GIORGI PARISI ( Nobel Vật lý 2021)

98B

 GIORGI PARISI ( Nobel Vật lý 2021) 

 

 

Một số từ sử dụng trong bài 

SPIN GLASS =kính spin

FRUSTRATION =tình trạng mất tác dụng (tình trạng mắc kẹt )

REPLICA = bản sao,

REPLICA TRICK =thủ thuật toán học bản sao.

Chúng ta đã biết Parisi chia ½  giải Nobel vật lý 2021 (phần lý thuyết cơ bản của hệ phức hợp-complex system) với Klaus Hasselman và Syukuro Manabe (phần thời tiết và khí hậu -xem [3])

 

Đóng góp cơ bản của Parisi dựa trên những nghiên cứu của ông về spin glass.

SPIN GLASS 

  Đây là một loại kim loại chứa ít nguyên tử sắt lẫn với nguyên tử đồng .Mặc dầu sắt ít nhưng sắt đã làm thay đổi tính chất từ của kim loại . Mỗi nguyên tử sắt hành xử như một magnet nhỏ có spin và chịu tác động bởi những nguyên tử sắt nằm quanh.Trong magnet bình thường các spin hướng về một hướng nhưng trong spin glass ta quan sát thấy hiện tượng FRUSTRATION:một số spin hướng về hướng này còn số khác hướng về hướng khác

 

Hình  1

Sự phân bố cấu hình spin :SPIN GLASS ở phía trên còn FERROMAGNET ở phía dưới .

FRUSTRATION

Parisi  chú ý đến hiện tượng frustration . Hãy hình dung một hình ảnh 3 spin ở 3 góc của một hình tam giác . 

                                         Hình 2 , Hiện tượng frustration

Khi một spin hướng lên phía trên , một spin hướng về phía dưới thì spin thứ ba không thể thỏa mãn điều kiện hướng ngược với spin gần đó được.Các spin phải tìm một một hướng tối ưu nào đó . Lý thuyết của Parisi tìm câu trả lời cho vấn đề này.

Tình huống tương tự như khi xem một vở kích . Nếu bạn muốn tìm hai người đồng ý kiến trong lúc hai người này có ý kiến đối ngược nhau, thì chúng ta rơi vào tình trạng FRUSTRATION :phải tìm cách giải quyết tình trạng căng thẳng này bằng một cách thỏa hiệp nào đó.

REPLICA TRICK

Parisi sử dụng thủ thuật gọi là REPLICA TRICK .Đây là một thủ thuật toán học trong đó nhiều REPLICA ( bản sao chép ) của hệ được xử lý cùng một lúc.

Năm 1979 Parisi chứng minh rằng thủ thuật replica có thể giúp giải quyết vấn đề spin glass.

Trong spin glass ta gặp phải vấn đề đối xứng replica , đó là vấn đề gì vậy ? Vấn đề này như sau :những hệ như nhau song dưới những điều kiện giống nhau lại rơi vào những TRẠNG THÁI  khác nhau !Và ta có phá vỡ đối xứng replica biểu hiện trong hàm phân bố xác suất của thông số thứ tự được gọi là giao nhau Parisi   (Parisi overlap) :

Một trong những công cụ của Parisi  là thủ thuật REPLICA TRICK ,  như đã nói ở trên đây đó  là một thủ thuật toán học khi ta lấy một hệ  mất trật tự , xong sao chép hệ đó nhiều lần (nhiều replica ) và so sánh xem các replica khác nhau hành xử như thế nào và lý thuyết  Parisi cho ta cấu hình nào sẽ phát sinh. 

 Song những nghiên cứu của ôngvề spin glass  lại có thể liên quan đến nhiều lĩnh vực như : toán học, sinh học ,khoa học thần kinh ,học tập máy (machine learning).

Parisi được giải Nobel nhờ những công trình của ông trong nghiên cứu hiện tượng mất trật tự và hỗn độn ( disordered and random phenomena). 

Parisi (và những người khác ) đã chứng tỏ rằng nếu không lưu ý đến hỗn độn ,tiếng ồn và biến động ở trạng thái vi mô thì quyết định luân (determinism) ở trạng thái vĩ mô chỉ còn lại là một ảo tưởng .

Như vậy một số lớn hiện tượng trong tự nhiên đều đột sinh từ một mất trật tự bao gồm tiếng ồn và bất đinh (noise & uncertainty).

MỘT SỐ CÔNG THỨC

Xét Hamilton mô tả spin glass:

 

Như trên đã nói về mặt vĩ mô người ta đưa vào REPLICA TRICK tạo n bản sao (copies hay replica).

Parisi cho rằng có tồn tai vô số bản sao (infinite replica) (trái với feromagnets chỉ có hai pure states up-down) trong spin glass cho nên Parisi đưa vào một thông số mới 

   

                                                                           

Trong đó alpha & beta  là những replica.

Những đại lượng  q_alpha alpha là tương đương và mô tả trung bình giao nhau của các trạng thái của cùng một replica, những đại lượng ngoài đường chéo mô tả mức độ  các replica alpha &beta  giống nhau.

Cụ thể mô tả sự giao nhau trung bình giữa các trạng thái thuộc replica alpha và replica beta . Mỗi replica ứng với một lời giải khác nhau trong các phương trình trường trung bình (different solution to the mean field equations)

Sự phân bố trung bình giao nhau của hỗn độn sẽ là 

trong đó  w là trọng số Boltzmann. 

Công trình của Parisi liên quan đến stochasticity trong lý thuyết trường, chảy rối  (turbulence) ,vật chất hạt (granular matter), vai trò các thăng giáng hỗn độn đơi với những trạng thái khí hậu trái đất tính theo những giai đoạn nhiều năm .

KẾT LUẬN 

Những nhà nobel vật lý 2021 đã có những cống hiến quan trọng to lớn trong việc tìm hiểu các hệ vật lý phức tạp  trên quan điểm hết sức rộng lớn từ vi mô đến vĩ mô.Họ đã chứng minh rằng không nghiên cứu hỗn độn, tiếng ồn và các biến động thì nói đến quyết định luận (determinism) là điều ảo tưởng

Các công trình của Parisi về spin glass là rất sâu sắc chúng ảnh hưởng không những đến vật lý mà có ảnh hưởng đến toán học , sinh học, khoa học thần kinh, học máy móc (machine learning) vì các lĩnh vực này đều hàm chứa hiên tượng FRUSTRATION.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 

[1]  Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2021

“FOR GROUNDBREAKING CONTRIBUTIONS TO OUR 

UNDERSTANDING OF COMPLEX PHYSICAL SYSTEMS”

The Nobel Committee for Physics

[2] Natalie Wolchover,Work on Earth’s Climate and Other Complex Systems Earns Nobel Prize in Physics

https://www.quantamagazine.org/pioneering-climate-modelers-earn-nobel-prize-in-physics-20211005/

[3] Ngô Đức Thành , Bài toán mô phỏng khí hậu và biến đổi khí hậu trong Nobel Vật lý,Tia Sáng số 19-05.10.2021