Thứ gì lạnh nhất thế giới? Linda Marieth Hoyos

Xem bài giảng đầy đủ tại: https://ed.ted.com/lessons/what-is-the-coldest-thing-in-the-world-lina-marieth-hoyos

Những vật liệu lạnh nhất thế giới không nằm ở Nam Cực hay đỉnh Everest. Chúng đến từ những phòng thí nghiệm vật lý: những đám mây khí chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài phần độ. Lina Marieth Hoyos giải thích cách những nhiệt độ thấp như thế này hé mở cánh cửa vào thế giới vận động của vật chất, giúp các kĩ sư tạo ra những thiết bị cực nhạy giúp ta biết thêm về vũ trụ.

Bài giảng bởi Lina Marieth Hoyos, hoạt họa bởi Adriatic Animation.

Những vật liệu lạnh nhất thế giới
không nằm ở Nam Cực,

trên đỉnh Everest
hay dưới một tảng băng,

mà từ các phòng thí nghiệm lý:

những đám mây khí với nhiệt độ chỉ
cao hơn độ không tuyệt đối vài phần độ.

Lạnh hơn gấp 395 triệu lần
tủ lạnh nhà bạn,

gấp 100 triệu lần
ni-tơ lỏng,

và hơn 4 triệu lần
so với ngoài không gian.

Những nhiệt độ thấp thế này giúp
hé mở cánh cửa

vào thế giới vận động của vật chất

cho phép các kĩ sư tạo ra
những thiết bị cực nhạy

cho ta biết nhiều hơn về mọi thứ

từ vị trí cụ thể của ta trên trái đất

đến những gì xảy ra
ở rìa xa nhất của vũ trụ.

Vậy ta tạo ra những nhiệt độ
khắc nghiệt này như thế nào?

Nói tóm tắt là bằng cách làm chậm
các hạt chuyển động.

Khi nói về nhiệt độ, cái ta thực sự
nói đến là chuyển động.

Những nguyên tử tạo thành
chất rắn, lỏng, và khí

lúc nào cũng chuyển động.

Khi các nguyên tử chuyển động
nhanh hơn, ta thấy chất đó nóng.

Khi các nguyên tử chuyển động
chậm hơn, ta thấy chất đó lạnh.

Để làm lạnh một chất rắn hoặc khí nóng
trong đời sống hàng ngày,

ta đưa chúng vào môi trường
có nhiệt độ thấp hơn như tủ lạnh.

Một số chuyển động nguyên tử của vật nóng
được chuyển sang môi trường xung quanh,

khiến nó nguội dần.

Nhưng điều này
có một giới hạn:

ngay cả ngoài không gian cũng là quá nóng
để có thể tạo nhiệt độ cực thấp.

Nên thay vào đó, các nhà khoa học đã
tìm ra cách trực tiếp làm chậm nguyên tử -

bằng một chùm laser.

Trong đa số trường hợp, năng lượng
trong chùm laser làm các vật nóng lên.

Nhưng nếu được sử dụng
một cách chính xác,

động lượng của chùm tia có thể trì hoãn
nguyên tử chuyển động, làm chúng nguội đi.

Đây là điều xảy ra trong một thiết bị
tên bẫy quang từ.

Các nguyên tử được đưa vào
một môi trường chân không,

và một từ trường sẽ kéo chúng
về phía tâm thiết bị.

Một chùm tia laser nhắm vào
chính giữa từ trường này

được điều chỉnh đến tần số thích hợp

để khi nguyên tử tiến gần đến sẽ hấp thụ
một photon trong chùm laser và chậm lại.

Hiệu ứng chậm lại đến từ
sự chuyển giao động lực học

giữa nguyên tử và photon.

Tổng cộng sáu chùm tia,
trong vị trí vuông góc,

đảm bảo những nguyên tử
đi từ nhiều hướng sẽ bị chặn lại.

Giữa trung tâm, nơi
những chùm tia giao nhau,

các nguyên tử chuyển động chậm,
như đang kẹt trong một chất lỏng đặc,

một hiệu ứng các nhà phát minh ra nó
gọi là "mật đường thị giác."

Một bẫy quang từ như thế này

có thể "làm nguội" các nguyên tử
xuống chỉ một vài microkelvin,

khoảng -273 độ C.

Kĩ thuật này được phát triển
vào những năm 1980,

và những nhà khoa học
cống hiến cho nó

đều đoạt giải Nobel Vật lý
vào năm 1997 cho phát hiện này.

Từ đó, laser làm nguội đã được phát triển
để tiến đến những nhiệt độ thấp hơn.

Nhưng tại sao bạn lại muốn làm nguội
nguyên tử nhiều đến vậy?

Thứ nhất, những nguyên tử lạnh
có thể là những "bộ dò" rất tốt.

Do có cực ít năng lượng,

chúng cực nhạy với
những dao động trong môi trường.

Nên chúng được dùng trong những thiết bị
tìm dầu và khoáng dưới lòng đất,

và chúng cũng là "đồng hồ
nguyên tử" cực chính xác,

như những cái được dùng
trong những vệ tinh định vị toàn cầu.

Thứ hai, những nguyên tử lạnh
có tiềm năng cực lớn

trong việc "mò mẫm" giới hạn
của vật lý học.

Độ cực nhạy khiến chúng
trở thành những ứng cử viên

dò từ trường trong
những máy dò trong vũ trụ tương lai.

Chúng cũng giúp ích cho việc nghiên cứu
những hiện tượng nguyên tử,

vốn cần đo đạc
những dao động cực nhỏ trong nguyên tử.

Những dao động đó bị lấp
ở nhiệt độ thường,

khi các nguyên tử chạy quanh
với tốc độ hàng trăm mét một giây.

Laser làm lạnh có thể làm chậm nguyên tử
tới chỉ vài centimet một giây,

đủ để dao động tạo ra bởi
lượng tử nguyên tử trở nên rõ rệt.

Những nguyên tử siêu lạnh đã cho phép
các nhà khoa học nghiên cứu

các hiện tượng
như sự đông đặc Bose-Einstein,

khi nguyên tử được làm lạnh tới
gần độ không tuyệt đối

và trở thành một hình thái chất hiếm
hoàn toàn mới.

Thế nên, bước tiếp
con đường tìm hiểu quy luật vật lý

và mở ra những bí mật của vũ trụ,

các nhà khoa học sẽ cần đến

sự giúp đỡ của
những nguyên tử lạnh nhất.