NASA chuẩn bị phóng "nơi lạnh hơn vũ trụ 100 triệu lần" lên Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS

NASA chuẩn bị phóng “nơi lạnh nhất Trái Đất” – Phòng Thí nghiệm Nguyên tử lạnh CAL – lên quỹ đạo Trái Đất. Trên đó, các nhà du hành vũ trụ sẽ sử dụng CAL để tạo ra điều kiện nhiệt độ lạnh nhất từng có: cái lạnh lớn hơn vũ trụ sâu thẳm ngoài kia tới 100 triệu lần. Nói rộng ra thì đây là nơi lạnh nhất trong toàn bộ Vũ trụ, những phần Vũ trụ mà ta biết tới.

Phòng thí nghiệm này sẽ “đi nhờ” tên lửa của SpaceX để lên tới Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS, nơi mà người ta mong rằng nó sẽ hé lộ cho loài người về một thứ vật lý hoàn toàn mới, nơi mà nguyên tử có thể được làm lạnh xuống tới mức cực kì thấp - khoảng 0,000000000001 kelvin, cực gần với độ không tuyệt đối (absolute zero, 0 độ kelvin - một mốc nhiệt độ bất khả thi do ta phải lấy ra một lượng nhiệt vô tận từ bên trong vật chất).

Hình minh họa của CAL.

“Nghiên cứu những nguyên tử siêu lạnh này sẽ vẽ lại toàn bộ hiểu biết của chúng ta về vật chất cũng như bản chất của lực hấp dẫn”, một nhà khoa học thuộc dự án CAL, ông Robert Thompson từ Phòng Thí nghiệm Tên lửa đẩy của NASA. “Những thí nghiệm mà chúng tôi sẽ thực hiện với Phòng Thí nghiệm Nguyên tử Lạnh sẽ cho ta hiểu thêm về lực hấp dẫn của những năng lượng tối – thứ năng lượng tỏa khắp Vũ trụ này”.

Trong trường hợp bạn thắc mắc rằng nơi lạnh nhất Vũ trụ là gì, thì câu trả lời của bạn đây: Phòng Thí nghiệm Nguyên tử Lạnh của NASA là một chiếc hộp có kích cỡ của một chiếc tủ nhỏ, được trang bị một hệ thống laser, một khoang chân không và một “con dao” điện từ có chức năng làm chậm các hạt lại tới trạng thái gần như đứng yên nhờ nhiệt độ lạnh.

Tại sao các nhà khoa học lại hứng thú với sự lạnh như vậy? Bởi vì khi vật chất xuống nhiệt độ càng thấp, chúng sẽ vận động càng ít và qua đó, có thể mở ra những tính chất lượng tử chưa từng thấy trong lịch sử loài người. Hệ thống “cực cool” trên vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện cuối cùng, cho nên sứ mệnh lên Vũ trụ này phải đợi tới tháng Tám để tiến hành. Đó cũng là thử nghiệm lớn đầu tiên với Phòng Thí nghiệm Nguyên tử Lạnh.

Kế hoạch trước mắt là đổ đầy các hạt khí gas vào hệ thống lạnh trên, khi nó đã yên vị trên trạm ISS. Môi trường lực hấp dẫn độc nhất trên đó sẽ cho phép các nhà nghiên cứu quan sát những hiện tượng lượng tử được cho là bất khả thi trên Trái Đất. Một trong những thứ được trông đợi nhất trong thử nghiệm lần này là trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein – một trạng thái siêu lỏng đặc biệt, có được khi đưa vật chất xuống nhiệt độ cực lạnh, khi ấy các nguyên tử sẽ vận hành với tính chất của các sóng.

Ví dụ về trạng thái Bose-Einstein làm thay đổi cấu trúc lượng tử vật chất.

Bởi trạng thái chất này không có tính nhớt của nước, các phân tử có thể chuyển động mà không gặp phải ma sát, như thể chúng là một khối rắn vậy. “Nếu như bạn đổ nước ở trạng thái siêu lỏng vào cốc và khuấy nó lên, nước sẽ xoay vĩnh viễn”, Anita Sengupta, trưởng dự án Phòng Thí nghiệm Nguyên tử Lạnh cho hay.

“Không hề có ma sát để làm chậm nó lại cũng như làm tiêu tan động năng của nước. Nếu như ta hiểu được hoàn toàn tính chất vật lý của nước siêu lỏng, ta sẽ có thể tìm ra được một cách hiệu quả hơn để luân chuyển năng lượng”.

Ngưng tụ Bose-Einstein là một trạng thái lôi kéo được sự chú ý của rất nhiều nhà vật lý học, khi mà các luật lệ trong vật lý cổ điển 0 như thuyết tương đối của Einstein – chuyển sang vật lý lượng tử và lúc ấy, vật chất bắt đầu không còn tính chất của hạt nữa, mà dần có được những tính chất của sóng.

Hiểu được sự chuyển hóa này, ta sẽ nắm trong tay chìa khóa mở ra một trong những câu hỏi lớn nhất trong vật lý hiện đại – thuyết vạn vật kết nối hai thứ lý thuyết không thể dung hòa: thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Chính vì lý do đó, các nhà khoa học muốn quan sát kĩ lưỡng trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein trên Vũ trụ chứ không phải trên Trái Đất, nơi mà trạng thái này chỉ có thể được quan sát trong vài micro giây.

Trong môi trường lực hấp dẫn yếu như trên Vũ trụ, các nhà khoa học có thể kéo dài được khoảng thời gian ấy ra và NASA ước tính rằng, ngưng tụ Bose-Einstein có thể tồn tại trong Phòng Thí nghiệm Nguyên tử Lạnh từ 5 tới 10 giây. Lượng thời gian ấy không chỉ đủ để ta tìm ra cầu nối vật lý cơ bản và vật lý lượng tử, mà nó còn là công cụ để ta xây dựng nên những máy cảm biến, kính viễn vọng, đồng hồ nguyên tử chuẩn xác hơn, khiến cho giấc mơ “máy tính lượng tử” gần tầm tay hơn bao giờ hết.

“Những nguyên tử lạnh rất dễ bị tổn thương trong Phòng Thí nghiệm Nguyên tử Lạnh có tiềm năng mở ra rất nhiều bí ẩn nằm ngoài tầm với của vật lý đương đại”, Kamal Oudrhiri, người đại diện trường dự án CAL nói.

Chúng ta còn 5 tháng nữa để chứng kiến cảnh tượng Phòng thí nghiệm này bay lên không, và lâu hơn chút nữa để xem các nhà khoa học làm được gì. Năm 2017 này sẽ là một năm đầy hứa hẹn đây!

Tham khảo ScienceAlert