Khi nhắc đến những mức nhiệt độ khắc nghiệt nhất trong vũ trụ, hầu hết chúng ta sẽ nghĩ ngay đến lõi Mặt Trời hay khoảng không gian lạnh lẽo giữa các vì sao. Tuy nhiên, nhờ những bước tiến vượt bậc của vật lý hiện đại, con người đã tạo ra được những điều kiện nhiệt độ vượt xa những gì thiên nhiên có thể mang lại trong môi trường quen thuộc của chúng ta.
Ở đầu cực nóng, các nhà khoa học đã tạo ra nhiệt độ cao nhất (do con người tạo ra), cao hơn lõi Mặt Trời hơn 360.000 lần. Ngược lại, ở đầu cực lạnh, họ đã làm lạnh vật chất xuống mức chỉ còn vài chục phần nghìn tỷ của một độ Kelvin, lạnh hơn cả nhiệt độ nền của vũ trụ tới hàng chục tỷ lần.
Những thành tựu này không phải để lập kỷ lục đơn thuần, mà nhằm giải đáp những câu hỏi căn bản nhất về nguồn gốc của vũ trụ, cấu trúc vật chất và tương lai của công nghệ lượng tử.
1) Nhiệt độ trong tự nhiên khắc nghiệt đến mức nào?
Để thấy được những kỷ lục do con người tạo ra ấn tượng ra sao, hãy so sánh với một số mốc nhiệt độ tự nhiên.
- Lõi Mặt Trời: khoảng 15 triệu Kelvin (≈ 15 triệu °C).
- Bề mặt Mặt Trời: khoảng 5.500 °C.
- Nhiệt độ nền của bức xạ nền vi sóng vũ trụ (Cosmic Microwave Background – CMB): khoảng 2,725 Kelvin (-270,425 °C).
Lưu ý rằng -270,425 °C không phải là nhiệt độ của toàn bộ không gian. Đây là nhiệt độ của bức xạ nền vi sóng còn sót lại sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang), và được xem là mức nhiệt nền của vũ trụ. Nhiều vùng trong không gian thực tế nóng hơn rất nhiều do ảnh hưởng của các ngôi sao, lỗ đen hay khí liên sao.
2) Kỷ lục nhiệt độ cao nhất mà con người từng tạo ra
2.1) 5,5 nghìn tỷ độ C – Nóng hơn lõi Mặt Trời khoảng 366.000 lần
Kỷ lục nhiệt độ cao nhất từng được tạo ra không đến từ một vụ nổ hạt nhân, mà được sinh ra trong một phòng thí nghiệm vật lý hạt nằm sâu dưới lòng đất.
Năm 2012, thí nghiệm ALICE (A Large Ion Collider Experiment) thuộc Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN) đã công bố tạo ra môi trường có nhiệt độ khoảng: 5.500.000.000.000 °C (5,5 nghìn tỷ độ C). Đây hiện vẫn là nhiệt độ cao nhất từng được con người tạo ra, được Guinness World Records công nhận.
2.2) Làm thế nào để tạo ra nhiệt độ khổng lồ này?
CERN sử dụng Máy Gia tốc Hạt Lớn (Large Hadron Collider – LHC) có chu vi khoảng 27 km nằm dưới biên giới Pháp – Thụy Sĩ. Trong thí nghiệm ALICE:
- Các ion chì (Lead ions) được tăng tốc lên 99,9999991% tốc độ ánh sáng.
- Sau đó chúng được cho va chạm trực diện với nhau.
- Mỗi vụ va chạm giải phóng mật độ năng lượng cực lớn trong một thể tích cực nhỏ.
Năng lượng khổng lồ này khiến các proton và neutron không còn giữ được cấu trúc ban đầu. Thay vì tồn tại dưới dạng các hạt riêng biệt, các quark và gluon – những hạt cơ bản cấu tạo nên proton và neutron – chuyển sang trạng thái tự do.
Trạng thái vật chất này được gọi là: Plasma Quark-Gluon (Quark-Gluon Plasma – QGP).
2.3) Tại sao Plasma Quark-Gluon lại quan trọng?
Theo Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, chỉ vài phần triệu của một phần triệu giây sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang), toàn bộ vũ trụ đều tồn tại dưới dạng Plasma Quark-Gluon. Lúc đó chưa có nguyên tử, chưa có proton, chưa có neutron, chưa có các ngôi sao hay thiên hà.
Bằng cách tái tạo Plasma Quark-Gluon trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học có thể nghiên cứu trực tiếp điều kiện vật chất của vũ trụ sơ khai, từ đó hiểu rõ hơn về cách vật chất hình thành sau Big Bang.
2.4) Vì sao máy gia tốc không bị nóng chảy?
Nghe có vẻ khó tin khi một môi trường nóng tới 5,5 nghìn tỷ độ C lại không phá hủy thiết bị xung quanh. Nguyên nhân nằm ở chỗ nhiệt độ và tổng năng lượng không phải là cùng một khái niệm.
Trong thí nghiệm ALICE:
- Vùng Plasma Quark-Gluon chỉ có kích thước khoảng 10–15 femtomet, tức chỉ cỡ một hạt nhân nguyên tử;
- Trạng thái này chỉ tồn tại khoảng 10⁻²³ đến 10⁻²² giây;
- Lượng vật chất tham gia va chạm cực kỳ nhỏ.
Do tổng năng lượng tuyệt đối rất thấp nên mặc dù nhiệt độ đạt mức kỷ lục, lượng nhiệt truyền sang đường ống chân không và các nam châm siêu dẫn gần như không đáng kể. Nói cách khác, đây là nhiệt độ cực cao trong một thể tích cực nhỏ và tồn tại trong thời gian cực ngắn, chứ không phải một “quả cầu lửa” khổng lồ.
3) Kỷ lục nhiệt độ thấp nhất mà con người từng tạo ra
3.1) 38 Picokelvin – Tiệm cận Độ Không Tuyệt Đối
Nếu tạo ra nhiệt độ cực cao cần cung cấp năng lượng khổng lồ, thì tạo ra nhiệt độ cực thấp lại đòi hỏi loại bỏ gần như toàn bộ động năng của các nguyên tử. Trong vật lý, giới hạn thấp nhất của nhiệt độ là: 0 Kelvin (-273,15 °C) hay còn gọi là Độ Không Tuyệt Đối (Absolute Zero).
Theo Định luật thứ ba của nhiệt động lực học, không thể đạt đúng 0 Kelvin bằng bất kỳ quá trình hữu hạn nào. Tuy nhiên, các nhà khoa học có thể tiến đến rất gần giới hạn này.
Năm 2021, một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Bremen (Đức) công bố trên tạp chí Physical Review Letters rằng họ đã tạo ra nhiệt độ 38 Picokelvin (38 × 10⁻¹² Kelvin). Đây là nhiệt độ thấp nhất từng được ghi nhận trong lịch sử nhân loại. Đáng chú ý, mức nhiệt này lạnh hơn nhiệt độ nền của vũ trụ khoảng 72 tỷ lần.
3.2) Họ đã làm lạnh vật chất như thế nào?
Nhóm nghiên cứu sử dụng khoảng 100.000 nguyên tử Rubidium. Quá trình làm lạnh diễn ra qua nhiều bước.
3.2.1) Làm lạnh bằng laser
Các chùm laser được điều chỉnh cực kỳ chính xác để photon liên tục va chạm với các nguyên tử. Mỗi lần hấp thụ photon, nguyên tử mất đi một phần động lượng, khiến tốc độ chuyển động giảm dần. Kỹ thuật này được gọi là Laser Cooling, và đã giúp ba nhà khoa học Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji và William D. Phillips nhận Giải Nobel Vật lý năm 1997.
3.2.2) Bẫy từ trường
Sau khi làm lạnh bằng laser, các nguyên tử được giữ trong bẫy từ để tránh va chạm với môi trường xung quanh. Nếu va chạm xảy ra, chúng sẽ nhận thêm động năng và nhiệt độ sẽ tăng trở lại.
3.2.3) Môi trường vi trọng lực
Một khó khăn lớn là trọng lực Trái Đất luôn khiến đám mây nguyên tử rơi xuống. Để kéo dài thời gian quan sát và giảm ảnh hưởng của trọng lực, toàn bộ hệ thống được đặt trong Bremen Drop Tower, một tháp rơi tự do cao khoảng 110 mét.
Trong quá trình rơi, thiết bị đạt trạng thái gần như vi trọng lực, cho phép các nhà khoa học thực hiện các thao tác làm lạnh tinh vi hơn nhiều so với trong điều kiện thông thường.
3.3) Điều gì xảy ra ở nhiệt độ cực thấp?
Khi nhiệt độ giảm xuống chỉ còn vài chục Picokelvin, các nguyên tử không còn hành xử như những hạt riêng lẻ. Thay vào đó, chúng cùng chiếm một trạng thái lượng tử duy nhất, tạo thành một Ngưng tụ Bose–Einstein (Bose–Einstein Condensate – BEC).
Trong trạng thái này:
- Hàng trăm nghìn nguyên tử hành xử như một “siêu nguyên tử”;
- Hiệu ứng lượng tử xuất hiện ở quy mô có thể quan sát được;
- Các nhà vật lý có thể nghiên cứu những hiện tượng vốn chỉ tồn tại trong thế giới lượng tử.
BEC được xem là một trong những trạng thái vật chất kỳ lạ và quan trọng nhất từng được tạo ra trong phòng thí nghiệm.
4) Vì sao những nghiên cứu này quan trọng?
Nhiều người cho rằng việc tạo ra những nhiệt độ cực đoan chỉ nhằm lập kỷ lục. Thực tế, đây là nền tảng của nhiều lĩnh vực khoa học hiện đại.
4.1) Nhiệt độ siêu cao
Các thí nghiệm tại CERN giúp:
- nghiên cứu Plasma Quark-Gluon;
- tìm hiểu cấu trúc của proton và neutron;
- kiểm chứng Mô hình Chuẩn của vật lý hạt;
- tái hiện điều kiện của vũ trụ trong những khoảnh khắc đầu tiên sau Big Bang.
Những hiểu biết này góp phần mở rộng kiến thức của nhân loại về nguồn gốc vật chất và sự tiến hóa của vũ trụ.
4.2) Nhiệt độ siêu thấp
Các kỹ thuật làm lạnh đến gần Độ Không Tuyệt Đối là nền tảng cho:
- Máy tính lượng tử;
- Đồng hồ nguyên tử siêu chính xác;
- Cảm biến lượng tử;
- Nghiên cứu siêu dẫn và siêu chảy;
- Các thí nghiệm mô phỏng vật lý thiên văn và vật lý hạt trong điều kiện phòng thí nghiệm.
5) Tổng kết
Con người đã tạo ra hai thái cực nhiệt độ tưởng chừng không thể đạt tới:
- 5,5 nghìn tỷ °C tại CERN – nóng hơn lõi Mặt Trời khoảng 366.000 lần, giúp tái tạo trạng thái vật chất tồn tại ngay sau Big Bang.
- 38 Picokelvin tại Đại học Bremen – lạnh hơn nhiệt độ nền của vũ trụ khoảng 72 tỷ lần, mở ra cánh cửa nghiên cứu thế giới lượng tử với độ chính xác chưa từng có.
Hai kỷ lục này là minh chứng cho khả năng kiểm soát vật chất ở những điều kiện cực đoan nhất mà con người từng đạt được. Chúng không chỉ phá vỡ giới hạn của tự nhiên, mà còn đặt nền móng cho nhiều công nghệ của tương lai, từ máy tính lượng tử, vật liệu siêu dẫn cho đến việc giải mã những bí ẩn về sự ra đời của vũ trụ.
6) Nguồn tham khảo
- Guinness World Records – Highest man-made temperature. (Kỷ lục về nhiệt độ cao nhất mà con người tạo ra).
- CERN – ALICE Experiment: Các công bố về Plasma Quark-Gluon và va chạm ion chì tại Large Hadron Collider.
- Physical Review Letters (Vol. 127, 2021): Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics.
- NASA: Dữ liệu về nhiệt độ lõi Mặt Trời và bức xạ nền vi sóng vũ trụ (Cosmic Microwave Background).
- Nobel Prize: Giải Nobel Vật lý 1997 cho kỹ thuật làm lạnh và bẫy nguyên tử bằng laser.
