Các trạng thái kỳ lạ của vật chất ít ai biết tới (P1)

Trong điều kiện tiêu chuẩn trên Trái đất, chất rắn, chất lỏng và khí là phần lớn những gì chúng ta sẽ gặp trong cuộc sống. Nhưng điều đó không có nghĩa là không có nhiều trạng thái vật chất khác tồn tại. Sự phát triển của khoa học đã giúp chúng ta khám phá ra những trạng thái vật chất kỳ lạ khác, nằm ngoài khả năng suy nghĩ của ngay cả những người có trí tưởng tượng phong phú nhất. 

Chúng ta về cơ bản chỉ quen với ba trạng thái của vật chất: rắn, lỏng, khí. Chất rắn có hình dạng xác định mà không cần có vật chứa, chất lỏng tuân theo hình dạng của vật chứa của chúng và chất khí không chỉ phù hợp với vật chứa mà còn nở ra để lấp đầy nó.

Và có sự đa dạng trong số ba trạng thái cơ bản này: Ví dụ, một chất rắn kết tinh có tất cả các nguyên tử của nó được sắp xếp theo thứ tự chính xác đối xứng hoàn hảo, trong khi chất rắn bán tinh thể lấp đầy tất cả không gian của nó mà không cần cấu trúc được điều chỉnh chặt chẽ. Tinh thể lỏng, tạo nên các thành phần hình ảnh của hầu hết các màn hình điện tử, có các thành phần của cả chất lỏng và cấu trúc tinh thể, như bất kỳ ai đã từng đẩy màn hình máy tính của họ đều có thể xác nhận.

Năm 1856, nhà khoa học huyền thoại người Anh Michael Faraday đang nghiên cứu những tấm lá vàng mỏng. Nghiên cứu các đặc tính của ánh sáng và vật chất, Faraday quyết tâm làm cho vàng đủ mỏng để nó trong suốt trước ánh sáng. Không có máy móc tồn tại vào thời điểm đó có thể tạo ra những màng vàng nhỏ như vậy, vì vậy Faraday phải sử dụng hóa chất.

Trong khi rửa vàng trong những hóa chất này, Faraday nhận thấy rằng hành động này tạo ra một chất lỏng màu hồng ngọc nhạt. Hỗn hợp hóa chất và vàng này, được gọi là chất keo (colloid), có khả năng tán xạ ánh sáng chiếu theo hướng của nó. Mặc dù các công cụ khoa học vào thời điểm đó không thể chứng minh điều đó, Faraday biết sự tán xạ ánh sáng này là do các hạt vàng trong chất lỏng. Đây có thể là ghi nhận đầu tiên về việc trạng thái lượng tử có thể thay đổi đặc tính của vật chất.

Cơ học lượng tử, vật lý lượng tử và điện toán lượng tử nghiên cứu rất nhiều thứ, nhưng tất cả đều tập trung vào những gì mắt thường không thể nhận thấy. Các hạt vàng tán xạ ánh sáng của Faraday ở trạng thái lượng tử – nhỏ nhất mà chúng có thể tồn tại. Kể từ những năm 1850, khoa học và việc khám phá các trạng thái lượng tử đã phát triển vượt bậc, và đã tiết lộ những điều trước đây cho là không thể tưởng tượng được.

Thông qua các nghiên cứu lượng tử, thám hiểm không gian và một số lĩnh vực khác, đã có một số khám phá về các loại vật chất mới, chẳng hạn như 7 loại trạng thái dưới đây. Không phải tất cả chúng đều hữu ích, chỉ có một số khá thực tế, nhưng tất cả chúng đã chỉ ra rằng vật chất có tồn tại nhiều hơn ba trạng thái thông thường.

1. Plasma

Plasma thường bị lãng quên, nhưng đó là trạng thái vật chất dồi dào nhất trong vũ trụ. Theo mô tả của NASA, plasma là “hỗn hợp của các electron (mang điện tích âm) và ion (nguyên tử bị mất electron, dẫn đến mang điện dương).” Nó hoạt động giống như một chất khí, nhưng có thể dẫn điện. Nó cũng có thể bị ảnh hưởng bởi từ trường.

Trong khi hầu hết plasma không dễ xuất hiện, sét là một ví dụ tuyệt vời mà ai cũng có thể quan sát, cho thấy cách plasma tương tác với Trái đất. Một luồng phóng điện cao trong không khí, một tia sét trung bình có nhiệt độ cực đại lớn hơn 27.000 độ C. Ở mức nhiệt đó, tia sét khiến các nguyên tử bị ion hóa, biến thành plasma.

Người ta cũng đã tìm ra cách ion hóa chất khí một cách nhân tạo, giống như trong chiếc đèn neon, nơi các hạt tích điện giúp hoàn thành một mạch điện.

>> Vật chất và ý thức là một thể thống nhất

2. Ngưng tụ Bose – Einstein

Ngưng tụ Bose-Einstein (Bose – Einstein Condensate, viết tắt là BEC) được phát hiện thông qua sự hợp tác giữa nhà vật lý Ấn Độ Satyendra Nath Bose và Albert Einstein, mặc dù hai nhà khoa học sống cách nhau hàng ngàn dặm trong thời đại chưa có Internet.

Vào đầu những năm 1920, lý thuyết lượng tử là một lĩnh vực mới. Bose đang giảng dạy tại Đại học Dhaka và không hài lòng với sự hiểu biết đương thời về bức xạ. Ông đã viết một bài báo nghiên cứu vấn đề này nhưng không sử dụng bất kỳ yếu tố nào của vật lý cổ điển. Khi bài báo bị các tạp chí từ chối, Bose chuyển sang viết thư cho Einstein, mặc dù hai nhà khoa học không quen biết nhau.

Einstein đã đọc qua bài báo và đồng ý với phát hiện của Bose. Ông đã sử dụng ảnh hưởng của mình để thúc đẩy đăng tải bài viết của Bose trên một tạp chí uy tín. Nhưng đó không phải là tất cả. Einstein tiếp tục suy nghĩ về phép toán của Bose, ông nói rằng các hạt không thể phân biệt được có thể chiếm các trạng thái năng lượng rời rạc.

Năm 1924, Einstein sử dụng phép toán của Bose để tạo ra một dạng vật chất mới, BEC. Ở nhiệt độ cực thấp, gần độ không tuyệt đối, các nguyên tử riêng rẽ sẽ kết hợp thành một “siêu nguyên tử – superatom”.

Và vào năm 1995, một nhóm các nhà khoa học đã chứng minh ông đúng.

Carl E. Wieman, một nhà khoa học đã giúp khám phá ra BEC, mô tả về nguyên lý hình thành BEC: “Nó giống như việc bạn đang chạy trong một trận mưa đá, cho dù bạn chạy theo hướng nào thì mưa đá vẫn luôn đập thẳng vào mặt bạn. Vì vậy, bạn dừng lại.”

Một BEC giống như một tinh thể băng hình thành trong một cái bể, “nó thực sự là một dạng vật chất mới”, Wieman nói. “Nó hành xử hoàn toàn khác với bất kỳ vật liệu nào khác.”

>> Einstein và đức tin – Walter Isaacson

3. Vật chất suy biến

Vật chất suy biến là các dạng vật chất có mật độ hay tỷ trọng cao một cách bất thường.

Các hạt được xác định là ngưng tụ theo lý thuyết của Bose và Einstein (BEC) được gọi là “boson” và hiện được coi là một phần cơ bản của vật chất. Nhưng còn có một loại hạt lượng tử khác: fermion, được đặt tên theo nhà vật lý người Ý Enrico Fermi. Theo nguyên lý loại trừ Pauli, các fermion không thể chiếm cùng một trạng thái lượng tử trong một hệ lượng tử cùng một lúc.

Với một hành tinh nặng như Mặt Trời, lực hấp dẫn tại tâm của nó lớn đến mức lớn hơn cả các liên kết hóa trị của vật chất của nó. Nó sẽ kéo các vật chất của nó về tâm và nghiền nát các vật chất này, mạnh đến nỗi xảy các phản ứng hạt nhân, dẫn đến hành tinh nóng lên và tỏa sáng như một ngôi sao mới. Nhiệt lượng từ các phản ứng hạt nhân này tạo ra một áp suất và thổi phồng hành tinh này, giúp cân bằng lại lực hấp dẫn tại tâm của nó.

Khi ngôi sao đã đốt hết vật chất làm nhiên liệu cho các phản ứng hạt nhân, nhiệt độ của nó giảm dần, dẫn đến áp suất cân bằng lực hấp dẫn không còn được duy trì nữa. Ngôi sao bắt đầu sụp đổ, co lại và trở thành một ngôi sao lùn trắng.

Khi đó lực hấp dẫn sẽ hút các vật chất ở xung quanh về phía tâm của nó, làm cho thể tích của nó càng ngày càng nhỏ hơn, khiến cho các electron và proton bị chèn ép và càng ngày càng gần nhau hơn. Theo nguyên lý loại trừ Pauli, các fermion không thể ở cùng một chỗ, vì vậy chúng phải chuyển sang các trạng thái năng lượng cao hơn.

Quá trình chuyển đổi đó, tạo ra vật chất suy biến (degenerate matter) hay còn gọi là vật chất thoái hóa. Sự tồn tại của nguyên lý loại trừ Pauli cũng khiến cho các hạt fermion chỉ có thể bị chèn ép đến một mức độ nhất định, và khi ấy chúng có thể đẩy ra ngoài với một lực, chính xác hơn là một áp suất đủ mạnh để chống lại lực hấp dẫn, và dừng lại sự co rút của ngôi sao lùn.

Lúc này, các sao lùn trắng có khối lượng trong khoảng từ 1 nửa cho đến 1,4 lần khối lượng Mặt Trời (gấp khoảng 160.000 đến 460.000 lần khối lượng Trái Đất). Chúng bị ép vào một không gian có kích thước bằng Trái Đất, khiến chúng đặc hơn khoảng 1000 lần so với nguyên tố chì! Lực hấp dẫn tại bề mặt của chúng mạnh hơn khoảng nửa triệu lần so với lực hấp dẫn chúng ta cảm nhận được trên Trái Đất.

Vật chất thoái hóa cho phép các ngôi sao đặc như sao lùn trắng tồn tại. Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng nó là một chất dẫn nhiệt gần như hoàn hảo và có khả năng chống lại các quy luật tự nhiên của lực hấp dẫn. Đây là một trạng thái vật chất khác hẳn với các trạng thái vật chất mà chúng ta biết hiện nay.

Vậy điều tiếp theo của một sao lùn trắng là gì? Nếu khối lượng của sao lùn trắng tiếp tục tăng lên (nhờ việc hút các vật chất khác ở các ngôi sao lân cận), lực hấp dẫn của nó sẽ chiến thắng áp suất của các vật chất suy biến tạo bởi electron và proton. Các electron và proton sẽ bị hút về phía tâm của ngôi sao và bị nghiền nát vào nhau và tạo ra các neutron. Ngôi sao lùn trắng khi đó sẽ trở thành ngôi sao neutron, kích thước của nó chỉ bằng quả cầu có đường kính từ 8 đến 24 km. Khi này, vật chất suy biến khiến cho ngôi sao neutron có độ đậm đặc gấp 100 000 000 000 000 (100 nghìn tỷ lần) khối lượng riêng của chì.

Nếu khối lượng của sao neutron tiếp tục tăng lên, nó sẽ hút hết các neutron vào trong và nghiền nát chúng. Khi này, ngôi sao sẽ trở một lỗ đen. Tất cả vật chất, ánh sáng sẽ bị hút vào một điểm duy nhất. Đây cũng là hiểu biết cực hạn của vật lý học hiện nay.

Theo popularmechanics.com
Thiện Tâm biên dịch và hiệu đính