Một nghiên cứu mới cho biết các nhà khoa học đã tạo ra một dạng kỳ lạ của vật chất trong môi trường vi trọng lực độc đáo ở Trạm không gian Quốc tế (ISS) và sử dụng nó để khám phá thế giới lượng tử.
Có 4 trạng thái của vật chất mà chúng ta quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày: rắn, lỏng, khí và plasma. Tuy nhiên, có một trạng thái thứ năm được gọi là ngưng tụ Bose-Einstein (viết tắt là BEC), nó được các nhà khoa học tạo ra lần đầu cách đây 25 năm. Khi một nhóm nguyên tử được làm lạnh tới gần 0 độ tuyệt đối (-273 độ C), các nguyên tử bắt đầu nhóm lại với nhau và hành xử giống như chúng là một "siêu nguyên tử" duy nhất.
Ngưng tụ Bose-Einstein làm mờ đi ranh giới giữa thế giới hàng ngày - được mô tả bởi vật lý cổ điển, và thế giới vi mô - nơi tuân theo những qui luật của cơ học lượng tử. Trong thế giới của cơ học lượng tử, một hạt có thể hành xử giống như nó đang xoay theo hai hướng ngược nhau cùng một lúc, hay là nó có thể tồn tại ở hai hay nhiều vị trí khác nhau cùng lúc. Ngưng tụ Bose-Einstein tuân theo một số qui luật lượng tử như vậy, vì thế nó có thể mang lại cho các nhà khoa học manh mối để khám phá thêm về cơ học lượng tử, và có thể sẽ giúp giải quyết những bí ẩn lớn, chẳng hạn như làm thế nào để tìm ra "thuyết về mọi thứ" có thể mô tả cách mà vũ trụ hoạt động từ qui mô nhỏ nhất cho tới lớn nhất.
Ngày nay, các nhà khoa học có thể tạo ra ngưng tự Bose-Einstein trong hàng trăm phòng thí nghiệm trên thế giới. Tuy nhiên, một hạn chế của việc này là trọng lực. Những "siêu nguyên tử" này rất mỏng manh và các thiết lập cho phép tạo ra chúng cần phải cực kỳ tinh vi. Trọng lực của Trái Đất có thể phá vỡ những thứ đó, khiến cho việc nghiên cứu sâu về chúng là cả một thách thức.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã phát triển Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh, có thể tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein trong môi trường vi trọng lực ở trạm không gian. Được đưa lên quỹ đạo vào năm 2008, Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh có kích thước rất nhỏ và chỉ đòi hỏi một năng lượng nhỏ, vì thế nó đáp ứng được điều kiện hạn chế của trạm không gian. Ở Trái Đất, việc tạo ra dạng vật chất này đòi hỏi cả một phòng thí nghiệm lớn, nhưng Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh lại chỉ có kích thước 0,4 m³ và sử dụng một nguồn điện khoảng 510 watt.
Sử dụng phòng thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã tìm ra rằng họ có thể có nhiều thời gian hơn để nghiên cứu dạng vật chất này. Chúng có thể tồn tại khoảng hơn 1 giây sau khi các bẫy giữ vật chất được tắt đi, trong khi ở Trái Đất, họ chỉ có vài phần trăm giây cho mỗi lần.
Ngoài ra, trong môi trường vi trọng lực, các nhà khoa học thấy rằng các bẫy cần sử dụng ít lực hơn để giữ những ngưng tụ này. Điều đó cũng có nghĩa là họ có thể tạo ra chúng ở nhiệt độ thấp hơn. Ở nhiệt độ đó, những hiệu ứng lượng tử kỳ lạ sẽ càng rõ rệt hơn.
Cho tới nay, với thí nghiệm này, các nhà khoa học đã tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein bằng cách sử dụng các nguyên tử rubidium (Rb). Cuối cùng, họ hướng tới việc thêm vào đó các nguyên tử kali (K) để tìm hiểu xem điều gì xảy ra khi trộn lẫn hai ngưng tụ này. Bên cạnh đó, các nhà khoa học đang tìm cách tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein dạng cầu - thứ chỉ có thể được tạo ra ở ngoài không gian - một trong các tác giả của nghiên cứu là nhà vật lý Robert Thompson ở Viện công nghệ California tại Pasadena (California, Mỹ) cho biết.
"Trong quá khứ, những quan sát chính của chúng ta về hoạt động của tự nhiên đến từ các máy gia tốc hạt và những quan sát thiên văn. Trong tương lai, tôi tin rằng những phép đo chính xác sử dụng các nguyên tử lạnh sẽ đóng một vai trò rất quan trọng," Thompson nói.
Các nhà khoa học đã công bố chi tiết nghiên cứu này trên tạp chí Nature ngày 11 tháng 6 vừa qua.
Bryan
Theo Live Science
