Chinh phục phía bên kia không độ tuyệt đối

Độ không tuyệt đối là nhiệt độ (-273,15 C) tại đó toàn bộ chuyển động trong vật chất dừng lại và được cho là không thể nào đạt được. Nhưng các thí nghiệm trong thời gian gần đây sử dụng các nguyên tử cực lạnh đã thật sự đo được các nhiệt độ âm trong thang nhiệt độ tuyệt đối.

Tuy nhiên, hành trình ở đây hơi ngược với cái bạn có thể trông đợi. Đơn giản lấy nhiệt ra khỏi phương trình làm cho vật chất lạnh hơn không phải là câu trả lời. Thay vậy, bạn cần làm nóng vật chất để nó nóng hơn cả cái nóng vô hạn!

Cái lạnh băng giá không phải là con đường tiến sang bên kia độ không tuyệt đối

Tìm hiểu nhiệt độ

Khái niệm nhiệt độ liên hệ mật thiết với khái niệm hỗn độn. Thông thường, một mức trật tự cao tương ứng với một nhiệt độ thấp. Một trật tự hoàn hảo là tương đương với độ không tuyệt đối và sự hỗn độn tối đa là tương ứng với một nhiệt độ vô hạn.

Tinh thể băng thì có trật tự hơn nước sôi và, như trực giác mách bảo chúng ta, băng thật sự lạnh hơn nước nóng. Bằng cách cấp thêm năng lượng vào các phân tử nước sẽ làm cho chuyển động của chúng trở nên hỗn loạn hơn và mất trật tự hơn, vì thế làm tăng nhiệt độ của chúng.

Nhưng dưới những tình huống rất đặc biệt, một hệ có thể trở nên trật tự hơn khi được cấp thêm năng lượng vượt quá một giá trị tới hạn tương ứng với một nhiệt độ vô hạn.

Một hệ như thế được đặc trưng bởi nhiệt độ tuyệt đối âm. Tiếp tục bổ sung thêm năng lượng vào một hệ như vậy cuối cùng sẽ đưa nó vào trật tự hoàn toàn tại đó nó sẽ đạt tới độ không âm tuyệt đối.

Nếu độ không dương tuyệt đối là điểm tại đó mọi chuyển động dừng lại, thì độ không âm tuyệt đối là điểm tại đó mọi chuyển động là nhanh hết mức có thể.

Ảnh minh họa nhiệt độ tuyệt đối dương và nhiệt độ tuyệt đối âm

Trong ảnh trên, tại độ không dương tuyệt đối các quả cầu màu lam bên trái có năng lượng khả dĩ thấp nhất và chúng nằm tại đáy của bình chứa trong khi tại nhiệt độ âm tuyệt đối, các quả cầu màu đỏ bên phải có năng lượng khả dĩ cao nhất và chúng nằm tại trần của bình chứa.

Vì tại nhiệt độ âm tuyệt đối, năng lượng trung bình của các hạt cao hơn tại bất kì nhiệt độ tuyệt đối dương của chính hệ đó, nghĩa là tại nhiệt độ âm tuyệt đối hệ thật sự là nóng hơn (hiểu theo nghĩa là năng lượng cao hơn).

Nghe có chút gì khó tin phải không? Ta hãy xét kĩ hơn.

Lao vào lốc xoáy

Khái niệm nhiệt độ âm tuyệt đối được nêu ra lần đầu tiên bởi nhà hóa học và vật lí đoạt giải Nobel Lars Onsager trong khuôn khổ xoáy trong các chất lưu. Bất kể hàng thế kỉ nghiên cứu kể từ thời Leonardo da Vinci truyền cảm hứng, chuyển động xoáy vẫn là một bài toán còn bỏ ngõ cho đến ngày nay.

Onsager dự đoán rằng trong các dòng chất lưu hai chiều chảy xoáy, những xoáy nhỏ – thay vì yếu dần đi – sẽ bắt đầu tự phát lớn dần về kích cỡ thành những cấu trúc xoáy mỗi lúc một khổng lồ. Quá trình này sẽ dẫn tới sự xuất hiện của trật tự từ hỗn độn.

Các xoáy khổng lồ mang lại trật tự từ hỗn độn như thế giàu năng lượng đến mức hệ đạt tới nhiệt độ nóng hơn cả nóng và chuyển sang chế độ nhiệt độ âm tuyệt đối (các quả cầu màu đỏ). Những xoáy lốc hỗn độn khổng lồ sẽ dung dưỡng chuyển động chất lưu cực nhanh và năng lượng cao tương ứng của hệ.

Một hiện tượng như thế được cho là cơ sở cho nhiều xoáy lốc xuất hiện trong tự nhiên như hải lưu Gulf Stream hay Vết Đỏ Lớn trên bề mặt Mộc tinh.

Vết Đỏ Lớn trên Mộc tinh

Nghiên cứu mới đây của chúng tôi, đăng trên tạp chí Physical Review Letters, dự đoán rằng các xoáy Onsager tương tự được đặc trưng bởi nhiệt độ âm tuyệt đối cũng có thể xuất hiện trong các chất siêu lưu phẳng. Đây là những chất lưu có khả năng chảy mà không ma sát.

Giống như các chất lưu nhớt cổ điển, các chất siêu lưu cũng có thể được làm cho cuộn xoáy. Các nghiên cứu “hỗn độn siêu lưu” thu được sẽ mang lại những cái nhìn sâu sắc mới vào các dự đoán ban đầu của Onsager về nhiệt độ tuyệt đối âm và sự xuất hiện của trật tự từ hỗn độn.

Nhưng sau quan sát thực nghiệm mới đây của nhiệt độ âm tuyệt đối của các nguyên tử cực lạnh, sự tồn tại của những nhiệt độ âm phù hợp nhiệt động lực học đã bị nghi ngờ. Trong khi tranh cãi vẫn đang diễn ra, thì cái rõ ràng là một khi vấn đề được làm sáng tỏ, nhiều sách vở phải chỉnh lí lại.

Tuy vậy, cho dù dùng nhiệt độ nào để mô tả những thí nghiệm nhất định, thì thực tế là những trạng thái mới lạ như thế của vật chất là một kì công của vật lí học thực nhiệm và có khả năng sẽ là hữu ích cho các ứng dụng công nghệ xuất hiện trong tương lai như Điện tử học spin hay Điện tử học nguyên tử. Các công nghệ này đề xuất thay hạt mang thông tin (electron) dùng trong điện tử học bởi những đại lượng hiệu quả hơn như spin, hay toàn bộ nguyên tử.

Dù sao đi nữa, chúng ta hoàn toàn có thể đoan chắc rằng sẽ chẳng có nhiệt kế nào có thể đạt tới độ không tuyệt đối – dù là dương hay âm.

Nguồn: Matthew Gray, theconversation.com