật cực nhỏ vô tri và diễn giải bằng các phương trình toán học. Hóa học và cơ học lượng tử đã gắn bó với nhau và thành hình môn "Hóa học lượng tử" ngay từ khi thuyết lượng tử được khai sinh để lập ra những mô hình toán cho các phân tử đơn giản và tiên đoán các khả năng xảy ra của phản ứng hóa học. Đối tượng nghiên cứu của sinh học là các phân tử phức tạp như protein. Nếu phân tử đơn giản như hydrogen (H2), nước (H2O) hay methane (CH4) là những viên gạch, thì các phân tử sinh học là những tòa lâu đài kỳ vĩ. Chính vì sự phức tạp kỳ vĩ này đã làm cho việc tiếp cận giữa sinh học và cơ học lượng tử trở nên khó khăn.

Mặc dù cơ học lượng tử đã có một lịch sử hơn 100 năm và những ứng dụng hữu ích đời thường nhưng bộ môn này cho thấy những điều "kỳ quặc" trong lề lối hành xử của các vi hạt vì nó phản trực giác và phản thế giới quan trong cuộc sống hằng ngày. Trớ trêu thay, cái "kỳ quặc" trong thế giới cực nhỏ lại là căn nguyên của sự "bình thường" của thế giới to lớn xung quanh. Vậy, có chăng một đường ranh chuyển tiếp từ các kết quả lượng tử đến thế giới hằng ngày? Câu hỏi này đưa chúng ta đến một câu hỏi trung tâm là: sinh học đứng ở đâu trong cảnh quan lượng tử với những đối tượng có sự sống như từ phân tử protein, vi khuẩn, tế bào đến các loài voi báo, linh trưởng và bộ não con người?

Câu trả lời cũng sẽ là lời giải đáp của câu hỏi "Sự sống là gì?". Một câu hỏi đơn giản nhưng hơn 2.000 năm qua nó đã làm cho người ta băn khoăn và nỗ lực tìm lời giải đáp thích đáng. Một tảng đá và các loài động thực vật kể cả con người có những nguyên tố cấu tạo (oxygen, hydrogen, nitrogen, carbon, phosphor, lưu huỳnh, kim loại v.v…) giống nhau. Một câu hỏi lớn nhất trong khoa học là tại sao khi những nguyên tố này hiện diện trong một vật có sự sống thì cái "vô tri" của tảng đá biến thành những biểu hiện của ý thức như chạy, nhảy, đi, đứng, cười, nói, la, hét, suy tư, hỷ, nộ, ái, ố, tham, sân, si… Thật ra, chính bản thân của những nguyên tố này cũng không có sự sống nhưng Mẹ Thiên nhiên đã dùng nguyên tố "vô tri" để tạo ra vật có sự sống. Thậm chí, nền công nghệ sinh học ngày nay đã có những tiến bộ tuyệt vời như công nghệ di truyền học (genetic engineering) hay sinh học tổng hợp (synthetic biology) nhưng con người vẫn chưa có một phương pháp tạo ra vật sống "hữu tình" có ý thức từ các nguyên tố "vô tri" như thiên nhiên đã làm từ thuở khai thiên lập địa.

Hơn 2.000 năm trước nhà triết học và khoa học Hy Lạp Aristotle đã từng nhận định "linh hồn" như là một thực thể phân biệt giữa loài vật và vật vô tri. Linh hồn đã được xem như một vật chất siêu nhiên. Trong một thời kỳ mà người ta tin rằng hành tinh, mặt trời, trái đất di chuyển là nhờ vào sức đẩy của thiên thần thì dù không có lời giải thích rõ ràng khái niệm siêu nhiên đã được mặc nhận như là một thực thể phân chia vật chất vô tri và sinh vật.

Đến thế kỷ 17 và 18, khoa học công nghệ và toán học bùng phát tại châu Âu. Cơ học Newton, máy hơi nước của James Watts, chu trình Carnot giải thích việc vận hành của máy hơi nước đã tạo nên cuộc cách mạng công nghệ tại Anh, lan tỏa khắp châu Âu và cải tạo trật tự thế giới. Descartes, một nhà triết học và khoa học của thế kỷ 17, và một số nhà khoa học khác trong đó có Newton cũng bị ảnh hưởng ít nhiều về máy móc. Họ cho rằng loài vật kể cả loài người chỉ là những bộ máy cơ khí tinh vi với những bộ phận chuyển động như bơm, piston, móc, trục xoay của đầu máy hơi nước. Sự so sánh này cho thấy cái khởi đầu của việc tiếp cận giữa vật lý và sinh học, dù rất thô sơ và khập khiễng.

Sau khi thiết lập hàm số sóng lừng danh, Schrödinger bị thu hút bởi quá trình di truyền kỳ bí trong sinh thực vật nên đã chuyển qua nghiên cứu sinh học trong phần còn lại của cuộc đời ông. Trong Thế chiến thứ 2, Đức quốc xã chiếm đóng Áo đất nước ông, nên ông cùng gia đình tị nạn sang Ireland. Năm 1943, tại giảng đường của Đại học Trinity (Dublin, Ireland), Schrödinger giảng một loạt bài, không phải về vật lý mà về sinh học với tựa đề "Sự sống là gì?" (What is life?). Trong các bài giảng này, lần đầu tiên ông đưa ra những khái niệm về mã di truyền (genetic code) mà sau này người ta biết nó như là "thông tin" di truyền trong phân tử DNA [1]. Di truyền là một điều huyền diệu. Một người có thể là bản sao cha ông của mình từ đôi mắt, nụ cười, tướng đi, tính cách và thậm chí cả bệnh tật. Việc sao chép các thông tin sinh học cực kỳ chính xác từ thế hệ trước đến các thế hệ sau khiến cho Schrödinger vừa băn khoăn vừa bị lôi cuốn vào cơ chế của di truyền học. Trong bối cảnh này, Schrödinger đã thổi một luồng gió mới vào sinh học và tạo một chiếc cầu nối giữa hai bộ môn, trong mục đích dùng những nguyên lý vật lý để lý giải các quá trình kỳ bí trong sinh học. Nếu xem các bài giảng "Sự sống là gì?" của Schrödinger tại đại học Trinity là cột mốc khởi đầu thì sự giao lưu giữa vật lý và sinh học đã được 70 năm. Sự tiếp cận chỉ mang lại những bước tiến nhỏ nhưng trong ba thập niên gần đây thì có những khám phá lớn về các ảnh hưởng lượng tử trong sinh học.

Quyển sách với tựa đề "Life on the edge: The coming of age of Quantum Biology" (Sự sống trên bờ rìa: Sự trưởng thành của Sinh học Lượng tử) [2] của giáo sư Jim Al-Khalili, nhà vật lý lý thuyết, và giáo sư Johnjoe McFadden, nhà di truyền học phân tử, đã truyền cảm hứng cho tôi để thực hiện bài viết này. Tôi dùng một số thông tin trong quyển sách (viết tắt "quyển LOTE") và các tài liệu tham khảo để tóm tắt những thành quả của sinh học lượng tử trong ba thập niên qua; và sau đó, nhận định về vai trò của cơ học lượng tử trong sinh học. Liệu thuyết lượng tử có thể là một công cụ để giải mã những bí ẩn của các quy trình sinh học và cho lời giải đáp đến câu hỏi của hai thiên niên kỷ, "Sự sống là gì?".
 
2. Bản chất của Cơ học Lượng tử
 
Cơ học Newton hình thành vào thế kỷ 17 bởi Issac Newton mô tả sự chuyển động của các vật thể vĩ mô như hòn đá, khúc cây, chiếc xe, tòa nhà, hành tinh. Một viên bi đứng yên thì sẽ mãi đứng yên ở vị trí đó và chỉ di động khi có một tác lực bên ngoài. Khi viên bi di chuyển và nếu không có sự ma sát thì nó sẽ di chuyển mãi mãi với cùng vận tốc. Khi ta tác động một lực lên một vật thể thì vật thể sẽ phản hồi bằng một tác lực tương đương ngược lại. Nguyên lý này đúng với các vật thể to lớn và bao trùm những nhận thức xảy ra hằng ngày. Những người yêu mến võ thuật thích vung tay chém ngói thì cũng có ngày gãy tay!

Tuy nhiên, khi vật thể là những hạt cực nhỏ (vi hạt) như electron, photon, proton, neutron, nguyên tử, phân tử, nguyên lý của Newton không còn chính xác. "Cơ học lượng tử" ra đời vào đầu thế kỷ 20 như một phân ngành mới của vật lý mô tả sự "đi đứng" của của vi hạt. Các vi hạt có những hành xử rất "kỳ quặc" thoát ly ra khỏi hiểu biết thường thức. Chẳng hạn, khi một chiếc xe chạy 100 km/h từ điểm A theo đường thẳng thì một giờ sau nó sẽ chắc chắn ở điểm B cách A 100 km. Nhưng vi hạt thì không hành xử như chiếc xe. Khi ta biết vận tốc chính xác của một vi hạt thì ta không xác định được nó ở phương trời nào. Nhưng khi ta biết vị trí của nó thì ta không định lượng được ở vận tốc di chuyển của nó. Điều này có nghĩa là ta không thể xác định được vị trí và vận tốc cùng một lúc (nguyên lý bất định Heisenberg) mà chỉ biết rất mơ hồ rằng vi hạt sẽ hiện diện tính theo phần trăm ở một vùng xyz nào đó. Trước khi có cơ học lượng tử, cấu trúc nguyên tử được diễn tả có một hạt nhân và electron quay quanh theo một quỹ đạo (orbit) như trái đất quay quanh mặt trời. Thực tế không như vậy. Là một vi hạt, electron không hành xử giống một vật to lớn như trái đất, đi theo một quỹ đạo rạch ròi, mà phân tán trong một không gian gọi là vân đạo theo xác suất. Schrödinger đã thiết lập hàm số sóng để định lượng hóa được xác suất hiện diện của electron trong nguyên tử. Từ đó, người ta vẽ nguyên tử có nhân và xung quanh nhân là đám mây electron (vân đạo).

Mặt khác, viên bi là viên bi nhưng vi hạt có thể là hạt mà cũng có thể là sóng như một người có hai mặt tùy trường hợp lúc thế này lúc thế kia. Lưỡng tính "sóng hạt" đã từng làm sửng sốt các nhà nghiên cứu khoa học đương thời. Một viên bi khi chạm vào một bức tường, theo thường thức và cũng theo định luật Newton, viên bi nhận được phản tác lực từ bức tường và bật ngược trở lại. Nhưng khi viên bi này thu nhỏ trở nên vi hạt thì nó có thể hành xử như sóng đi xuyên qua bức tường, giống như ta bấm chiếc chìa khóa remote từ trong nhà phát ra tia sóng đi xuyên qua các bức tường để mở hay đóng cửa chiếc xe [3]. Người ta gọi đó là hiện tượng "chui hầm lượng tử" (quantum tunnelling) (Hình 1).

Hình 1: Vi hạt hành xử như sóng từ Vùng I đi xuyên qua
chướng ngại vật (Vùng II) và tái xuất hiện ở vùng III.

Một hiện tượng phản trực giác rất "kỳ quặc" nhưng có thật là "vướng víu lượng tử" (quantum entanglement). Trong một thí nghiệm [A. Aspect et al., Phys. Rev. Lett., 47 (1981) 460 & 49 (1982) 91], người ta bắn tia laser vào một chùm tia nguyên tử calcium thì sự phân rã nguyên tử sẽ tạo ra cặp photon A và B. Photon là vi hạt quay như con cù. Chiều quay gọi là spin. Hai photon A và B bay theo hai hướng trái nghịch nhau nhưng vẫn "vướng víu" với nhau. Khi máy đo xác nhận được chiều quay của photon A thì tức thời photon B sẽ "cảm" được và điều chỉnh chiều quay của mình cho thích hợp với A. Nghĩa là chiều quay của photon A luôn luôn liên kết chặt chẽ với chiều quay của photon B bất chấp khoảng cách dài ngắn giữa hai photon mà không có bất kỳ sự chuyển giao năng lượng nào, dù khoảng cách đó là khoảng cách thiên hà vài tỷ năm ánh sáng. Hiện tượng này giống như cặp đôi trai gái xa nhau vẫn mùi mẫn "thần giao cách cảm" nhớ nhau. Người này làm gì ở đầu này, thì ở đầu kia người kia lập tức cảm nhận được, "chúng mình cách xa mà vẫn gần nhau" (Không bao giờ ngăn cách, nhạc Trần Thiện Thanh). Hiệu ứng "không bao giờ ngăn cách" có đôi chút lãng mạn này lại được Einstein gắn cho cái tên hơi rùng rợn là "tác động ma quái tầm xa" (spooky action at a distance).

Cơ học lượng tử kỳ quặc trước những nhận thức thông thường. Cơ học lượng tử nổi loạn trước những trật tự cổ điển. Nhưng Mẹ Thiên nhiên hiểu và biết tận dụng những "mánh" lượng tử từ lâu lắm rồi. Chúng ta hãy xem ở phần kế tiếp những chứng cớ cho thấy hệ thống sinh học đã sử dụng cơ học lượng tử.