Loài chim ‘nhìn thấy’ từ trường của Trái đất

Rõ ràng chim chóc có quan điểm đúng khi di trú đến những vùng ấm hơn lúc mùa đông chớm về ở những vĩ độ cao, nhưng các nhà khoa học đang bắt đầu ngờ vực rằng những người bạn lông vũ của chúng ta có lẽ còn thông minh hơn chúng ta nghĩ nữa. Nhà vật lí Erik Gauger tại trường Đại học Oxford trao đổi cùng phóng viên tạp chí Physics World về chim chóc có thể có những cái la bàn bên trong nhỏ xíu như thế nào để cho phép chúng di trú bằng cách sử dụng từ trường của trái đất. Gauger nói về cơ chế của la bàn ở loài chim và lí giải vì sao người ta có thể bắt chước nó để phát triển các máy tính lượng tử.

Erik Gauger, Đại học Oxford, trở nên hứng thú với chim cổ đỏ di trú sau khi nghe nói tới một mối liên hệ với cơ học lượng tử. (Ảnh: Ernst Vikne)

Có bằng chứng nào cho thấy chim chóc sử dụng từ trường của trái đất để định hướng?

Bằng chứng cho thấy chim chóc sử dụng từ trường của Trái đất để định hướng phong phú từ những báo cáo mang tính chất suy đoán cho đến sự di trú của chim chóc gây ra bởi sự nhiễu từ, cũng như những nghiên cứu rất đáng tin cậy về chim chóc trong các môi trường từ tính được điều khiển nhân tạo.

Tại sao chúng cần đến khả năng này khi di trú?

Để tránh mùa đông khắc nghiệt, chẳng hạn, loài chim cổ đỏ xứ Scandinavia và Nga di trú theo hướng nam vào mùa thu, trở lại những vĩ độ phương bắc vào mùa xuân. Người ta cho rằng chim chóc sử dụng các manh mối thị giác để định hướng, thí dụ như các thiên thể, nhưng chúng còn sử dụng các địa hình như núi non, sông ngòi, và có lẽ cả đường cao tốc nữa. tuy nhiên, việc có thêm thông tin về phương hướng từ tính rõ ràng sẽ giúp ích cho các loài di trú trên hành trình đường dài của chúng qua những vùng đất kém quen thuộc hơn.

Nhưng chúng có biết đâu là bắc, đâu là nam không?

Thật thú vị, các thí nghiệm cho thấy loài chim cổ đỏ châu Âu chỉ cảm nhận góc nghiêng của các đường sức từ với bề mặt Trái đất, chứ không cảm nhận tính phân cực của từ trường. Điều này có nghĩa thực chất chúng không thể phân biệt hướng bắc với hướng nam. Tuy nhiên, theo ngôn ngữ kĩ thuật, thì việc biết được góc nghiêng – là góc hợp bởi đường sức từ với mặt phẳng nằm ngang – cung cấp đủ thông tin để phân biệt hướng nam bắc ở bán cầu bắc.

Làm thế nào chim chóc phát hiện ra từ trường?

Sự cảm nhận từ trường hoạt động khác nhau đối với những loài chim khác nhau. Thí dụ, loài bồ câu nhà có khả năng nhất là có một cái la bàn cấu tạo từ những chất sắt từ nằm trong phần phía trên mỏ của chúng. Ngược lại, bằng chứng cho thấy một cái la bàn kích hoạt bằng ánh sáng nằm trong mắt chim đối với những loài khác như chim cổ đỏ châu Âu. Trong số những manh mối khác, thì vị trí biểu kiến của la bàn trong mắt chim đã dẫn đến đề xuất rằng những con chim cổ đỏ này có khả năng “nhìn thấy” từ trường.

Chúng ta có biết những la bàn này hoạt động ra sao không – cái gì đang diễn ra trong cơ chế sinh học ở loài chim?

Ý tưởng chủ đạo được biết là cơ chế “cặp căn”, liên quan đến các phân tử la bàn hóa học nằm trên võng mạc của chim ở dạng có phần trật tự. Năng lượng của một photon tới có thể kích thích một phân tử la bàn như vậy từ trạng thái cơ bản của nó lên một trạng thái kích thích, trong đó hai trong các electron của nó được gửi vào một trạng thái lượng tử đặc biệt gọi là “trạng thái độc thân”.

Chim cổ đỏ châu Âu. (Ảnh: Ernst Vikne)

Trạng thái này tương tác như thế nào với từ trường của Trái đất?

Sự định hướng của phân tử la bàn đó với trường tĩnh của Trái đất có thể làm thay đổi mối tương quan tồn tại giữa hai spin electron, thành ra dẫn tới những phản ứng hóa học khác nhau trong võng mạc của chim. Việc có nhiều phân tử như vậy trong một phân bố có trật tự trên võng mạc có thể tạo nên tín hiệu la bàn.

Ông đang nói rằng cơ học lượng tử có thể đang nằm tại trung tâm của hệ này?

Anh có thể nói nó là cơ học lượng tử một cách dễ dàng vì nó liên quan đến các spin electron, đó là những tính chất lượng tử. Với số đo ấy, đa số các quá trình hóa học sẽ là “lượng tử”. Câu hỏi thật sự hấp dẫn là cơ học lượng tử có giữ vai trò nào không tại một cấp độ sâu sắc hơn nhiều liên quan đến sự kết hợp lượng tử và các hiện tượng đi kèm của sự chồng chất lượng tử và sự vướng víu lượng tử.

Và đây có là cái mà nhóm nghiên cứu của ông đang quan tâm phải không?

Vâng, phân tích mới đây của chúng tôi về chim cổ đỏ châu Âu, đăng trên tạp chí Physical Review Letters, cho thấy để dung hòa mô hình cặp căn với dữ liệu thu từ những thí nghiệm gần đây, sự kết hợp lượng tử thật sự phải tồn tại trong la bàn ấy – mặc dù không rõ là điều này giúp la bàn hoạt động như thế nào. Thông thường, các trạng thái lượng tử kết hợp phân hủy rất nhanh chóng, và đối với các ứng dụng công nghệ, như các hệ thông tin lượng tử, thách thức là làm sao duy trì chúng càng lâu càng tốt. Nhưng dường như la bàn của mắt chim có thể duy trì trạng thái độc thân của nó trong ít nhất 100 µs, nếu không lâu hơn nhiều nữa. Con số này nghe có vẻ như một khoảng thời gian ngắn, nhưng các phân tử nhân tạo tốt nhất có thể so sánh chỉ thu được 80 µs ở nhiệt độ phòng trong điều kiện phòng thí nghiệm lí tưởng.

Vậy ông có thể kết luận gì từ nghiên cứu của mình?

Bài báo của chúng tôi nêu hai câu hỏi cần giải quyết. Thứ nhất, tại sao chim chóc sử dụng các trạng thái lượng tử này và chúng thu lợi lộc gì từ đó? Thứ hai, làm thế nào chúng có thể duy trì sự kết hợp lượng tử trong một khoảng thời gian dài đáng kể như vậy? Nếu chúng ta có thể tìm ra câu trả lời cho câu hỏi thứ hai vừa nêu, thì điều này có thể giúp các nhà nghiên cứu bắt chước phương thức chim chóc khai thác những trạng thái lượng tử này trong những khoảng thời gian kéo dài hơn và giúp phát triển các công nghệ lượng tử thực tiễn.

Theo mô hình cặp căn, phía sau của mắt chim chứa vô số phân tử cảm thụ từ trường. Những phân tử này tạo ra một hình ảnh, mà chim chóc có thể nhìn thấy, chỉ rõ hướng của từ trường. Mỗi phân tử như vậy có ba thành phần quan trọng: có hai electron, ban đầu bị quang kích thích sang trạng thái độc thân, và một spin hạt nhân kết hợp với một spin của hai electron. Sự kết hợp này là dị hướng, cho nên phân tử đó có tính định hướng đối với nó. (Ảnh: Erik Gauger/Hội Vật lí Hoa Kì)

Làm thế nào ông lại quan tâm đến lĩnh vực nghiên cứu này?

Nghiên cứu của tôi là công nghệ thông tin lượng tử, lĩnh vực thường thì chẳng có gì để làm với các loài sinh vật sống cả. Các đồng nghiệp và tôi trở nên hứng thú với la bàn ở thế giới loài chim sau khi đọc được những kết quả thực nghiệm mới nhất từ Roswitha và Wolfgang Wiltschko, các nhà nghiên cứu ở Frankfurt. Chúng tôi đã nhập cuộc sau khi một phép tính nhẩm đơn giản khiến chúng tôi nhận ra rằng sự kết hợp lượng tử phải được duy trì trong một khoảng thời gian rất lâu trong cấu trúc phân tử của cặp căn, cho nên chúng tôi thực hiện thêm các phép tính phức tạp, và rồi nhận thấy ước tính ban đầu của chúng tôi thật sự là đúng. Cho dù rốt cuộc khám phá này có tỏ ra hữu ích hay không đối với các ứng dụng thông tin lượng tử, thì la bàn ở thế giới loài chim là một vấn đề nghiên cứu thật lí thú, và nghiên cứu vấn đề này đúng là thật sự vui đấy.

Nguồn: James Dacey (Physics World, tháng 2/2011)