Vật chất phản diện

Trong vật lý hiện đại, phản vật chất là dạng vật chất được tạo thành từ phản hạt, đối lập với các hạt trong vật chất bình thường. Phản vật chất có thể xuất hiện trong các hiện tượng thiên văn như tia vũ trụ và một số dạng phóng xạ, và có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm, mặc dù hiện tại chỉ có thể sản xuất được lượng rất nhỏ và chưa thể nhìn thấy bằng mắt thường do chi phí và độ khó cao.

Hành trình hình thành khái niệm

Những giả thuyết tưởng tượng

Khái niệm phản vật chất ra đời từ trí tưởng tượng của con người vào thập niên 1930. Những người yêu thích bộ phim khoa học viễn tưởng Star Trek ('Du hành giữa các vì sao') đã biết đến phản vật chất như một nguồn năng lượng siêu mạnh để đẩy tàu vũ trụ vượt qua tốc độ ánh sáng. Dù tưởng chừng như phi thuyền này không thể chế tạo, nhưng các nhà khoa học đã tìm cách biến ý tưởng này thành hiện thực thông qua việc phát hiện ra sự tồn tại của phản vật chất ở các thiên hà xa xôi và thời kỳ đầu của vũ trụ.

Những giả thuyết khoa học

Điều đáng chú ý là từ những tưởng tượng ban đầu, phản vật chất đã trở thành một khái niệm khoa học thuyết phục. Vào năm 1928, nhà vật lý Paul Dirac người Anh đã đặt ra vấn đề về cách kết hợp lý thuyết lượng tử với thuyết tương đối đặc biệt của Einstein. Qua những phép toán phức tạp, Dirac đã mở ra hướng đi mới để kết hợp hai lý thuyết này. Ông đã chỉ ra rằng nếu electron có thể mang cả điện tích dương và âm thì những lý thuyết này có thể cùng tồn tại và tương tác một cách đồng nhất.

Dirac lập luận rằng sự tồn tại của một 'đối hạt' hay 'phản hạt' của electron chỉ ra sự hình thành của một 'cặp ma quái'. Ông tin rằng mọi hạt đều có một 'đối hạt' tương ứng, với đặc tính điện tích ngược lại. Giống như proton, neutron và electron tạo nên các nguyên tử và vật chất, thì các phản proton, phản neutron, và positron (phản electron) cấu thành phản nguyên tử và phản vật chất. Điều này mở ra giả thuyết về sự tồn tại của một 'vũ trụ phản vật chất' đối lập với vũ trụ của chúng ta.

Dự đoán của Dirac đã được Carl David Anderson xác nhận qua thí nghiệm năm 1932, và cả hai nhà khoa học đều nhận giải Nobel vì thành tựu này.

Kể từ khi Anderson phát hiện ra phản vật chất, các nhà vật lý đã mở rộng hiểu biết về nó. Một khám phá quan trọng là khi vật chất và phản vật chất kết hợp, chúng sẽ tạo ra một vụ nổ khổng lồ. Sự kết hợp này tương tự như một cuộc gặp gỡ định mệnh giữa hai cặp tình nhân, dẫn đến sự hủy diệt lẫn nhau và phát ra bức xạ. Các nhà khoa học hiện nay vẫn đang tìm kiếm dấu vết của các phản thiên hà và sự phân bố của phản vật chất trong vũ trụ.

Tuy nhiên, câu hỏi lớn vẫn còn bỏ ngỏ: Tại sao vật chất và phản vật chất không hoàn toàn hủy diệt lẫn nhau? Các lý thuyết vật lý dự đoán rằng ngay sau vụ nổ Big Bang cách đây khoảng 13,8 tỷ năm, vật chất và phản vật chất phải được tạo ra với số lượng như nhau và hủy diệt lẫn nhau. Nhưng một số lượng nhỏ vật chất còn lại đã tồn tại đến ngày nay, và các nhà vật lý vẫn chưa tìm ra cơ chế chính xác giải thích sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất.

Bằng chứng về sự tồn tại của phản vật chất

Có nhiều bằng chứng chứng minh sự tồn tại của phản vật chất, với quan sát đặc biệt nhất là các vệt hạt trong buồng bọt (bubble chamber).

Vào năm 1932, Carl David Anderson thực hiện thí nghiệm và chụp được hình ảnh các cặp hạt và phản hạt gặp nhau và tiêu diệt lẫn nhau. Những hình ảnh này củng cố niềm tin vào sự tồn tại của các phản hạt, khi hạt và phản hạt tương tác sẽ biến mất và sinh ra năng lượng.

Năm 1996, Phòng thí nghiệm Fermi ở Chicago đã tạo ra 7 phản nguyên tử hydro bằng máy gia tốc hạt. Tuy nhiên, các phản nguyên tử này tồn tại trong thời gian rất ngắn và chuyển động gần tốc độ ánh sáng, nên không thể giữ lại để nghiên cứu lâu dài.

Vào tháng 10 năm 2002, Phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân châu Âu (CERN) công bố kết quả thí nghiệm ATRAP, tiếp nối thí nghiệm ATHENA, với việc tạo ra phản nguyên tử hydro từ phản proton và positron. Kết quả cho thấy positron quay quanh phản proton ở khoảng cách khá xa, dẫn đến sự không ổn định của phản nguyên tử. Để tạo ra các phản nguyên tử bền vững, cần duy trì thí nghiệm ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối (-273,15°C hay 0K), vì ở nhiệt độ cao, phản nguyên tử dễ dàng kết hợp với nguyên tử và tiêu tan.

Quá trình chế tạo phản vật chất

Positron

Vào tháng 11 năm 2008, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore công bố thành công trong việc tạo ra một lượng positron lớn hơn nhiều so với các thí nghiệm trước đây.

Phản nucleon

Phản hydro

Khả năng lưu trữ phản vật chất

Phản vật chất không thể được lưu trữ bằng các vật liệu thông thường vì nó phản ứng với bất kỳ vật chất nào tiếp xúc. Nó có thể được giữ trong chân không.

Chi phí

Theo các nhà khoa học, phản vật chất có thể là vật liệu đắt đỏ nhất mà chúng ta từng biết. Vào năm 2006, Gerald Smith ước tính rằng việc sản xuất 10 miligam positron tốn khoảng 250 triệu đô la, tương đương với 25 tỉ USD mỗi gam. Năm 1999, NASA ước tính giá của một gam phản hydro lên đến 62,5 nghìn tỷ USD. Nguyên nhân là do việc sản xuất phản vật chất rất phức tạp và chi phí cao, do chỉ có rất ít phản proton được tạo ra trong các máy gia tốc hạt. CERN ước tính cần vài trăm triệu franc Thụy Sĩ để sản xuất khoảng 1 phần tỷ gam hạt phản vật chất. So với Dự án Manhattan, với chi phí ước tính khoảng 23 tỷ đô la vào năm 2007, việc sản xuất phản vật chất là một thách thức lớn.

Một số nghiên cứu từ Viện Khái Niệm Tiên Tiến của NASA đang tìm cách sử dụng các bẫy từ để thu thập phản vật chất tự nhiên có trong vành đai Van Allen của Trái Đất và các hành tinh khí khổng lồ như sao Mộc, nhằm giảm chi phí sản xuất.

Các vật liệu khác có giá thành thấp hơn phản vật chất bao gồm Endohedral fullerene, Californi 252, Painit, Kim cương, Triti, Taaffeite, Plutoni, LSD, Ma túy đá, Bạch phiến, và Sừng tê giác.