Tom Shachtman, Triệu phong dịch – Nơi Lạnh Nhất trong Vũ Trụ

nullpunkt00b   Nơi lạnh lẽo nhất vũ trụ nằm ở đâu? Không phải trên cung Hằng vì ở đó nhiệt độ chỉ xuống đến trừ 378 độ F. Cũng không phải ở ngoài không gian sâu thẳm vì ở đó chỉ phỏng chừng -455 độ F. Theo các khoa học gia, nơi lạnh nhất họ quan sát được là ở đây, chính ngay trên quả đất này.

Con số kỷ lục này là thành tích mới đạt được gần đây về môn vật lý siêu lạnh, sự nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về vật chất khi đạt đến độ cực lạnh thì các nguyên tử và ngay cả đến ánh sáng cũng đều có những phản ứng hết sức bất thường. Khi ở khoảng dưới nhiệt độ -440 độ F một số phân tử bị mất đi tính điện trở, một hiện tượng được mang tên là siêu dẫn (superconductivity). Khi ở nhiệt độ thấp hơn nữa, một số chất khí ở thể lỏng trở nên “siêu lỏng” (superfluids) đến nổi có thể rò rỉ xuyên qua thành bình chứa; bấy giờ chúng thách thức luôn cả định luật về trọng lực vì chúng có thể trèo lên ra cả ngoài bình chứa.

Các vật lý gia công nhận rằng họ không bao giờ có thể đạt đến được nhiệt độ số không tuyệt đối (absolute zero) mà từ lâu người ta đã tính ra là -459,67 độ F (*). Đối với các nhà vật lý nhiệt độ là một sự đo lường nguyên tử di chuyển nhanh đến mức nào, một sự phản ảnh của năng lượng, và số không tuyệt đối là lằn mức cuối cùng mà ở đó người ta không rút được từ vật chất một nhiệt năng nào còn sót lại nữa cả.

Tuy thế một số nhà vật lý vẫn cố đạt đến càng gần được bao nhiêu càng tốt cái giới hạn lý thuyết đó. Để thấy rõ hơn, tôi đến viếng phòng thí nghiệm của Wolfgang Ketterle nằm trong trường MIT (Massachusetts Institute of Technology) ở Cambridge. Nơi đây người ta đã tạo được cái kỷ lục mà – ít nhất theo cơ quan chuyên ghi nhận những thành tích kỷ lục trên thế giới Guinness World Record 2008 – là nhiệt độ lạnh nhất từng đạt được ở mức 810 phần ngàn tỷ của một độ F trên nhiệt độ số không tuyệt đối. Ketterle cùng các cộng sự viên tạo được thành tích này vào năm 2003 khi đang làm việc với một đám mây phân tử natri có bề ngang chừng một phần ngàn inch, các phân tử này được giữ đứng yên nhờ lực hút của nam châm.

Tôi yêu cầu Ketterle chỉ cho tôi xem nơi anh đã tạo được thành tích này. Trước khi được trình bày cho xem, chúng tôi đều phải mang kính bảo hộ mắt vào để tránh cho mắt khỏi bị mù vì tia hồng ngoại bắn ra từ chùm tia laser dùng để làm chậm lại tốc độ cực nhanh của các hạt nguyên tử. Từ phòng làm việc chan hòa ánh nắng, chúng tôi bước vào một phòng tối nơi đây chằng chịt những dây dợ, các dụng cụ vi tính công suất cao, nguồn phát chùm tia laser, các ống nghiệm chân không, cùng nhiều tấm gương nhỏ. “Ở chỗ này,” anh nói bằng một giọng cảm kích trong khi tay chỉ vào một cái hộp đen có một ống dẫn được bọc bằng lá nhôm. “Đây là nơi mà chúng tôi tạo được nhiệt độ lạnh nhất.”

Thành tựu của Ketterle dẫn đến trong khi đang theo đuổi tìm kiếm một dạng vật chất hoàn toàn mới được gọi tên là BEC (Bose-Einstein Condensate). Condensates (ngưng tụ hay hóa đặc) không phải là trạng thái khí, lỏng hay rắn thông thường. Chúng được hình thành một khi mà một đám nguyên tử – có khi nhiều đến cả triệu – cùng một lúc rơi vào trạng thái định lượng (quantum) và tất cả cùng hoạt động như chỉ là một đơn vị. Cả Albert Einstein lẫn Satyendra Bose, nhà vật lý người Ấn, vào năm 1925 đã từng tiên tri rằng các nhà khoa học có thể phát sinh được vật chất ấy khi đưa nguyên tử xuống đến gần nhiệt độ số không tuyệt đối. Bảy mươi năm sau, Ketterle thực hiện ở MIT, và hầu như đồng thời, Carl Weiman làm việc ở trường University of Colorado ở Boulder, và Eric Cornell thuộc Viện Tiêu Chuẩn và Kỹ Thuật Quốc Gia (National Institute of Standards and Technology) ở Boulder đã tạo được dạng Einstein-Bose condensates (BEC) đầu tiên. Ngay sau đó cả ba đều cùng được giải Nobel. Nhóm của Ketterle thì dùng BEC để khảo cứu tính chất căn bản của vật chất, ví dụ như khả năng có thể chịu ép, và để hiểu rõ hơn về hiện tượng kỳ quái xảy ra ở nhiệt độ thấp như siêu lỏng. Nói cho cùng thì Ketterle cũng như mọi nhà vật lý khác đều hy vọng khám phá ra được một hình thức vật chất mới có thể mang tính siêu dẫn ở nhiệt độ bình thường trong phòng, bấy giờ sẽ cách mạng hóa khả năng con người vận dụng được năng lượng. Với đa số những người được giải Nobel, niềm vinh dự ấy gắn liền với một chuỗi đời trong nghề nghiệp. Nhưng với Ketterle, anh chỉ mới 44 tuổi khi nhận giải Nobel, sự tạo ra BEC mở ra một lãnh vực mới để rồi đây anh sẽ cùng các cộng sự viên thám hiểm trong hằng thập niên tới.

image001

Các nhà vật lý ở Massachusette đang cố công đạt đến nhiệt độ lạnh nhất đó là mức số không tuyệt đối.

Đối thủ khác của điểm lạnh nhất nằm ở phía bên kia Cambridge, nơi phòng thí nghiệm của Lene Vestergaard Hau ở trường Harvard. Thành tích tuyệt diệu của riêng bà là chỉ một vài phần triệu của một độ F trên nhiệt độ số không tuyệt đối, cũng sấp sỉ như của Ketterle và cũng đã đạt được trong khi đang tạo dạng BEC. “Bây giờ thì ngày nào chúng tôi cũng tạo những BEC.” Bà nói trong khi đi xuống một cầu thang dẫn đến một phòng thí nghiệm chất đầy dụng cụ. Giữa phòng là một bàn phẳng có kích thước bằng một bàn bi-da trên đó các gương nhỏ hình trái soan cùng những tia laser nhỏ bằng ruột viết chì được bố trí như một mê trận. Bám trụ với BEC, bà cùng các công tác viên đã thực hiện được điều bất khả thi: họ đã đưa ánh sáng xuống đến một tốc độ gần như đứng yên.

Tốc độ ánh sáng như chúng ta đều biết có một hằng số là 186.171 dặm/giây (khoảng 300.000 cây số/giây) trong môi trường chân không. Hiện thực thì khác, ví dụ ngoài môi trường chân không ánh sáng không những đi lệch mà còn bị chậm đi chút đỉnh khi đi qua thủy tinh hoặc nước. Tuy nhiên, vậy cũng chưa có gì đáng nói so với điều gì xảy ra khi Hau rọi một tia laser vào một dạng chất BEC; kết quả đưa đến tựa như khi ta thẩy một trái banh bóng chày vào một cái gối. “Thoạt đầu ta thấy tốc độ của ánh sáng giảm xuống bằng vận tốc của xe đạp,” Hau nói tiếp. “bây giờ thì nó như đang bò, và ta có thể làm nó đứng yên hẳn – đem hứng hoàn toàn vào trong BEC để chiêm ngắm, nghịch với nó rồi thả cho nó đi.”

Bà ta có thể vận dụng ánh sáng theo cách ấy bởi nhiệt độ và tỷ trọng của BEC làm chậm lại xung động của ánh sáng. (Mới đây bà Hau bước thêm được một bước nữa trong những cuộc thí nghiệm; đó là làm ngưng một nhịp xung động của ánh sáng trong một BEC rồi chuyển nó thành điện năng, truyền qua một BEC khác, rồi thả nó đi.) Hau sử dụng BEC để khám phá thêm về trạng thái tự nhiên của ánh sáng, và để hiểu thêm làm thế nào sử dụng “ánh sáng ở vận tốc chậm” – đó là ánh sáng bị hứng trong BEC – để có thể giúp cải thiện tốc độ điều giải của máy vi tính và đồng thời có thêm những phương cách lưu trữ dữ kiện mới.

Không phải nơi cuộc khảo cứu siêu lạnh nào cũng sử dụng đến dạng chất BEC. Ở Phần Lan nhà vật lý Juha Tuoriniemi vận dụng từ trường hạch các nguyên tử rhodium để đạt đến nhiệt độ 180 phần ngàn tỷ của một độ F trên nhiệt độ số không tuyệt đối. (Bất kể kết quả công bố của cơ quan ghi nhận kỷ lục Guiness, nhiều chuyên gia đánh giá Tuoriniemi đạt được nhiệt độ thấp hơn của Ketterle, nhưng điều đó còn tùy ở chỗ ta đo nhiệt độ trên một nhóm các nguyên tử, ví dụ một BEC, hay chỉ một phần của nguyên tử như hạch nhân.)

Có vẻ như nhiệt độ số không tuyệt đối là mục tiêu đáng phải bỏ công sức để đạt đến cho được, nhưng Ketterle thì cho là anh biết rõ câu trả lời hơn cả, anh nói: “Chúng tôi không mất công làm việc đó đâu. Mức chúng tôi đạt được đã lạnh quá đủ cho các cuộc thí nghiệm.” Đơn giản mà nói là không đáng phải bỏ công vô ích – chưa nói đến, theo các nhà vật lý hiểu rõ về lý thuyết của nhiệt và định luật nhiệt động học (the laws of thermodynamics) thì đây là điều bất khả thi. “Muốn lấy ra hết năng lượng, hết trọn không còn chừa lại một phần li ti nào để đạt đến năng lượng số không và số không tuyệt đối – chắc phải mất thời gian lâu bằng tuổi đời của vũ trụ để hoàn tất.”

 

(*) tương đương với -273.15 độ C.

 

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s