Định luật ‘ngẫu nhiên cực đại’: Lý giải cách mọi thứ từ bong bóng đến mì spaghetti đều vỡ giống nhau

Một chiếc bình hoa rơi xuống đất, một viên đường bị nghiền nát hay một bong bóng nổ tung — tất cả đều chia sẻ một điểm chung bất ngờ: chúng vỡ theo cùng một quy luật, theo một nghiên cứu mới công bố. Một nhà khoa học Pháp đã phát hiện ra một phương trình toán học mô tả phân bố kích thước các mảnh vỡ khi một vật thể bị phá hủy. Điều đáng kinh ngạc là phương trình này đúng với mọi thứ: từ vật rắn như thủy tinh, gốm; vật dai như mì spaghetti; cho đến giọt chất lỏng, bong bóng khí và cả mảnh nhựa trôi ngoài đại dương. Trong khi các vết nứt lan truyền trong vật thể theo nhiều cách ngẫu nhiên khó dự đoán, từ lâu các nhà khoa học đã nhận thấy rằng tỉ lệ giữa mảnh lớn và mảnh nhỏ lại rất nhất quán, bất kể vật liệu là gì. Điều này gợi ý rằng quá trình phân mảnh có thể tuân theo một tính chất mang tính phổ quát.

“Ngẫu nhiên tối đa”: Khi hỗn độn chính là quy luật. Thay vì tập trung vào cơ chế hình thành vết nứt, nhà vật lý Emmanuel Villermaux (Đại học Aix-Marseille, Pháp) chọn cách tiếp cận ngược lại: nghiên cứu chính các mảnh vỡ. Ông đề xuất rằng những vật thể khi vỡ sẽ tuân theo một nguyên lý gọi là “ngẫu nhiên tối đa” (maximal randomness). Nghĩa là mô hình phân mảnh có khả năng xảy ra cao nhất chính là mô hình lộn xộn nhất, nơi mức độ hỗn độn (entropy) được đẩy lên cao nhất. Tuy nhiên, sự hỗn độn này không thể vượt quá một số giới hạn vật lý nhất định. Vì thế, Villermaux đã kết hợp nguyên lý trên với một định luật bảo toàn mà ông và các cộng sự phát hiện vào năm 2015. Định luật này đặt ra các ràng buộc về mật độ của các mảnh vỡ trong không gian — nói cách khác, dù vỡ ngẫu nhiên đến đâu thì các mảnh vẫn phải “tuân thủ” những điều kiện nhất định.

Tạo ra một phương trình chung cho mọi mảnh vỡ. Khi kết hợp hai nguyên tắc nói trên, Villermaux đã xây dựng được một phương trình duy nhất mô tả sự phân bố kích thước của các mảnh vỡ khi vật thể bị phá hủy. Để kiểm chứng, ông đối chiếu phương trình này với nhiều năm dữ liệu phân mảnh của nhiều vật liệu khác nhau — thủy tinh, mì spaghetti, giọt chất lỏng, bong bóng, các mảnh nhựa trong đại dương, thậm chí cả các mảnh đá từ công cụ thời tiền sử. Tất cả đều khớp chính xác với dự đoán của phương trình. Villermaux còn thực hiện thêm thử nghiệm… ngay tại nhà: ông thả những vật nặng lên khối đường rồi ghi lại cách chúng vỡ ra. “Đó là một dự án mùa hè tôi làm với các con gái,” ông kể với tạp chí New Scientist. “Tôi làm điều này từ lâu, khi các con còn nhỏ, và chỉ gần đây mới quay lại phân tích vì dữ liệu đó minh họa rất tốt cho lý thuyết.” ❗ Khi nào định luật không áp dụng? Không phải trường hợp nào định luật cũng đúng. Nó không áp dụng cho: Các tình huống không có tính ngẫu nhiên, chẳng hạn dòng chất lỏng chảy êm, tách thành các giọt có kích thước bằng nhau. Các hệ thống mà các mảnh vỡ tương tác với nhau, như một số loại nhựa đặc biệt. 🪨 Ứng dụng thực tế: Từ khai khoáng đến phòng chống sạt lở. Theo Ferenc Kun, nhà vật lý tại Đại học Debrecen (Hungary), hiểu rõ cơ chế phân mảnh có thể giúp: Xác định năng lượng cần thiết để nghiền quặng trong công nghiệp khai khoáng. Dự đoán mức độ nguy hiểm của đá rơi hoặc lở núi. Tối ưu hóa các quy trình sản xuất liên quan đến vật liệu dễ vỡ.

Villermaux cho biết nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào câu hỏi: Kích thước nhỏ nhất mà một mảnh vỡ có thể đạt được là bao nhiêu? Kun cũng gợi ý rằng hình dạng các mảnh vỡ — không chỉ kích thước — có thể tuân theo một quy luật tương tự.