Phản vật chất có thể nghe như bước ra từ một bộ phim khoa học viễn tưởng, nhưng nó là một phần có thật và thiết yếu của vũ trụ.

Nói một cách đơn giản, phản vật chất là hình ảnh phản chiếu của vật chất tạo nên mọi thứ chúng ta nhìn thấy và chạm vào — từ chiếc điện thoại thông minh cho đến các vì sao trên bầu trời.

Với mỗi loại hạt trong vũ trụ, đều có một phản hạt tương ứng có cùng khối lượng nhưng điện tích trái dấu. Ví dụ, phản hạt của electron là positron có cùng khối lượng nhưng mang điện tích dương. Khi vật chất và phản vật chất gặp nhau, chúng sẽ hủy diệt lẫn nhau trong một vụ nổ năng lượng thuần khiết. Điều này khiến phản vật chất không chỉ bí ẩn mà còn vô cùng mạnh mẽ.

Ai đã phát hiện ra phản vật chất?

Ý tưởng về phản vật chất lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1928 bởi nhà vật lý người Anh Paul Dirac. Ông đã kết hợp thuyết tương đối của Einstein với cơ học lượng tử và dự đoán sự tồn tại của các hạt giống hệt electron nhưng mang điện tích trái dấu. Vài năm sau, vào năm 1932, Carl Anderson đã xác nhận lý thuyết của Dirac bằng việc phát hiện positron khi nghiên cứu các tia vũ trụ. Đây là cột mốc mở đầu cho lĩnh vực nghiên cứu phản vật chất.

Phản vật chất tồn tại ở đâu?

Bạn có thể bất ngờ khi biết rằng phản vật chất có mặt xung quanh chúng ta, nhưng ở lượng cực kỳ nhỏ. Các phản hạt có thể được tạo ra trong những sự kiện vũ trụ năng lượng cao, như các vụ nổ tia gamma hoặc gần hố đen. Các nhà khoa học cũng tạo ra phản vật chất trong phòng thí nghiệm, đặc biệt là tại các máy gia tốc hạt như Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN, nơi các proton được gia tốc và va chạm gần bằng tốc độ ánh sáng.

Các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh y khoa như chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) cũng dựa trên phản vật chất. Trong trường hợp này, một lượng nhỏ positron được tạo ra để giúp bác sĩ quan sát chi tiết bên trong cơ thể người. Như vậy, phản vật chất đã và đang được sử dụng trong bệnh viện!

Tại sao vũ trụ của chúng ta không chứa nhiều phản vật chất hơn?

Đây là một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại. Vụ Nổ Lớn lẽ ra phải tạo ra lượng vật chất và phản vật chất ngang nhau, nhưng vũ trụ mà ta quan sát ngày nay dường như gần như hoàn toàn là vật chất. Vậy toàn bộ phản vật chất đã đi đâu?

Các nhà vật lý gọi vấn đề này là “bất đối xứng baryon”. Một số giả thuyết cho rằng đã có những quá trình chưa được biết đến gây ra sự mất cân bằng nhỏ nghiêng về vật chất trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ. Những giả thuyết khác thì đề xuất rằng có thể tồn tại những vùng không gian hoàn toàn được chi phối bởi phản vật chất, nhưng chúng ta vẫn chưa phát hiện ra.

Các thí nghiệm đang diễn ra tại CERN và nhiều phòng thí nghiệm khác đang nỗ lực giải đáp bằng cách nghiên cứu hành vi của phản vật chất với độ chính xác cực cao. Ví dụ, thí nghiệm ALPHA tại CERN đang so sánh nguyên tử hydro và phản hydro để xem chúng có ứng xử khác nhau dưới tác động của trọng lực hay không.

Phản vật chất hoạt động như thế nào?

Về cơ bản, phản vật chất tuân theo cùng các định luật vật lý như vật chất. Tuy nhiên, nó hành xử khác biệt do mang điện tích trái ngược. Khi một hạt phản vật chất gặp hạt vật chất tương ứng, chúng hủy diệt lẫn nhau, chuyển khối lượng thành năng lượng. Năng lượng này thường được giải phóng dưới dạng tia gamma. Quá trình này vô cùng hiệu quả. Theo phương trình nổi tiếng của Einstein E=mc², chỉ một lượng nhỏ vật chất và phản vật chất cũng có thể giải phóng ra năng lượng khổng lồ. Một gam phản vật chất có thể tạo ra năng lượng tương đương với một thiết bị hạt nhân.

Phản vật chất có thể được dùng làm nhiên liệu không?

Vì tiềm năng năng lượng to lớn, phản vật chất thường được nhắc đến như một nguồn nhiên liệu tương lai — đặc biệt cho du hành vũ trụ. Về lý thuyết, một con tàu vũ trụ chạy bằng phản vật chất có thể tới Sao Hỏa chỉ trong vài tuần, thậm chí một ngày nào đó có thể khám phá các hệ sao khác. Nhưng có một trở ngại lớn. Việc sản xuất và lưu trữ phản vật chất cực kỳ khó khăn. Hiện nay, để tạo ra chỉ một gam positron sẽ tốn hàng tỷ đô la và mất nhiều năm. Hơn nữa, phản vật chất phải được lưu giữ trong buồng chân không và tránh tiếp xúc với bất kỳ vật chất nào — nếu không sẽ phát nổ ngay lập tức.

Cho đến khi chúng ta phát triển được phương pháp hiệu quả hơn để sản xuất và chứa nó, phản vật chất với vai trò nguồn năng lượng vẫn còn nằm ngoài tầm với.

Phản vật chất có nguy hiểm không?

Ý tưởng về vũ khí phản vật chất thường xuất hiện trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng, nhưng thực tế điều này không khả thi. Chi phí và độ phức tạp để tạo ra đủ phản vật chất khiến nó gần như bất khả thi. Hơn nữa, việc kiểm soát quá trình hủy diệt đòi hỏi công nghệ vượt xa khả năng hiện tại của chúng ta.

Tuy vậy, các nhà nghiên cứu vẫn thực hiện các biện pháp an toàn khi làm việc với phản vật chất trong phòng thí nghiệm. Lượng phản vật chất được sử dụng thường quá nhỏ để gây nguy hiểm thực sự, nhưng vẫn luôn được xử lý cẩn trọng.

Bước tiếp theo trong nghiên cứu phản vật chất?

Các nhà khoa học tiếp tục khám phá các đặc tính của phản vật chất với độ chính xác ngày càng cao. Một số câu hỏi thú vị gồm:

• Liệu phản vật chất có rơi trong trường hấp dẫn giống như vật chất không?

• Liệu phản vật chất có thể được sử dụng trong các phương pháp điều trị y khoa thế hệ mới?

• Liệu những sứ mệnh vũ trụ tương lai có dùng hệ thống đẩy bằng phản vật chất?

Các nghiên cứu gần đây từ CERN cho thấy phản vật chất có thể hành xử giống như vật chất dưới tác động của trọng lực, nhưng cần nhiều thử nghiệm hơn. Nếu các nhà nghiên cứu phát hiện dù chỉ một khác biệt nhỏ nhất, nó có thể làm thay đổi hoàn toàn sự hiểu biết của chúng ta về vật lý và vũ trụ.

Kết luận: Phản vật chất — Kỳ lạ hơn viễn tưởng

Vậy phản vật chất hoạt động như thế nào? Về bản chất, nó là hình ảnh phản chiếu của tất cả những gì ta biết — một dạng vật chất đối nghịch, hủy diệt ngay khi tiếp xúc, giải phóng năng lượng khôn lường. Nó có thật, đầy cuốn hút, và vẫn còn phần lớn chưa được khám phá.

Giờ bạn đã biết những điều cơ bản, bạn nghĩ tương lai của phản vật chất sẽ ra sao? Liệu nó có thể cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ, giải mã bí ẩn Vụ Nổ Lớn, hay mở ra những dạng năng lượng hoàn toàn mới? Hãy chia sẻ suy nghĩ của bạn, bởi vì đây chính là một trong những biên giới khoa học thú vị nhất!