Vào năm 1876, nhà vật lí người Áo Ludwig Boltzmann lưu ý thấy cái bất ngờ trong các phương trình của ông mô tả dòng chảy nhiệt trong một chất khí. Thông thường, các hạt chất khí va chạm cuối cùng đạt tới một trạng thái cân bằng nhiệt, trạng thái tại đó không có dòng năng lượng nhiệt toàn phần nào xảy ra. Nhưng Boltzmann nhận thấy các phương trình của ông cũng tiên đoán rằng, khi các chất khí bị giam cầm theo một kiểu nhất định, chúng vẫn duy trì trạng thái mất cân bằng vĩnh viễn, nghĩa là có một lượng nhỏ nhiệt lượng luôn luôn chảy bên trong hệ.
Nay lần đầu tiên các nhà vật lí tại JILA, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kì, và trường Đại học Colorado tại Boulder đã hiện thực hóa trên thực nghiệm một đám mây khí ba chiều không bao giờ đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt, đúng như Boltzmann đã dự đoán hồi gần 140 năm về trước. Công trình được triển khai trên nghiên cứu có từ năm 2002, trong đó một trạng thái mất cân bằng vĩnh viễn đã được quan sát thấy trong một chất khí hai chiều.
Trong mode đơn cực, chất khí chịu sự tắt dần rất ít, nghĩa là nó vẫn ở trạng thái phi cân bằng lâu dài. Một chất khí tiêu biểu (ở mode tứ cực) chịu sự tắt dần với tốc độ tăng theo tốc độ va chạm của các phân tử khí, cho biết entropy đang tăng và chất khí đang tiến tới cân bằng nhiệt. Ảnh: Lobser, et al. ©2015 Macmillan Publishers Limited
“Đó là một triển khai muộn, hãy gọi nó là một sự xác minh, của một trong nhiều ý tưởng hấp dẫn của nhà vật lí vĩ đại Boltzmann,” đồng tác giả Eric Cornell tại JILA phát biểu. “Boltzmann đang cố gắng lí giải tại sao vạn vật luôn luôn ‘phân hủy’. Bạn luôn thấy một con lắc đong đưa chậm dần, trong khi điểm treo của nó nóng lên một chút do ma sát. Bạn không bao giờ thấy điểm treo nguội đi và con lắc thì đong đưa nhanh lên. Trong lúc xây dựng một lí thuyết có sức mạnh lí giải chân lí khoa học hết sức quan trọng này, Boltzmann đã giật mình khi bắt gặp một số ví dụ trong đó các phương trình của ông dự đoán rằng sẽ không có sự tắt dần – cái bạn không hề thấy trong thí nghiệm!”
“Các đối thủ của Boltzmann đã chộp lấy dị thường này làm bằng chứng rằng các phương trình của ông là sai. Nhưng các phương trình của ông là đúng. Vấn đề chỉ là lúc ấy chẳng ai có thể tiến hành các thí nghiệm đặc biệt đó. Ngày nay, chúng tôi có thể làm các thí nghiệm đó. Tất cả chúng ta đều mắc nợ ân tình với Boltzman và di sản của ông. Chúng tôi xem đây là một sự bày tỏ lòng thành kính đối với ông, minh giải cho một trong những dự đoán gây tranh cãi (lúc ấy) của ông.”
Nguyên nhân khiến mất thời gian lâu như vậy mới xác nhận trên thực nghiệm dự đoán của Boltzmann là vì khó khăn trong việc tạo ra một chất khí và giam cần nó trong không gian thỏa mãn hai điều kiện nghiêm ngặt. Một là, chất khí đó phải hoàn toàn có dạng cầu (hay “đẳng hướng”), và thứ hai, nó phải bị giam cần bởi bẫy giam điều hòa hoàn hảo nhằm giúp làm giảm các tác dụng của ma sát.
Để hiện thực hóa một hệ như vậy, các nhà khoa học đã sử dụng một bẫy từ mới với các cuộn dây từ tính bổ sung, cho phép nhiều thông số được điều chỉnh độc lập. Sử dụng dụng cụ này, các nhà nghiên cứu đã bẫy một đám mây chất khí lạnh gồm các nguyên tử rubidium sao cho chất khí hành xử theo “mode đơn cực”. Trong mode này, nhiệt độ và kích cỡ đám mây khí dao động ngược pha nhau – khi đại lượng này tăng thì đại lượng kia giảm, và ngược lại.
Các nhà khoa học giải thích rằng “cơ chế động lực học thở đều đều” này là cái tương đương với sự hoán đổi dao động giữa động năng và thế năng xảy ra trong chuyển động điều hòa đơn giản của một con lắc đong đưa. Giống hệt như một con lắc đong đưa cuối cùng đạt tới một trạng thái cân bằng khi nó dừng lại, một chất khí bị giam cầm tiêu biểu sẽ đạt tới một trạng thái cân bằng nhiệt khi nhiệt lượng ngừng chảy. Trong cả hai trường hợp, trạng thái cân bằng đạt tới là do sự tăng entropy, gây ra sự tắt dần, hay sự giảm biên độ dao động.
Tuy nhiên, ở đây sự tăng entropy tự nhiên bị kháng lại bởi bản chất rất riêng của sự giam cầm và tương tác giữa các nguyên tử. Lấy bằng chứng cho điều này, các nhà khoa học đã chứng minh rằng chất khí trong mode đơn cực vừa vặn chịu sự tắt dần, và một chút tắt dần mà nó chịu có khả năng do các khiếm khuyết trong bẫy từ, vì không hệ vật chất nào có thể mang lại sự đẳng hướng và giam cầm điều hòa hoàn hảo. Các nhà nghiên cứu đã quan sát sự tắt dần bị kìm hãm mạnh đó bằng cách chụp ảnh của đám mây khí từ những góc độ khác nhau và ở những khoảng thời gian rất ngắn, sử dụng kĩ thuật hiển vi tương phản pha, cho phép họ nhìn thấy các dao động của kích cỡ đám mây.
Ngoài việc minh oan cho Boltzmann, các kết quả trên còn có thể có các gợi ý cho việc tìm hiểu các hệ phi cân bằng khác, kể cả bản thân sự sống.
“Vật lí học phi cân bằng là một chủ đề nóng trong khoa học ngày nay,” Cornell nói. “Một ví dụ kinh điển của vật chất phi cân bằng chính là sự sống. Sự sống từ đâu mà có? Vì sao nó tồn tại được? Ví dụ thực nghiệm đặc biệt của chúng tôi có lẽ hơi quá rõ ràng, quá kinh điển, để hoàn toàn tương quan với đa số nghiên cứu hiện đại, nhưng nó là một ví dụ hay của một ý tưởng vật lí rộng hơn gọi là ‘tính khả tích’ giải thích vì sao một số hệ không bao giờ đạt tới sự cân bằng nhiệt.”
Tham khảo: D. S. Lobser, et al. "Observation of a persistent non-equilibrium state in cold atoms." Nature Physics. DOI: 10.1038/nphys3491
