Tôi xin giới thiệu một lĩnh vực khoa học nổi bật,
chỉ mới hình thành ở mức độ lý thuyết nhưng vô cùng gây phấn khích,
và chắc chắn là một lĩnh vực đang lớn mạnh rất nhanh.
Đó là sinh học lượng tử với câu hỏi rất đơn giản :
Có phải cơ học lượng tử --
một lý thuyết kỳ dị, tuyệt vời và mạnh mẽ
về thế giới bên trong của nguyên tử và phân tử
trở thành nền móng cho vật lý và hóa học hiện đại --
cũng giữ vai trò bên trong tế bào sống?
Nói cách khác: có phải có những quy trình, cơ chế, hiện tượng
trong các tổ chức sống có thể được giải thích
với sự giúp đỡ của cơ học lượng tử?
Nay, sinh lượng tử không còn mới;
nó đã có từ đầu thập niên 1930.
Nhưng chỉ khoảng thập niên trước hay gần đó mới có thử nghiệm nghiêm túc--
trong các phòng thí nghiệm hóa sinh, dùng quang phổ--
các thí nghiệm này cho bằng chứng rõ ràng rằng có những cơ chế đặc biệt
cần sự giải thích nhờ vào cơ học lượng tử.
Ngành sinh lượng tử quy tụ các nhà vật lý lượng tử, sinh học,
sinh học phân tử -- đó là một lĩnh vực đa chuyên môn.
Chuyên môn của tôi là vật lý lượng tử, và tôi là nhà vật lý hạt nhân.
Tôi đã trải qua hơn 3 thập kỷ
để nghiên cứu về cơ học lượng tử.
Một trong những ông tổ cơ học lượng tử, Neils Bohr,
nói : nếu bạn không ngạc nhiên về lượng tử, đó là do bạn chưa hiểu.
Tôi cảm thấy hạnh phúc vì vẫn còn ngạc nhiên về lượng tử.
Đó là dấu hiệu tốt.
Tôi vẫn ngạc nhiên khi được nghiên cứu về chính cấu trúc nhỏ nhất trong vũ trụ--
đơn vị nhỏ nhất của vạn vật.
Nếu ta nghĩ về tỉ lệ độ lớn,
thì hãy bắt đầu với vật thường ngày như quả bóng tennis,
và nhỏ dần xuống theo thang kích cỡ --
từ lỗ kim đến tế bào, xuống đến vi khuẩn, rồi đến enzyme--
cuối cùng bạn đến thế giới nano.
'Công nghệ nano' có thể là một thuật ngữ bạn đã nghe.
Một nanomet là một phần tỷ mét.
Lĩnh vực của tôi là hạt nhân nguyên tử, đó là một chấm bé xíu trong một nguyên tử.
Nó nhỏ quá nên không có ở bảng xếp hạng.
Đó là một lĩnh vực của cơ học lượng tử,
và các nhà vật lý và hóa học đã có một thời gian dài
để thử và làm quen với nó.
Thế mà, theo cách nhìn của tôi, các nhà sinh vật học lại không quan tâm.
Hay là do họ quá hãnh diện về các mô hình phân tử của họ.
(Cười)
Các viên bi là nguyên tử, các que nối là liên kết các nguyên tử.
Khi không thể thiết kế chúng ở phòng thí nghiệm,
thì ngày nay, họ có các máy vi tính rất mạnh
để làm mô phỏng phân tử phức tạp.
Đây là một phân tử protein được hình thành từ 100.000 nguyên tử.
Để giải thích về nó, người ta không cần nhiều lý thuyết cơ lượng tử.
Cơ học lượng tử đã phát triển vào thập niên 1920.
Nó là một bộ quy tắc toán rất đẹp và mạnh mẽ và là những khái niệm
để giải thích thế giới vô cùng bé nhỏ.
Đó là một thế giới rất khác với thế giới hàng ngày của chúng ta,
được làm từ tỷ tỷ nguyên tử.
Còn thế giới lượng tử thì được xây dựng trên xác suất và sự may rủi.
Đó là một thế giới mơ hồ.
Đó là một thế giới ma quái,
nơi đó các hạt có thể vận hành như sóng lan truyền.
Nếu chúng ta tưởng tượng cơ học lượng tử hay vật lý lượng tử
như nền tảng căn bản của chính vạn vật,
thì sẽ không ngạc nhiên khi ta nói
vật lý lượng tử là trụ đỡ cho hóa học hữu cơ.
Sau cùng, nó cho ta quy luật để giải thích
cách các nguyên tử kết với nhau để tạo phân tử hữu cơ.
Hóa học hữu cơ, phát triển rất phức tạp,
cho chúng ta ngành sinh học phân tử, chuyên nghiên cứu về sự sống.
Thật ra, nó không gây ngạc nhiên.
Nó bình thường đến mức
bạn nói, "Đương nhiên, sự sống phải phụ thuộc vào cơ học lượng tử."
Nhưng mọi thứ khác cũng vậy.
Các chất vô cơ cũng vậy, được làm từ tỷ tỷ nguyên tử.
Vậy có một môi trường lượng tử
ở đó ta phải tìm hiểu đặc tính kỳ lạ này.
Nhưng thường ngày, ta hay quên thế giới lượng tử.
Vì một khi bạn kết nối tỷ tỷ nguyên tử lại,
thì tính kỳ lạ của lượng tử liền biến mất.
Sinh học lượng tử không liên quan đến điều đó.
Sinh học lượng tử không rõ ràng như vậy.
Đương nhiên cơ học lượng tử là trụ cột của sự sống ở mức độ phân tử.
Sinh học lượng tử tìm kiếm cái không bình thường --
ý tưởng chống trực giác trong cơ học lượng tử--
để xem liệu chúng có thực sự giữ một vai trò quan trọng
trong việc mô tả các quy trình sự sống.
Đây là ví dụ hoàn hảo của tôi về việc chống lại trực giác
của thế giới lượng tử.
Gã lượng tử trượt tuyết.
Anh ta có vẻ còn nguyên, hoàn toàn bình an,
dù ta thấy hai vết đường trượt của hai chân anh ta đi hai bên cây.
Nếu bạn thấy vết trượt như thế
dĩ nhiên, bạn sẽ nói đó là trò kỹ xảo.
Nhưng trong thế giới lượng tử, điều đó luôn xảy ra.
Các hạt có thể có đa chức năng, chúng có thể ở hai nơi cùng lúc.
Chúng có thể làm nhiều việc tại cùng thời điểm.
Các hạt có thể vận hành như là sóng lan truyền.
Thật là ma thuật.
Các nhà vật lý và nhà hóa học đã có gần một thế kỷ
để tập quen với tính kỳ lạ này.
Tôi không trách nhà sinh học
khi họ không muốn học cơ học lượng tử.
Bạn thấy đó, tính kỳ lạ này rất khó giữ;
với chúng tôi, nhà vật lý, không dễ để giữ được nó trong các phòng thí nghiệm.
Chúng tôi làm lạnh hệ thống đến nhiệt độ zero tuyệt đối,
chúng tôi để trong chân không,
chúng tôi thử và tách biệt nó khỏi mọi nhiễu loạn bên ngoài.
Nó không chấp nhận môi trường ấm, lộn xộn, ồn ào của tế bào sống.
Chính ngành sinh học, nếu bạn nghĩ về sinh học phân tử,
dường như đã làm rất tốt trong việc mô tả tất cả quy trình cuộc sống
theo cách nói của hóa học-- đó là phản ứng hóa học.
Đây là những phản ứng hóa học không thể khác được và đơn giản hóa,
chúng chỉ ra rằng, về cơ bản, sự sống được làm từ cùng chất liệu như mọi thứ khác,
và nếu ta có thể quên cơ học lượng tử ở thế giới vật lý vĩ mô
thì ta cũng nên quên nó trong ngành sinh học.
Một người phản đối ý tưởng này.
Erwin Schrödinger, tác giả ý tưởng "con mèo của Schrödinger" nổi tiếng,
là một nhà vật lý người Úc.
Ông là một trong những vị sáng lập cơ học lượng tử thập niên 1920.
Năm 1944, ông viết quyển sách tựa đề "Sự sống là gì?"
Sách có ảnh hưởng rất lớn.
Nó ảnh hưởng Francis Crick và James Watson,
những người tìm ra cấu trúc chuỗi xoắn kép của ADN.
Để diễn giải một mô tả trong quyển sách, ông viết:
Ở mức độ phân tử, các cơ thể sống có một trật tự nhất định,
một cấu trúc rất khác biệt
so với sự hỗn loạn ngẫu nhiên do nhiệt của nguyên tử và phân tử
trong vật không sự sống có cùng mức độ phức tạp.
Thật vậy, cơ thể sống dường như vận hành theo trật tự này, trong cấu trúc,
chỉ giống vật thể không sự sống ở việc lạnh dần đến độ 0 tuyệt đối,
nơi các ảnh hưởng lượng tử giữ vai trò rất lớn.
Có vài thứ đặc biệt về cấu trúc--trật tự--
bên trong tế bào sống.
Schrödinger cho rằng có thể cơ học lượng tử giữ một vai trò trong sự sống.
Đó là một ý tưởng táo bạo và có ảnh hưởng rộng lớn,
và nó không đi được xa.
Nhưng như tôi trình bày lúc đầu,
trong 10 năm vừa qua, đã có những thử nghiệm nổi bật,
chỉ ra nơi mà ở đó một số hiện tượng trong sinh học
dường như cần đến cơ học lượng tử.
Tôi muốn chia sẻ với bạn một vài trường hợp thú vị.
Đây là một trong những hiện tượng nổi tiếng nhất trong thế giới lượng tử :
đường hầm lượng tử.
Hộp bên trái cho thấy sự truyền dạng sóng và lan rộng
của một thực thể lượng tử -- một hạt, như là hạt electron,
hạt này không như quả bóng dội lên tường.
Nó là một dạng sóng với một xác suất nào đó có khả năng thẩm thấu
xuyên qua bức tường rắn, như một bóng ma xuyên qua phía bên kia tường.
Bạn có thể thấy một vệt ánh sáng mờ bên hộp phải.
Đường hầm lượng tử gợi ý rằng một hạt có thể đập một rào chắn không thể xuyên,
và theo cách nào đó, như là ảo thuật,
nó biến mất khỏi bên này và xuất hiện ở bên kia.
Cách giải thích thú vị nhất là nếu bạn muốn ném quả bóng qua tường,
bạn phải cho nó đủ năng lượng để vượt qua mép trên của tường.
Trong thế giới lượng tử,bạn không cần phải ném nó cao hơn tường
bạn có thể ném nó vào tường, khi đó có một xác suất khác không
để nó biến mất ở phía của bạn, và xuất hiện ở phía bên kia.
Đây không phải là suy đoán.
Đây là niềm hạnh phúc -- À không, từ "hạnh phúc" không dùng đúng--
(Cười)
Chúng ta quen miệng nói từ này.
(Cười)
Hầm lượng tử luôn hiện hữu;
thực ra, nó tạo nguồn sáng trong mặt trời.
Các hạt hợp nhất lại,
và mặt trời chuyển hydro thành hêli thông qua hầm lượng tử.
Quay lại thập niên 70 và 80, người ta phát hiện hầm lượng tử cũng xảy ra
trong tế bào sống.
Các enzyme, nhân tố giữ sự sống, chất xúc tác của phản ứng hóa học --
chúng là phân tử sinh học thúc đẩy các phản ứng hóa học trong tế bào sống,
bằng rất nhiều lệnh quan trọng.
Và đó luôn là một bí ẩn để hiểu chúng làm điều đó thế nào.
Điều đó đã được tìm thấy:
một trong những chiêu mà enzyme phát triển để dùng,
là chuyển các hạt hạ nguyên tử, như hạt electron và nhất là hạt proton,
từ một phần của phân tử đến một phần khác thông qua hầm lượng tử.
Nó rất hiệu quả và nhanh, nó có thể biến mất --
hạt proton có thể biến mất khỏi nơi này, và xuất hiện ở nơi khác.
Enzyme giúp cho điều đó xảy ra.
Đây là nghiên cứu được thực hiện lại vào thập niên 80,
bởi một nhóm ở Berkeley, nhóm của Judith Klinman.
Các nhóm khác ở Anh cũng đã xác nhận
hiện tượng này ở các enzyme.
Nghiên cứu thực hiện bởi nhóm của tôi --
như tôi đã trình bày, tôi là nhà vật lý nguyên tử,
nhưng tôi nghĩ tôi có những công cụ để sử dụng cơ học lượng tử
trong nhân nguyên tử, và như vậy tôi cũng có thể áp dụng cho các lĩnh vực khác.
Một câu hỏi chúng tôi đặt ra
là liệu hầm lượng tử có vai trò trong sự biến đổi của ADN.
một lần nữa, đây không phải là ý tưởng mới; mà quay lại đầu thập niên 60.
Hai bờ mép của ADN, cấu trúc xoắn kép,
được giữ với nhau bởi các thanh ngang; như một thang xoắn.
Và các thanh ngang của thang xoắn này là các liên kết hydro --
proton, có chức năng kết nối hai đường dài hai bên.
Vậy nếu bạn phóng lớn, bạn sẽ thấy chúng giữ các phân tử lớn --
nucleotide -- lại với nhau.
Hãy phóng lớn tí nữa.
Vậy, đây là mô phỏng trên máy tính.
Hai viên bi trắng ở giữa là hạt proton,
và bạn có thể thấy đó là liên kết hydro kép.
Gốc của liên kết này đặt ở một bên; liên kết kia có gốc ở phía kia
của hai mép dài của đường thẳng đứng hướng xuống mà bạn không thấy.
Đôi khi hai proton này nhảy lên.
Hãy nhìn hai viên bi trắng.
Chúng có thể nhảy đến phía kia.
Nếu hai đường bên của ADN tách ra, dẫn đến quá trình tái tạo,
và hai proton rơi sai vị trí,
điều đó có thể dẫn đến đột biến.
Điều này được biết đến nửa thế kỷ nay.
Câu hỏi là : làm sao mà điều đó xảy ra được,
nếu xảy ra, chúng xảy ra như thế nào?
Chúng nhảy ngang qua, như là bóng nhảy qua tường?
Hay chúng đi ngang qua hầm lượng tử, ngay cả khi không có đủ năng lượng?
Dấu hiệu ban đầu cho thấy hầm lượng tử có thể giữ vai trò ở đây.
Chúng tôi chưa biết nó quan trọng mức nào;
đó vẫn là câu hỏi chưa có lời đáp.
Đó là là suy đoán,
nhưng đó là một trong những câu hỏi rất quan trọng
mà nếu cơ học lượng tử giữ vai trò trong đột biến,
thì chắc chắn sẽ có những hệ quả lớn lao,
để hiểu những dạng của đột biến,
thậm chí có thể tác động đến tế bào ung thư.
Một ví dụ khác của cơ học lượng tử trong sinh học là cố kết lượng tử,
một trong các quy trình sinh học quan trọng nhất,
là quan hợp: cây và vi khuẩn hấp thu ánh sáng,
và dùng năng lượng đó để tạo sinh khối.
Cố kết lượng tử là ý tưởng về các thực thể lượng tử đa nhiệm.
Người lượng tử trượt tuyết.
Đó là một khách thể có tính chất như sóng,
nó không chỉ di chuyển trong hướng này hay hướng khác,
nó còn có thể theo nhiều hướng khác nhau tại một thời điểm.
Cách đây vài năm, giới khoa học bị sốc
khi một bài báo được đăng về một bằng chứng thực nghiệm
rằng cố kết lượng tử xảy ra trong vi khuẩn,
lúc thực hiện quan hợp.
Ý tưởng này : photon, hạt ánh sáng, ánh sáng mặt trời,
lượng tử của ánh sáng được hấp thu bởi phân tử diệp lục,
rồi được giải phóng đến nơi gọi là trung tâm phản ứng,
ở đó nó được biến đổi ra năng lượng hóa học.
Và khi đến đó, nó không chỉ đi theo một đường;
nó đi theo nhiều đường cùng một lúc,
để tối ưu hóa cách đến được trung tâm phản ứng
mà không lãng phí năng lượng nhiệt.
Cố kết lượng tử xảy ra trong tế bào sống.
Một ý tưởng đáng chú ý,
và bằng chứng đang tăng theo tuần, với những bài báo mới được xuất bản,
khẳng định cố kết lượng tử thật sự tồn tại.
Ví dụ thứ 3 và là cuối cùng của tôi: ý tưởng đẹp nhất và tuyệt vời nhất.
Đó cũng là phỏng đoán, nhưng tôi phải chia sẻ với bạn.
Loài chim robin châu Âu từ Scandinavia
xuống tới Địa Trung Hải, vào mùa thu,
và rất thích ăn sinh vật biển và cả côn trùng,
chúng định hướng bay nhờ cảm được từ trường của Trái Đất.
Nhưng từ trường của Trái Đất thì rất yếu;
nó kém 100 lần so với nam châm gắn tủ lạnh
nhưng bằng cách nào đó lại ảnh hưởng trên các chất bên trong một tổ chức sống.
Đó không còn là nghi ngờ -- hai nhà khoa học Đức về loài chim,
Wolfgang and Roswitha Wiltschko, vào thập niên 1970, đã khẳng định,
chim robin tìm thấy đường của chúng bằng cách cảm nhận từ trường của Trái Đất,
để có thông tin về hướng bay -- như có một la bàn bên trong.
Bài toán hóc búa : Làm sao chúng làm được?
Lý thuyết chủ đạo --
chúng ta không biết liệu đó có phải là lý thuyết đúng, nhưng nó chủ đạo--
là chúng làm việc đó qua cái được gọi là tương đồng lượng tử.
Bên trong võng mạc của chim robin --
tôi không lừa bạn - trong võng mạc của robin, là một protein gọi là cryptochrome,
nhạy với ánh sáng.
Trong cryptochrome, có một cặp electron có sự tương đồng lượng tử.
Tương đồng lượng tử là khi hai hạt xa nhau,
nhưng cách nào đó chúng vẫn giữ liên lạc được với nhau.
Einstein ghét khái niệm này;
ông gọi là "hành động ma quỷ ở cách xa."
(Cười)
Einstein không thích nó, ta có thể cũng không thấy thoải mái với nó.
Hai electron có tương đồng lượng tử trong một phân tử đơn
nhảy một điệu tinh tế
và tạo được cảm giác để định hướng bay của chim
trong từ trường Trái Đất.
Ta không biết liệu đó là một giải thích chính xác,
nhưng, có lẽ sẽ rất thú vị nếu cơ học lượng tử giúp chim di chuyển?
Sinh học lượng tử vẫn còn non trẻ.
Đó vẫn còn là ước đoán.
Nhưng tôi tin nó được xây dựng trên khoa học vững chắc.
Tôi cũng nghĩ trong thập niên tới hay gần đó,
ta sẽ thấy nó thực sự lan khắp mọi nơi trong cuộc sống --
sự sống có những tuyệt chiêu ở đó lượng tử được dùng đến.
Hãy nhìn không gian.
Cảm ơn.
(Vỗ tay)