Có thể đạt đến độ 0 tuyệt đối hay không?

Độ 0 tuyệt đối là nhiệt độ thấp nhất trên lý thuyết và được các nhà khoa học xác định là -459,67 độ F hay -273,15 độ C. Nhiệt độ này còn thấp hơn cả ngoài không gian.

Cho đến nay, chúng ta chưa biết đến vật gì có thể đạt mức 0 độ tuyệt đối. Nhưng liệu có thể có vật gì vào một lúc nào đó đạt được nhiệt độ thấp như vậy không?

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta hãy cùng xem xét xem thực chất nhiệt độ là gì. Thông thường, người ta cho rằng nhiệt độ là mức mà một vật nóng hay lạnh, nhưng thực ra nhiệt độ là phép đo năng lượng hay dao động của tất cả các hạt trong một hệ thống.

Các vật thể nóng hơn có nhiều năng lượng hơn, vì thế các hạt của chúng chuyển động nhanh hơn. Ở cột mốc mà các hạt này không còn chút năng lượng nào và vì thế ngừng chuyển động thì đó chính là mức 0 độ tuyệt đối.

Các nhà khoa học rất quan tâm tìm hiểu làm cách nào để đạt được mức nhiệt thấp như vậy, bởi vì có khá nhiều hiệu ứng lượng tử thú vị xảy ra khi các hạt chuyển động chậm lại.

Nhà vật lý lý thuyết Sankalpa Ghosh ở Viện Công nghệ Ấn Độ Delhi cho biết một nguyên tắc cơ bản trong cơ học lượng tử là lưỡng tính sóng - hạt, tức là hiện tượng khi một hạt như photon ánh sáng có thể hoạt động như một hạt hoặc một sóng.

Khi làm việc về các hạt cơ học lượng tử, điều quan trọng cần nhớ là tính không thể phân biệt được của chúng, tức là không thể theo dõi các hạt hoặc sóng riêng lẻ như chúng ta có thể làm với các vật thể lớn hơn.

Điều này có thể bắt nguồn từ Nguyên lý Bất định Heisenberg vốn định lượng bản chất xác suất của phép đo cơ 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.

Mức độ hoạt động của một hạt giống như sóng lượng tử đến đâu thì được biểu thị bằng tỷ lệ khoảng cách bên trong hạt của một vật. Ở nhiệt độ bình thường, hành trạng lượng tử này không đáng kể, nhưng những hiệu ứng kỳ lạ bắt đầu xuất hiện khi các hạt trở nên lạnh hơn.

Tỷ lệ này lớn hơn khi nhiệt độ giảm xuống và ở độ 0 tuyệt đối, nó là vô cùng, không đo đếm được. Các hiện tượng lượng tử như siêu dòng chảy (dòng không ma sát), siêu dẫn (dòng điện không có lực cản) và ngưng tụ nguyên tử cực lạnh đều xảy ra trong trường hợp đó.

Vào những năm 1990, các nhà khoa học đã tiến hành những thí nghiệm siêu lạnh đầu tiên bằng một kỹ thuật gọi là làm mát bằng laser để bắt đầu thăm dò những hiệu ứng này.

Nhà vật lý học Christopher Foot ở Trường đại học Oxford, Anh, cho biết ánh sáng tác dụng một lực lên các nguyên tử làm chúng chậm lại đến nhiệt độ lạnh cần thiết, khoảng 1 độ K, tức là - 272,15 độ C, đủ thấp để thấy hành vi lượng tử trong chất rắn và chất lỏng, nhưng đối với chất khí thì phải cần 10 giây ở nhiệt độ nano K mới có được những hiệu ứng lượng tử.

Vào năm 2021, một nhóm các nhà khoa học Đức là những người đầu tiên thí nghiệm đạt được nhiệt độ thấp nhất. Họ đã thả các nguyên tử khí đã được từ hóa từ một tòa tháp cao 120 mét đồng thời liên tục bật và tắt từ trường để làm chậm các hạt lại đến mức gần như đứng yên.

Trong thí nghiệm này, các hạt khí đạt tới nhiệt độ đáng kinh ngạc là 38 pico K, tức là 38/1000 tỷ độ C trên độ 0 tuyệt đối và nằm trong phạm vi có thể bắt đầu quan sát được các hiệu ứng lượng tử của chất khí.

Nhưng còn có thể làm lạnh vật chất được hơn thế không? Theo nhà vật lý học Foot thì không thể. Ông nói rằng "Chúng tôi quan tâm nhiều hơn đến các hiệu ứng lượng tử chứ không phải là đạt được độ 0 tuyệt đối. Các nguyên tử làm lạnh bằng laser đã được sử dụng trong các tiêu chuẩn 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 trong quá trình nghiên cứu và các nhà khoa học đang sử dụng những phương pháp này để kiểm tra các lý thuyết vật lý phổ quát."

Hiện tại, chúng ta không thể làm nguội 38/1000 tỷ độ cuối cùng đó và sẽ phải vượt qua một số trở ngại mới có thể biến nó thành hiện thực. Trên thực tế, ngay cả khi chúng ta đạt đến độ 0 tuyệt đối, chúng ta vẫn có thể không hề biết vì kỹ thuật đo lường không đủ chính xác.

Nhà vật lý học Foot nói rằng "với các công cụ hiện nay, bạn không thể nói được là đã đến độ 0 tuyệt đối hay mới đến gần, rất gần mức đó. Để đo được độ 0 tuyệt đối, bạn thực sự cần có một nhiệt kế chính xác tuyệt đối, và điều này vượt quá khả năng của hệ thống đo lường hiện nay của chúng ta."

Theo LiveScience