Trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) mới đây đã công bố trên tạp chí Nature thành công của họ trong việc “nhốt giam” phản vật chất khí hydro. Việc này có ý nghĩa lớn lao như thế nào? Năm 1930, nhà vật lý người Anh Paul Dirac trong khi tìm cách hòa giải các ý tưởng của vật lý lượng tử và thuy...
Trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) mới đây đã công bố trên tạp chí Nature thành công của họ trong việc “nhốt giam” phản vật chất khí hydro. Việc này có ý nghĩa lớn lao như thế nào?
Năm 1930, nhà vật lý người Anh Paul Dirac trong khi tìm cách hòa giải các ý tưởng của vật lý lượng tử và thuyết tương đối rộng của Albert Einstein đã tiên định sự hiện hữu của phản vật chất.
Các phương trình của ông cho thấy electron phải có một hạt tương sinh có cùng khối lượng nhưng mang điện tích và moment trái dấu. Hai năm sau đó, Carl Anderson tìm ra bằng chứng thực nghiệm cho phản hạt của Dirac khi nghiên cứu các tia vũ trụ, và ông đặt tên cho nó là positron. Vào những năm 1950, các nhà vật lý đã chế ra được phản proton.
Khi một hạt gặp phản hạt của nó, chúng trung hòa lẫn nhau và biến khối lượng thành năng lượng thuần khiết, như trong phương trình của Albert Einstein E=mc2.
Phản hạt không phải thứ xa lạ chỉ tìm thấy trong truyện viễn tưởng. Positron được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chụp X-quang. Và phản proton đã được tạo ra trong các máy gia tốc trong vài thập niên gần đây.
Các nam châm khổng lồ đẩy proton qua một ống được làm lạnh xuống nhiệt độ -271oC. (ảnh minh họa: Boston)
Câu hỏi đặt ra là tại sao chúng lại biến mất trong tự nhiên? Các định luật vật lý không “kỳ thị” giữa vật chất và phản vật chất. Vào thời điểm khai sinh vũ trụ trong vụ nổ Big Bang, số lượng hạt và phản hạt tạo ra hẳn phải tương đương nhau. Với mỗi hạt vật chất, phải có một hạt phản vật chất. Nhưng trong thực tiễn, chúng ta lại không nhìn thấy chúng.
Một số nhà vũ trụ học nghĩ rằng vào thời điểm khai sinh, hạt vật chất nhiều hơn phản hạt một chút nào đó, rồi chúng nhập vào nhau và trung hòa lẫn nhau. Cái còn lại là hạt vật chất dôi ra trong một biển năng lượng.
Tại sao lại có sự bất đối xứng như vậy vào lúc khai sinh vũ trụ? Liệu có những khác biệt nào đó chưa được biết đến giữa hạt và phản hạt, khiến cho một trong hai sống sót được qua thời gian? Về mặt lý thuyết thì không, nhưng lý thuyết cần phải được kiểm chứng bởi thực nghiệm.
Một cách để kiểm tra là tiến hành thực nghiệm trên phản vật chất. Nếu các nhà khoa học có thể phát hiện cho dù một chút khác biệt trong hành vi của một nguyên tử hydro (một electron vòng quanh một proton) và một phản hydro (một positron vòng quanh một phản proton), thì họ có thể lý giải chuyện gì xảy ra lúc vũ trụ bắt đầu, và tại sao chúng ta chỉ nhìn thấy vật chất bình thường ngày hôm nay.
Việc CERN "nhốt giam" được phản hydro hồi tuần trước sẽ khiến cho thực nghiệm trên có khả năng thành công. Các nhà khoa học đã nhốt giam được 38 phản hydro trong thời gian gần nửa giây.
Phản hydro đã được tạo ra trước đây nhưng chưa có ai giam giữ được chúng đủ lâu để tận dụng hay nghiên cứu. Bước tiếp theo là tạo ra phản hydro số lượng lớn, giam nhốt lại lâu hơn.
Một khi được cung cấp đều đặn phản hydro, chúng ta sẽ hiểu được những điều cơ bản, thí dụ như liệu phản proton và positron có hấp dẫn nhau với cùng một lực như là electron và proton? Không có lý do gì để nghĩ là không, nhưng nếu thực nghiệm cho kết quả khác thì vật lý học cần một cuộc cách mạng lớn lao.
Hứa hẹn nhất cho việc sử dụng phản hydro trong tương lai, nếu như có thể tạo đủ số lượng và lưu trữ được lâu (những chữ nếu rất là to), đó là làm nhiên liệu.
Sự va chạm giữa vật chất và phản vật chất tạo ra năng lượng bao la: nếu 1kg phản vật chất "giao phối" với 1kg vật chất thì vụ nổ xảy ra sẽ tương đương với 43 triệu tấn TNT hay 3.000 lần quả bom đã thả xuống Hiroshima.
Nhưng với khả năng của CERN hiện tại thì họ phải cần đến 100 tỉ năm chỉ để tạo ra 1gam phản hydro. Cho nên ta không cần phải nín thở vội.
Trung tâm Nghiên cứu hạt nhân châu Âu, thường gọi là CERN, vừa công bố trên tạp chí Nature một thành tựu đặc biệt: nhốt giữ được các nguyên tử phản hydro. Kết quả này mở ra cơ hội khảo sát trực tiếp phản vật chất, thứ từng xuất hiện chủ yếu trong các phương trình lý thuyết, thí nghiệm máy gia tốc và những câu chuyện khoa học viễn tưởng. Ý nghĩa lớn nhất nằm ở khả năng so sánh vật chất với phản vật chất, qua đó tìm manh mối giải thích vì sao vũ trụ hiện nay gần như chỉ còn vật chất thông thường. Năm 1930, nhà vật lý người Anh Paul Dirac tìm cách kết hợp vật lý lượng tử với thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, rồi đưa ra một dự đoán gây chấn động.
Các phương trình của ông cho thấy electron phải có một hạt tương sinh, sở hữu cùng khối lượng nhưng mang điện tích và moment trái dấu với electron. Hai năm sau, Carl Anderson phát hiện bằng chứng thực nghiệm về phản hạt ấy khi nghiên cứu tia vũ trụ, sau đó đặt tên cho nó là positron. Đến những năm 1950, các nhà vật lý tiếp tục chế tạo được phản proton, bổ sung thành phần quan trọng để xây dựng những nguyên tử phản vật chất đơn giản nhất. Khi một hạt gặp đúng phản hạt của nó, cả hai trung hòa lẫn nhau, biến khối lượng thành năng lượng thuần khiết theo phương trình nổi tiếng E=mc2 của Einstein.
Phản hạt vì thế không phải thực thể xa lạ chỉ tồn tại trong tưởng tượng, bởi positron hiện được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chụp X-quang. Phản proton cũng đã được tạo ra trong các máy gia tốc suốt vài thập niên gần đây, nơi những nam châm khổng lồ đẩy proton qua các ống được làm lạnh đến -271oC. Vậy tại sao phản vật chất gần như biến mất khỏi tự nhiên, dù các định luật vật lý dường như không dành ưu ái đặc biệt cho vật chất hay phản vật chất? Theo suy luận về Big Bang, thời điểm vũ trụ khai sinh phải tạo ra số lượng hạt và phản hạt tương đương, với mỗi hạt vật chất đi kèm một phản hạt tương ứng.
Nếu hai loại hạt hoàn toàn cân bằng, chúng sẽ gặp nhau, trung hòa lẫn nhau, để lại một biển năng lượng thay vì các thiên hà, ngôi sao và con người hôm nay. Một số nhà vũ trụ học cho rằng vật chất khi ấy đã nhiều hơn phản vật chất một chút, khiến sau quá trình hủy cặp vẫn còn phần vật chất dôi ra. Tuy nhiên, câu hỏi quan trọng vẫn còn nguyên: điều gì tạo nên sự bất đối xứng ấy vào thời điểm vũ trụ mới hình thành? Liệu giữa hạt và phản hạt có tồn tại những khác biệt chưa được nhận ra, giúp một bên sống sót lâu dài hơn bên kia trong lịch sử vũ trụ?
Về mặt lý thuyết, hiện chưa có lý do rõ ràng để khẳng định điều đó, nhưng mọi lý thuyết đều cần được kiểm chứng bằng những thí nghiệm cụ thể. Một phép thử trực tiếp là so sánh nguyên tử hydro, gồm electron quay quanh proton, với phản hydro, gồm positron quay quanh phản proton. Nếu phát hiện dù chỉ một khác biệt nhỏ trong hành vi của hai nguyên tử, các nhà khoa học có thể tiến gần lời giải cho sự khởi đầu bất cân xứng của vũ trụ. Thành công mới của CERN đặc biệt quan trọng vì 38 nguyên tử phản hydro đã được nhốt giữ trong thời gian gần nửa giây, đủ để mở đường nghiên cứu nghiêm túc.
Phản hydro từng được tạo ra trước đây, nhưng chưa nhóm nghiên cứu nào giữ chúng đủ lâu để tiến hành các phép đo có giá trị như hiện nay. Bước tiếp theo là tạo phản hydro với số lượng lớn hơn, duy trì trạng thái bị giam giữ lâu hơn, rồi kiểm tra những tính chất nền tảng của chúng. Chẳng hạn, thí nghiệm có thể xác định phản proton và positron có hút nhau bằng lực giống electron và proton hay không, một câu hỏi tưởng đơn giản nhưng rất quan trọng. Nếu kết quả khác biệt xuất hiện, vật lý học có thể phải đối mặt với một cuộc cách mạng lớn; còn nếu không, các nguyên lý hiện nay tiếp tục được củng cố.
Về lâu dài, phản hydro có thể được xem xét như nhiên liệu, vì một kilogram phản vật chất gặp một kilogram vật chất tạo vụ nổ tương đương 43 triệu tấn TNT. Mức năng lượng ấy tương đương khoảng 3.000 lần quả bom từng thả xuống Hiroshima, nhưng khả năng sản xuất hiện tại khiến viễn cảnh sử dụng còn cực kỳ xa. Với năng lực của CERN, cần khoảng 100 tỉ năm chỉ để tạo ra một gram phản hydro, nên nhân loại chưa cần vội chuẩn bị cho chuyến đi bằng nhiên liệu phản vật chất.
