Điều gì xảy ra ởkhông độ
tuyệtđối
Những cái xảy ra ởnhiệtđộ thấp luôn mang đến những sựbất ngờ. Hồi
tuần rồi, các nhà khoa họcđã báo cáo rằng các phân tửtrong một chất khí
cực lạnh có thểphảnứng hóa họcởnhững khoảng cách lên tới 100 lần
khoảng cách chúng có thểtương tác ởnhiệtđộ phòng.
Trong những thí nghiệmởgần nhiệtđộ phòng hơn, các phảnứng hóa học
có xu hướng chậm lại khi nhiệtđộ giảm. Nhưng các nhà khoa học nhận thấy các
phân tử ở những nhiệtđộ đông lạnh chỉvào trăm phần tỉcủa mộtđộ trên không
độ tuyệt
đối (−273.15°C hay 0 kelvin) vẫn có thểtrao đổi các nguyên tửnhờvào các
hiệuứng lượng tửkì lạmởrộng tầm tác dụng của chúng ởnhững nhiệtđộ thấp.
Sau đây chúng ta hãy thửkhám phá một chút vào địa hạt kì lạvà bất ngờ
của những nhiệtđộ cực lạnh. Vì sao độ không tuyệtđối (0 kelvin hay −273.15°C)
là mục tiêu không thể đạt tới?
Trên thực tế, công cần thiếtđể lấy nhiệt ra khỏi
một chất khí càng tăng khi nhiệtđộ càng thấp, và một lượng công vô hạn sẽlà
cần thiếtđể làm lạnh một cái gì đó xuống không độ tuyệtđối. Theo thuật
ngữlượng tử, bạn có thể đổ lỗi cho nguyên líbấtđịnh
Heisenberg, nguyên lí phát biểu rằng hễbạn biết tốcđộ của
một hạt càng chính xác bao nhiêu, thì bạn biết vềvịtrí của nó càng ít bấy nhiêu, và
ngược lại. Nếu
bạn biết các nguyên tửcủa bạn nằm bên trong thí nghiệm của bạn, thì phải
có một sai sốnào đó vềxung lượng của chúng giữchúng ởtrên không độ tuyệt
đối – trừkhi thí nghiệm của bạn có kích cỡbằng toàn thểvũtrụ. Nhiệtđộ thấp
nhất từng đođược trong hệmặt trời là ởtrên Mặt trăng. Hồi năm
ngoái, Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng của NASA đã đo nhiệtđộ thấpđến –
240oC trong những miệng hốbịche phủvĩnh viễnởgần cực nam mặt trăng. Nhiệt
độ đó lạnh hơn khoảng 10 độ so với nhiệtđộ đo trên Diêm vương tinh trướcđây.
Đâu là vật thểtựnhiên lạnh nhất trong vũtrụ?
Nơi lạnh nhấtđược biết trong vũtrụlà Tinh vân
Boomerang, cách chúng ta 5000 năm ánh sáng trong chòm sao Centaurus. Các
nhà khoa họcđã báo cáo hồi năm 1997 rằng các chất khí thổi bùng ra từmột ngôi
sao đang hấp hốiởchính giữađã giãn nởvà nhanh chóng lạnh xuống còn 1 kelvin,
chỉcao độ không tuyệtđốiđúng 1 độ. Thông thường, các đám mây khí trong
vũtrụ ấm hơn một chút, ít nhất là lên tới 2,7
kelvin của phông nền vi sóng vũtrụ, bức xạtàn dưcòn lại từthời Big Bang.
Nhưng sựgiãn nởcủa Tinh vân Boomerang tạo ra một loại tủlạnh vũtrụ, cho phép
các chất khí duy trì nhiệtđộ lạnh bất thường của chúng.
Đâu là vật thểlạnh nhất trong vũtrụ?
Nếu tính luôn các vệtinh nhân tạo, thì mọi thứcòn lạnh hơn nữa. Một số
thiết bịtrên đài thiên văn vũtrụPlanck của Cơquan Vũtrụchâu Âu, phóng lên vào
tháng 5, 2009, được làm lạnh đến 0,1 kelvin để triệt tiêu sựnhiễu vi sóng nếu
không sẽlàm mờsương tầm nhìn của vệtinh này. Môi trường vũtrụ, kết hợp với
hệthống đông lạnh và cơgiới sửdụng hydrogen và helium, hạnhiệtđộ những
thiết bịlạnh nhất xuống tới0,1 kelvin trong bốn giai đoạn liên tiếp.
Nhiệtđộ thấp nhất từng đạtđược trong phòng thí nghiệm là bao nhiêu ?
Nhiệtđộ thấp nhất từng ghi nhậnđược là ở đây, trong một phòng thí
nghiệm trên Trái đất này. Tháng 9 năm 2003, các nhà khoa học tại Viện Côn
g nghệMassachusetts đã loan báo rằng họ đã đông lạnh mộtđám
mây nguyên tửsodium xuống tới kỉlục 0,45 nano kelvin.
Trướcđó, các nhà khoa học tại trường Đại học Công nghệHelsinki ởPhần Lan
đã thu được nhiệtđộ 0,1 nano kelvin trong một mảnh
kim loại rhodium hồi năm 1999. Tuy nhiên, đây là nhiệtđộ đối với
một loại chuyểnđộng đặc biệt mà thôi – một tính chất lượng tửgọi là spin hạt
nhân – chứkhông phải nhiệtđộ chung cho mọi chuyểnđộng có thểcó.
Các chất khí có thểbiểu hiện hành trạng kì lạgì khi ởgần không độ
tuyệtđối ?
Trong các chất rắn, lỏng, và khí hàng ngày, nhiệt hay năng lượng nhiệt
phát sinh từchuyểnđộng của các nguyên tửvà phân tửkhi chúng lướt qua nhau
và va đập lên nhau. Nhưng
ởnhững nhiệtđộ rất tháp, các quy luật kì lạcủa cơhọc lượng tửchiếmưu
thế. Các phân tửkhông còn va chạm theo nghĩa bình thường nữa; thay vào đó, các
sóng cơlượng tửcủa chúng trải ra và chồng lấn lên nhau. Khi chúng chồng lấn
lên nhau nhưvậy, thỉnh thoảng chúng hình thành nên cái gọi là hóa đặc
Bose-Einstein, trong đó toàn bộcác nguyên tửtác dụng giống hệt nhau giống như
một “siêu nguyên tử”. Hóa đặc Bose-Einstein thuần khiếtđầu tiên được tạo ra
ởColorado vào năm
1995bằng mộtđám mây nguyên tửrubidium được làm lạnh xuống chưa tới
170 nano kelvin.