Từ cát bụi đến vật liệu thông minh biết 'tư duy': Trương Triều Dương và nhà vật lý Lưu Nhược Vi giải mã logic nền tảng của thế giới

< img id="wx_img" src="https://www.qbitai.com/wp-content/uploads/imgs/qbitai-logo-1.png" width="400" height="400">

Từ những hạt cát đến vật liệu thông minh biết "tư duy", Trương Triều Dương cùng nhà vật lý Lưu Nhược Vi giải mã logic nền tảng của thế giới.

19-08-2026 14:35:42 Nguồn: QbitAI

"Làm vật lý, phải dám đặt ra những câu hỏi ngớ ngẩn"

Doãn Trung, đưa tin từ Aofei Temple

QbitAI | Kênh chính thức QbitAI

Ngày 12 tháng 8, chuỗi "Đối thoại Hội nghị Khoa học Cơ bản" thuộc chương trình "Lớp học Vật lý của Trương Triều Dương" trên Sohu Video đã chính thức khởi động.

Nhà sáng lập, Chủ tịch Hội đồng quản trị kiêm CEO của Sohu, Tiến sĩ Vật lý Trương Triều Dương, đã có cuộc đối thoại chuyên sâu với Giáo sư Lưu Nhược Vi (Andrea J. Liu), giáo sư vật lý tại Đại học Pennsylvania kiêm Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Vật chất Mềm và Vật chất Sự sống.

Giáo sư Lưu Nhược Vi là học giả tiêu biểu trong lĩnh vực vật lý thống kê phi cân bằng. Với những đóng góp tiên phong trong lĩnh vực chuyển pha tắc nghẽn (jamming transition) và chất rắn vô định hình, bà cùng các cộng sự đã giành giải thưởng Leo P. Kadanoff của Hội Vật lý Mỹ năm 2025, đồng thời vinh dự nhận Huy chương Vật lý Marie Curie tại Hội nghị Khoa học Cơ bản Quốc tế năm nay.

Với chủ đề "Thế giới phức tạp: Từ cát đến trí tuệ", cả hai đã đi sâu vào các lĩnh vực tiên phong của vật chất mềm và vật lý thống kê phi cân bằng, bắt đầu từ những đống cát và bọt xà phòng quen thuộc trong đời sống, nhằm tìm kiếm các quy luật phổ quát trong hệ thống vô định hình, đồng thời mở rộng thảo luận về lộ trình nghiên cứu và tiềm năng tương lai của các loại vật liệu thông minh mô phỏng não bộ tiêu thụ năng lượng thấp.

(Bài viết này được biên soạn dựa trên nội dung buổi đối thoại trực tiếp. Để dễ hiểu, các diễn đạt khẩu ngữ đã được tinh chỉnh và sắp xếp lại mà không làm thay đổi các quan điểm cốt lõi, xin lưu ý).

I. Chuyển pha tắc nghẽn: Vật chất vô định hình đạt được độ cứng như thế nào

Trương Triều Dương: Hôm nay là một lớp học vật lý đặc biệt, cũng là cuộc đối thoại thường niên gắn liền với Hội nghị Khoa học Cơ bản Quốc tế. Hàng năm vào tháng 7, tháng 8, các nhà khoa học hàng đầu thế giới đến Trung Quốc tham dự hội nghị, tôi đều phỏng vấn một vài nhà khoa học tiêu biểu như một phần mở rộng của lớp học vật lý.

Khách mời hôm nay là nhà vật lý nổi tiếng, Giáo sư Lưu Nhược Vi. Giáo sư Lưu là một nhà vật lý lý thuyết xuất sắc, giáo sư khoa Vật lý tại Đại học Pennsylvania, người đã có những đóng góp vượt bậc trong lĩnh vực vật chất mềm và vật chất hoạt tính của vật lý chất rắn, đặc biệt nổi tiếng với Lý thuyết Tắc nghẽn (Jamming Theory).

Bà đã giành giải thưởng Leo P. Kadanoff của Hội Vật lý Mỹ năm 2025 và nhận Huy chương Vật lý Marie Curie tại Hội nghị Khoa học Cơ bản Quốc tế. Chúc mừng bà, một thành tựu tuyệt vời!

Trương Triều Dương: Chúng ta biết rằng cấu trúc mạng tinh thể trong vật lý chất rắn có thể được mô tả bằng cơ học lượng tử, trong khi công cụ để nghiên cứu chất lưu là phương trình Boltzmann hoặc phương trình Navier-Stokes. Khi đó, các chi tiết của từng hạt riêng lẻ được làm thô (coarse-grained), và chúng ta tập trung vào hành vi tổng thể.

Công việc của Giáo sư Lưu nằm ở vùng trung gian – vật lý vật chất mềm. Vật chất mềm không phải là tinh thể lý tưởng có trật tự tầm xa, cũng không phải là chất lưu liên tục bỏ qua các chi tiết hạt.

Những thành tựu nghiên cứu mới nhất của bà rất hứa hẹn trở thành loại vật chất có thể tính toán được, có khả năng điều chỉnh tham số, có trí nhớ và khả năng học hỏi. Điều này rất đáng phấn khởi, nó liên quan đến sự phát triển của AI hiện nay nhưng lại khác biệt, vì nó có khả năng tiêu thụ năng lượng cực thấp.

Đó là bối cảnh cơ bản, chúng ta hãy bắt đầu thảo luận nhé.

Lưu Nhược Vi: Vật chất mềm có thể là tinh thể lỏng, cũng có thể là các hạt nhỏ ở quy mô micromet. Các đơn vị cấu thành của hệ thống loại này đủ lớn, hoặc nhiệt độ đủ cao, nên hiệu ứng lượng tử không quá quan trọng.

Khi bạn đặt một lượng lớn chúng lại với nhau, các hành vi tập thể khó hiểu sẽ xuất hiện. Ví dụ yêu thích nhất của tôi là bọt cạo râu. Bạn xịt bọt cạo râu ra khỏi bình, tạo hình cho nó, nó sẽ giữ nguyên hình dạng đó. Nó không chảy khỏi tay bạn như nước, cũng không tan vào không khí, nó biểu hiện như một chất rắn. Thế nhưng thành phần cấu tạo của nó lại là 95% khí, 5% lỏng, thậm chí có thể là 0.1% lỏng và 99.9% khí.

Trương Triều Dương: Vậy dùng mô hình cơ học nào để mô tả nó?

Lưu Nhược Vi: Mô hình rất đơn giản: mô hình quả cầu mềm. Các nhà vật lý chúng tôi thích hình cầu. Nếu hai quả cầu không chồng lấn, sẽ không có tương tác. Nhưng một khi xảy ra chồng lấn, nó giống như có một chiếc lò xo điều hòa đẩy chúng ra xa.

Trương Triều Dương: Vậy khi tách rời chúng có lực hút không?

Lưu Nhược Vi: Khi tách rời hoàn toàn không có lực, chỉ khi chồng lấn mới có lực đẩy. Mô hình đơn giản này không chỉ là điểm khởi đầu để nghiên cứu hiện tượng bọt, mà còn có thể làm điểm khởi đầu cho vật chất hạt, ví dụ như cát. Mặc dù cát thật thường không có hình cầu và có ma sát.

Trương Triều Dương: Quả cầu phải lớn bao nhiêu?

Lưu Nhược Vi: Bản thân quy mô không quan trọng, nhưng nó cung cấp một điểm khởi đầu. Nó có thể áp dụng cho các hạt nhỏ hơn, chất keo, hạt nano, thậm chí là thủy tinh. Những tảng đá lớn trong các vụ sạt lở đất cũng vậy. Điểm mấu chốt là mô hình đơn giản này đã nắm bắt được bản chất tại sao chất rắn vô định hình lại có độ cứng, tại sao nó trở thành chất rắn chứ không phải chất lỏng.

Lưu Nhược Vi: Hệ thống này tồn tại sự chuyển pha. Ở nhiệt độ bằng 0, giả sử mật độ rất thấp, tức là các quả cầu chỉ chiếm một phần rất nhỏ tổng thể tích, mọi lực đẩy đều có thể biến mất, tất cả các quả cầu đều không chồng lấn lên nhau, lúc này năng lượng tối thiểu bằng 0.

Trạng thái này về mặt cơ học là chất lưu: nếu tôi thực hiện cắt (shear) lên nó, sau khi tối thiểu hóa năng lượng, luôn có thể tìm lại được cấu hình không chồng lấn. Nếu liên tục tăng mật độ, sẽ đạt đến phân số thể tích tới hạn, ký hiệu là, lúc này sự chồng lấn không còn cách nào tránh khỏi.

Trương Triều Dương: Con số này lớn hơn 1 hay nhỏ hơn 1?

Lưu Nhược Vi: Trong trường hợp ba chiều, đó là một con số rất thú vị, gọi là đóng gói ngẫu nhiên (random close packing), đối với các quả cầu vô định hình là khoảng 64%. Vượt quá con số này, hệ thống sẽ trở thành chất rắn và có mô-đun cắt (shear modulus).

Chúng ta biết có chuyển pha bậc một và chuyển pha liên tục. Nước đóng băng thành đá là chuyển pha bậc một điển hình, cấu trúc tinh thể của nó đột ngột trở nên tuần hoàn, mật độ xảy ra bước nhảy không liên tục, mô-đun cắt nhảy từ 0 lên một giá trị hữu hạn khác 0. Còn chuyển pha tắc nghẽn là chuyển pha liên tục. Tại phân số thể tích tới hạn, mô-đun cắt bằng 0, nếu nén hệ thống chặt thêm một chút, mô-đun cắt sẽ tăng dần theo quy luật lũy thừa.

Điều này tương tự như hành vi gần điểm tới hạn của chuyển pha lỏng-khí: khi đi dọc theo đường cùng tồn tại lỏng-khí rời xa điểm tới hạn, sự chênh lệch mật độ giữa chất lỏng và chất khí tăng theo quy luật lũy thừa.

Trương Triều Dương: Vậy chuyển pha tắc nghẽn này có phải xảy ra trước chuyển pha bậc một của chất rắn không?

Lưu Nhược Vi: Nếu xét đến dao động nhiệt và các quả cầu có kích thước bằng nhau, khi mật độ tăng, hệ thống sẽ kết tinh từ chất lỏng thành tinh thể lập phương tâm diện, chuyển pha bắt đầu từ khoảng 52% phân số thể tích, thấp hơn 64%.

Nhưng nếu bạn tăng mật độ đủ nhanh, hoặc làm cho kích thước các quả cầu khác nhau, bạn có thể ức chế sự kết tinh cho đến khi gần đạt 64% mới biến thành chất rắn, hình thành trạng thái tắc nghẽn (jammed state).

Lưu Nhược Vi: Trong không gian ba chiều, số mũ lũy thừa này khoảng 0.328, giống nhau đối với bất kỳ chất lưu thông thường nào, bất kể nó được cấu tạo từ gì. Ngay cả khi chúng ta trộn hai loại chất lỏng có thể tách pha, cũng là số mũ đó. Mô hình Ising cũng là 0.328. Hiện tượng này gọi là tính phổ quát (universality).

Điều này phải kể đến công lao của Wilson và nhóm tái chuẩn hóa (renormalization group): các hệ thống khác nhau thuộc cùng một lớp phổ quát, các số mũ tới hạn là phổ quát.