Những con số làm nên vũ trụ - Phần 22

Ngưng tụ Bose-Einstein và Thế giới cực lạnh

Tôi được sinh ra khoảng một thập kỉ trước khi máy điều hòa không khí được đưa vào sử dụng rộng rãi. Những đêm mùa hè ở ngoại ô New York rất có thể nóng bức và nhớp nháp, nên chúng tôi khai thác một cách làm mát đơn giản cho dễ ngủ. Bạn chỉ việc rắc một màng mỏng nước lên cơ thể bạn trước khi đi ngủ; các phân tử nước sẽ bay hơi, và khi bay hơi chúng sẽ lấy nhiệt ra khỏi cơ thể bạn, làm cơ thể dịu mát. Hiện tượng tương tự lí giải tại sao một chất lỏng nóng đựng trong một cái cốc hở miệng lại nguội đi; các phân tử có một nhiệt độ trung bình nhưng những phân tử nóng nhất bay hơi, để lại những phân tử có nhiệt độ trung bình nhỏ hơn.

Một ứng dụng khéo léo của sự làm lạnh bằng bay hơi đối với helium lỏng đã cho phép các nhà khoa học giữa thế kỉ hai mươi đạt tới những nhiệt độ trong cỡ một phần nghìn của một độ tuyệt đối. Tuy nhiên, các nhà khoa học muốn tiến xa hơn thế nữa – họ đang tìm kiếm một trạng thái mới của vật chất, sự tồn tại của cái đã được Albert Einstein tiên đoán nhưng chỉ có thể tìm thấy ở những nhiệt độ gần sát không độ tuyệt đối.

Động lực thúc đẩy cuộc tìm kiếm này phát sinh ở nơi khi ấy tưởng chừng như không thể: Ấn Độ. Hồi một thế kỉ trước, đất nước Ấn Độ còn rất lạc hậu về khoa học kĩ thuật. Tuy nhiên, không bao lâu trước Thế chiến thứ nhất, một nhà toán học không tên tuổi người Ấn Độ, Srinivasa Ramanujan, đã viết một bức thư mô tả một số kết quả hấp dẫn mà ông đã tìm thấy cho nhà toán học Oxford G. H. Hardy. Hardy đã mô tả bức thư đó là một thời khắc thật sự lãng mạng trong cuộc đời ông. Hardy biết một số kết quả của Ramanujan, nghi ngờ một số kết quả khác, và thấy một số kết quả thật bất ngờ, như ông đã viết, “Chúng phải đúng, bởi vì nếu như chúng không đúng, thì chẳng ai có trí tưởng tượng để phát minh ra chúng cả”. Thật hợp lí, bức thư ấy đã biến Ramanujan thành một ngôi sao toán học quốc tế. Một thập niên sau, nhà vật lí người Ấn Độ Satyendra Bose đã viết cho Albert Einstein một bức thư nói về cơ học thống kê của các photon. Có lẽ còn nhớ chuyện xảy ra khi Hardy nhận được bức thư của Ramanujan, Einstein đã đọc thư của Bose, và thấy ấn tượng đến mức ông đã dịch những kết quả của Bose sang tiếng Đức và lấy tư cách của Bose gửi đăng nó trên tạp chí danh tiếng Zeitschrift für Physik (Tạp chí Vật lí). Einstein đã mở rộng công trình của Bose cho những hạt nhất định khác, kết quả mang lại tiên đoán sự tồn tại của một trạng thái vật chất chưa từng thấy từ trước đến giờ. Trạng thái này của vật chất, gọi là ngưng tụ Bose-Einstein, chỉ có thể xuất hiện ở những nhiệt độ gần sát không độ tuyệt đối. Một ngưng tụ Bose-Einstein gồm một tập hợp gồm những hạt boson (những hạt spin nguyên, chúng có thể là hạt sơ cấp, ví dụ như những hạt mang lực, hoặc hỗn hợp hạt, ví dụ như hạt nhân nguyên tử carbon 12), tất cả chúng chiếm giữ trạng thái năng lượng lượng tử thấp nhất có thể có. Trong một trạng thái như vậy, những hạt này mất hết những đặc tính riêng của chúng; chúng không những “một vì tất cả và tất cả vì một”, mà còn tất cả là một và một là tất cả.

Bose và Einstein trình bày rằng sẽ cần những nhiệt độ lạnh hơn nhiều so với nhiệt độ thu được bởi sự làm lạnh bằng sự bay hơi của helium lỏng để cho một ngưng tụ Bose-Einstein tồn tại.

Để thu được nhiệt độ này, cần có một mảng công nghệ mới – đó là laser. Khi một nguyên tử lạnh đi, động năng của nó giảm. Vì động năng phụ thuộc vào khối lượng và vận tốc của nguyên tử, nên yêu cầu này đòi hỏi vận tốc của nó cũng giảm đi. Độ không tuyệt đối thể hiện nhiệt độ của một nguyên tử không còn chuyển động gì nữa, đó là cái cơ học lượng tử cho biết là không thể. Tuy nhiên, kĩ thuật làm lạnh bằng laser cho phép các nguyên tử lạnh xuống đến một tốc độ gần như không thể phân biệt với độ không tuyệt đối. Ý tưởng khá đơn giản; nếu một nguyên tử đang chuyển động theo một chiều và va chạm với một photon chuyển động theo chiều ngược lại, thì nguyên tử sẽ hấp thụ một phần năng lượng từ photon đó. Giống hệt như sự va quẹt làm cầu thủ trên sân bóng chạy chậm lại, việc chạm trúng photon sẽ làm nguyên tử chậm đi – miễn là photon đó có tần số “cộng hưởng”, hay đồng bộ với, tần số tự nhiên của những photon đặc trưng do nguyên tử đó phát ra.

Cuộc đua tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein đồng hành cùng cuộc đua hóa lỏng helium gần một thế kỉ trước đó. Cuộc cạnh tranh lần thứ hai này có phần thân thiện hơn, với những đội cạnh tranh nhau tổ chức gặp gỡ ở các hội nghị, trao đổi các lưu ý, các kết quả và ý tưởng. Một nhóm đứng đầu là Eric Cornell và Carl Wieman tại trường Đại học Colorado ở Boulder, còn nhóm kia đứng đầu là Wolfgang Ketterle tại MIT. Cornell và Wieman cán đích trước, thu được một ngưng tụ Bose-Einstein trong một đám gồm xấp xỉ hai nghìn nguyên tử rubidium được làm lạnh xuống chưa tới một phần triệu của một độ trên không độ tuyệt đối. Thành tích này sớm bị đuổi kịp bởi một thành công tương tự của Ketterle với một tập hợp nguyên tử lớn hơn nhiều, và cả ba người họ đã cùng nhận Giải Nobel Vật lí năm 2001.

Trở lại với chuyến đi chơi của tôi đến Cung thiên văn Hayden, vị giáo sư ở đó có nói rằng mặc dù nhiệt độ của plasma mặt trời là hơn một triệu độ, nhưng bạn không bao giờ cảm thấy nó đâu. Tôi thấy điều này lạ quá – xét cho cùng, tôi biết rằng nếu như tôi bị ngã vào nồi nước sôi, chắc chắn tôi sẽ cảm thấy nó. Tuy nhiên, plasma mặt trời mỏng đến mức cái nóng của plasma đó hầu như không tồn tại. Tương tự, bạn sẽ không bao giờ nhặt được một miếng băng khô (carbon dioxide đóng băng, khoảng – 110^oF), nhưng một tính toán đơn giản sẽ thuyết phục bạn rằng bạn có thể nhặt được một ngưng tụ Bose-Einstein mà không làm hỏng nó. Ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên chỉ chứa 2000 nguyên tử rubidium. Mặt khác, một hạt muối chứa xấp xỉ 10¹⁸ nguyên tử, trong một khối lập phương có mỗi cạnh là một triệu nguyên tử. Một khối lập phương gồm 2000 nguyên tử sẽ có mỗi cạnh xấp xỉ 13 nguyên tử. Được biết, một nguyên tử rubidium thì lớn hơn một nguyên tử sodium hay chlorine một chút (các nguyên tử cấu tạo nên muối ăn), nhưng có thể nói an toàn rằng nếu ngưng tụ Bose-Einstein gồm 2000 nguyên tử rubidium tạo nên một khối lập phương, thì mỗi cạnh chưa tới 1/10.000 chiều dài mỗi cạnh của một hạt muối. Ngay cả ở gần sát không độ tuyệt đối, có vẻ khá chắc chắn rằng bạn có thể nhặt ra nó một cách an toàn – giả sử bạn có thể tìm thấy nó.