Với sự hỗ trợ của laser, Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) hy vọng có thể tạo ra “điểm lạnh nhất” trong vũ trụ trên Trạm không gian quốc tế.
Mô phỏng phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh trên ISS
Trong khi vũ trụ từ lâu luôn được mô tả là “biên giới cuối cùng”, những nhà khoa học khác nhau lại muốn sở hữu các công cụ khác biệt để có thể khám phá biên giới đó. Các nhà thiên văn học khao khát những kính viễn vọng không gian ngày càng uy lực hơn. Nhóm khoa học gia về hành tinh có hẳn một danh sách dài liệt kê các trang thiết bị trong mơ, từ tàu xoay quanh quỹ đạo, tàu đổ bộ, robot thám hiểm tự hành trên bề mặt các hành tinh.
Tuy nhiên, giới vật lý học lượng tử, những người nghiên cứu vật chất và năng lượng ở mức hạ nguyên tử lại muốn tái tạo môi trường nhiệt độ cận zero và vi trọng lực. Để đạt được cả hai mong ước này, một phòng thí nghiệm sẽ được thiết lập trên Trạm không gian quốc tế (ISS) trong vài tháng nữa. Được gọi là phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh (CAL), cơ sở có kích thước khiêm tốn cỡ chiếc hòm nhỏ được thiết kế sử dụng các công cụ gồm phòng chân không, laser và “dao” điện từ” nhằm làm chậm lại tốc độ di chuyển các nguyên tử khí cho đến khi chúng hầu như bất động. Mục tiêu là đẩy nhiệt độ xuống mức một phần tỉ độ trên độ không tuyệt đối (với độ không tuyệt đối là -273,15°C), trạng thái nhiệt độ mà theo Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) mô tả là “điểm lạnh nhất trong vũ trụ”. Hoạt động quan sát các nguyên tử ở điều kiện nhiệt độ thấp đến thế trong môi trường hầu như không trọng lực có thể thay đổi mạnh mẽ kiến thức của con người đối với vật chất và năng lượng.
“Việc nghiên cứu các nguyên tử siêu lạnh có thể thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về vật chất và bản chất cơ bản của trọng lực”, theo chuyên trang Space.com dẫn lời nhà khoa học Robert Thompson của dự án CAL.
Mục tiêu được kỳ vọng khi thiết lập phòng thí nghiệm mới trên ISS sẽ là nghiên cứu trạng thái vật chất gọi là ngưng tụ Bose-Einstein, lần đầu tiên được thiên tài vật lý Albert Einstein và một đồng nghiệp khác tên Satyendra Nath Bose đặt giả thuyết vào đầu thế kỷ 20. Ở trạng thái này, khi được đưa càng gần đến độ không tuyệt đối, các nguyên tử kết dính vào nhau và tiến vào cùng một trạng thái năng lượng, khiến không thể nào phân biệt được từng nguyên tử cụ thể. Cũng như ánh sáng, các nguyên tử này tiến dần đến điểm tương đồng với dải sóng. Giới khoa học lần đầu tiên đã đạt đến trạng thái này trên trái đất vào năm 1995, nhưng nó chỉ kéo dài một phần của giây. Theo NASA, trên ISS, các nguyên tử cực lạnh có thể duy trì trạng thái như dải sóng lâu hơn trong điều kiện vi trọng lực. Tiến sĩ Thompson “ước tính CAL sẽ cho phép các ngưng tụ Bose-Einstein có thể được quan sát từ 5 đến 10 giây”, và hứa hẹn kéo dài hàng trăm giây nếu tiếp tục nâng cấp phòng thí nghiệm trong tương lai, đồng thời nhiều khả năng dải sóng sẽ ngưng tụ ở kích thước cho phép quan sát được bằng mắt thường.
Hiểu được các cơ chế lượng tử đóng vai trò không thể tách rời đối với các nhà thám hiểm không gian trong tương lai. Các nguyên tử dưới dạng sóng có thể được sử dụng để “vẽ bản đồ hình dạng trọng lực mà chúng ta cảm giác được” từ một hành tinh, chẳng hạn như các hang động ngầm dưới lòng đất và các cực đang tan chảy băng hà.
