Di chuyển với tốc độ 1.078.260.480 km/giờ, tại sao tia laser lại tạo ra được thứ chậm nhất hành tinh?

Tia laser tập trung một chùm ánh sáng hẹp, có hướng vào một điểm cụ thể, khiến chúng trở thành một công cụ tuyệt vời để cắt, đốt, hàn. Các hoạt động này đều tạo ra hoặc cần nhiệt.

Tia laser di chuyển với tốc độ của tương đương tốc độ ánh sáng, hơn 1 tỷ km/giờ (gần 300 triệu mét/giây). Điều này biến chúng trở thành thứ di chuyển nhanh nhất trong vũ trụ.

(Theo thuyết tương đối của Einstein, thứ di chuyển nhanh hơn ánh sáng đồng nghĩa với du hành thời gian, tuy nhiên du hành thời gian mới chỉ xuất hiện trong triết học và tiểu thuyết viễn tưởng).

Vậy làm thế nào một tia laser tạo ra thứ chậm nhất trên Trái Đất?

Đầu tiên, điều quan trọng là phải hiểu mối quan hệ giữa nhiệt độ của một vật thể và tốc độ của nó. Vật gì càng nóng thì càng có nhiều năng lượng và chuyển động càng nhanh. Ngay cả những thứ dường như vẫn hoàn toàn tĩnh lặng - chẳng hạn như một chiếc bút hay cuốn sổ của bạn - cũng chuyển động. Ở cấp độ vi mô, các hạt chúng được tạo ra đang chuyển động rất nhanh. Điều này thậm chí đúng với các sinh vật sống.

Hãy sử dụng con lười làm ví dụ. Nếu bạn phóng to các phân tử tạo nên cơ thể của loài động vật nổi tiếng chậm chạp này, bạn sẽ thấy chúng giống như những đứa trẻ đang nhảy xung quanh bên trong một ngôi nhà. Tại sao? Khoảng 70% cơ thể của sinh vật này (con lười) được tạo thành từ nước và những phân tử nước được nảy xung quanh với tốc độ hàng trăm km/giờ.

1. Làm mát bằng... laser

Vì vậy, bạn đừng ngạc nhiên khi các nhà khoa học sử dụng tia laser sáng và cường độ cao để làm nguội mọi thứ trong phòng thí nghiệm.

Để làm được điều đó, các nhà khoa học sử dụng tia laser để tạo ra những đám mây nguyên tử lạnh giá - là những thứ lạnh nhất trên Trái Đất - mà chúng ta gọi là chất ngưng tụ Bose-Einstein (BEC).

Khi bạn làm lạnh một loạt các nguyên tử xuống gần như 0 độ tuyệt đối (nhiệt độ lạnh nhất có thể), các nguyên tử bắt đầu tuân theo cơ học lượng tử và hoạt động theo những cách đáng ngạc nhiên.

Nghiên cứu các đám mây nguyên tử cực lạnh có thể cung cấp manh mối về cách hoạt động của các vật liệu kỳ lạ khác, như chất siêu dẫn. Chất siêu dẫn mang điện tốt hơn nhiều so với các vật liệu hiện có, đến mức một ngày nào đó chúng có thể được sử dụng để chế tạo tàu siêu tốc.

2. Laser tạo ra thứ chậm nhất hành tinh

Vậy chính xác thì laser làm lạnh một đám mây nguyên tử bằng cách nào? Trong phòng thí nghiệm, nhà khoa học bắt đầu bằng cách chiếu tia laser vào các nguyên tử của một kim loại màu trắng bạc gọi là Ytterbium (Ytecbi, Yb).

Các nguyên tử này, thực sự rất nóng, được giữ bên trong một khoang chứa rộng 30 cm. Nhưng sau vài giây dưới tia laser, chúng nguội đi, giảm tốc độ và bị mắc kẹt lại với nhau ở trung tâm khoang.

Tại sao điều này lại xảy ra? Tất cả ánh sáng, kể cả tia laser, đều được tạo thành từ các photon, là những gói năng lượng luôn chuyển động. Khi chúng ta chiếu tia laser vào khoang chứa, các nguyên tử va chạm với các luồng photon trong chùm tia khiến chúng chậm lại và lạnh hơn - Điều này giống như việc bạn cố gắng chạy thật nhanh trước một cơn gió mạnh.

Những va chạm nhỏ này làm nhiệt độ của đám mây nguyên tử giảm xuống còn -237 độ C. Nhưng điều đó vẫn chưa đủ để "trao" cho đám mây này danh hiệu là thứ chậm nhất trên Trái Đất. Cần một bước cuối cùng để làm cho nó lạnh hơn một chút, một kỹ thuật mà các nhà vật lý học gọi là "làm mát bay hơi".

Đầu tiên, các nhà khoa học thu giữ tất cả các nguyên tử, đôi khi sử dụng từ trường được tạo ra bằng cách cho dòng điện chạy qua một dây quấn. Điều này tạo ra một cái giếng vô hình chứa các nguyên tử: Hãy hình dung viên bi ở đáy bát.

Sau đó, nhà khoa học hạ thấp các cạnh của trường lực hình bát này bằng cách giảm cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn. Điều đó cho phép các nguyên tử nhanh hơn, ấm hơn phóng ra khỏi "cái bát" và thoát khỏi cái bẫy.

Chỉ có những nguyên tử chậm hơn bị bỏ lại - và chúng thực sự vượt quá mức đóng băng: 1/10 của một phần triệu độ trên độ 0 tuyệt đối. Ở trạng thái 0 tuyệt đối, theo các kết quả tính toán lý thuyết, đạt được đối với mọi hệ vật chất ở nhiệt độ khoảng -273,15 độ C, khi đó mọi chuyển động nhiệt đều ngừng.

Các nguyên tử trong đám mây này chuyển động chậm: Nếu chúng di chuyển theo đường thẳng thay vì bật lên xung quanh, chúng sẽ mất cả giờ để di chuyển trong một căn phòng. Để so sánh, các phân tử trong cơ thể bạn có thể lướt qua căn phòng đó chỉ trong một phần của giây.

Các nguyên tử trong đám mây nguyên tử băng giá thực sự di chuyển với tốc độ ít hơn một con ốc sên - và đám mây nguyên tử đó chính là thứ chậm nhất trên Trái Đất.

Bài viết sử dụng nguồn: The Conversation

* Đọc bài cùng tác giả Trang Ly tại đây.