Phòng thí nghiệm Phân tử lạnh (Cold Atom Lab - CAL), là nơi tạo ra mức nhiệt độ thấp nhất vũ trụ, dự kiến sẽ được phóng lên Trạm Không gian Quốc tế (ISS) bởi tên lửa của SpaceX. Tại đây, các nhà du hành sẽ sử dụng nó và tạo ra một chiếc hộp siêu lạnh, có mức nhiệt thấp hơn một tỷ tỷ độ so với độ không tuyệt đối.
“Nghiên cứu về các nguyên tử siêu lạnh có thể làm thay đổi hiểu biết của chúng ta về vật chất và bản chất cơ bản của lực hấp dẫn. Thí nghiệm này sẽ cho chúng ta cái nhìn sâu hơn về trọng lực và năng lượng tối”, nhà khoa học Robert Thompson của dự án CAL, đến từ Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA, cho biết.
Một con chip có kích cỡ siêu nhỏ dùng để ngưng đọng những phân tử trong CAL, tạo ra mức nhiệt độ thấp nhất vũ trụ. Ảnh: NASA.
Phòng thí nghiệm Phân tử lạnh của NASA là một chiếc hộp có kích cỡ như những chiếc hộp đựng nước đá khi đi dã ngoại, được trang bị laser, buồng hút chân không và dao điện từ để làm chậm lại các hạt ở trạng thái gần như bất động.
Những thiết bị này vẫn đang trong những khâu cuối cùng của quá trình chế tạo, dự kiến sẽ được hoàn thành vào tháng 8 năm nay và lúc này cũng là thời điểm tiến hành lần thử nghiệm đầu tiên của nó.
Giải thích lý do tại sao phải phóng CAL lên không gian, các nhà khoa học cho biết, CAL sẽ được bơm vào bởi các khí có trong Trạm Không gian Quốc tế. Nơi đây có những phân tử khí chỉ tồn tại trong môi trường trọng lực thấp, không thể tồn tại trên Trái Đất, tạo ra một hiện tượng lượng tử không thể thấy được trên Trái Đất.
Mối quan tâm đặc biệt khác đó chính là dạng kỳ lạ của vật chất, được gọi là trạng thái Bose-Einstein – một trạng thái siêu lỏng, khi các phân tử bị biến đổi thành dạng sóng, chưa từng được quan sát thấy ở mức nhiệt độ của CAL.
NASA cho biết thêm, ở mức nhiệt độ cực thấp này, các nguyên tử có thể di chuyển qua lại dễ dàng mà không có ma sát, như thể chúng là một khối vật chất rắn thống nhất.
“Nếu bạn có nước ở trạng thái siêu lỏng, cho vào ly và khuấy nó lên, nó sẽ xoay vòng mãi mà không bao giờ ngừng. Không có sự ma sát đểlàm chậm nó lại và tiêu hao năng lượng theo động lực học. Nếu chúng ta hiểu rõ hơn về tính chất vật lý của nước siêu lỏng, ta sẽ biết cách sử dụng năng lượng hiệu quả hơn”, Anita Sengupta - Giám đốc dự án CAL cho biết.
Trạng thái Bose-Einstein được các nhà vật lý đặc biệt quan tâm bởi khi ở trạng thái này, các nguyên lý từ vật lý cổ điển, các lý thuyết của Einstein hay vật lý lượng tử, vật chất đều mất dần tính hạt mà chuyển sang dạng sóng.
Hiểu được quá trình chuyển đổi này là chìa khóa dẫn đến một trong những câu hỏi mở lớn nhất trong vật lý hiện đại. Khi được sử dụng riêng, thuyết tương đối tổng quát và các lý thuyết lượng tử có thể giải thích được những sự việc vĩ mô và vi mô trong vũ trụ, nhưng không nhà vật lý nào thống nhất được hai lý thuyết thành một lý thuyết thống nhất.
Vì lý do đó, các nhà vật lý tiến hành tạo ra trạng thái Bose-Einstein của vật chất, nhưng vì lực hấp dẫn của Trái Đất đã nhanh chóng kết thúc điều kiện cần thiết để duy trì trạng thái kỳ lạ này, nên thường chỉ có thể quan sát được hiện tượng này trong một phần rất nhỏ của giây.
Tuy nhiên, trong môi trường không trọng lượng của không gian, các nhà khoa học có thể có được một cái nhìn rõ ràng hơn nhiều. NASA dự đoán, họ sẽ có thể duy trì được trạng thái Bose-Einstein trong CAL từ khoảng 5 đến 10 giây.
Điều này không chỉ giúp chúng ta tìm ra được những điều thú vị liên quan đến vật lý cổ điển và cơ học lượng tử, mà còn cho ta những phương pháp dẫn đến việc chế tạo cảm biến, kính viễn vọng và đồng hồ nguyên tử chính xác hơn; điều này có thể áp dụng trong việc điều hướng tàu vũ trụ hay tạo ra máy tính lượng tử đầu tiên trên thế giới.
“Giống như chiếc kính thiên văn đầu tiên của Galileo, những nguyên tử cực lạnh chạy nhảy trong Phòng thí nghiệm Phân tử lạnh sẽ mở ra nhiều bí ẩn vượt ra ngoài biên giới của vật lý đã biết”, ông Kamal Oudrhiri, Phó Giám đốc dự án CAL, cho biết.