Thí nghiệm kinh điển nhất trong lịch sử khoa học: Thử thách độ không tuyệt đối

Thông qua lý thuyết, chúng ta có thể suy ra giới hạn nhiệt độ trong vũ trụ, đối với nhiệt độ cao, khối lượng tối đa của các hạt vi mô chuyển động với tốc độ ánh sáng chính là giới hạn của nhiệt độ cao và giá trị của nó là 10 ^ 32 K, được gọi là nhiệt độ Planck - tương ứng với nhiệt độ của những lỗ đen khi những lỗ này bốc hơi hoặc với nhiệt độ của vũ trụ tức khắc ngay sau Vụ nổ lớn.

Theo lý thuyết, giới hạn của nhiệt độ thấp trong vũ trụ được gọi là "độ không tuyệt đối", giá trị là 0 K, được chuyển đổi sang đơn vị nhiệt độ thường được sử dụng là -273,15 độ C.

Và để chứng minh sự tồn tại của độ không tuyệt đối, nhân loại đã phải tiến hành rất nhiều cuộc thí nghiệm trong một thời gian rất dài và câu chuyện về giá trị giới hạn này cũng khá thú vị khi đứng từ góc độ khoa học bởi khi khái niệm này được đưa ra, không có bất cứ ai có thể tiến hành những thí nghiệm đạt đến gần nhiệt độ đó.

Thế nhưng khái niệm cụ thể về độ không tuyệt đối không phải được hình thành một sớm một chiều, thay vào đó nó được nhiều thế hệ các nhà khoa học nghiên cứu, quan sát và đúc kết. Ngay từ năm 1702, nhà vật lý người Pháp Guillaume Amonton đã đặt ra vấn đề liệu có giới hạn cho sự lạnh giá hay không.

Ông đã cải tiến một nhiệt kế sử dụng không khí và thủy ngân. Thể tích không khí thay đổi theo nhiệt độ, khiến một phần thủy ngân chuyển động để hiển thị thang đo. Giá trị nhỏ nhất của nhiệt kế có giới hạn, đó là điểm 0 (theo tính toán ngày nay, nó là khoảng -240 độ C).

Cho đến cuối thế kỷ 18, nhiều nhà vật lý đã cố gắng khám phá giới hạn nhiệt độ thấp này. Năm 1785, Jacques Charles, một nhà vật lý người Pháp đã phát hiện ra mối quan hệ giữa nhiệt độ và thể tích của một chất khí khi áp suất không đổi.

Trong các thí nghiệm của mình, ông nhận thấy rằng trong trường hợp thể tích không đổi, cứ giảm 1 độ C thì áp suất của chất khí sẽ giảm đi 1/273 áp suất của nó ở 0 độ C. Theo quy tắc này, khi nhiệt độ khí giảm xuống còn -273 độ C, áp suất trở thành không - môi trường chân không.

Sau đó, nhà vật lý người Anh William Thomson (tức Nam tước Kelvin thứ nhất) đã đưa ra dạng chính thức đầu tiên dựa trên sự tổng kết và suy đoán của những người đi trước về khái niệm độ không tuyệt đối - được hiểu là trạng thái mà bên trong vật có thể giảm đến 0 và dừng hoàn toàn chuyển động của phân tử.

Theo đó, một trong những mục tiêu cuối cùng trong lĩnh vực nhiệt động lực học chính là một trận chiến lớn thách thức độ không tuyệt đối. Và hiển nhiên mục tiêu này cũng không thể thực hiện được trong một sớm một chiều.

Michael Faraday.

Nhân vật quan trọng đầu tiên trong cuộc đua này là là Michael Faraday. Đến năm 1845, ông đã thu được nhiều dạng khí lỏng khác nhau thông qua quá trình nén sơ cấp. Với công nghệ của mình vào thời điểm đó, ông có thể đạt được nhiệt độ thấp nhất là -130 độ C.

Tuy nhiên, trong thời gian đó ông vẫn chưa thể hóa lỏng được một số khí như oxy, nitơ và hydro. Nguyên nhân là do giới hạn về lý thuyết vào thời điểm đó, bởi vậy Faraday tin rằng những khí này là "khí vĩnh cửu" và không thể nén thành trạng thái lỏng.

Vào cuối những năm 1870, nhà vật lý người Pháp Louis Paul Cailletet đã đi đầu trong việc sản xuất oxy lỏng và nitơ lỏng, có thể thu được nhiệt độ thấp tương ứng là -183 độ C và -196 độ C. Để có thể thực hiện được điều này, Louis Paul Cailletet đã áp dụng hiệu ứng Joule-Thomson.

James Dewar.

Người quan trọng tiếp theo là một nhà hóa học và vật lý học người Scotland - James Dewar, người sẽ thử thách hydro, loại "khí vĩnh cửu" cuối cùng vào thời điểm đó.

Các nhà khoa học vào thời điểm đó dự kiến ​​có thể sản xuất hydro lỏng ở ít nhất là -250 độ C. Nhiệt độ này là một thách thức bất khả thi với công nghệ và thiết bị lúc bấy giờ, bởi vậy Dewar đã phải phát minh ra những thiết bị mới để có thể tiến hành nghiên cứu này.

Kế hoạch của ông là sử dụng một loại khí có thể nén và hóa lỏng ở nhiệt độ phòng, sau đó để nó nở ra và thu về nhiệt độ thấp rồi tiếp tục dùng nhiệt độ này để hóa lỏng những khí khác khó hóa lỏng hơn.

Bằng cách này, sau một chuỗi nhiều giai đoạn thì có thể đạt tới nhiệt độ đủ thấp để hóa lỏng hydro. Nhưng để thực hiện được điều đó, Dewar buộc phải chế tạo ra những thiết bị và dụng cụ mới phục vụ nghiên cứu, theo đó nghiên cứu này đòi hỏi rất nhiều kinh phí. Vì vậy Dewar đã trình diễn một số tính chất độc đáo của khí hóa lỏng cho khách trong phòng thí nghiệm của Hiệp hội Hoàng gia, và sử dụng các thí nghiệm để thu hút sự chú ý của những nhà đầu tư.

Nhưng thí nghiệm diễn ra không suôn sẻ, vào năm 1886, một vụ nổ khủng khiếp xảy ra trong phòng thí nghiệm ở London, Dewar đã vô tình trộn oxy lỏng với ethylene lỏng và gây ra vụ nổ, điều này sau đó đã khiến sự nghiệp khoa học của ông gần như chấm dứt.

Tuy nhiên, ngay sau đó, Dewar đã sản xuất được 20 cm khối hydro lỏng thông qua dòng thác nhiều tầng của metyl clorua-ethylene-oxy-hydro. Khi đó, bể chứa có áp suất 180 atm (atmosphere) và nhiệt độ đạt -205 độ C.

Dewar sau đó cho hydro lỏng vào ống giãn nở và theo dõi nhiệt độ của nhiệt kế giảm dần, cuối cùng, ông đã đạt được kỷ lục mới là -252 độ C, coi như hoàn thành thử thách bất khả thi đối với người tiền nhiệm Faraday.

Tuy nhiên, ngay sau khi thí nghiệm thành công, một loại khí mới đã được ra đời - khí trơ heli được phát hiện.

Tiếp theo, nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes tiếp tục đảm nhận công việc nghiên cứu này và xây dựng một nhà máy sản xuất hydro lỏng từ bằng thiết bị của Dewar và tạo ra heli lỏng một cách thần kỳ, đạt đến nhiệt độ thấp -269 ° C (4,2 K).

Ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối này, nhiều chất sẽ thể hiện trạng thái chưa từng có, bao gồm cơ học chất lỏng, điện từ và các tính chất liên quan khác, điều này cũng giúp cho Onnes đoạt giải Nobel Vật lý vào năm 1913.

Thế nhưng cho tới nay, vẫn chưa có ai có thể tiến hành được thí nghiệm để đạt được độ không tuyệt đối về mặt lý thuyết - giá trị là 0 K, được chuyển đổi sang đơn vị nhiệt độ thường được sử dụng là -273,15 độ C.