Sau 100 Năm Dài Tranh Cãi, Ta đã Có Bằng Chứng Chứng Minh Rằng ...

Trong vật lý, ta có một giới hạn vô tận là vận tốc ánh sánh: theo lý thuyết, ta không thể đạt được vận tốc ánh sáng do phải dùng tới một lượng năng lượng vô tận; giới hạn vô tận là độ 0 tuyệt đối (absolute zero – bằng 0 Kelvin, -273.15°C hoặc -459.67°F): ta phải rút một lượng năng lượng vô tận ra khỏi vật chất để chúng có thể tới được độ lạnh tuyệt đối, một nhiệt độ mà vật chất không còn tồn tại năng lượng. Hai thứ vô tận này đều bất khả thi.

Dưới đây, ta sẽ nói về cái giới hạn vô tận của độ lạnh kia. Sau 100 năm dài tranh luận, cuối cùng các nhà vật lý học đã có được một bằng chứng toán học chứng minh cho luật thứ ba của nhiệt động lực học, nêu ra rằng nhiệt độ 0 tuyệt đối không thể đạt được với vật lý đương đại bởi lẽ một hệ thống kín không thể đạt được điểm hỗn loạn (entropy) bằng 0 được.

Đã từ lâu, các nhà khoa học nghi ngờ rằng trong Vũ trụ này, có một “giới hạn tốc độ” tồn tại bên trong khái niệm làm lạnh vật chất. Chính nó đã ngăn chúng ta đạt được độ 0 tuyệt đối và đây cũng là bằng chứng rõ rằng nhất cho thấy rằng những định luật vật lý hiện tại của ta vẫn đúng khi ta đạt tới giới hạn nhiệt độ thấp nhất có thể.

“Chúng tôi cho thấy rằng ta không thể làm lạnh một hệ thống bất kì xuống độ 0 tuyệt đối với một lượng tài nguyên giới hạn và từ đó, chúng tôi tiến tiếp một bước xa hơn”, một người trong đội ngũ nghiên cứu, Lluis Masanes từ Đại học London cho hay.

“Rồi chúng tôi kết luận rằng không thể làm lạnh một hệ thống bất kì xuống độ không tuyệt đối trong một khoảng thời gian giới hạn, và chúng tôi thiết lập nên mối quan hệ giữa thời gian và mức nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được. Từ đó tính ra được tốc độ làm lạnh của vật”.

Thứ mà Masanes đang nói tới ở đây là hai giả định chính mà luật thứ ba của nhiệt động lực học dựa lên để làm căn cứ.

Thứ nhất, để một hệ thống vật lý có thể đạt được mốc độ 0 tuyệt đối, độ hỗn loạn của hệ thống nói trên phải đạt được mốc 0. Thứ hai và cũng là một nguyên lý không thể đạt được, đó là không hệ thống nào có thể đạt được mốc hỗn loạn bằng 0, do đó không tồn tại nhiệt độ 0 tuyệt đối.

Luật đầu tiên kia được nhà hóa học người Đức, ông Walther Nernst đưa ra vào năm 1906 và với nó, ông Nernst đã đoạt giải Nobel hóa học. Tuy nhiên, những nhà vật lý học nổi tiếng như Albert Einstein và Max Planck lại không bị thuyết phục bởi nghiên cứu trên, họ tự đưa ra một phiên bản giới hạn nhiệt độ lạnh cho Vũ trụ của riêng họ.

Điều đó đã khiến Nernst phải tiếp tục đào sâu suy nghĩ, đề xuất ra luật thứ hai của nhiệt động lực học năm 1912, nêu lên rằng nhiệt độ 0 tuyệt đối là bất khả thi về mặt vật lý.

Tổng hợp lại, những luật lệ trên trở thành luật thứ ba của nhiệt động lực học và dù nó vẫn đúng, nền tảng nguyên lý xây dựng nên nó vẫn là chủ đề bị tranh cãi nhiều năm nay. “Bởi lẽ những tranh luận đầu tiên liên quan tới vấn đề này đều tập trung vào một nguyên lý hoạt động cụ thể hoặc bị khiếm khuyết bởi những giả định khác, một số nhà vật lý không nghĩ rằng nhiệt động lực học có một cơ sở vững chắc”, Leah Crane từ New Scientist cho hay.

Để thử nghiệm xem luật thứ ba của nhiệt động lực học thực sự có giá trị như thế nào trong một hệ thống vật lý cổ điển cũng như vật lý lượng tử, Masanes cùng đồng nghiệp của anh, Jonathan Oppenheim quyết định thử xem liệu dưới góc nhìn toán học, ta có thể đạt được nhiệt độ 0 tuyệt đối với một lượng tài nguyên nhất định và trong một khoảng thời gian giới hạn hay không.

Dựa trên tính toán thông qua các thuật toán giảm nhiệt độ tồn tại trong vật chất, bằng cách đẩy nhiệt độ từ bên trong chúng ta môi trường bên ngoài. Nhiệt độ ban đầu của một hệ thống sẽ quyết định số bước cần có để đẩy được toàn bộ lượng nhiệt bên trong chúng ra cũng như nguồn năng lượng cần thiết để làm việc đó.

Bằng phương pháp toán học được sinh ra thứ chính những thông tin ta có được từ thuyết lượng tử, Masanes và Oppenheim tìm ra rằng ta chỉ có thể đạt được nhiệt độ 0 tuyệt đối khi có vô tận số bước thực hiện và có một nguồn năng lượng vô tận. Và với những gì ta vẫn biết, “vô tận” là thứ mà con người ta chưa thể chạm tới được.

Như đã nói ở trên, đây là điều các nhà vật lý học đã nghi ngờ từ lâu. Bởi lẽ theo như luật thứ hai của nhiệt động lực học, nhiệt sẽ đi một chiều từ hệ thống nóng hơn sang hệ thống lạnh hơn và vì thế, vật thể bạn đang cố gắng làm lạnh kia sẽ vẫn nhận nhiệt từ môi trường xung quanh nó. Và một khi có nhiệt ở trong hệ thống (dù ít dù nhiều), vận động nhiệt vẫn sẽ tồn tại và một mức độ entropy nào đó vẫn sẽ tồn tại.

Từ đó, ta có tuyên bố nổi tiếng, rằng không có vật nào tồn tại trong trạng thái đứng yên cả - luật thứ ba của nhiệt động lực học.

Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh của NASA, nơi có nhiệt độ lạnh nhất vũ trụ, gần độ 0 tuyệt đối nhất.

Các nhà nghiên cứu nói rằng họ “mong muốn nghiên cứu này của mình có thể làm cơ sở vững chắc cho luật thứ ba của nhiệt động lực học”, cùng lúc đó cũng đại diện cho tốc độ lý thuyết mà ta có thể làm lạnh một vật gì đó. Nói một cách khác, họ sử dụng toán học để tính số bước làm lạnh, cho phép các nhà nghiên cứu có thể đề ra được một giới hạn tốc độ làm lạnh mà một hệ thống có thể đạt được trong một khoảng thời gian giới hạn.

Dù ta không thể tới được độ 0 tuyệt đối nhưng ta có thể tới được rất rất gần nó, khiến mốc này vẫn là một cột mốc vật lý quan trọng. Ta đang nói tới Phòng Thí nghiệm Nguyên tử Lạnh của NASA chuẩn bị được phóng lên trạm vũ trụ ISS vào giữa năm nay, một nơi có nhiệt độ lạnh khoảng 0,000000000001 kelvin – cực kì gần với độ 0 tuyệt đối, để thử nghiệm những tính chất vật lý con người chưa từng thấy.

“Nghiên cứu này là cực kì quan trọng, luật thứ ba của nhiệt động lực học là một trong những vấn đề chính của vật lý đương đại”, giáo sư Ronnie Kssloff tại Đại học Do Thái Jerusalem, người không thuộc đội ngũ nghiên cứu trên cho hay.

“Nó liên quan tới nhiệt động lực học, cơ học lượng tử và thuyết thông tin – nó là giao điểm của vô vàn các yếu tố khác nhau”.

Tham khảo ScienceAlert

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