Đọc sách

Vẽ ảnh số cho Kim tự tháp Chéops

Hà Dương Tường

Imaging the Cheops Pyramid
Tác giả : Bùi Huy Đường
Nxb Springer 2012, 83 trang

Cuốn sách bằng tiếng Anh này có một chỗ đứng độc đáo. Có lẽ đây là lần đầu mà một chủ đề khảo cổ học được đề cập dưới góc độ của một bài toán áp dụng – một cách hấp dẫn và dễ hiểu, như nó phải thế.

Chúng ta đã quen với những tấm phim chụp một bộ phận trong thân thể bằng tia X quang bắt nguồn từ khám phá của nhà vật lý người Đức Wilhelm Conrad Röntgen cuối thế kỉ 19. Röntgen là người được trao giải Nobel vật lý đầu tiên, năm 1901. Gần đây hơn, mấy thập kỉ cuối của thế kỷ 20 chứng kiến sự bùng nổ của những tấm “ảnh y học số hoá”, sử dụng nhiều phương pháp vật lý khác nhau (tia X, siêu âm, cộng hưởng từ…), được “chụp” từ nhiều góc độ và được xử lý bằng các phương pháp phân tích toán học với sự hỗ trợ của những máy tính ngày càng mạnh. Thuật ngữ tiếng Anh “Medical Imaging” (tiếng Pháp: Imagerie médicale) được đặt ra để chỉ ngành khoa học kỹ thuật bao gồm “chụp” và xử lý các tấm ảnh số hoá đó.

“Imaging” trong tên sách có nguồn từ đó, tuy thật ra câu chuyện mà tác giả kể ra không chỉ là một áp dụng của kỹ thuật ảnh y học vào khảo cổ học (sẽ xin trở lại chuyện này sau), cụ thể là trong việc khảo sát các bí ẩn bên trong của kim tự tháp Cheops (tiếng Pháp chấp nhận hai cách phiên âm tên vị vua Ai Cập này : Cheops và Kheops). Khác biệt với các ảnh y học là phương pháp vật lý được sử dụng để “chụp” ảnh, cụ thể là để có được các con số đo lường tương ứng với các thông số (độ sáng, màu…) ở mỗi điểm trong một tấm ảnh. Bên trong kim tự tháp chủ yếu cũng là những phiến đá, nền và tường của các căn phòng nơi đặt quan tài của vua và/hay hoàng hậu, các hành lang dẫn tới phòng v.v.. Tia X hay cộng hưởng từ đương nhiên bị loại.

Câu chuyện bắt đầu đối với tác giả vào năm 1986 khi công ty điện lực Pháp (EDF), nơi ông làm việc, nhận được thông qua đại sứ quán Pháp ở Cairo một câu hỏi từ các nhà hữu trách Ai Cập về Khảo cổ : “EDF có cách nào để tìm ra những lỗ hổng trong kim tự tháp Cheops” ? Ai cũng biết, những “lỗ hổng” (cavity) chen giữa đất đá của công trình xây dựng này có thể là những căn phòng, những hành lang – tuỳ theo vị trí và hình thể của chúng – mà các nhà khảo cổ rất muốn biết. Các cuộc khảo sát bên trong kim tự tháp (bằng cách đào xới!), của vua Al Mamoun năm 820 hay của các nhà khảo cổ Tây phương cuối thế kỷ 19 đã cho thấy một vài cấu trúc bên trong kim tự tháp (theo Wikipedia, xem hình 1). Nhưng không thể tiếp tục đào xới mà không gây ra nguy cơ sụp đổ. Các phương pháp thăm dò không huỷ hoại (Non destructive testing – hay inspection ; tiếng Pháp: Contrôle non destructif) như được dùng trong y học và trong một số ngành công nghệ xây dựng – như công nghệ lò hạt nhân) là duy nhất chấp nhận được.

Cấu trúc đã biết của Kim tự tháp, các dấu chấm là những điểm đo đạc của EDF

Không phải ngẫu nhiên mà câu hỏi được đặt ra cho EDF. Công ty này có kinh nghiệm trong việc thăm dò những lỗ hổng có thể có trong lòng đất nơi một đập thuỷ điện hay một nhà máy điện hạt nhân dự trù được xây dựng. Phương pháp được sử dụng là phép đo vi trọng trường (microgravimetry), một phương pháp được sử dụng nhiều trong ngành địa vật lý. Nói gọn, một máy đo trọng trường – tức lực hấp dẫn của trái đất đối với các vật thể chung quanh ta – với độ chính xác lên tới 10^-9 cho phép đo những khác biệt rất nhỏ của trọng trường g trong một vùng đất nhất định, tại những thời điểm nhất định, từ đó các nhà địa vật lý có thể suy ra cấu tạo địa chất tại chỗ (tham số chính là tỉ trọng khác nhau của các loại đất). Ngược lại, khi cấu tạo địa chất đã được biết trước, những dữ liệu của đo đạc trọng trường cho phép xác định có hay không có điều gì bất thường (anomaly) như một lỗ hổng, để xử lý trước khi xây dựng…

Nhưng đó chỉ là một phần của câu chuyện. Có một khoảng cách khá xa giữa việc biết rằng có lỗ hổng ở một vùng đất, hay rộng ra, một không gian vật chất nào đó – chẳng hạn trong một công trình xây dựng – với việc xác định được vị trí và hình thể, độ lớn của lỗ hổng. Muốn biết điều này, người ta phải giải một “bài toán ngược”¹ của phương trình trọng trường, một bài toán mà ẩn số chính là lỗ hổng hay đường nứt muốn tìm. Tác giả so sánh việc chẩn đoán “có chi bất thường” với việc chẩn bệnh bằng ống nghe của bác sĩ, trong khi việc xác định cụ thể bất thường ấy có thể ví như việc sử dụng các phương tiện hiện đại như máy scanner X, máy cộng hưởng từ… ở bệnh viện để “chụp ảnh” bên trong thân thể người bệnh, dưới nhiều góc độ, nhằm “nhìn thấy” cái bất thường ấy. Khó khăn của bài toán ngược là ở chỗ, một mặt nó đòi hỏi nhân lên rất nhiều đo đạc để có đủ dữ kiện “đầu vào” – chỉ cần hình dung một tấm ảnh hai chiều không thể cho phép “nhìn” thấy những gì ẩn ở mặt sau của một vật chắn 3 chiều, mặt khác đây hầu như luôn luôn là một bài toán phi tuyến tính và rất bất ổn định, trong nghĩa là một sai số rất nhỏ của những dữ liệu đo đạc có thể dẫn tới sai số rất lớn về kết quả.

Chiếc thuyền mặt trời thứ nhất

Mặc dù chưa quen với việc sử dụng phương pháp vi trọng trường trong một công trình xây dựng (đo đạc và xử lý dữ liệu thu được), EDF đã chấp nhận đề nghị của các nhà hữu trách Ai Cập. Cùng với CPGF (Compagnie de Prospection Géophysique Française), một công ty đối tác sở hữu công nghệ vi trọng trường ở mức cao nhất (có máy đo siêu chính xác, biết sắp xếp nơi và thời điểm tiến hành đo đạc và tính toán để loại bỏ các yếu tố nhiễu từ bên ngoài – như vị trí của mặt trời, mặt trăng v.v.), EDF đã tiến hành 4 đợt đo đạc tại 754 điểm trong và ngoài kim tự tháp. Dự án khảo sát kim tự tháp bằng phương pháp thăm dò không huỷ diệt bao gồm những đo đạc đó và việc xử lý các dữ liệu thu được. Đợt xử lý đầu tiên cho những kết quả khả quan. Sự sai biệt (rất nhỏ) của tỉ trọng đo được cho phép khẳng định có lỗ hổng ở phía dưới hành lang dẫn đến “phòng Hoàng hậu”², đồng thời chỉ đúng chỗ (ở bên ngoài kim tự tháp) phòng chứa chiếc “thuyền mặt trời” thứ hai³. Mặt khác, tính chất của một đường nứt trong các bức tường đá chung quanh phòng Vua (nơi đựng quan tài Pharaoh) cũng được xác định… Đợt thứ hai, trên nguyên tắc là để “vẽ” ra toàn cảnh bên trong kim tự tháp (bản đồ tỉ trọng vật liệu tại mỗi điểm) bằng phương pháp giải bài toán ngược, nhưng trong khi ê-kip tính toán chưa làm xong nhiệm vụ của mình thì một “sự cố” xảy ra dẫn đến việc EDF rút khỏi dự án…

Chương đầu của cuốn sách tường thuật quá trình và diễn biến tham gia nghiên cứu Cheops của EDF cũng như sự cố nói trên. Tác giả cũng dành chỗ cho một số thông tin đã được các nhà khảo cổ học cho ta biết về cấu trúc bên trong kim tự tháp, chất liệu đá xây dựng, cũng như ý nghĩa của các phòng đã được khám phá. Chương 2, chương ngắn nhất, nhắc lại các nguyên tắc của phương pháp vi trọng trường trong địa cơ học và những phương pháp giải bài toán ngược mà ê-kip ông đã sử dụng. Người đọc có thể nhảy qua một số phát triển kỹ thuật toán trong chương này để đi tiếp. Chương 3 báo cáo đầy đủ hơn những kết quả xử lý các dữ liệu đo đạc mà tác giả quyết định vẫn tiến hành trong năm 1987 với một đồng nghiệp ở CPGF, dù không còn hỗ trợ tài chính của EDF, sau khi đã chứng minh thành công qua một “thử nghiệm mù” (blind test) hiệu lực của phương pháp giải bài toán ngược.

Ảnh tỉ trọng (densito-gramme),
nhìn từ trên xuống

Không đi sâu vào các khía cạnh toán học của vấn đề, nhưng cũng đủ chi tiết để người đọc theo dõi, hiểu các sơ đồ, các kết quả tính toán – những tấm “ảnh số” biểu diễn tỉ trọng của đất đá trong kim tự tháp, với màu sắc cho thấy chỗ nào nặng, chỗ nào nhẹ…, đây chính là chương cốt lõi của cuốn sách. Tác giả hiển nhiên tự hào về công việc mà ông và các cộng sự viên đã tiến hành (một sơ đồ các điểm đo đạc trong kim tự tháp đã được dùng làm thiệp chúc tết năm 1987 của phòng thí nghiệm của ông tại EDF), nhưng cũng không giấu nỗi thất vọng khi phải bỏ cuộc vì EDF rút khỏi dự án. Vì thế chăng mà, mặc dầu tính độc đáo của công trình, những kết quả phong phú, mới – so với thời điểm của nghiên cứu – và gợi mở của nó (mời gọi tiếp tục công trình với những phương tiện đo đạc và tính toán mạnh hơn) đã phải đợi hơn hai mươi năm mới được công bố?

Chương 4 và cũng là chương cuối cuốn sách gián tiếp giải đáp câu hỏi đó. Nhiều giả thuyết về kỹ thuật xây dựng của người Ai Cập cổ đại, họ làm thế nào để nâng những tảng đá khổng lồ lên và ghép chúng vào thành kim tự tháp, đã được các nhà nghiên cứu đưa ra từ rất lâu. Nhưng, thời sự Ai Cập học ở Pháp rộn lên khá sôi nổi trong mấy năm cuối của thập kỉ 2000-2010, với sự vào cuộc của truyền hình và một giả thuyết mới khá thuyết phục do một kiến trúc sư Pháp, ông Jean-Pierre Houdin, đưa ra. Một dịp để tác giả giở lại hồ sơ cũ, xem lại những tấm ảnh tỉ trọng vật liệu trong kim tự tháp đã có được sau khi giải bài toán ngược từ những số liệu đo đạc vi trọng trường hơn 20 năm trước (chưa từng công bố, nhưng các chuyên gia trong ngành, trong đó có JP Houdin, đã được xem). Chúng có cho phép hình dung một sự “tái dựng ảo” (virtual reconstruction) kim tự tháp? Thay vì đưa ra một lý thuyết mới, ông tiến hành một thao tác khiêm tốn hơn: so sánh các tấm ảnh đó với những tấm ảnh số mà người ta có thể vẽ ra, giả dụ như công trình đã được xây dựng theo cách này hay cách khác. Tỉ trọng của vật liệu, nếu xây dựng theo cách đó, có hình xoắn vuông dọc theo bờ kim tự tháp, nặng dưới, nhẹ trên, nặng một cạnh và nhẹ cạnh kia, như ảnh bên cho thấy ? Kết quả so sánh chưa cho phép kết luận dứt khoát : giả thuyết của Houdin và một giả thuyết khác được đưa ra từ nửa thế kỉ trước, gắn với tên tuổi của hai nhà Ai Cập học Hölscher và Borchardt đều phù hợp. Cũng là điều bình thường khi, ông nhắc lại, bài toán ngược thường có nhiều giải đáp. Còn cần nhiều nghiên cứu nữa để đưa ra một lý thuyết hoàn toàn thuyết phục. Và, tại sao không, tìm ra vị trí đích thực của “phòng Vua”, nơi an nghỉ cuối cùng của Pharaoh Chéops. Về phần ông, cùng đeo đuổi đam mê nghiên cứu này là một “giấc mơ”: tìm thấy căn phòng và chiếc quan tài trong đó ở một nơi cao sang, trang trọng nhất: sát với đỉnh tháp, gần đỉnh nhất có thể.

Khép sách lại, người đọc không khỏi bâng khuâng nghĩ tiếp về giấc mơ đẹp ấy.

Hà Dương Tường

Sơ lược tiểu sử tác giả

   

Bùi Huy Đường là một nhà khoa học với một sự nghiệp độc đáo. Tốt nghiệp trường Bách Khoa (1959) và trường Mỏ Paris (1961), ông gia nhập công ty điện lực Pháp (EDF) để nghiên cứu cơ học chất rắn, trong lĩnh vực điện hạt nhân. Sau khi bảo vệ luận án tiến sĩ nhà nước năm 1969 (đại học Paris VI), ông tiếp tục ở lại EDF thay vì gia nhập một đại học ở một vị trí giáo sư, như nhiều đồng nghiệp khác. Bốn năm sau (1973), ông mới nhận một chức vụ giảng dạy, Maître de Conférences tại trường Bách Khoa (cho tới 1985), nhưng cũng từ đó ông tiến hành sự nghiệp của mình đồng thời ở hai đơn vị: phòng thí nghiệm Mô hình cơ học và tính toán (Modélisation Mécanique et Numérique) thuộc EDF và phòng Cơ học chất rắn (Laboratoire de Mécanique des Solides) thuộc Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khoa học Pháp (CNRS) và trường Bách Khoa, nơi ông được giao chức vụ Giám đốc nghiên cứu CNRS kể từ năm 1978. Những công trình nghiên cứu của ông bao gồm hầu như mọi lĩnh vực trong Cơ học chất rắn, đặc biệt là cơ học về sự gãy (mécanique de la rupture) mà ông là một chuyên gia hàng đầu trên thế giới.

Từ khi tham gia dự án Chéops, Bùi Huy Đường tiếp tục nghiên cứu về nhiều bài toán ngược trong cơ học và cùng với hai ê-kip của mình, ở EDF và ở Bách Khoa, đưa ra lời giải cho nhiều bài toán quan trọng trong lĩnh vực này. Trong cả hai lĩnh vực cơ học chất rắn và bài toán ngược, ông được mời vào ban biên tập của nhiều tạp chí quốc tế nổi tiếng.

Bùi Huy Đường được bầu làm viện sĩ thông tấn (năm 1987) rồi viện sĩ (1995) của Hàn lâm viện Khoa học Pháp. Ông cũng là thành viên sáng lập của Viện Hàn lâm Công nghệ Pháp (2001) và thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Châu Âu (cùng năm). Năm 2008, ông được chính phủ Pháp trao tặng huân chương Bắc đẩu bội tinh (Légion d’Honneur).