Cụm từ thú vị nhất trong khoa học, cụm từ báo trước những phát hiện mới, không phải là “Eureka!” mà là “Buồn cười thật..”
— ISAAC ASIMOV
Nếu một người không có chung niềm tin với chúng ta, ta bảo người này lập dị, thế là xong. Đó là vì ngày nay chúng ta không được hỏa thiêu người khác.
— NHÀ VĂN MARK TWAIN
Ta có thể nhận ra một người tiên phong nhờ mũi tên trồi ra từ lưng người ấy.
— TIẾN SĨ BEVERLY RUBK
Trong tiểu thuyết Angels and Demons (Thiên thần và ác quỷ), phần trước của tiểu thuyết bán chạy The Da Vinci Code (Mật mã Da Vinci) do nhà văn Dan Brown sáng tác, nhóm cực đoan Illuminati đã âm mưu thổi bay Vatican bằng một quả bom phản vật chất được đánh cắp từ CERN — phòng thí nghiệm hạt nhân nằm gần Geneva. Những kẻ chủ mưu biết rằng khi vật chất và phản vật chất gặp nhau, chúng sẽ tạo nên một vụ nổ kinh hoàng, có sức công phá gấp nhiều lần bom khinh khí. Và mặc dù bom phản vật chất chỉ tồn tại trong tưởng tượng, nhưng phản vật chất lại là thứ rất thực tế.
Dù có sức mạnh khủng khiếp nhưng bom nguyên tử chỉ có hiệu suất khoảng 1%. Chỉ một phần nhỏ urani chuyển thành năng lượng. Nhưng bom phản vật chất có khả năng biến toàn bộ vật chất bên trong nó thành năng lượng, do đó có hiệu suất vượt xa bom hạt nhân. (Khoảng 50% vật chất trong bom phản vật chất sẽ biến thành năng lượng; phần còn lại bị thổi bay ra xa dưới dạng các hạt không dò được là hạt neutrino.)
Từ lâu, phản vật chất đã là mục tiêu của nhiều nghiên cứu nghiêm túc. Tuy bom phản vật chất chưa tồn tại nhưng các nhà vật lý vẫn có thể sử dụng các cỗ máy gia tốc hạt mạnh để tạo ra một lượng nhỏ phản vật chất cho mục đích nghiên cứu.
Đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý nhận ra nguyên tử được cấu tạo từ các hạt hạ nguyên tử gồm các electron (mang điện âm) quay quanh một hạt nhân rất nhỏ (mang điện dương); hạt nhân lại được cấu tạo từ các proton (mang điện dương) và các neutron (không mang điện).
Vì vậy, giới vật lý bị sốc khi vào những năm 1930, họ biết rằng mỗi hạt đều có một hạt song sinh, được gọi là phản hạt, mang điện tích trái dấu với hạt. Loại phản hạt đầu tiên được khám phá là phản electron (hay còn gọi là positron) có điện tích dương. Positron và electron giống nhau như đúc nhưng mang điện tích trái dấu. Positron được phát hiện lần đầu tiên trong những bức ảnh chụp các tia vũ trụ được thực hiện trong buồng sương. (Dấu vết của positron rất dễ nhận ra trong buồng sương. Khi được đặt trong một từ trường mạnh, các positron chuyển động trên quỹ đạo ngược với quỹ đạo của các electron thông thường. Tôi cũng từng chụp được đường đi của phản vật chất khi còn học trung học.)
Năm 1955, máy gia tốc hạt Bevatron của Đại học California tại Berkeley đã tạo ra phản proton đầu tiên. Như mong đợi, phản hạt này giống hệt proton nhưng có điện tích âm. Về nguyên tắc, điều này cho thấy chúng ta có thể tạo ra các phản nguyên tử (với positron quay quanh phản proton). Và trên thực tế, các phản nguyên tố, hóa học phản vật chất, con người tạo thành từ phản vật chất hay thậm chí là Trái Đất phản vật chất đều khả dĩ về lý thuyết.
Hiện nay, các máy gia tốc lớn ở CERN và ở phòng thí nghiệm Fermilab gần Chicago có thể tạo ra phản hiđrô với số lượng hạn chế. (Để làm điều này, các máy gia tốc hạt phải bắn một chùm proton năng lượng cao vào một bia đích; vụ va chạm sẽ tạo ra một trận mưa các hạt cơ bản. Những nam châm mạnh sẽ tách các phản proton, sau đó các phản hạt này được đẩy xuống tốc độ rất thấp rồi cho kết hợp với các phản electron phóng xạ ra từ hạt nhân đồng vị natri-22. Khi phản electron quay quanh phản proton, chúng tạo ra phản nguyên tử hiđrô, vì hiđrô được tạo thành từ một proton và một electron.) Trong môi trường chân không hoàn toàn, các phản nguyên tử tồn tại mãi mãi. Nhưng do bị lẫn tạp chất và va chạm với thành bình chứa nên các phản nguyên tử dễ dàng va chạm với các nguyên tử thông thường; chúng phá hủy nhau, giải phóng năng lượng.
Năm 1995, CERN đã viết nên trang sử mới khi tuyên bố đã tạo được chín phản nguyên tử hiđrô. Fermilab nhanh chóng tiếp nối thành công này khi tạo ra 100 phản nguyên tử hiđrô. Về nguyên tắc, không gì có thể ngăn cản chúng ta tạo ra các phản vật chất cao hơn, ngoại trừ yếu tố chi phí. Việc tạo ra chỉ vài chục gam phản nguyên tử cũng có thể làm khánh kiệt bất cứ đất nước nào. Tốc độ tạo ra phản vật chất hiện nay vào khoảng một phần tỷ đến mười phần tỷ gam mỗi năm và có thể tăng gấp ba lần vào năm 2020. Nền kinh tế phản vật chất hiện còn rất nghèo nàn. Năm 2004, CERN phải chi tới 20 triệu đô-la để tạo ra vài phần tỷ một gam phản vật chất. Với tốc độ này, việc tạo ra chỉ một gam phản vật chất sẽ tiêu tốn tới 100 triệu tỷ đô-la và thiết bị tạo ra chúng phải hoạt động liên tục 100 tỷ năm! Điều này khiến phản vật chất trở thành thứ vật liệu quý giá nhất thế giới.
“Nếu có thể tập hợp toàn bộ phản vật chất đã tạo ra được ở CERN và cho chúng phân rã bằng cách kết hợp với vật chất, chúng ta sẽ có đủ năng lượng để thắp sáng một bóng đèn điện trong vài phút.” Một thông cáo báo chí của CERN cho biết.
Thao tác trên phản vật chất vô cùng khó khăn, vì bất cứ tiếp xúc nào giữa vật chất và phản vật chất đều dẫn đến một vụ nổ phá hủy chúng. Đặt phản vật chất trong một bình chứa làm bằng vật chất thông thường là hành động tự sát. Khi phản vật chất tiếp xúc với thành bình, chúng sẽ phát nổ. Vậy chúng ta có thể kiểm soát phản vật chất bằng cách nào nếu chúng dễ biến mất đến thế? Một phương pháp khả thi là ion hóa phản vật chất thành khí ion, sau đó nhốt chúng trong một “bẫy từ”. Từ trường sẽ ngăn cản sự tiếp xúc giữa phản vật chất và thành bình chứa nó.
Để chế tạo động cơ phản vật chất, chúng ta cần đưa một luồng hơi phản vật chất ổn định vào một buồng phản ứng; ở đây phản vật chất sẽ được kết hợp với vật chất thông thường một cách cẩn thận để tạo ra một vụ nổ có kiểm soát, giống như vụ nổ mà các tên lửa sử dụng khí đốt tạo ra. Các ion được tạo thành từ vụ nổ này sẽ phụt ra phía sau tên lửa sử dụng nhiên liệu phản vật chất, hình thành lực đẩy. Nhờ có hiệu suất khả quan trong việc biến vật chất thành năng lượng nên về lý thuyết, động cơ phản vật chất sẽ trở thành thiết kế hấp dẫn nhất cho các tàu không gian trong tương lai. Trong loạt phim Star Trek, phản vật chất là nguồn năng lượng của tàu Enterprise; động cơ tàu được nạp năng lượng bằng các va chạm có kiểm soát giữa vật chất và phản vật chất.
TÊN LỬA PHẢN VẬT CHẤT
Một trong những người ủng hộ mạnh mẽ nhất việc chế tạo tên lửa phản vật chất là nhà vật lý Gerald Smith của Đại học Bang Pennsylvania. Ông tin rằng chỉ cần một lượng khoảng bốn miligam positron là đủ để phóng một tên lửa phản vật chất lên Hỏa Tinh chỉ trong vài tuần. Cũng theo Smith, năng lượng chứa trong phản vật chất nhiều hơn khoảng một tỷ lần so với năng lượng chứa trong nhiên liệu thông thường.
Bước đầu tiên để tạo ra loại nhiên liệu này là tạo ra chùm phản proton bằng một máy gia tốc hạt, sau đó tích trữ chúng trong một “bẫy Penning” đang được Smith chế tạo. Khi đã hoàn thành, chiếc bẫy này sẽ nặng khoảng 100 kg (hầu hết khối lượng là nitơ lỏng và heli lỏng), có thể giữ được một nghìn tỷ phản proton trong từ trường. (Ở nhiệt độ rất thấp, bước sóng của phản proton dài hơn bước sóng của các nguyên tử tạo nên thành bình chứa vài lần, do đó đa số các phản proton sẽ phản xạ lại sau khi va vào thành bình thay vì bị phân rã.) Theo Smith, bẫy Penning có thể lưu trữ các hạt phản proton trong khoảng năm ngày (cho đến khi chúng bị phân hủy do va chạm với các nguyên tử vật chất thông thường) với lượng phản proton khoảng một phần tỷ gam. Mục tiêu của ông là cải tiến chiếc bẫy, giúp nó lưu trữ được một micrôgram phản proton.
Mặc dù là thứ quý giá nhất trên Trái Đất, nhưng giá thành của phản vật chất lại giảm đáng kể theo từng năm (một gam phản vật chất có giá khoảng 62,5 triệu tỷ đô-la vào năm 2008). Máy bắn hạt tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Fermi nằm gần Chicago có thể làm tăng sản lượng phản vật chất lên 10 lần, từ 1,5 lên 15 nano gam mỗi năm, nhờ đó làm giảm giá phản vật chất. Tuy nhiên, nhà nghiên cứu Harold Gerrish thuộc NASA tin rằng với những cải tiến trong thời gian tới sẽ khiến giá của phản vật chất giảm sâu hơn nữa, chỉ còn 5.000 đô-la/ micrôgam. Tiến sĩ Steven Howe thuộc công ty Synergitics Technologies ở Los Alamos, bang New Mexico cho biết: “Mục tiêu của chúng tôi là đưa phản vật chất từ địa hạt xa vời của khoa học viễn tưởng vào các lĩnh vực khai thác thương mại như vận tải và ứng dụng y học.”
Cho đến nay, các máy gia tốc hạt có thể tạo ra các hạt phản proton lại không được thiết kế chuyên biệt để thực hiện điều này nên hiệu suất của chúng rất thấp. Chúng được chế tạo chủ yếu làm công cụ nghiên cứu chứ không phải để sản xuất phản vật chất. Đó là lý do khiến Smith muốn xây dựng một máy gia tốc hạt mới, được thiết kế đặc biệt để tạo ra nhiều phản proton, từ đó giảm giá của loại vật liệu này.
Nếu giá thành phản vật chất có thể giảm sâu hơn nữa nhờ cải tiến kỹ thuật và sản xuất đại trà, Smith mơ đến một ngày các tên lửa sử dụng nhiên liệu phản vật chất trở thành phương tiện vận tải giữa các hành tinh hay du hành giữa các ngôi sao. Tuy nhiên, cho đến lúc đó thì các tên lửa phản vật chất sẽ vẫn chỉ nằm trên giấy.
PHẢN VẬT CHẤT TRONG TỰ NHIÊN
Nếu phản vật chất quá khó để tạo ra trên Trái Đất thì liệu chúng ta có thể tìm thấy nó dễ dàng hơn ngoài vũ trụ? Thật không may, công cuộc tìm kiếm phản vật chất trong vũ trụ đem lại kết quả không đáng kể — điều phần nào gây ngạc nhiên cho các nhà vật lý. Chúng ta hiện vẫn chưa thể giải thích tại sao vũ trụ lại được tạo thành chủ yếu từ vật chất chứ không phải là phản vật chất. Ta vẫn thường thừa nhận giản đơn là ở thời điểm khởi thủy của vũ trụ, vật chất và phản vật chất chiếm tỷ lệ như nhau. Do đó, sự khan hiếm của phản vật chất quả là một câu đố hóc búa.
Lời giải đáp khả dĩ nhất cho câu đố này được đưa ra lần đầu tiên nhờ Andrei Sakharov — người thiết kế nên quả bom khinh khí do Liên Xô chế tạo vào những năm 1950. Sakharov giả thiết rằng ở thời điểm vũ trụ hình thành, có một sự bất đối xứng nhỏ giữa lượng vật chất và phản vật chất. Sự phá vỡ đối xứng này được gọi là “vi phạm CP”, hiện đang là trung tâm của nhiều nghiên cứu sôi nổi. Hệ quả của giả thiết này là mọi nguyên tử được tìm thấy trong vũ trụ hiện nay chính là phần sót lại của sự phân hủy gần như tuyệt đối giữa vật chất và phản vật chất; chính Vụ Nổ Lớn đã tạo nên sự phân hủy giữa hai loại vật chất này trên bình diện vũ trụ. Phần vật chất tàn dư ít ỏi đã tạo hình nên vũ trụ khả kiến hiện nay. Tất cả các nguyên tử cấu thành cơ thể của chúng ta chính là phần sót lại của vụ va chạm khủng khiếp này giữa vật chất và phản vật chất.
Lý thuyết này bỏ ngỏ khả năng một lượng nhỏ phản vật chất có thể đang tồn tại trong tự nhiên. Nếu vậy, việc khám phá ra nguồn chứa chúng sẽ làm giảm đáng kể giá thành sản xuất ra các phản vật chất để chạy các động cơ. Về lý thuyết, những trầm tích của phản vật chất trong tự nhiên rất dễ dò thấy. Khi một electron và một phản electron gặp nhau, chúng sẽ phá hủy nhau để tạo thành tia gamma có năng lượng 1,02 MeV (mega-electron volt) hoặc hơn. Như vậy, bằng cách dò quét các tia gamma ở mức năng lượng này trong vũ trụ, chúng ta có thể tìm thấy “chỉ dấu” của phản vật chất đang tồn tại trong tự nhiên.
Thực tế, “suối nguồn” phản vật chất đã được tiến sĩ William Purcell thuộc Đại học Northwestern tìm thấy trong Dải Ngân Hà, ở vị trí không quá xa tâm thiên hà này. Dường như tại đây tồn tại một luồng phản vật chất tạo ra các bức xạ gamma có mức năng lượng đặc trưng 1,02 MeV khi chúng va chạm với khí hiđrô thông thường. Nếu lượng phản vật chất ít ỏi này thực sự tồn tại trong tự nhiên thì có thể trong vũ trụ vẫn còn những nguồn chứa phản vật chất khác chưa bị phá hủy sau Vụ Nổ Lớn.
Để tìm kiếm phản vật chất trong tự nhiên theo cách hệ thống hơn, vệ tinh PAMELA đã được phóng lên quỹ đạo vào năm 2006. Đây là dự án hợp tác giữa Nga, Ý, Đức và Thụy Điển, được thiết kế để tìm kiếm các nguồn chứa phản vật chất trong vũ trụ. Các nhiệm vụ tìm kiếm phản vật chất trước đây được thực hiện nhờ các khí cầu ở tầng cao khí quyển và tàu con thoi, nên dữ liệu thăm dò được tập hợp trong thời gian không quá một tuần. Ngược lại, vệ tinh PAMELA đã ở trên quỹ đạo hơn chín năm. “Nó là máy dò tốt nhất từng được chế tạo và chúng tôi sử dụng nó cho mục đích lâu dài.” Thành viên Piergiorgio Picozza ở Đại học Rome thuộc nhóm nghiên cứu trên cho biết.
PAMELA được thiết kế để dò tìm các tia vũ trụ phát ra từ các nguồn thông thường như vụ nổ siêu tân tinh và cả những nguồn không thường thấy như các ngôi sao được tạo nên hoàn toàn từ phản vật chất. Đặc biệt, PAMELA tìm kiếm những dấu hiệu của phản heli — phản nguyên tố có lẽ được tạo ra từ lõi của các ngôi sao phản vật chất. Hầu hết các nhà vật lý hiện nay, cũng giống như Sakharov, đều tin rằng Vụ Nổ Lớn đã khiến vật chất và phản vật chất hủy nhau gần như toàn bộ. Tuy nhiên, PAMELA lại dựa trên một giả thiết khác, theo đó không phải toàn bộ các khu vực chứa phản vật chất trong vũ trụ đều trải qua quá trình phân hủy này nên phần sót lại của chúng vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay dưới dạng các ngôi sao phản vật chất.
Nếu phản vật chất tồn tại trong không gian xa xôi, dù là với trữ lượng ít ỏi, người ta có thể “thu hoạch” chúng làm nhiên liệu cho tàu không gian. Viện nghiên cứu các Khái niệm tân tiến của NASA đã nghiêm túc cân nhắc ý tưởng thu hoạch phản vật chất từ không gian và đầu tư một chương trình thử nghiệm nghiên cứu khái niệm này. Theo tiến sĩ Gerald Jackson thuộc công ty Hbar Technologies — một trong những đơn vị dẫn đầu dự án này: “Về cơ bản, chúng tôi muốn tạo ra một tấm lưới, giống như lưới đánh cá vậy.”
Thiết bị thu hoạch phản vật chất được tạo thành từ ba lớp cầu đồng tâm, mỗi lớp được dệt từ một tấm lưới, Lưới cầu ngoài cùng có đường kính 16 km và được tích điện dương để có thể đẩy bật các proton (mang điện tích dương) tiến lại gần thiết bị và hút các phản proton (mang điện tích âm). Sau khi được lớp lưới ngoài cùng thu thập lại, các phản proton giảm tốc khi đi qua lớp cầu ở giữa, cuối cùng dừng lại khi đi vào lớp cầu trong cùng, có đường kính 100 m. Khi đó, các phản proton sẽ bị giam trong một chai từ và kết hợp với các phản electron để tạo thành phản nguyên tử hiđrô.
Jackson ước lượng các phản ứng có kiểm soát giữa vật chất và phản vật chất bên trong một phi thuyền không gian có thể cung cấp đủ nhiên liệu cho chuyến du hành xuyên Hệ Mặt Trời đến Diêm Vương Tinh, chỉ với 30mg phản vật chất. Ông cho biết thêm, chỉ 17g phản vật chất cũng đủ để đưa một tàu không gian đến hệ sao gần Hệ Mặt Trời nhất là Alpha Centauri. Jackson dự tính tàu thăm dò không gian có thể thu hoạch khoảng 80g phản vật chất đang tồn tại trong vùng không gian nằm giữa quỹ đạo của Kim Tinh và Hỏa Tinh. Tuy nhiên, sự phức tạp và chi phí phóng thiết bị thu thập phản vật chất vào không gian khiến nhiệm vụ này vẫn bất khả thi, chí ít là cho đến cuối thế kỷ này hoặc lâu hơn nữa.
Một số nhà khoa học mơ đến việc thu hoạch phản vật chất từ một thiên thạch trôi nổi ngoài không gian. (Truyện tranh Flash Gordon từng đề cập đến một thiên thạch cấu thành từ phản vật chất đi lạc trong không gian và có thể tạo ra một vụ nổ kinh hoàng nếu vô tình va vào một hành tinh.)
Nếu phản vật chất không tồn tại trong không gian, chúng ta sẽ phải đợi nhiều thập kỷ hay thậm chí là cả thế kỷ trước khi có thể sản xuất ra một lượng phản vật chất đủ lớn trên Trái Đất. Nhưng ngay cả khi các vấn đề kỹ thuật trong việc sản xuất phản vật chất được giải quyết thì khả năng các tên lửa phản vật chất có thể đưa chúng ta đến các vì sao vào một ngày nào đó hiện vẫn còn để ngỏ.
Với những hiểu biết hiện có về phản vật chất và sự phát triển có thể dự đoán được của công nghệ này, tôi sẽ xếp tàu không gian sử dụng nhiên liệu phản vật chất vào nhóm Bất khả thi loại I.
NGƯỜI KHAI SINH PHẢN VẬT CHẤT
Vậy phản vật chất là gì? Thật lạ nếu tự nhiên tạo ra các hạt hạ nguyên tử với số lượng gấp đôi chẳng với lý do thích đáng nào. Tự nhiên thường rất dè xẻn, nhưng với phản vật chất, dường như tự nhiên lại rất hào phóng và có phần lãng phí. Và nếu phản vật chất tồn tại thì phản vũ trụ có tồn tại không?
Để trả lời những câu hỏi này, chúng ta phải nghiên cứu nguồn căn của chính phản vật chất. Phản vật chất được khám phá lần đầu tiên vào năm 1928 với công trình tiên phong của Paul Dirac — một trong những nhà vật lý lỗi lạc nhất thế kỷ 20. Ông giữ ghế chủ tịch Lucas[1] tại Đại học Cambridge, vị trí từng thuộc về Newton và Stephen Hawking. Dirac sinh năm 1902. Ông mới chỉ là một chàng trai cao ráo và dẻo dai ngoài 20 khi cuộc cách mạng lượng tử bùng nổ vào năm 1925. Mặc dù ông đang học kỹ thuật điện vào thời điểm đó nhưng cơn sóng thần của lý thuyết lượng tử bất ngờ ập đến đã giành trọn sự quan tâm của ông.
Lý thuyết lượng tử dựa trên ý tưởng các hạt như electron không chỉ là các hạt mà đôi khi còn là các sóng mà phương trình Schrödinger trứ danh mô tả. (Hàm sóng của một hạt sẽ cho biết xác suất tìm thấy hạt đó tại thời điểm khảo sát.)
Nhưng Dirac nhận ra một thiếu sót trong phương trình Schrödinger: nó chỉ mô tả được các electron chuyển động ở vận tốc nhỏ. Ở vận tốc cao hơn, phương trình này không còn đúng nữa vì nó không tuân theo các định luật dành cho các vật chuyển động với vận tốc lớn, vốn là phạm vi chi phối của Thuyết tương đối của Albert Einstein.
Chàng Dirac trẻ tuổi tự đặt ra thử thách cho mình là thiết lập lại phương trình Schrödinger sao cho nó phù hợp với Thuyết tương đối. Năm 1928, Dirac đề xuất một bổ sung căn bản cho phương trình Schrödinger để phương trình này hoàn toàn tương thích với Thuyết tương đối của Einstein. Thế giới vật lý choáng váng với kết quả này. Dirac đã phát minh ra phương trình tương đối nổi tiếng dành cho electron chỉ bằng cách đưa vào một thực thể toán học bậc cao là spinor. Vậy là bỗng nhiên, một yếu tố toán học trở thành trung tâm của toàn vũ trụ. (Không giống nhiều nhà vật lý đi trước đạt được những đột phá to lớn trong vật lý hoàn toàn dựa trên những dữ liệu thực nghiệm, Dirac sử dụng chiến lược hoàn toàn ngược lại. Đối với ông, toán học thuần túy là kẻ dẫn đường tinh thông cho những đột phá vĩ đại nếu nó đủ chính xác. Ông viết: “Vẻ đẹp của một phương trình quan trọng hơn việc nhào nặn nó cho phù hợp với thực nghiệm… Nếu một người đang tiến hành công việc hướng đến vẻ đẹp toán học của một phương trình và có nhận thức đủ sâu về nó thì dường như người đó đã đi đúng hướng.”)
Trong khi phát triển phương trình mới dành cho electron, Dirac nhận ra phương trình nổi tiếng E = mc2 của Einstein không hoàn toàn chính xác. Mặc dù phương trình này được hiển thị lặp đi lặp lại trên các biển quảng cáo dọc đại lộ Madison, được in trên áo thun, xuất hiện trong phim hoạt hình hay thậm chí trên trang phục của các nhân vật siêu anh hùng, nhưng nó chỉ đúng một phần. Phương trình chính xác thực sự phải là E = ±mc2. (Dấu âm xuất hiện vì chúng ta phải lấy căn của một đại lượng cụ thể, mà căn bậc hai của một đại lượng luôn cho ra hai kết quả âm và dương.)
Nhưng các nhà vật lý ghét ý tưởng năng lượng âm. Trong vật lý, có một tiên đề cho biết các vật luôn có xu hướng chuyển về trạng thái có năng lượng thấp nhất (chính là lý do khiến nước lỏng luôn chảy về chỗ trũng). Vì vật chất luôn rơi xuống trạng thái có năng lượng thấp nhất khả dĩ nên viễn cảnh năng lượng âm trở thành một thảm họa thực sự. Điều này có nghĩa các electron rút cục sẽ nhảy xuống mức năng lượng âm vô hạn, khiến lý thuyết của Dirac không bền vững. Vì vậy, Dirac phát minh ra khái niệm “biển Dirac”. Ông hình dung tất cả các trạng thái năng lượng âm đã được lấp đầy nên một electron không thể rơi vào trạng thái năng lượng âm nữa. Nhờ vậy, vũ trụ trở nên bền vững. Hơn nữa, đôi khi một tia gamma có thể vô tình va chạm với một electron đang ở mức năng lượng âm và đẩy electron này lên trạng thái năng lượng dương. Khi đó, chúng ta sẽ thấy dường như tia gamma biến thành một electron và một “lỗ trống” xuất hiện trong biển Dirac. Lỗ trống này giống như một bong bóng trong chân không; nó mang điện tích dương và có cùng khối lượng với electron ban đầu. Nói cách khác, lỗ trống giống như một phản electron. Vì vậy, trong bức tranh này, phản vật chất chính là các “bong bóng” trong biển Dirac.
Chỉ vài năm sau tiên đoán gây sửng sốt này của Dirac, Carl Anderson đã khám phá ra phản electron (điều này mang lại cho Dirac giải Nobel Vật lý năm 1933).
Nói cách khác, phản vật chất tồn tại vì phương trình Dirac có hai lớp nghiệm, một cho vật chất và một cho phản vật chất. (Đây lại là một hệ quả của Thuyết tương đối.)
Phương trình Dirac không chỉ tiên đoán sự tồn tại của phản vật chất mà còn tiên đoán được “spin” của electron. Các hạt hạ nguyên tử có thể quay giống như một con quay. Spin của electron lại đóng vai trò cốt yếu giúp ta hiểu được dòng chuyển dời của các electron trong tranzito và chất bán dẫn — những thành tố cơ bản của lĩnh vực điện tử hiện đại.
Stephen Hawking thấy tiếc rẻ vì Dirac không đăng ký bằng sáng chế cho phương trình của mình. Ông viết: “Dirac hẳn sẽ rất giàu có nếu ông xin cấp bằng sáng chế cho phát minh của mình. Ông sẽ nhận được tiền bản quyền cho mỗi chương trình truyền hình, máy nghe nhạc Walkman, trò chơi điện tử và máy vi tính.”
Phương trình trứ danh của Dirac đã được khắc lên bia mộ của ông ở tu viện Westminster, nằm không xa mộ của Isaac Newton. Trên thế giới, đây có lẽ là phương trình duy nhất nhận được vinh dự đặc biệt này.
DIRAC VÀ NEWTON
Khi tìm hiểu quá trình Dirac tìm ra phương trình cách mạng của mình và khái niệm phản vật chất, các sử gia khoa học thường so sánh ông với Newton. Lạ thay, Dirac và Newton có nhiều điểm tương đồng. Cả hai đều đang ở độ tuổi 20 khi thực hiện các công trình có tầm ảnh hưởng bao quát tại Đại học Cambridge, đều là chuyên gia toán học và có cùng đặc điểm khác người: thiếu kỹ năng xã hội đến mức có thể xem là bệnh lý. Cả hai đều nổi tiếng là những người nói chuyện “kém duyên” và thiếu sự thanh nhã dù là đơn giản nhất. Nhút nhát đến mức cực đoan, Dirac không bao giờ mở miệng nếu không được hỏi trực tiếp, và kể cả khi đó, ông cũng chỉ trả lời đơn giản là “có”, “không” hoặc “tôi không biết”.
Dirac cũng cực kỳ khiêm tốn và chúa ghét quảng bá rùm beng. Khi được trao giải Nobel Vật lý, ông đã nghiêm túc cân nhắc việc từ chối vì sợ những rắc rối mà sự nổi tiếng mang lại. Nhưng khi hiểu ra việc từ chối giải Nobel còn gây nhiều chú ý hơn nữa, ông đành quyết định nhận nó.
Người ta đã viết nhiều về tính lập dị của Newton với nhiều giả thiết khác nhau, từ việc ông bị đầu độc thủy ngân cho đến khả năng ông có bệnh lý về thần kinh. Nhưng giả thuyết gần đây của nhà tâm lý học Simon Baron-Cohen thuộc Đại học Cambridge có thể giúp giải thích tính cách khác thường của cả Newton và Dirac. Baron-Cohen cho rằng có thể cả hai mắc Asperger — một hội chứng khá giống tự kỷ, như nhà bác học khờ trong phim Rain Man (Người đi trong mưa). Những người mắc hội chứng Asperger thường nhút nhát, vụng về trong giao tiếp xã hội và đôi khi có năng khiếu tính toán siêu hạng. Hội chứng này khác với tự kỷ ở chỗ người bệnh vẫn có thể đảm bảo các chức năng xã hội và làm việc bình thường. Nếu lý thuyết này là đúng thì có lẽ, khả năng tính toán phi thường của Newton và Dirac là một phần đánh đổi cho việc sống tách biệt với mọi người.
PHẢN HẤP DẪN VÀ PHẢN VŨ TRỤ
Sử dụng lý thuyết Dirac, giờ đây chúng ta có thể trả lời các câu hỏi: “Bản sao phản vật chất của lực hấp dẫn là gì? Liệu phản vũ trụ có tồn tại?”
Như đã thảo luận, các phản hạt luôn có điện tích trái dấu với hạt tương ứng. Những hạt không mang điện (như photon, lượng tử ánh sáng, hay graviton, hạt truyền tương tác hấp dẫn) có thể là phản hạt của chính nó. Nói cách khác, hấp dẫn và phản hấp dẫn chỉ là một thực thể vật lý duy nhất. Do đó, phản vật chất sẽ hút nhau dưới tác dụng của lực hấp dẫn giữa chúng chứ không phải là lực đẩy. (Điều này được chấp nhận rộng rãi trong giới vật lý, nhưng vẫn chưa có bằng chứng xác thực từ phòng thí nghiệm.)
Lý thuyết Dirac còn trả lời được những câu hỏi sâu xa hơn: Tại sao tự nhiên lại cho phép phản vật chất tồn tại? Liệu điều này có ngụ ý rằng phản vũ trụ cũng tồn tại?
Trong một số truyện khoa học viễn tưởng, nhân vật chính thường phát hiện ra một hành tinh giống Trái Đất ngoài vũ trụ. Thực tế, hành tinh mới này giống hệt Trái Đất, trừ việc nó được cấu tạo từ phản vật chất. Chúng ta có những người anh em song sinh phản vật chất trên hành tinh này; trẻ nhỏ và các thành phố cũng đều cấu thành từ phản vật chất. Vì các định luật của hóa học phản vật chất giống với các định luật hóa học thông thường, ngoại trừ điện tích bị đảo dấu, nên những người sống trong thế giới như vậy sẽ không bao giờ biết mình được hình thành từ phản vật chất. (Các nhà vật lý gọi các thế giới này là vũ trụ nghịch đảo điện tích hay vũ trụ C-đảo, vì trong phản vũ trụ tất cả điện tích đều đổi dấu, nhưng những thứ còn lại vẫn giống bình thường.)
Trong những câu chuyện khoa học viễn tưởng khác, các nhà khoa học lại khám phá ra một hành tinh song sinh của Trái Đất ngoài không gian xa xôi — một thế giới giống chúng ta trừ việc trật tự trái phải của mọi thứ bị đảo ngược như được nhìn từ trong gương. Quả tim của những người sống trong thế giới lạ lẫm này nằm bên phải và hầu hết mọi người lại thuận tay trái. Họ cứ sống mà không hề biết rằng thế giới của họ là một vũ trụ gương đảo ngược. (Các nhà vật lý gọi thế giới này là vũ trụ đảo ngược đối xứng trái phải hay đơn giản là vũ trụ P-đảo.)
Các vũ trụ phản vật chất và bị đảo ngược đối xứng như vậy liệu có thực sự tồn tại? Các nhà vật lý xem xét câu hỏi về các vũ trụ song sinh này rất nghiêm túc. Vì các phương trình của lý thuyết Newton và Einstein vẫn giữ nguyên dạng khi chúng ta chỉ đảo ngược điện tích của các hạt hạ nguyên tử hay đảo ngược trật tự trái phải, nên các vũ trụ C-đảo và P-đảo có thể tồn tại về mặt nguyên lý.
Nhà vật lý đạt giải Nobel, Richard Feynman, đã đặt một câu hỏi thú vị về các vũ trụ này. Giả sử một ngày nào đó, chúng ta thực hiện một cuộc điện đàm với người ngoài hành tinh ở cách xa chúng ta nhưng không thể nhìn thấy họ. Khi ấy, liệu chúng ta có thể giải thích cho họ về sự khác nhau giữa “bên trái” và “bên phải” không? Theo Feynman, nếu các định luật vật lý cho phép một vũ trụ P-đảo tồn tại, chúng ta sẽ không thể truyền đạt các khái niệm trái và phải được.
Feynman lập luận, những thứ như hình dáng cơ thể hay số ngón tay, số cánh tay và số bàn chân của một người là những thông tin dễ chuyển tải. Thậm chí, chúng ta còn có thể giảng giải cho người ngoài hành tinh các định luật hóa học và sinh học. Nhưng nếu cố giải thích cho họ các khái niệm “bên trái” và “bên phải” (hay “thuận chiều kim đồng hồ” và “ngược chiều kim đồng hồ”), chúng ta chắc chắn thất bại. Họ sẽ không bao giờ hiểu được trái tim của chúng ta nằm bên trái của cơ thể là như thế nào, Trái Đất quay theo chiều nào hay một phân tử ADN xoắn lại ra sao.
Vì vậy, khi các nhà khoa học Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo ở Đại học Columbia chứng minh định lý được chờ đợi này là sai, giới khoa học đã bị một cú sốc lớn. Bằng cách kiểm tra đặc tính tự nhiên của các hạt hạ nguyên tử, họ chỉ ra một vũ trụ P-đảo trong gương không thể tồn tại. Khi nghe được kết quả mang tính cách mạng này, một nhà vật lý đã phải thốt lên: “Chúa hẳn đã phạm sai lầm.” Với kết quả chấn động mà họ thu được, thường được gọi là công trình “đạp đổ tính đối xứng trái phải”, Dương Chấn Ninh và Lý Chính Đạo đã giành giải Nobel Vật lý năm 1957.
Đối với Feynman, kết luận này ngụ ý rằng nếu ta đang giao tiếp với những người ngoài hành tinh bằng sóng vô tuyến, ta có thể thiết kế một thí nghiệm để giúp họ hiểu được sự khác nhau giữa vũ trụ thuận trái và thuận phải chỉ bằng chính sóng vô tuyến. (Chẳng hạn, các electron phát ra từ đồng vị phóng xạ coban-60 không quay thuận chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ theo số vòng bằng nhau, mà thực tế spin của các electron này chỉ quay theo một hướng ưa thích xác định, do đó tính đối xứng trái phải bị phá vỡ.)
Từ đó, Feynman mường tượng cuộc gặp mặt lịch sử giữa người ngoài hành tinh và loài người. Chúng ta đề nghị những người ngoài hành tinh đưa tay phải ra để bắt tay chào mừng. Nếu họ thực sự đưa tay phải ra, chúng ta biết mình đã thành công trong việc truyền đạt cho họ khái niệm “trái-phải” và “thuận chiều-ngược chiều kim đồng hồ.”
Nhưng Feynman cũng đặt ra suy nghĩ ngược lại. Nếu những người ngoài hành tinh đưa tay trái ra thay vì tay phải thì sao? Điều này có nghĩa chúng ta đã phạm phải một sai lầm nghiêm trọng là không chuyển tải được đến họ các khái niệm “trái” và “phải”. Tệ hơn cả, điều này chứng tỏ họ thực sự được tạo thành từ phản vật chất và trong các thí nghiệm trước đây mà chúng ta hướng dẫn họ thực hiện, ý nghĩa “trái” và “phải” đã bị lẫn lộn. Vậy là cái bắt tay với những người ngoài hành tinh này sẽ dẫn đến một vụ nổ tan xác!
Đó là hiểu biết của chúng ta cho đến thập niên 1960. Chúng ta không thể chỉ ra sự khác biệt giữa vũ trụ của chúng ta với một vũ trụ được tạo thành từ phản vật chất và có tính trái phải bị đảo ngược. Nếu ta đảo ngược đồng thời tính trái-phải và điện tích của vũ trụ thì vũ trụ mới sẽ vẫn tuân theo các định luật vật lý thông thường. Bản thân đối xứng trái phải bị phá vỡ, nhưng đối xứng kết hợp giữa tính trái phải và điện tích lại phù hợp với vũ trụ đảo ngược. Vì vậy, vũ trụ CP-đảo vẫn có khả năng tồn tại.
Điều này ngụ ý rằng nếu chúng ta nói chuyện với người ngoài hành tinh bằng điện đàm, chúng ta không thể giúp họ phân biệt sự khác nhau giữa vũ trụ thông thường và một vũ trụ đảo ngược cả tính trái-phải và điện tích (tức là bên trái và bên phải đổi chỗ cho nhau và tất cả vật chất được chuyển thành phản vật chất).
Rồi đến năm 1964, các nhà vật lý lại nhận thêm cú sốc thứ hai: vũ trụ CP-đảo không thể tồn tại. Bằng cách nghiên cứu tính chất của các hạt hạ nguyên tử, chúng ta vẫn phân biệt được sự khác nhau giữa trái-phải, thuận chiều-ngược chiều kim đồng hồ nếu ta đang giao tiếp bằng sóng vô tuyến với một vũ trụ CP-đảo khác. Nhờ kết quả này, James Cronin và Vai Fitch được trao giải Nobel năm 1980.
(Mặc dù nhiều nhà vật lý cảm thấy thất vọng khi vũ trụ CP-đảo được chứng minh là thiếu nhất quán với các định luật vật lý, nhưng như tôi đã đề cập, phát hiện này lại là một điều tốt. Nếu vũ trụ CP-đảo khả dĩ thì Vụ Nổ Lớn hẳn đã khiến vật chất và phản vật chất hủy nhau hoàn toàn và các nguyên tử tạo nên chúng ta không tồn tại được! Thực tế là chúng ta vẫn tồn tại dưới dạng tàn tích của sự phân hủy các lượng giữa vật chất và phản vật chất không bằng nhau là bằng chứng cho thấy CP không thể tồn tại.)
Vậy có phản vũ trụ nghịch đảo khả dĩ nào khác không? Câu trả lời là có. Thậm chí nếu các vũ trụ nghịch đảo tính trái-phải và nghịch đảo điện tích là thiếu tính thực tế, thì một phản vũ trụ khác vẫn có khả năng tồn tại, nhưng nó thực sự là một vũ trụ lạ lẫm. Nếu chúng ta thực hiện nghịch đảo đồng thời điện tích, tính trái phải và dòng chảy thời gian, thì vũ trụ được tạo thành vẫn tuân theo tất cả các định luật vật lý đã biết. Và như vậy, vũ trụ CPT-đảo được phép tồn tại.
Nghịch đảo thời gian là một đối xứng kỳ cục. Trong một vũ trụ T-đảo, trứng rán sẽ nhảy khỏi đĩa để trở lại chảo, sau đó trở về trạng thái lỏng nguyên bản rồi chảy vào vỏ trứng, các vết nứt trên vỏ sẽ tự liền lại để trở thành quả trứng lành lặn ban đầu. Những bộ hài cốt sẽ sống dậy, trẻ hóa, trở lại hình hài em bé rồi nhảy vào bào thai của người mẹ.
Theo cảm quan thông thường, một vũ trụ T-đảo không thể tồn tại. Nhưng các phương trình toán học mô tả các hạt hạ nguyên tử lại cho ra kết quả khác. Các định luật của Newton vẫn hoạt động hoàn hảo dù ở thời gian tiến hay lùi. Hãy tưởng tượng chúng ta đang ghi hình một trận bida. Mỗi va chạm của các viên bi đều tuân theo các định luật Newton về chuyển động. Việc chạy lại cuộn băng nghe có vẻ lạ kỳ, nhưng những chuyển động như vậy không vi phạm các định luật Newton.
Trong lý thuyết lượng tử, mọi thứ còn phức tạp hơn nữa. Đối xứng T-đảo vi phạm các định luật của cơ học lượng tử, nhưng vũ trụ có đối xứng đầy đủ CPT-đảo lại tuân theo chúng. Điều này có nghĩa một vũ trụ đảo ngược trật tự trái-phải, có vật chất biến thành phản vật chất và thời gian trôi lùi là một vũ trụ nhất quán triệt để với các định luật vật lý!
(Điều đáng tiếc là chúng ta không thể liên lạc với một thế giới CPT-đảo như vậy. Nếu thời gian trôi ngược trên hành tinh của họ thì mọi thứ mà chúng ta trao đổi với họ qua điện đàm sẽ là một phần của tương lai, nên họ sẽ quên hết mọi thứ ngay khi chúng ta vừa nói với họ. Vì vậy, thậm chí dù cho vũ trụ CPT-đảo không bị các định luật vật lý bác bỏ, chúng ta cũng không thể nói chuyện qua điện đàm với bất cứ người ngoài hành tinh nào sống trong vũ trụ CPT-đảo.)
Tóm lại, các động cơ phản vật chất có thể mang lại cho chúng ta khả năng thực tế để nạp nhiên liệu cho một tàu liên sao trong tương lai xa, nếu chúng ta có đủ lượng phản vật chất được chế tạo trên Trái Đất hoặc tìm thấy ngoài không gian. Gữa vật chất và phản vật chất có một sự mất cân bằng nhỏ do vi phạm CP; điều này ngụ ý rằng ở đâu đó trong vũ trụ vẫn có các nguồn chứa phản vật chất mà chúng ta có thể thu hoạch.
Nhưng do những khó khăn kỹ thuật liên quan đến những động cơ chạy nhiên liệu phản vật chất nên chúng ta phải mất ít nhất một thế kỷ hoặc hơn để phát triển công nghệ này. Do đó, chúng được xếp vào nhóm Bất khả thi loại I.
Nhưng giờ hãy thử bàn đến một số câu hỏi khác: Tàu liên sao chuyển động nhanh hơn ánh sáng có khả thi trong vài nghìn năm tới hay không? Liệu tuyên bố nổi tiếng của Einstein rằng “không có thứ gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng” có lỗ hổng nào không? Ngạc nhiên thay, câu trả lời cho các câu hỏi này là có.
❀ ❀ ❀
[1] Cách gọi vị trí giáo sư Toán học của Đại học Cambridge.
