Với công nghệ hiện nay, con người không thể tạo ra độ không tuyệt đối và đo chính xác những nhiệt độ thấp như vậy .
Độ không tuyệt đối là nhiệt độ lý thuyết thấp nhất và được các nhà khoa học xác định là 0 kelvin hay -273,15 độ C. Cấp độ này thậm chí còn lạnh hơn không gian. Cho đến nay, theo hiểu biết của con người, chưa có gì đạt đến độ không tuyệt đối. Vậy việc đạt được cột mốc này có khả thi không?
Độ không tuyệt đối thậm chí còn lạnh hơn cả không gian. (Ảnh: Michal Bednarek/Thinkstock).
Để trả lời câu hỏi này trước tiên chúng ta cần hiểu nhiệt độ là gì . Hầu hết mọi người nghĩ về nhiệt độ như mức độ nóng hoặc lạnh của một vật thể, nhưng thực tế nó là thước đo năng lượng hoặc dao động của tất cả các hạt trong một hệ thống. Các vật nóng có nhiều năng lượng hơn nên các hạt của chúng chuyển động nhanh hơn. Điểm mà tại đó các hạt hoàn toàn không có năng lượng – và do đó ngừng chuyển động – được định nghĩa là độ không tuyệt đối.
Các nhà khoa học quan tâm đến nhiệt độ thấp như vậy vì có nhiều hiệu ứng lượng tử thú vị xuất hiện khi các hạt chuyển động chậm lại. Theo Sankalpa Ghosh, nhà vật lý tại Viện Công nghệ Ấn Độ Delhi, một nguyên lý cơ bản trong cơ học lượng tử là lưỡng tính sóng-hạt , hiện tượng trong đó một hạt như photon của ánh sáng có thể hành xử như một hạt hoặc một sóng.
Khi làm việc với các hạt cơ học lượng tử, điều quan trọng là phải nhớ “tính không thể phân biệt” của chúng. Ghosh giải thích : “Không thể theo dõi các hạt hoặc sóng riêng lẻ theo cách chúng ta làm với các vật thể lớn hơn” .
Phạm vi của hành vi giống sóng lượng tử này được biểu thị bằng tỷ lệ khoảng cách giữa các hạt trong hệ thống, được 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 lạ bắt đầu xuất hiện khi các hạt trở nên lạnh hơn.
Ghosh nói: “Tỷ lệ này trở nên lớn hơn khi nhiệt độ giảm và ở độ không tuyệt đối, nó thực sự là vô hạn. Các hiện tượng lượng tử như siêu chảy (dòng không ma sát), siêu dẫn (dòng điện không có điện trở) và ngưng tụ nguyên tử cực lạnh đều xảy ra do điều này”. .
Các thí nghiệm làm mát siêu tốc ban đầu diễn ra vào những năm 1990, sử dụng kỹ thuật làm mát bằng laser để nghiên cứu những hiệu ứng này. “Ánh sáng tác dụng một lực lên các nguyên tử làm chúng chậm lại đến nhiệt độ rất lạnh, khoảng 1 kelvin hoặc -272,15 độ C. Những mức như vậy đủ thấp để quan sát hành vi lượng tử trong chất rắn và chất lỏng. Nhưng với các loại khí chúng tôi nghiên cứu, chúng tôi cần nhiệt độ vài chục nanokelvin để có được những hiệu ứng lượng tử này”, Christopher Foot, nhà vật lý về siêu lạnh tại Đại học Oxford, cho biết.
Các nhà vật lý người Đức từng làm lạnh nguyên tử đến nhiệt độ thấp nhất từng được ghi nhận. (Ảnh: Depositphotos)
Nhiệt độ thấp nhất từng được ghi nhận trong phòng thí nghiệm là do một nhóm nghiên cứu ở Đức đạt được vào năm 2021. Họ thả các nguyên tử khí từ hóa vào một tòa tháp cao 120 m và liên tục bật tắt từ trường để làm các hạt chậm lại. Hạt rơi xuống mức gần như đứng yên. Loại thí nghiệm này được gọi là làm mát bẫy từ, trong đó các hạt khí hạ nhiệt xuống nhiệt độ 38 picokelvin – 38 phần nghìn tỷ độ C trên độ không tuyệt đối, nằm trong phạm vi để quan sát hiệu ứng khối lượng. các hạt trong chất khí.
Vì vậy, việc cố gắng làm mát vật liệu hơn nữa có mang lại lợi ích gì cho con người không? Theo Foot, câu trả lời có lẽ là không.
“Chúng tôi quan tâm đến các hiệu ứng lượng tử hơn là đạt đến độ không tuyệt đối. Các nguyên tử làm mát bằng laser đã được sử dụng trong các tiêu chuẩn nguyên tử giúp xác định thời gian phổ quát (đồng hồ nguyên tử) và trong máy tính lượng tử. Nghiên cứu với nhiệt độ thấp hơn vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và con người đang tiến hành nghiên cứu. sử dụng những phương pháp này để kiểm tra các lý thuyết vật lý phổ quát ”, ông nói.
Hiện tại, việc hạ nhiệt độ xuống dưới 38 phần nghìn tỷ độ C là không khả thi và cần phải vượt qua một số trở ngại để biến điều đó thành hiện thực. Trên thực tế, ngay cả khi đạt được độ không tuyệt đối, các nhà khoa học vẫn có thể bỏ lỡ nó vì kỹ thuật đo không chính xác. “Với các thiết bị ngày nay, bạn không thể biết đó là số 0 hay một số cực nhỏ. Để đo độ 0 tuyệt đối, bạn thực sự cần một nhiệt kế có độ chính xác vô cùng, và điều đó vượt xa những gì các hệ thống đo lường hiện tại khác “, Foot nói.
- Một bước tiến lớn gần hơn tới bí mật về độ không tuyệt đối
- Thí nghiệm kinh điển nhất trong lịch sử khoa học: Thử thách bằng không tuyệt đối!
- Có bằng chứng cho thấy không thể đạt được “số 0 tuyệt đối”.
