Pyotr Kapitsa: Người khám phá hiện tượng siêu lỏng

Khi heli-4 [một đồng vị bền của nguyên tố heli] được làm lạnh xuống nhiệt độ 2,2°K, nó bắt đầu hoạt động theo một số cách rất kỳ lạ. Chất lỏng này đi qua các ống hẹp mà gần như không tạo ra ma sát, thậm chí tự leo lên thành của bình chứa và tràn ra ngoài. Mặc dù các nhà khoa học đã chú ý đến hành vi kỳ lạ này của heli-4, nhưng phải mất 30 năm sau khi heli lần đầu tiên được hóa lỏng, người ta mới phát hiện ra tính siêu lỏng của nó.

Năm 1908, nhà vật lý Heike Kamerlingh Onnes hóa lỏng thành công khí heli tại Đại học Leiden ở Hà Lan. Ngay sau đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu những tính chất đặc biệt của heli lỏng. Năm 1924, Onnes thực hiện các phép đo chính xác về tỷ trọng của heli lỏng. Ông nhận thấy khi nhiệt độ giảm xuống, tỷ trọng heli lỏng sẽ đạt cực đại ở khoảng 2,2°K.

Năm 1927, hai nhà khoa học Willem Keesom và Mieczyslaw Wolfke kết luận rằng heli lỏng trải qua quá trình chuyển pha tại nhiệt độ 2,2°K. Nhiệt độ này được gọi là điểm lambda vì đồ thị của nhiệt dung riêng trong mối tương quan với nhiệt độ giống chữ cái lambda (λ) trong tiếng Hy Lạp. Họ đặt tên cho hai pha của heli trong quá trình chuyển pha là heli I và heli II.

Mặc dù đây là những kết quả thú vị, nhưng chúng không quá đặc biệt đến mức bất kỳ ai cũng phải chú ý đến vào thời điểm đó. Mãi đến năm 1937, nhà vật lý Pyotr Kapitsa đã có một khám phá thực sự nổi bật, khi lần đầu tiên chứng minh heli II là một chất siêu lỏng. Ông công bố phát hiện của mình trên tạp chí Nature vào tháng 1/1938.

Kapitsa sinh ra tại Kronstadt, gần Leningrad (Nga) vào năm 1894. Ông là con trai của một kỹ sư làm việc cho quân đội. Ông theo học ngành kỹ thuật tại Học viện Bách khoa Petrograd. Sau khi tốt nghiệp vào năm 1918, ông trở thành giảng viên ở ngôi trường này và bắt đầu tiến hành một số nghiên cứu về từ trường.

Sau khi người vợ đầu tiên và hai đứa con nhỏ qua đời vì dịch cúm năm 1921, Kapitsa chuyển đến Đại học Cambridge (Anh) để làm việc với nhà khoa học Ernest Rutherford tại Phòng thí nghiệm Cavendish. Ban đầu, Kapitsa tập trung vào nghiên cứu các phương pháp để tạo ra từ trường cực mạnh. Sau đó vài năm, ông chuyển sang nghiên cứu nhiệt độ thấp. Năm 1934, ông đã phát triển một phương pháp mới để hóa lỏng một lượng lớn heli, mở đường cho một loạt các thí nghiệm tiếp theo với chất lỏng kỳ lạ này.

Cũng trong năm 1934, Kapitsa quay trở về Liên Xô trong một chuyến thăm và dự định quay lại Đại học Cambridge. Nhưng vì những lý do không rõ ràng, ông đã bị ngăn cản và tịch thu hộ chiếu theo lệnh của Stalin. Khi biết thông tin này, Rutherford đã cố gắng giúp đỡ Kapitsa, đồng thời gửi cho ông các thiết bị từ phòng thí nghiệm của Đại học Cambridge. Sau đó, Kapitsa đã thành lập một cơ sở nghiên cứu mới ở Moscow với tên gọi Viện Các vấn đề Vật lý.

Năm 1937, trong lúc nghiên cứu tính chất dẫn nhiệt của heli lỏng, Kapitsa đã đo lưu lượng của dòng chảy khi heli lỏng di chuyển qua một khe hẹp. Kết quả mà ông thu được thật sự đáng kinh ngạc.

“Ở phía trên điểm nhiệt độ lambda, dòng chảy của heli lỏng rất hạn chế. Nhưng ở dưới điểm nhiệt độ lambda, chất lỏng chảy dễ dàng đến mức gần như không tạo ra ma sát”, Kapitsa mô tả hiện tượng thí nghiệm trong bài báo được công bố trên tạp chí Nature vào năm 1938 với tựa đề “Heli bên dưới điểm lambda chuyển sang một trạng thái đặc biệt có thể gọi là siêu lỏng”.

Cùng lúc đó, John F. Allen và Donald Misener tại Đại học Toronto (Canada) đã thực hiện các thí nghiệm tương tự về heli lỏng. Nhóm nghiên cứu đo lưu lượng của chất lỏng này khi chảy qua một ống thủy tinh hẹp và nhận thấy nó có độ nhớt cực thấp. Ngoài ra, dòng chảy gần như không phụ thuộc vào áp suất. Bài báo của họ về hiện tượng siêu lỏng được công bố trên tạp chí Nature ngay sau bài báo của Kapitsa.

Hiện nay, các nhà vật lý cho rằng heli II có thể được mô tả như một hỗn hợp gồm hai chất lỏng – một phần là chất lỏng bình thường và một phần là chất siêu lỏng, trong đó các nguyên tử đã ngưng tụ thành một trạng thái lượng tử duy nhất. Mô hình hai chất lỏng này có thể giải thích các kết quả thí nghiệm của Kapitsa, Allen và Misener.

Sau khi khám phá hiện tượng siêu lỏng, Kapitsa tiếp tục nghiên cứu vật lý nhiệt độ thấp trong vài năm tiếp theo. Trong cuộc Chiến tranh Thế giới lần thứ hai, ông đã chế tạo thiết bị sản xuất một lượng lớn oxy lỏng cho ngành công nghiệp thép của Liên Xô.

Vào thập niên 1940, ông chuyển hướng sự chú ý của mình sang lĩnh vực vật lý plasma và phản ứng nhiệt hạch. Năm 1946, ông từ chối tham gia dự án chế tạo bom nguyên tử của Liên Xô nên Stalin cảm thấy không hài lòng. Ông bị loại ra khỏi vị trí lãnh đạo của Viện Các vấn đề Vật lý và không được phục hồi chức vụ cho đến khi Stalin qua đời.

Ba mươi năm sau khi phát hiện ra chất siêu lỏng, Kapitsa đã được trao giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu về nhiệt độ thấp của mình. Ông chia sẻ giải thưởng này vào năm 1978 cùng với Arno Penzias và Robert Wilson, những người đoạt giải Nobel Vật lý nhờ phát hiện ra bức xạ phông vi sóng vũ trụ, hay bức xạ nền vũ trụ (CMB).

Mặc dù hai nhà khoa học Allen, Misener về cơ bản có cùng khám phá với Kapitsa, nhưng họ không được trao giải Nobel. Và cho đến nay, cộng đồng khoa học vẫn ghi nhận Kapitsa là người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng siêu lỏng.

Công trình nghiên cứu về heli lỏng của Kapitsa và sự hiểu biết về các đặc tính kỳ lạ của trạng thái siêu lỏng là nền tảng cơ bản cho lĩnh vực vật lý nhiệt độ thấp. Hiện tại, đây vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu thú vị khi ngày càng có nhiều trạng thái nhiệt độ thấp kỳ lạ tiếp tục được tạo ra.