Độ không tuyệt đối, một khái niệm then chốt trong vật lý, được định nghĩa là nhiệt độ thấp nhất có thể về mặt lý thuyết. Các nhà khoa học xác định con số này là -273,15 độ C hay -459,67 độ F. Thậm chí, nhiệt độ này còn lạnh hơn rất nhiều so với môi trường ngoài không gian. Vậy, liệu có tồn tại vật chất nào có thể đạt tới ngưỡng nhiệt độ đặc biệt này không?
Để trả lời câu hỏi này, trước tiên chúng ta cần hiểu bản chất của nhiệt độ. Nhiệt độ không chỉ đơn thuần là mức độ nóng hay lạnh của một vật, mà nó còn là thước đo năng lượng hoặc dao động của các hạt cấu thành nên vật chất đó.
Vật thể càng nóng, các hạt cấu thành chúng càng dao động mạnh mẽ. Khi năng lượng của các hạt này giảm đến mức tối thiểu và chúng ngừng chuyển động hoàn toàn, chúng ta đạt đến độ không tuyệt đối. Đây là một trạng thái vật chất đặc biệt, nơi những hiệu ứng lượng tử kỳ lạ bắt đầu xuất hiện.
Các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến việc tìm hiểu và đạt được độ không tuyệt đối vì những hiệu ứng lượng tử thú vị xảy ra khi các hạt di chuyển chậm lại đáng kể.
Nhà vật lý lý thuyết Sankalpa Ghosh từ Viện Công nghệ Ấn Độ Delhi nhấn mạnh một nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử: tính lưỡng tính sóng-hạt. Theo đó, một hạt, ví dụ như photon ánh sáng, có thể biểu hiện cả tính chất của hạt và của sóng.
Khi nghiên cứu các hạt cơ học lượng tử, điều quan trọng là phải nhớ đến tính không thể phân biệt được của chúng. Chúng ta không thể theo dõi các hạt hoặc sóng riêng lẻ như cách chúng ta làm với các vật thể vĩ mô.
Nguyên lý bất định Heisenberg đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích hiện tượng này. Nguyên lý này định lượng bản chất xác suất của các phép đo cơ học lượng tử. Khi chúng ta xác định chính xác vị trí của một hạt, chúng ta không thể đồng thời biết chính xác động lượng của nó, và ngược lại. Chính bản chất xác suất này mang lại cho các hạt cơ học lượng tử những đặc tính giống như sóng.
Mức độ mà một hạt hoạt động giống như một sóng lượng tử được thể hiện bằng tỷ lệ khoảng cách bên trong hạt của một vật. Ở nhiệt độ bình thường, ảnh hưởng lượng tử này không đáng kể. Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm xuống, những hiệu ứng kỳ lạ bắt đầu xuất hiện.
Tỷ lệ này tăng lên khi nhiệt độ giảm, và ở độ không tuyệt đối, nó trở nên vô cùng lớn. Các hiện tượng lượng tử như siêu chảy (dòng chảy không ma sát), siêu dẫn (dòng điện không có điện trở) và ngưng tụ Bose-Einstein đều xảy ra trong điều kiện này.
Mặc dù đã có nhiều nỗ lực, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thể đạt đến độ không tuyệt đối trong các thí nghiệm. Vào những năm 1990, các nhà khoa học đã bắt đầu khám phá các hiệu ứng lượng tử bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh bằng laser.
Nhà vật lý học Christopher Foot tại Đại học Oxford giải thích rằng ánh sáng tạo ra một lực tác động lên các nguyên tử, làm chậm chúng đến nhiệt độ rất thấp, khoảng 1 độ Kelvin (-272,15 độ C). Nhiệt độ này đủ thấp để quan sát hành vi lượng tử trong chất rắn và chất lỏng. Tuy nhiên, đối với chất khí, cần phải đạt đến nhiệt độ nano Kelvin (một phần tỷ độ Kelvin) trong khoảng 10 giây để quan sát các hiệu ứng lượng tử.
Vào năm 2021, một nhóm các nhà khoa học người Đức đã thực hiện một thí nghiệm thành công, đạt được nhiệt độ thấp nhất từ trước đến nay. 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 đến mức gần như đứng yên.
Trong thí nghiệm này, các hạt khí đạt tới nhiệt độ kỷ lục là 38 pico Kelvin (38 phần nghìn tỷ độ Kelvin) trên độ không tuyệt đối. Ở nhiệt độ này, các hiệu ứng lượng tử của chất khí có thể được quan sát một cách rõ ràng.
Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là liệu chúng ta có thể làm lạnh vật chất hơn nữa hay không? Theo nhà vật lý học Foot, việc đạt đến độ không tuyệt đối thực sự là bất khả thi. Thay vào đó, các nhà khoa học tập trung vào việc nghiên cứu các hiệu ứng lượng tử. Các nguyên tử được làm lạnh bằng laser đã được ứng dụng trong các tiêu chuẩn xác định thời gian (đồng hồ nguyên tử) và trong máy tính lượng tử.
Nghiên cứu ở nhiệt độ cực thấp vẫn đang tiếp diễn, và các nhà khoa học đang sử dụng những phương pháp này để kiểm tra các lý thuyết vật lý cơ bản.
Việc làm lạnh vật chất đến gần độ không tuyệt đối là một thách thức lớn, và chúng ta sẽ phải vượt qua nhiều trở ngại để đạt được điều đó. Thậm chí, ngay cả khi chúng ta đạt đến độ không tuyệt đối, chúng ta có thể không nhận ra điều đó vì kỹ thuật đo lường hiện tại không đủ chính xác.
Nhà vật lý học Foot cho rằng với các công cụ hiện tại, chúng ta không thể phân biệt được liệu chúng ta đã đạt đến độ không tuyệt đối hay chỉ tiến rất gần đến nó. Để đo được độ không tuyệt đối một cách chính xác, chúng ta cần một nhiệt kế có độ chính xác tuyệt đối, và điều này vượt quá khả năng của các hệ thống đo lường hiện tại.
