Trong số năm trạng thái mà vật chất có thể tồn tại, có lẽ ngưng tụ Bose-Einstein là trạng thái bí ẩn nhất. Trong khi thể khí, lỏng, rắn và plasma đều đã được nghiên cứu trong hàng thập kỉ, nếu không nói là hàng thế kỉ; thì ngưng tụ Bose-Einstein mới được tạo ra trong phòng thí nghiệm hồi thập niên 1990.
Một ngưng tụ Bose-Einstein là một nhóm nguyên tử được làm lạnh đến sát không độ tuyệt đối. Khi đạt tới nhiệt độ như thế, các nguyên tử khó mà chuyển động tương đối so với nhau; chúng hầu như chẳng có năng lượng tự do nào để chuyển động như thế. Lúc ấy, các nguyên tử bắt đầu cụm lại với nhau, và đi vào trạng thái có năng lượng bằng nhau. Chúng trở nên y hệt nhau, từ góc nhìn vật lí, và toàn bộ nhóm nguyên tử bắt đầu hành xử như thể một nguyên tử duy nhất.
Hình minh họa một ‘siêu-photon’ được tạo ra khi các nhà vật lí biến các photon ánh sáng sang một trạng thái vật chất gọi là ngưng tụ Bose-Einstein. Ảnh: Jan Klaers, Đại học Bonn
Để tạo ra một ngưng tụ Bose-Einstein, bạn bắt đầu với một đám khí khuếch tán. Nhiều thí nghiệm bắt đầu với các nguyên tử rubdium. Sau đó bạn làm lạnh nó bằng laser, sử dụng các chùm sáng lấy năng lượng ra khỏi các nguyên tử. Sau đó, để tiếp tục làm lạnh chúng, các nhà khoa học sử dụng sự làm lạnh bay hơi. “Với một [ngưng tụ Bose-Einstein], bạn bắt đầu từ một trạng thái lộn xộn, trong đó động năng lớn hơn thế năng,” phát biểu của Xuedong Hu, một giáo sư vật lí tại Đại học Buffalo. “Bạn làm nó lạnh đi, nhưng nó không tạo ra mạng tinh thể kiểu như chất rắn.”
Thay vậy, các nguyên tử rơi vào trạng thái lượng tử giống nhau, và không thể phân biệt lẫn nhau. Lúc ấy, các nguyên tử bắt đầu tuân theo cái gọi là thống kê Bose-Einstein, cái thường áp dụng cho những hạt mà bạn không thể phân biệt rạch ròi, ví như các photon.
Lí thuyết và khám phá
Ngưng tụ Bose-Einstein lần đầu tiên được dự đoán trên lí thuyết bởi nhà vật lí Ấn Độ Satyendra Nath Bose (1894-1974), người đã khám phá hạt hạ nguyên tử mang tên ông, hạt boson. Lúc ấy, Bose đang nghiên cứu các bài toán thống kê trong cơ học lượng tử, và ông gửi các ý tưởng của mình đến Albert Einstein. Einstein cho rằng chúng đủ tầm quan trọng để công bố rộng rãi. Và cũng quan trọng không kém, Einstein nhìn thấy toán học của Bose – về sau gọi là thống kê Bose-Einstein – có thể áp dụng cho các nguyên tử lẫn ánh sáng.
Cái hai nhà khoa học này tìm thấy là thông thường, các nguyên tử có năng lượng nhất định – thật vậy, một trong những tính chất cơ bản của cơ học lượng tử là năng lượng của một nguyên tử hay một hạt hạ nguyên tử nào đó không thể là tùy ý. Đây là lí do vì sao các electron, chẳng hạn, có các ‘orbital’ rời rạc mà chúng phải chiếm giữ, và vì sao chúng giải phóng photon có bước sóng nhất định khi chúng rơi từ orbital này, hay mức năng lượng này, sang orbital khác. Nhưng khi bạn làm lạnh các nguyên tử đến vài phần tỉ của một độ trên không độ tuyệt đối thì một số nguyên tử bắt đầu rơi vào mức năng lượng giống nhau, trở nên không thể phân biệt với nhau.
Đó là lí do vì sao các nguyên tử trong một ngưng tụ Bose-Einstein hành xử giống như ‘siêu nguyên tử’. Khi người ta cố đo xem chúng ở đâu, thay vì nhìn thấy các nguyên tử rạch ròi, người ta thấy một quả cầu mờ nhạt mà thôi.
Các trạng thái khác của vật chất đều tuân theo Nguyên lí Loại trừ Pauli, nguyên lí mang tên nhà vật lí Wolfgang Pauli. Pauli (1900-1958) là một nhà vật lí gốc Áo, mang quốc tịch Thụy Sĩ và Mĩ, và là một trong những nhà tiên phong của cơ học lượng tử. Nguyên lí Pauli phát biểu rằng các fermion – những loại hạt cấu tạo nên vật chất – không thể ở trong những trạng thái lượng tử y hệt nhau. Đây là lí do vì sao khi hai electron ở trong cùng một orbital, spin của chúng phải ngược nhau để cộng lại bằng zero. Thành ra đó là lí do hóa học vận hành theo kiểu của nó và là lí do vì sao các nguyên tử không thể chiếm giữ cùng một không gian đồng thời. Ngưng tụ Bose-Einstein phá vỡ quy tắc đó.
Mặc dù lí thuyết cho biết các trạng thái như thế của vật chất phải tồn tại, nhưng mãi đến năm 1995 thì Eric A.Cornell và Cerl E. Weiman, hai người đều làm việc tại Liên Viện Thiên văn Vật lí (JILA) ở Boulder, Colorado, và Wolfgang Ketterle tại Viện Công nghệ Massachusetts, mới tạo ra được một ngưng tụ như thế, mà họ cùng nhau nhận Giải Nobel Vật lí năm 2001.
Vào tháng Bảy 2018, một thí nghiệm trên Trạm Vũ trụ Quốc tế đã làm lạnh một đám mây nguyên tử rubdium đến một phần mười triệu của một độ trên không độ tuyệt đối, tạo ra một ngưng tụ Bose-Einstein trong không gian. Thí nghiệm này cũng đang giữ kỉ lục về thứ lạnh nhất mà chúng ta biết trong không gian, mặc dù nó chưa phải là thứ lạnh nhất mà con người từng tạo ra.
Nguồn: LiveScience
