Khoa học lý giải vì sao đồ vật luôn vỡ theo cách khó chịu nhất

Từ chiếc cốc thủy tinh vỡ tan thành vô số mảnh nhỏ, sợi mì khô gãy vụn thành nhiều đoạn, đến bong bóng nổ tung tạo ra hàng loạt màng mỏng, những hiện tượng quen thuộc này từ lâu đã khiến con người cảm thấy mọi vật dường như luôn vỡ theo cách "phiền toái nhất".

Một nghiên cứu khoa học mới đây đã chứng minh cảm giác này không chỉ là chủ quan, mà còn tuân theo một quy luật vật lý chung: sự hỗn loạn cao nhất chính là trạng thái dễ xảy ra nhất.

Nghiên cứu, được công bố ngày 26/11 trên tạp chí Physical Review Letters, đã đưa ra một phương trình toán học mô tả sự phân bố kích thước của các mảnh vỡ khi một vật thể bị phá hủy.

Điều đáng chú ý là phương trình này có thể áp dụng cho rất nhiều đối tượng khác nhau, từ những vật liệu quen thuộc đến các hiện tượng tự nhiên phức tạp.

Quy luật chung phía sau sự hỗn loạn

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã nỗ lực nghiên cứu quá trình hình thành vết nứt trong vật liệu, nhưng sự phức tạp và khó đoán của chúng luôn là một thách thức.

Tuy nhiên, nghiên cứu mới lại chỉ ra rằng kết quả cuối cùng của quá trình vỡ lại có tính ổn định đáng ngạc nhiên. Dù vật thể ban đầu được làm từ chất liệu gì, các mảnh vỡ tạo ra thường tuân theo một tỷ lệ quen thuộc giữa mảnh lớn và mảnh nhỏ.

Nhóm nghiên cứu, đứng đầu là Emmanuel Villermaux, nhà vật lý tại Đại học Aix Marseille của Pháp, cho rằng sự ổn định này phản ánh một đặc điểm mang tính phổ quát của quá trình phân mảnh.

Thay vì cố gắng mô phỏng chi tiết từng vết nứt, Villermaux tập trung vào chính các mảnh vỡ sau khi quá trình đã kết thúc. Ông đề xuất "nguyên tắc ngẫu nhiên tối đa": khi một vật thể bị phá vỡ mạnh, hệ thống có xu hướng tiến đến trạng thái ngẫu nhiên nhất có thể, miễn là vẫn tuân thủ các giới hạn vật lý cơ bản.

Khái niệm này liên quan đến entropy - đại lượng vật lý mô tả mức độ hỗn loạn của một hệ thống. Villermaux giải thích rằng khi vật thể vỡ, trạng thái có khả năng xảy ra cao nhất là trạng thái có entropy lớn nhất, tức là trạng thái hỗn loạn nhất. Đây là lý do vì sao các mảnh vỡ thường có đủ mọi kích thước, thay vì đồng đều hoặc gọn gàng.

Giới hạn vật lý của sự hỗn loạn

Tuy nhiên, sự ngẫu nhiên này không phải là vô hạn. Nó vẫn bị ràng buộc bởi các định luật bảo toàn của vật lý, như tổng khối lượng và thể tích của vật thể ban đầu phải được bảo toàn sau khi vỡ.

Năm 2015, Villermaux và các đồng nghiệp đã phát hiện một định luật bảo toàn liên quan đến mật độ phân bố của các mảnh vỡ trong không gian, đặt ra giới hạn về kích thước và sự phân bố của chúng.

Bằng cách kết hợp nguyên tắc ngẫu nhiên tối đa với các ràng buộc bảo toàn này, Villermaux đã xây dựng được một phương trình toán học duy nhất mô tả phân bố kích thước mảnh vỡ, không phụ thuộc vào chi tiết vật liệu hay hình dạng ban đầu của vật thể.

Để kiểm chứng phương trình, Villermaux đã so sánh các dự đoán toán học với dữ liệu phân mảnh thu thập từ nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm thủy tinh vỡ, mì khô bị bẻ, giọt chất lỏng vỡ ra, bong bóng khí nổ, mảnh nhựa trôi nổi trong đại dương và thậm chí cả mảnh vỡ từ các công cụ đá của con người thời kỳ đầu.

Kết quả cho thấy tất cả các trường hợp này đều phù hợp với cùng một dạng phân bố kích thước mà phương trình dự đoán, chứng tỏ quy luật phân mảnh này không chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm mà còn xuất hiện rộng rãi trong tự nhiên và lịch sử.

Ý nghĩa rộng hơn của một phương trình đơn giản

Dù mang tính phổ quát cao, quy luật này không áp dụng trong mọi tình huống. Nó không phù hợp với các quá trình có tính trật tự cao và ít ngẫu nhiên, ví dụ như khi một dòng chất lỏng chảy đều bị chia tách thành các giọt có kích thước gần như giống nhau.

Ngoài ra, phương trình cũng không mô tả tốt những trường hợp mà các mảnh vỡ tiếp tục tương tác mạnh với nhau sau khi hình thành.

Ferenc Kun, nhà vật lý tại Đại học Debrecen ở Hungary, nhận định rằng dù còn giới hạn, công trình này có giá trị lớn. Hiểu được quy luật phân mảnh có thể giúp các nhà khoa học và kỹ sư tối ưu hóa cách sử dụng năng lượng trong khai thác khoáng sản hoặc đánh giá tốt hơn rủi ro trong các thảm họa tự nhiên.

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc xác định kích thước nhỏ nhất mà một mảnh vỡ có thể đạt tới trước khi các quy luật khác chi phối, cũng như nghiên cứu hình dạng của các mảnh vỡ, không chỉ riêng kích thước của chúng.

Phát hiện này cho thấy ngay cả trong sự hỗn loạn tưởng như vô trật tự, tự nhiên vẫn tuân theo những quy luật nhất định. Và đôi khi, chính xu hướng đi đến trạng thái ngẫu nhiên nhất lại là điều khiến thế giới vật lý trở nên có thể hiểu được.