MỘT CON ĐẬP VỠ TRONG CHẤT LỎNG LƯỢNG TỬ

Một ngưng tụ Bose–Einstein là một khí gồm các nguyên tử được làm lạnh rất gần độ không tuyệt đối đến mức chúng hoạt động như một sóng lượng tử duy nhất. Nó chảy không ma sát, giống như một chất lỏng hoàn hảo — với một thành phần bổ sung: áp suất lượng tử, đến từ sự rung động không thể tránh khỏi của các nguyên tử và khiến các sóng có độ dài khác nhau lan truyền với tốc độ khác nhau. Các nhà vật lý gọi những sóng như vậy là sóng tán sắc.

L. M. Farrell, D. H. J. O’Dell và các cộng sự tại Đại học McMaster ở Canada, cùng các đồng tác giả ở Heidelberg và Boston, đã nghiên cứu sự kiện dữ dội đơn giản nhất có thể dàn dựng trong một chất lỏng như vậy: một vụ vỡ đập. Các nguyên tử được giữ thành một hàng dài và mảnh, một vách ngăn tách vùng đặc hơn với vùng loãng hơn, và vách ngăn bị gỡ bỏ đột ngột. Các mô phỏng của họ dùng những con số thực tế: 40.000 nguyên tử kali-39, trong đó âm thanh lan truyền với tốc độ khoảng 1,8 milimét mỗi giây.

Sóng triều lượng tử

Với một bậc chênh lệch mật độ nhỏ — khoảng 4% — hai chuỗi gợn sóng rời khỏi vị trí con đập, mỗi chuỗi một hướng. Giữa chúng, một cao nguyên phẳng hình thành, với mật độ đúng bằng nửa đường giữa hai bên.

Nhóm nhận thấy những gợn sóng này giống với sóng triều dạng gợn (undular tidal bore) đôi khi dâng ngược lên các con sông: một đầu sóng theo sau là một chuỗi sóng. Bằng cách điều chỉnh một mô hình đơn giản về sóng triều trên sông do nhà vật lý Michael Berry phát triển, họ đã rút ra các công thức cho mật độ và dòng chảy, khớp gần như chính xác với các mô phỏng số đầy đủ của chất ngưng tụ.

Có hai đặc điểm nổi bật:

• các gợn sóng tạo thành một hình nón trong không-thời gian, nhưng là một hình nón lộn trái: mọi thứ bên trong đều yên lặng, mọi con sóng đều ở bên ngoài;
• sau thời gian dài, hình dạng của chúng trở nên phổ quát — tích phân của một hàm Airy — và bước sóng chỉ tăng theo (ℏ²t)^(1/3), chậm hơn khuếch tán và biến mất trong giới hạn cổ điển. Chiều cao của chúng giữ không đổi.

Mật độ trong 20 mili giây đầu tiên: hai mặt sóng (các đường nét đứt bên trong) mở ra một hình nón không có sóng bên trong, trong khi các gợn sóng lao về phía trước ở bên ngoài. — Hình 2, Farrell et al. (2026), arXiv:2609.32232.

Một cầu vồng kép làm bằng âm thanh

Hàm Airy có một nguồn gốc nổi tiếng: G. B. Airy đã nghĩ ra chúng để mô tả cầu vồng. Đó không phải là ngẫu nhiên. Lần theo các “tia” đằng sau những gợn sóng, các tác giả chỉ ra rằng mỗi mặt sóng là một tụ quang dạng gấp (fold caustic), nơi hai tia hợp nhất — cùng một cấu trúc tập trung ánh sáng mặt trời thành cầu vồng ở khoảng 42 độ.

Hai mặt sóng, quay lưng vào nhau, tái hiện toàn bộ hình mẫu tia của một cầu vồng kép. Trên bầu trời, vùng giữa cầu vồng chính và cầu vồng phụ trông tối hơn: nó được gọi là dải tối Alexander, theo tên Alexander xứ Aphrodisias, người đã bàn về nó vào khoảng năm 200 sau Công nguyên, theo bài báo. Trong chất ngưng tụ, vùng tương ứng là cao nguyên, nơi không có sóng âm nào lan truyền — các tác giả gọi nó là “dải im lặng”. Những vòng cung mờ nơi màu sắc cầu vồng đôi khi lặp lại, gọi là các cung phụ (supernumerary arc), tương ứng với các gợn sóng lượng tử. Không giống như trên bầu trời, dải im lặng mở rộng theo thời gian, với tốc độ gấp đôi tốc độ âm thanh.

Trên: các tia của sóng vỡ đập (trái) có chung cấu trúc với một cầu vồng kép và dải tối của nó (phải). Dưới: các gợn sóng, với bậc chênh lệch mật độ nhỏ và lớn. — Hình 9, Farrell et al. (2026), arXiv:2609.32232.

Một chân trời cho âm thanh

Với chênh lệch mật độ lớn hơn, dòng chảy từ phía đặc có thể trở nên nhanh hơn tốc độ âm thanh tại chỗ. Khi đó sóng âm không còn có thể truyền ngược lên thượng nguồn: chất lỏng hình thành một chân trời âm học, một mô hình tương tự trong phòng thí nghiệm của rìa một lỗ đen. Trong phép xấp xỉ bỏ qua áp suất lượng tử, điều này xảy ra khi chênh lệch mật độ đạt 8/9 mật độ cao hơn. Chân trời không cố định: cường độ của nó, tương tự với hấp dẫn bề mặt của một lỗ đen, yếu dần theo thời gian. Trong các mô phỏng đầy đủ, nó xuất hiện sau một độ trễ ngắn khoảng nửa mili giây, một hiệu ứng lượng tử, rồi ổn định gần vị trí con đập cũ. Ở đúng mức chênh lệch mật độ tới hạn, một chân trời mở rộng hình thành trên cả một vùng. Ngược lại, sóng triều trên sông hoạt động giống phiên bản đảo ngược thời gian hơn, một “lỗ trắng”.

Làm cho gợn sóng hiện ra

Theo hiểu biết của các tác giả, những sóng tán sắc này chưa từng được quan sát trong các chất ngưng tụ giãn nở tự do; những gợn sóng nhỏ rất khó nhìn thấy trên nền nhiễu. Họ đề xuất hai chiến lược. Tăng cường tương tác giữa các nguyên tử trước khi vỡ đập, rồi đột ngột làm yếu chúng khi đập mở ra, điều này khuếch đại các gợn sóng phía thượng nguồn trong mô phỏng. Hoặc bỏ hẳn con đập: đẩy toàn bộ chất ngưng tụ chuyển động bên trong một cái bẫy hình hộp, để các mép của nó phát ra cùng loại sóng. Bài báo là một lộ trình lý thuyết, đang chờ một phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh thử nghiệm.