Trong vật lý, độ không tuyệt đối, tương đương 0 kelvin (K), hay −273,15°C, là giới hạn nhiệt độ thấp nhất theo thang nhiệt độ Kelvin. Ở gần mức này, chuyển động nhiệt của các hạt vật chất giảm xuống mức tối thiểu mà cơ học lượng tử cho phép. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa mọi hạt đều hoàn toàn đứng yên. Ngay cả ở trạng thái cơ bản, các hệ lượng tử vẫn có thể tồn tại năng lượng điểm không, một biểu hiện của những quy luật lượng tử khác với trực giác thông thường.
Điều thú vị là độ không tuyệt đối không đơn giản chỉ là một nhiệt độ cực lạnh mà con người chưa đủ khả năng tạo ra. Theo định luật thứ ba của nhiệt động lực học, không thể đưa một hệ vật lý đến đúng 0 K bằng một chuỗi hữu hạn các quá trình nhiệt động lực học thông thường. Khi càng tiến gần giới hạn này, việc loại bỏ thêm năng lượng nhiệt càng trở nên khó khăn. Các nhà khoa học có thể đạt đến những mức nhiệt độ cực thấp, nhưng chạm chính xác độ không tuyệt đối là chuyện khác.
Hình ảnh giả màu mô tả sự hình thành ngưng tụ Bose–Einstein khi đám mây nguyên tử được làm lạnh đến gần độ không tuyệt đối. Ảnh: scientificamerican.com
Một trong những phương pháp làm lạnh hiệu quả nhất là sử dụng laser để làm chậm chuyển động của nguyên tử. Nghe có vẻ nghịch lý, bởi laser thường gắn với nhiệt lượng, nhưng khi được điều chỉnh chính xác, các photon có thể truyền động lượng ngược chiều chuyển động của nguyên tử, khiến chúng chậm lại. Kết hợp với bẫy từ và những kỹ thuật làm lạnh khác, các nhà khoa học có thể đưa đám mây nguyên tử xuống mức nhiệt độ chỉ vài phần tỷ kelvin trên độ không tuyệt đối. Ở điều kiện này, vật chất có thể hình thành ngưng tụ Bose–Einstein, trạng thái trong đó nhiều nguyên tử cùng biểu hiện những đặc tính lượng tử tập thể.
Một cột mốc đáng chú ý được ghi nhận năm 2018 và công bố trên tạp chí Physical Review Letters năm 2021: nhóm nghiên cứu QUANTUS tại Đức đưa khí rubidi xuống khoảng 38 picokelvin, tức 38 phần nghìn tỷ kelvin trên độ không tuyệt đối. Thí nghiệm sử dụng tháp thả Bremen để tạo điều kiện vi trọng lực trong thời gian ngắn, giúp các nhà khoa học nghiên cứu sự giãn nở của đám mây nguyên tử. Thành tựu này cho thấy con người có thể tiến sát giới hạn nhiệt độ tự nhiên mà không cần làm lạnh một vật thể lớn theo cách thông thường.
Điều đáng ngạc nhiên là nhiệt độ thấp nhất trong tự nhiên cũng không nhất thiết nằm ở những nơi xa xôi nhất vũ trụ. Tinh vân Boomerang, cách Trái Đất khoảng 5.000 năm ánh sáng, có nhiệt độ ước tính gần 1 K, lạnh hơn cả bức xạ nền vi sóng vũ trụ ở khoảng 2,7 K. Trong khi đó, các phòng thí nghiệm trên Trái Đất đã tạo được những hệ nguyên tử có nhiệt độ thấp hơn rất nhiều. Cuộc đua tiến gần độ không tuyệt đối vì thế không chỉ nhằm lập kỷ lục, mà còn mở ra cơ hội nghiên cứu cơ học lượng tử, phát triển cảm biến cực nhạy và cải thiện công nghệ đo thời gian.
