Mùa hè năm nay, một hộp băng nhỏ cỡ bằng tủ thuốc gia đình sẽ bay lên Trạm Vũ trụ Quốc tế, tại đó nó sẽ tạo ra điểm lạnh nhất trong vũ trụ.
Bên trong hộp, các laser, một buồng chân không và một “dao” điện từ sẽ được dùng để triệt tiêu năng lượng của các hạt chất khí, làm chúng chậm lại cho đến khi chúng hầu như không chuyển động. Bộ thiết bị này được gọi là Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh (CAL), và đã được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở Pasadena, California. CAL đang ở trong những giai đoạn cuối cùng của quy trình lắp đặt tại JPL, trước khi bay lên không gian vào tháng 8 năm nay trên phi thuyền SpaceX CRS-12.
Các thiết bị của CAL được thiết kế để làm lạnh các nguyên tử chất khí xuống còn một phần tỉ của một độ trên không độ tuyệt đối. Nhiệt độ đó lạnh hơn 100 triệu lần so với nhiệt độ của không gian sâu thẳm.
Ảnh minh họa một con chip nguyên tử dùng cho Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh (CAL) của NASA trên Trạm Vũ trụ Quốc tế. CAL sẽ sử dụng laser để làm lạnh các nguyên tử xuống những nhiệt độ cực thấp. Ảnh: NASA
“Việc nghiên cứu những nguyên tử siêu lạnh này có thể giúp định hình lại kiến thức của chúng ta về vật chất và bản chất cơ bản của lực hấp dẫn,” phát biểu của nhà khoa học dự án CAL Robert Thompson thuộc JPL. “Các thí nghiệm mà chúng tôi sẽ làm với Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh sẽ cung cấp cho chúng ta cái nhìn sâu sắc về lực hấp dẫn và năng lượng tối – một số lực lan tỏa nhất trong vũ trụ.”
Khi các nguyên tử bị làm lạnh xuống nhiệt độ cực thấp, như chúng sẽ bị bên trong CAL, chúng có thể hình thành một trạng thái khác biệt của vật chất gọi là ngưng tụ Bose-Einstein. Trong trạng thái này, các quy luật vật lí quen thuộc chùn bước và vật lí lượng tử bắt đầu chiếm ưu thế. Vật chất có thể được quan sát thấy hành xử ít giống hạt hơn và giống sóng nhiều hơn. Các hàng nguyên tử chuyển động đồng bộ với nhau như thể chúng đang cưỡi trên một giàn khung di động. Những dạng sóng bí ẩn này chưa từng được nhìn thấy ở những nhiệt độ thấp như nhiệt độ mà CAL sẽ thu được.
NASA chưa từng tạo ra hay quan sát thấy ngưng tụ Bose-Einstein trong không gian. Trên Trái Đất, lực hút hấp dẫn làm cho các nguyên tử liên tục rơi xuống mặt đất, nghĩa là chúng thường chỉ có thể quan sát được trong những phần nhỏ của một giây.
Nhưng trên Trạm Vũ trụ Quốc tế, các nguyên tử cực lạnh có thể duy trì dạng thức giống sóng của chúng lâu hơn trong lúc rơi tự do. Điều đó đem lại cho các nhà khoa học một cơ hội lâu hơn để tìm hiểu vật lí học tại cấp độ cơ bản nhất của nó. Thompson ước tính CAL sẽ cho phép các ngưng tụ Bose-Einstein là quan sát được trong thời gian lên tới 10 giây; phát triển tương lai của các công nghệ dùng trên CAL có thể cho phép chúng tồn tại trong hàng trăm giây.
Ngưng tụ Bose-Einstein là “chất siêu chảy” – một loại chất lỏng có độ nhớt zero, trong đó các nguyên tử chuyển động không ma sát như thể chúng là một thể, một chất rắn.
“Nếu bạn có nước siêu chảy và lắc cho nó quay tròn trong cốc, thì nó sẽ quay tròn mãi mãi,” phát biểu của Anita Sengupta thuộc JPL, điều phối viên dự án CAL. “Không có độ nhớt làm nó chậm lại và tiêu hao động năng. Nếu chúng ta có thể hiểu rõ hơn cơ sở vật lí của chất siêu chảy, thì chúng ta có thể học được cách sử dụng chúng cho việc truyền tải năng lượng hiệu quả hơn.”
Năm đội khoa học đã lên kế hoạch sử dụng Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh tiến hành các thí nghiệm. Một trong số họ là Eric Cornell thuộc trường Đại học Colorado, Boulder và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kì. Cornell là một trong những người giành giải Nobel, những người đầu tiên tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein trong cơ cấu phòng thí nghiệm hồi năm 1995.
Kết quả của những thí nghiệm này có tiềm năng đưa đến một số công nghệ cải tiến, bao gồm các cảm biến, máy tính lượng tử và đồng hồ nguyên tử dùng trong đạo hàng tàu vũ trụ.
Đặc biệt hào hứng là các ứng dụng liên quan đến dò tìm năng lượng tối, phát biểu của Kamal Oudrhiri thuộc JPL, điều phối viên ủy quyền dự án CAL. Ông lưu ý rằng các mô hình vũ trụ học hiện nay phân chia vũ trụ thành chừng 27% vật chất tối, 68% năng lượng tối và khoảng 5% vật chất bình thường.
“Điều này có nghĩa là cho dù với toàn bộ công nghệ hiện nay của chúng ta, chúng ta vẫn mù nhìn trước 95% vũ trụ,” Oudrhiri nói. “Tựa như một thấu kính mới trong chiếc kính thiên văn đầu tiên của Galileo, các nguyên tử lạnh cực nhạy trong Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh có tiềm năng vén màn nhiều bí ẩn vượt ngoài tiền tuyến của vật lí học đã biết.”
Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh hiện đang trải qua giai đoạn kiểm nghiệm trước khi được vận chuyển tới Mũi Canaveral, Florida.
“Các kiểm tra mà chúng tôi tiến hành trong các tháng tới trên mặt đất là thiết yếu để đảm bảo rằng chúng ta có thể điều khiển và điều chỉnh nó từ xa trong khi nó bay trên không gian, và sau rốt là học hỏi từ hệ thống vật lí nguyên tử phong phú này trong những năm sắp tới,” phát biểu của Dave Aveline, lãnh đạo nhóm kiểm nghiệm tại JPL.
Nguồn: PhysOrg.com
