Chất lỏng không ma sát và màn 'ảo thuật' có thật của vật lý lượng tử

Khi nhắc đến chất lỏng, chúng ta thường nghĩ rằng chúng luôn chảy từ cao xuống thấp dưới tác dụng của trọng lực. Thế nhưng trong thế giới của vật lý nhiệt độ cực thấp, tồn tại một ngoại lệ đáng kinh ngạc: heli siêu lỏng. Dạng vật chất đặc biệt này có thể tự bò lên thành bình chứa, vượt qua mép bình rồi chảy xuống bên ngoài, tạo cảm giác như nó đang "leo tường" bất chấp trọng lực.

Ảnh: Science Notes

Hiện tượng này xuất hiện ở đồng vị Helium-4 khi được làm lạnh xuống dưới khoảng 2,17 kelvin (tương đương -270,98°C). Ở nhiệt độ cực thấp đó, heli chuyển sang trạng thái gọi là siêu lỏng (superfluid), một pha vật chất mang các tính chất lượng tử ở quy mô có thể quan sát bằng mắt thường. Chất lỏng này gần như không có độ nhớt, nghĩa là có thể chảy qua những khe hở cực nhỏ mà các chất lỏng thông thường không thể đi qua.

Ảnh: SciTechDaily

Điều khiến heli siêu lỏng nổi tiếng chính là khả năng tạo ra một lớp màng siêu mỏng phủ kín mọi bề mặt tiếp xúc với nó. Lớp màng này chỉ dày vài chục nanomet nhưng có thể lan khắp thành bình. Do không có ma sát nội tại, heli liên tục di chuyển dọc theo lớp màng ấy. Nếu bình chứa không được bịt kín, chất lỏng sẽ từ từ bò lên thành, tràn qua miệng bình rồi chảy xuống ngoài cho đến khi toàn bộ heli trong bình thoát hết. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Rollin hay màng siêu lỏng, khiến nhiều người lần đầu quan sát có cảm giác như chất lỏng đang "thách thức" các định luật vật lý.

Thực tế, heli không hề chiến thắng trọng lực. Năng lượng cần để chất lỏng leo lên chỉ rất nhỏ vì lớp màng cực mỏng, trong khi các hiệu ứng lượng tử cho phép dòng siêu lỏng duy trì chuyển động mà gần như không bị tiêu hao. Đây là một trong những minh chứng rõ ràng nhất cho việc cơ học lượng tử có thể tạo ra những hiện tượng kỳ lạ ngay trong thế giới vĩ mô.

Ảnh: University of Helsinki

Ngoài khả năng "leo tường", heli siêu lỏng còn sở hữu nhiều tính chất khác thường như truyền nhiệt nhanh gấp hàng nghìn lần kim loại đồng, tạo thành những xoáy lượng tử cực kỳ ổn định và có thể chảy mãi trong các vòng kín mà không giảm tốc trong điều kiện lý tưởng. Những đặc tính này khiến nó trở thành công cụ quan trọng trong các hệ thống làm lạnh nam châm siêu dẫn, máy gia tốc hạt và nhiều thiết bị nghiên cứu vật lý hiện đại.

Nhìn qua tưởng như một màn "ảo thuật" của tự nhiên, nhưng chất lỏng biết leo tường thực chất lại là cánh cửa mở ra thế giới lượng tử kỳ diệu – nơi các quy luật quen thuộc của cuộc sống hàng ngày không còn là giới hạn tuyệt đối.