Nhiệt độ thường được hiểu là năng lượng trung bình của từng nguyên tử hay phân tử bên trong một tập hợp nhất định. Đối với những nguyên tử có cùng khối lượng, “nhiệt độ động học” này về cơ bản là tốc độ của chúng lúc có sự cân bằng. Đối với một nhóm phân tử, chúng ta chỉ tính thêm chút ít nữa. Năng lượng toàn phần của chúng còn bao gồm sự chuyển động tương đối của những nguyên tử thành phần của chúng dao động xung quanh các liên kết của chúng, thường là chuyển động uốn hoặc chuyển động tịnh tiến.
Những khái niệm nhiệt độ quen thuộc này áp dụng tốt cho đa số chất rắn, chất lỏng, và chất khí, và thích hợp với sự trông đợi của đa số mọi người là nó sẽ luôn luôn lớn hơn độ không tuyệt đối. Vậy chúng ta hiểu như thế nào trước khẳng định mới đây của một nhóm nhà nghiên cứu người Đức rằng họ đã tạo ra một hệ thống thực nghiệm trong đó nhiệt độ tuyệt đối âm thật sự có thể đã được quan sát và đo lường?
Thật ra khái niệm nhiệt độ tuyệt đối âm chẳng có gì mới mẻ. Nhiệt độ âm đã được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1951 bởi Ed Purcell, người giành giải Nobel vật lí vào năm sau đó. Ngoài những mục tiêu theo đuổi khác, trước đó ông đã là người đầu tiên quan sát sự cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) – hiện tượng cơ sở của máy chụp MRI hiện đại – hiện tượng sử dụng một từ trường mạnh để làm phân cực các spin hạt nhân. Thật vậy, những hệ nhiệt độ âm mà Purcell đã tạo ra là những spin hạt nhân trong một tinh thể lithium fluoride ở nhiệt độ phòng. Cái mới lạ của hệ nhiệt độ âm mà nhóm người Đức vừa tạo ra là thay cho các spin hạt nhân, họ sử dụng các nguyên tử cực lạnh. Họ mô tả hệ của họ là có “mức tự do chuyển động”, trái với những hệ spin không hề chuyển động theo ý nghĩa thông thường.
Vậy nhiệt độ tuyệt đối âm là gì?
Mô tả nhiệt độ tuyệt đối âm là “nóng hơn vô hạn” hay viện dẫn những định nghĩa u ám hơn thông qua entropy và nguyên lí hai nhiệt động lực học, như thỉnh thoảng người ta sử dụng, không phải là mục đích của bài viết này. Không phải vì người viết ngại phức tạp để nói về entropy, mà việc hiểu nó theo những cái quen thuộc hơn sẽ khiến bạn hài lòng hơn.
Entropy là một cấu trúc toán học tiện lợi cho biết nếu nhiệt được thêm vào một hệ, thì các nguyên tử trở nên kém trật tự hơn. Nói cách khác, chúng có nhiều trạng thái, hay nhiều lựa chọn hơn sẵn có cho chúng. Khái niệm nhiệt độ tuyệt đối âm thật ra có nghĩa là với sự cấp thêm nhiệt, thay vì trở nên hỗn độn hơn, các nguyên tử lại trở nên có trật tự hơn. Điều này có thể xảy ra, chẳng hạn, với số chỗ năng lượng cao sẵn có là hạn chế, và do đó có khả năng nhanh chóng bị lấp đầy.
Ví dụ, nếu chúng ta có một nhóm những quả cầu xổ số được đánh thứ tự đang chạy linh tinh trong một lồng cầu lớn và điều chỉnh tốc độ để chúng có thể đi tới chỗ trên cùng của lồng cầu, thì entropy và nhiệt độ có thể quan sát được của chúng tăng lên. Tuy nhiên, nếu chúng ta bí mật đặt một dây cao su nhựa dính vào phía dưới của mái trần của lồng cầu, thì những quả cầu có đủ năng lượng có thể đi tới lớp nhựa đó và trở nên mất linh động, do đó làm giảm số đo nhiệt độ này.
Việc tạo ra nhiệt độ tuyệt độ tuyệt đối âm có đơn giản như thế này không?
Khó khăn với việc viện dẫn entropy và cố gắng đếm hết những trạng thái sẵn có với một hệ chính là việc đếm hết những trạng thái đó. Đó là chuyện nói thì dễ hơn làm, và hầu như là không thể làm. Để thấy rõ sự lộn xộn này, ta hãy nhắc tới Claude Shannon, nhân viên Bell Labs đã sáng lập ra lí thuyết thông tin. Shannon đã phát triển một công thức định lượng sự tắt dần tín hiệu trong các đường truyền điện thoại buổi đầu. Ban đầu ông chọn gọi số đo của ông là “sai số”, nhưng đã đổi nó thành “entropy” sau một buổi gặp John Von Neumann – Von Neumann là người sáng lập ra điện toán hiện đại, và ông này đã tư vấn rằng “chẳng có ai thật sự hiểu entropy hết nên anh sẽ luôn luôn có lợi thế trong tranh luận”.
Một gương mặt thiên tài hiện đại, Stephen Hawking, nổi tiếng với việc khám phá ra một cách nhìn độc đáo vào những lỗ đen. Hawking đã mở rộng những quan điêm của Shannon về thông tin – và entropy – để chứng minh rằng các lỗ đen có một nhiệt độ, và hơn nữa nó còn biến thiên nghịch với khối lượng của chúng. (Trong một số tình huống, nhiệt độ của một lỗ đen có thể xem là có giá trị âm!) Nếu như ngay cả một lỗ đen còn có một nhiệt độ có thể xác định, vậy thì chẳng có gì ngăn chúng ta hỏi xem có cái gì không có nhiệt độ hay không? Ví dụ, nhiệt độ của một bầy châu chấu là bao nhiêu? Để trả lời những câu hỏi như thế, chúng ta phải bước ra khỏi khuôn khổ và chấp nhận một định nghĩa rộng hơn của nhiệt độ.
Các nguyên tử bên trong mỗi con châu chấu trong một bầy có thể đang lúc lắc ở nhiệt độ cơ thể 39 độ C, nhưng không khí ở giữa chúng có thể gần 32 độ C vào một ngày hè bình thường. Lồng trên hoạt cảnh này là chuyển động tổng thể của nguyên bầy châu chấu, cái chúng ta có thể xem là đang bay nhưng với một nhiệt độ động học khác. Tùy thuộc vào các điều kiện của bầy, cách nó lượn đi, trao đổi nhiệt tại ranh giới của nó và bên trong nó, năng lượng có thể chuyển hóa giữa những dạng này. Xét hết những yếu tố này, một vấn đề gây lộn xộn với những định nghĩa bình thường của nhiệt độ là đối với những hệ có thể gán những nhiệt độ khác nhau cho những mức tự do khác nhau – như những con châu chấu và các phân tử không khí – thật khó định nghĩa chính xác sự cân bằng là gì. Với tình huống đó, có thể có nhiều hơn một cân bằng ở một trạng thái dao động.
Ngay cả lỗ đen còn có nhiệt độ, vậy đàn châu chấu tại sao không?
Như với bầy châu chấu, các nguyên tử và phân tử trao đổi và chuyển hóa năng lượng theo những kiểu khác nhau. Ngoài những dạng năng lượng đã nói, còn có sự tương tác năng lượng bên trong các nguyên tử không được nhận ra trực tiếp với bất kì chuyển động nào đã nói. Các hệ spin hạt nhân của Ed Purcell có thể nói là có nhiều hơn một nhiệt độ, bởi vì thật ra các spin đó cân bằng với nhau nhanh hơn chúng cân bằng với các electron.
Trong hệ do các nhà nghiên cứu người Đức tạo ra, những trạng thái năng lượng cao của những hạt nhân của họ có khả năng bị chiếm giữ nhiều hơn những trạng thái năng lượng thấp hơn. Trong một hệ lượng tử, các hạt và các đại lượng đặc trưng cho chúng không thể nhận giá trị tùy ý mà chỉ nhận những giá trị tương ứng với các trạng thái lượng tử. Các nhà nghiên cứu điều khiển hệ nhiệt độ âm của họ đến gần độ không tuyệt đối đến mức chỉ có rất ít số trạng thái khả dĩ để bắt đầu.
Nhiệt độ được định nghĩa trong một số tình huống là một số đo của sự sẵn sằng giải phóng năng lượng của một vật, hàm ý rằng những vật bình thường sẽ giải phóng năng lượng dễ dàng hơn khi ở nhiệt độ cao hơn. Các ngôi sao, qua lực hấp dẫn riêng của chúng, co lại và nóng lên khi chúng phát xạ năng lượng ra bên ngoài. Nếu điều ngược lại cũng đúng, thì nó có nghĩa là nhiệt độ của chúng cũng sẽ giảm khi cấp năng lượng cho chúng. Đối với những hệ phức tạp như một ngôi sao, một sự giảm nhiệt độ theo năng lượng cấp vào có lẽ không nhất thiết hàm ý rằng có nhiệt độ âm trong hệ đó.
Chẳng quá khó tưởng tượng ra một phiên bản đơn giản hơn của loại hệ này, và trong khi làm thế, có một sự chắc chắn nào đó rằng chúng ta có khái niệm về cái có lẽ đang diễn ra. Giả sử ta xét một cái xe chở rác rỗng không, có một thùng đậy kín cùng một cái nhiệt kế gắn dính vào thành của nó. Bây giờ nếu như có ai đó vứt đi vài quả bóng rỗ, mỗi quả được bơm căng với chuẩn NBA chính thức 7,7 – 8,5 PSI, chúng ta có thể trông đợi người công nhân thu gom rác nhặt lấy những quả bóng đó và cho chúng vào máy nghiền của xe tải. Điều gì xảy ra với cái nhiệt kế khi năng lượng này được đưa vào trong hệ?
Trước tiên, nhiệt độ sẽ bắt đầu tăng lên vì không khí xung quanh các quả bóng nóng lên do bị nén ép. Tuy nhiên, cuối cùng thì áp suất không khí bên ngoài các quả bóng trở nên lớn hơn áp suất bên trong các quả bóng và chúng sẽ bắt đầu biến dạng. Để cho đơn giản, chúng ta có thể giả sử rằng các quả bóng sẽ không biến dạng đối xứng hoàn hảo và sẽ bị nứt vỡ ở chừng mực nào đó. Việc tưởng tượng các quả bóng là rắn cho đến khi chúng hỏng thật sự là ít nhiều chính xác hơn khi liên tưởng tương tự. Khi áp suất và nhiệt độ cao hơn, không khí xung quanh các quả bóng giãn nở vào không gian áp suất thấp hơn trước đó chứa bên trong các quả bóng, nó nguội đi một ít và nhiệt kế chỉ ra trị số lí thú – một sự biến thiên nhiệt độ âm từ sự cấp thêm năng lượng.
Điều này thật sự chẳng có gì bất ngờ với chúng ta vì chúng ta có thể nhìn thấy và cảm nhận chính xác cái đang diễn ra. Tuy nhiên, ở cấp độ nguyên tử, mọi thứ không được quan sát tốt cho lắm và chúng ta cần có nhiều niềm tin. Các nhà nghiên cứu người Đức không tạo ra cái gì lạnh hơn không độ tuyệt đối, mà họ chỉ tạo ra một tình huống trong đó các thống kê mô tả cách những trạng thái khác nhau trong hệ phân bố bị đảo nghịch lại.
Hiện nay, chúng ta có thể chắc chắn rằng mọi thứ trong thế giới này vẫn đang diễn ra êm đẹp và việc mô tả cái gì đó có nhiệt độ tuyệt đối âm thật sự không mang đến bất kì nền vật lí mới nào cả.
Theo John Hewitt (ExtremeTech)
Trần Nghiêm dịch
