Nhân loại có thể tìm ra độ 0 tuyệt đối?

Tuy nhiên, việc đạt đến con số này sẽ tạo ra nhiều hiệu ứng lượng tử hiếm gặp.

Con số chưa được ghi nhận

Độ 0 tuyệt đối là nhiệt độ thấp nhất theo lý thuyết và được các nhà khoa học xác định là 0 độ K (kelvin) hay -273,15 độ C. Mức nhiệt này thậm chí còn lạnh hơn cả không gian ngoài vũ trụ. Cho đến nay, theo hiểu biết của nhân loại, chưa có gì đạt đến độ 0 tuyệt đối nhưng đây vẫn là mơ ước của giới khoa học. Liệu việc đạt được cột mốc này có khả thi hay không?

Để trả lời câu hỏi này, trước hết chúng ta cần tìm hiểu nhiệt độ là gì. Chúng ta có xu hướng nghĩ rằng nhiệt độ thể hiện mức độ nóng hoặc lạnh của một vật nhưng thực ra, nhiệt độ là thước đo năng lượng hoặc dao động của tất cả các hạt trong một hệ thống.

Vật nóng có nhiều năng lượng hơn nên các hạt của chúng chuyển động nhanh hơn. Điểm mà các hạt hoàn toàn không có năng lượng, do đó cũng ngừng chuyển động, được định nghĩa là độ 0 tuyệt đối. Nó thể hiện cho sự thiếu vắng năng lượng.

Độ 0 tuyệt đối không đồng nghĩa với nhiệt độ thấp nhất. Khái niệm nhiệt độ thấp nhất xuất hiện vì bất cứ một cơ thể nào cũng có một trạng thái năng lượng thấp nhất, ở đó mọi năng lượng đều bị vắt kiệt.

Các nhà khoa học quan tâm đến việc đạt độ 0 tuyệt đối vì nhiều hiệu ứng lượng tử thú vị xuất hiện khi các hạt chậm lại. Ông Sankalpa Ghosh, nhà vật lý lý thuyết vật chất ngưng tụ tại Viện Công nghệ Ấn Độ Delhi, cho biết, một nguyên tắc cơ bản trong cơ học lượng tử là lưỡng tính sóng – hạt, hiện tượng trong đó một hạt như photon ánh sáng có thể hoạt động như hạt hoặc sóng.

Điều này có thể bắt nguồn từ Nguyên lý Bất định Heisenberg, vốn định lượng bản chất xác suất của phép đo lượng tử. Có nghĩa là khi đo được chính xác vị trí của một hạt thì không thể biết được chính xác động lượng của nó và ngược lại. Bản chất xác suất này khiến cho một hạt cơ lượng tử có đặc tính giống sóng.

Khi xử lý các hạt cơ học lượng tử, điều quan trọng là phải nhớ “tính không thể phân biệt” của chúng. Vì vậy không thể theo dõi các hạt hoặc sóng riêng lẻ như chúng ta có thể làm với các vật thể lớn hơn.

Phạm vi của hành vi giống như sóng lượng tử này được biểu thị bằng tỷ lệ khoảng cách giữa các hạt trong hệ thống, gọi là bước sóng nhiệt de Broglie. Ở nhiệt độ bình thường, hành vi lượng tử này không đáng chú ý, nhưng những hiệu ứng kỳ lạ bắt đầu xuất hiện khi các hạt trở nên lạnh hơn.

“Tỷ lệ này trở nên lớn hơn khi nhiệt độ giảm xuống và ở độ 0 tuyệt đối, nó thực sự là vô cùng. Các hiện tượng lượng tử như siêu lỏng, tức dòng chảy không lực cản; siêu dẫn, tức dòng điện không có lực cản và sự ngưng tụ nguyên tử cực lạnh đều xảy ra do điều này”, ông Ghosh cho biết.

Độ 0 tuyệt đối có thể tạo ra hiện tượng lượng tử siêu lỏng hoặc siêu dẫn.

Hiệu ứng lượng tử kỳ thú

Các thí nghiệm siêu lạnh thời kỳ đầu diễn ra vào những năm 1990, sử dụng kỹ thuật làm lạnh bằng laser để tìm hiểu những hiệu ứng này. Ông Christopher Foot, nhà vật lý siêu lạnh tại Đại học Oxford (Anh) giải thích, ánh sáng tác dụng một lực lên các nguyên tử làm chúng chậm lại đến nhiệt độ rất lạnh. Nhiệt độ này rơi vào khoảng 1 độ K hoặc -272,15 độ C.

“Mức như vậy đủ thấp để thấy hành vi lượng tử trong chất rắn và chất lỏng, nhưng với các chất khí mà chúng tôi nghiên cứu, chúng tôi cần nhiệt độ ở mức vài chục nanokelvin để có được những hiệu ứng lượng tử này”, ông Foot giải thích.

Nhiệt độ thấp nhất từng được ghi nhận trong phòng thí nghiệm đã được một nhóm chuyên gia ở Đức thực hiện thành công vào năm 2021. Nhóm nghiên cứu đã thả các nguyên tử khí từ hoá xuống một toà tháp cao 120 m và liên tục bật tắt từ trường để làm chậm các hạt xuống mức gần như đứng yên.

Thí nghiệm này được gọi là làm lạnh bằng bẫy từ. Trong thí nghiệm các hạt khí xuống tới mức nhiệt 38 picokelvin, tương đương 38 phần nghìn tỷ độ C (38/1000) trên độ 0 tuyệt đối và nằm trong phạm vi có thể bắt đầu quan sát các hiệu ứng lượng tử trong chất khí.

Vậy con người thu được lợi ích gì khi cố gắng làm lạnh vật liệu hơn nữa hay không? Theo chuyên gia Foot, đáp án là không.

“Chúng tôi quan tâm nhiều đến những hiệu ứng lượng tử hơn là đạt đến độ 0 tuyệt đối. Các nguyên tử được làm lạnh bằng laser đã được sử dụng trong những tiêu chuẩn nguyên tử giúp xác định thời gian phổ quát (đồng hồ nguyên tử) và trong máy tính lượng tử. Công việc ở nhiệt độ thấp hơn vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và các chuyên gia đang sử dụng những phương pháp này để kiểm tra lý thuyết vật lý phổ quát”, ông Foot cho hay.

Hiện tại, chưa nghiên cứu nào có thể làm lạnh thấp hơn mức 38 phần nghìn tỷ độ C. Trên thực tế, có nhiều trở ngại để hiện thực hoá điều đó. Kể cả khi đạt được độ 0 tuyệt đối, các nhà khoa học vẫn có thể bỏ lỡ thời khắc đó vì các kỹ thuật đo lường chưa đủ chính xác.