Bạn có tin rằng chúng ta có thể cô đặc vật chất trên không gian để nghiên cứu năng lượng và vật chất tối, bí ẩn vật lý chiếm 95% vũ trụ? Đó là mục tiêu đầy tham vọng của cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ NASA, được thực hiện qua một công cụ đang được phát triển bởi Jet Propulsion Laboratory (JPL) thuộc cơ quan này ở California, theo tin gần đây trên Space Daily.

Vũ khí bí mật của NASA chính là bộ công cụ mang tên phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh (Cold Atom Laboratory -CAL) đang trong giai đoạn lắp ráp cuối cùng trước khi đưa lên trạm không gian quốc tế ISS bằng tàu SpaceX CRS-12 tháng 8 tới đây.

CAL là một chiếc hộp đá kích cỡ bằng một tủ thuốc nhỏ, bao gồm các tia laser, một phòng cách ly và một loại dao từ trường điện tử để loại bỏ năng lượng của các phân tử khí, làm chậm tốc độ của chúng cho đến khi chúng gần như bất động.

CAL được thiết kế để làm lạnh các nguyên tử khí đến gần mức 1 phần triệu của 1 độ trên độ 0 tuyệt đối, lạnh hơn 100 triệu lần các độ sâu của không gian. Các nguyên tử được đưa về nhiệt độ cực lạnh này bên trong CAL sẽ hình thành một trạng thái riêng của vật chất được gọi là sự cô đặc Bose-Einstein. Trong trạng thái này, vật chất sẽ giảm dần sự chi phối của các quy luật vật lý quen thuộc mà hoạt động theo vật lý lượng tử, thay đổi tính chất từ phân tử sang dạng sóng. Các hàng nguyên tử sẽ khiêu vũ với nhau như một miếng vải đang chuyển động.

Các nguyên tử siêu lạnh trên ISS có thể duy trì hình dạng sóng lâu hơn trong khi rơi tự do, cho phép các nhà khoa học có nhiều thời gian hơn để quan sát và hiểu rõ vật lý ở cấp cơ bản nhất.

Nhiệt độ thấp của CAL khiến các nguyên tử chuyển động dạng sóng chính là điều bí ẩn chưa từng được chứng kiến. Trước đây chưa từng có khối đặc Bose-Einstein nào được NASA tạo ra hay được quan sát trên không gian.

Trên trái đất, lực hấp dẫn đẩy các nguyên tử liên tục tiến bước ổn định về phía mặt đất và chúng ta chỉ quan sát được chúng trong thời gian rất ngắn, vài phần của một giây. Còn trên ISS, theo ước tính, CAL sẽ giúp giới nghiên cứu quan sát các khối đặc Bose-Einstein lâu hơn, tới 5-10 giây và vài trăm giây trong tương lai.

Khối đặc Bose-Einstein là một loại chất siêu lỏng, một loại chất lỏng có độ nhớt bằng 0, nghĩa là ở đó các nguyên tử sẽ di chuyển mà không bị ma sát như một khối chất rắn. Việc hiểu rõ tính chất vật lý của chất siêu lỏng sẽ tạo ra các ứng dụng chuyển giao năng lượng có hiệu suất cao hơn, quản lý dự án CAL-Anita Sengupta cho biết.

Một khái niệm nghệ thuật về chip nguyên tử được dùng trong CAL trên ISS của NASA (Ảnh: NASA)

Về mặt lý thuyết, “như một tròng kính mới cho chiếc kính viễn vọng đầu tiên của Galileo, các nguyên tử siêu lạnh của CAL có thể mở khóa nhiều bí ẩn nằm ngoài biên giới vật lý đã biết”, Space Daily dẫn lời Kamal Oudrhiri, phó quản lý dự án.

Theo đó, kết quả của các thí nghiệm nguyên tử siêu lạnh này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản tính cơ bản của lực hấp dẫn, vật chất tối và năng lượng tối. Theo các mô hình vũ trụ hiện đại, vật chất tối và năng lượng tối, các bí ẩn lớn của khoa học lại chiếm đến 95% vũ trụ (tỉ lệ lần lượt 27% và 68%), so với vật chất thông thường mà chúng ta đã biết đến chỉ chiếm tỉ lệ 5%.

Dự kiến những hiểu biết mới sẽ đem lại nhiều cải tiến về công nghệ như cảm biến, máy tính lượng tử và đồng hồ nguyên tử sử dụng trong di chuyển không gian, đặc biệt là những ứng dụng liên quan tới việc phát hiện vật chất tối và năng lượng tối.

CAL hiện đang vào giai đoạn kiểm tra cần thiết trong vài tháng để sẵn sàng cho sứ mệnh tháng tám. Việc kiểm tra là để đảm bảo các nhà khoa học có thể điều khiển và tinh chỉnh nó trên không gian từ xa, theo trưởng nhóm kiểm tra của JPL Dave Aveline.

Trong cuộc đua mới, đã có 5 nhóm khoa học gia lên kế hoạch thực hiện thí nghiệm sử dụng CAL. Nổi bật trong số này là Eric Cornell đến từ đại học Colorado và học viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mỹ, một trong 3 nhà khoa học chia sẻ giải Nobel 2001 cho công trình tạo ra khối đặc Bose-Einstein trong phòng thí nghiệm vào năm 1995.