Tạo ra độ 0 tuyệt đối có khả thi không?

Với công nghệ hiện tại, con người không thể tạo ra độ 0 tuyệt đối và đo đạc chính xác mức nhiệt thấp như vậy.

Độ 0 tuyệt đối là nhiệt độ thấp nhất theo lý thuyết và được các nhà khoa học xác định là 0 kelvin hay -273,15 độ C. Mức này thậm chí còn lạnh hơn ngoài không gian. Đến nay, theo hiểu biết của nhân loại, chưa có gì đạt đến độ 0 tuyệt đối. Vậy việc đạt được cột mốc này có khả thi không?

Độ 0 tuyệt đối thậm chí còn lạnh hơn ngoài không gian. (Ảnh: Michal Bednarek/Thinkstock).

Để trả lời câu hỏi này, trước tiên cần tìm hiểu nhiệt độ là gì. Đa số thường nghĩ nhiệt độ là mức độ nóng hoặc lạnh của một vật, nhưng thực chất đây 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.

Giới khoa học quan tâm đến nhiệt độ thấp như vậy vì nhiều hiệu ứng lượng tử thú vị xuất hiện khi các hạt chậm lại. 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, theo Sankalpa Ghosh, nhà vật lý tại Viện Công nghệ Ấn Độ Delhi.

Khi làm việc với các hạt cơ học lượng tử, điều quan trọng là phải nhớ "tính không thể phân biệt" của chúng. "Không thể theo dấu các hạt hoặc sóng riêng lẻ như cách chúng ta làm với các vật thể lớn hơn", Ghosh giải thích.

Mức độ của hành vi giống 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 sẽ lớn hơn khi nhiệt độ giảm, và ở độ 0 tuyệt đối, nó thực sự là vô cùng. Các hiện tượng lượng tử như siêu lỏng (dòng chảy không bị ma sát), siêu dẫn (dòng điện truyền đi không có điện trở) và sự ngưng tụ nguyên tử cực lạnh đều xảy ra do điều này", Ghosh nói.

Những 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. "Ánh sáng tác dụng một lực lên các nguyên tử làm chúng chậm lại đến nhiệt độ rất lạnh, khoảng 1 kelvin hay -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", Christopher Foot, nhà vật lý siêu lạnh tại Đại học Oxford, cho biết.

Các nhà vật lý Đức từng làm lạnh nguyên tử đến nhiệt độ thấp nhất từng ghi nhận. (Ảnh: Depositphotos)

Nhiệt độ thấp nhất từng ghi nhận trong phòng thí nghiệm do một nhóm nghiên cứu ở Đức đạt được vào năm 2021. Họ thả các nguyên tử khí từ hóa xuống một tòa tháp cao 120 m và liên tục bật tắt từ trường để làm chậm các hạt xuống mức gần như đứng yên. Loại thí nghiệm này gọi là làm lạnh bằng bẫy từ, trong đó các hạt khí xuống tới mức nhiệt 38 picokelvin - 38 phần nghìn tỷ độ C cao hơn độ 0 tuyệt đối, hoàn toàn nằm trong phạm vi để quan sát các hiệu ứng lượng tử trong chất khí.

Vậy con người có thu được lợi ích gì khi cố gắng làm lạnh vật liệu hơn nữa hay 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 0 tuyệt đối. Các nguyên tử 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 với nhiệt độ thấp hơn vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và mọi người đang dùng những phương pháp này để kiểm tra các lý thuyết vật lý phổ quát", ông nói.

Hiện tại, làm lạnh thấp hơn mức 38 phần nghìn tỷ độ C chưa khả thi và cần vượt qua một số trở ngại để hiện thực hóa điều đó. Thực tế, kể cả khi đạt được độ 0 tuyệt đối, các nhà khoa học vẫn có thể bỏ lỡ vì kỹ thuật đo lường không chính xác. "Với các thiết bị hiện nay, bạn không thể biết đó là số 0 hay một số cực kỳ nhỏ. Để đo độ 0 tuyệt đối, bạn thực sự cần một nhiệt kế chính xác vô hạn, và điều đó vượt xa những hệ thống đo lường hiện tại", Foot nói.

• Bước tiến dài đến gần bí mật của độ 0 tuyệt đối
• Thí nghiệm kinh điển nhất trong lịch sử khoa học: Thử thách độ không tuyệt đối!
• Đã có bằng chứng chứng minh rằng không thể đạt được "độ 0 tuyệt đối"