Những cái xảy ra ở nhiệt độ thấp luôn mang đến những sự bất ngờ. Hồi tuần rồi, các nhà khoa học đã báo cáo rằng các phân tử trong một chất khí cực lạnh có thể phản ứng hóa học ở những khoảng cách lên tới 100 lần khoảng cách chúng có thể tương tác ở nhiệt độ phòng.

Trong những thí nghiệm ở gần nhiệt độ phòng hơn, các phản ứng hóa học có xu hướng chậm lại khi nhiệt độ giảm. Nhưng các nhà khoa học nhận thấy các phân tử ở những nhiệt độ đông lạnh chỉ vào trăm phần tỉ của một độ trên không độ tuyệt đối (−273.15°C hay 0 kelvin) vẫn có thể trao đổi các nguyên tử nhờ vào các hiệu ứng lượng tử kì lạ mở rộng tầm tác dụng của chúng ở những nhiệt độ thấp.

Sau đây chúng ta hãy thử khám phá một chút vào địa hạt kì lạ và bất ngờ của những nhiệt độ cực lạnh.

Tinh vân Boomerang là vật thể tự nhiên lạnh nhất được biết trong vũ trụ. Ảnh này chụp bởi Kính thiên văn vũ trụ Hubble. (Ảnh: ESA/NASA)

Vì sao độ không tuyệt đối (0 kelvin hay −273.15°C) là mục tiêu không thể đạt tới ?
Trên thực tế, công cần thiết để lấy nhiệt ra khỏi một chất khí càng tăng khi nhiệt độ càng thấp, và một lượng công vô hạn sẽ là cần thiết để làm lạnh một cái gì đó xuống không độ tuyệt đối. Theo thuật ngữ lượng tử, bạn có thể đổ lỗi cho nguyên lí bất định Heisenberg, nguyên lí phát biểu rằng hễ bạn biết tốc độ của một hạt càng chính xác bao nhiêu, thì bạn biết về vị trí của nó càng ít bấy nhiêu, và ngược lại. Nếu bạn biết các nguyên tử của bạn nằm bên trong thí nghiệm của bạn, thì phải có một sai số nào đó về xung lượng của chúng giữ chúng ở trên không độ tuyệt đối – trừ khi thí nghiệm của bạn có kích cỡ bằng toàn thể vũ trụ.

Đâu là nơi lạnh nhất trong hệ mặt trời ?
Nhiệt độ thấp nhất từng đo được trong hệ mặt trời là ở trên Mặt trăng. Hồi năm ngoái, Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng của NASA đã đo nhiệt độ thấp đến – 240oC trong những miệng hố bị che phủ vĩnh viễn ở gần cực nam mặt trăng. Nhiệt độ đó lạnh hơn khoảng 10 độ so với nhiệt độ đo trên Diêm vương tinh trước đây.

Đâu là vật thể tự nhiên lạnh nhất trong vũ trụ?
Nơi lạnh nhất được biết trong vũ trụ là Tinh vân Boomerang, cách chúng ta 5000 năm ánh sáng trong chòm sao Centaurus. Các nhà khoa học đã báo cáo hồi năm 1997 rằng các chất khí thổi bùng ra từ một ngôi sao đang hấp hối ở chính giữa đã giãn nở và nhanh chóng lạnh xuống còn 1 kelvin, chỉ cao độ không tuyệt đối đúng 1 độ. Thông thường, các đám mây khí trong vũ trụ ấm hơn một chút, ít nhất là lên tới 2,7 kelvin của phông nền vi sóng vũ trụ, bức xạ tàn dư còn lại từ thời Big Bang. Nhưng sự giãn nở của Tinh vân Boomerang tạo ra một loại tủ lạnh vũ trụ, cho phép các chất khí duy trì nhiệt độ lạnh bất thường của chúng.

Đâu là vật thể lạnh nhất trong vũ trụ ?
Nếu tính luôn các vệ tinh nhân tạo, thì mọi thứ còn lạnh hơn nữa. Một số thiết bị trên đài thiên văn vũ trụ Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, phóng lên vào tháng 5, 2009, được làm lạnh đến 0,1 kelvin để triệt tiêu sự nhiễu vi sóng nếu không sẽ làm mờ sương tầm nhìn của vệ tinh này. Môi trường vũ trụ, kết hợp với hệ thống đông lạnh và cơ giới sử dụng hydrogen và helium, hạ nhiệt độ những thiết bị lạnh nhất xuống tới 0,1 kelvin trong bốn giai đoạn liên tiếp.

Nhiệt độ thấp nhất từng đạt được trong phòng thí nghiệm là bao nhiêu ?
Nhiệt độ thấp nhất từng ghi nhận được là ở đây, trong một phòng thí nghiệm trên Trái đất này. Tháng 9 năm 2003, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts đã loan báo rằng họ đã đông lạnh một đám mây nguyên tử sodium xuống tới kỉ lục 0,45 nano kelvin. Trước đó, các nhà khoa học tại trường Đại học Công nghệ Helsinki ở Phần Lan đã thu được nhiệt độ 0,1 nano kelvin trong một mảnh kim loại rhodium hồi năm 1999. Tuy nhiên, đây là nhiệt độ đối với một loại chuyển động đặc biệt mà thôi – một tính chất lượng tử gọi là spin hạt nhân – chứ không phải nhiệt độ chung cho mọi chuyển động có thể có.

Các chất khí có thể biểu hiện hành trạng kì lạ gì khi ở gần không độ tuyệt đối ?
Trong các chất rắn, lỏng, và khí hàng ngày, nhiệt hay năng lượng nhiệt phát sinh từ chuyển động của các nguyên tử và phân tử khi chúng lướt qua nhau và va đập lên nhau. Nhưng ở những nhiệt độ rất tháp, các quy luật kì lạ của cơ học lượng tử chiếm ưu thế. Các phân tử không còn va chạm theo nghĩa bình thường nữa; thay vào đó, các sóng cơ lượng tử của chúng trải ra và chồng lấn lên nhau. Khi chúng chồng lấn lên nhau như vậy, thỉnh thoảng chúng hình thành nên cái gọi là hóa đặc Bose-Einstein, trong đó toàn bộ các nguyên tử tác dụng giống hệt nhau giống như một “siêu nguyên tử”. Hóa đặc Bose-Einstein thuần khiết đầu tiên được tạo ra ở Colorado vào năm 1995 bằng một đám mây nguyên tử rubidium được làm lạnh xuống chưa tới 170 nano kelvin.