Gần đây các nhà nghiên cứu lần đầu tiên có thể chứng minh được rằng phản vật chất phản ứng với lực hấp dẫn giống như vật chất, một lần nữa củng cố cho thuyết tương đối rộng (bedrock theory of general relativity) của thiên tài vật lý Albert Einstein. (Nguồn: pixabay.com)
Trong thế giới của “Star Trek,” phi thuyền Enterprise bay xuyên không gian bằng cách sử dụng động cơ warp drive để khai thác phản vật chất. Tóm lại là, công nghệ như vậy vẫn còn nằm trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng.
Nhưng các khoa học gia đang có những bước tiến quan trọng nhằm hiểu rõ hơn về phản vật chất. Vào cuối tháng 9, các nhà nghiên cứu cho biết lần đầu tiên họ có thể chứng minh được rằng phản vật chất phản ứng với lực hấp dẫn giống như vật chất: rơi xuống. Thí nghiệm này một lần nữa củng cố cho thuyết tương đối rộng (bedrock theory of general relativity) của thiên tài vật lý Albert Einstein.
Tất cả những thứ mà chúng ta quen thuộc – từ hành tinh, ngôi sao, cho đến chó xù và kẹo mút – đều được tạo thành từ vật chất thông thường.
Phản vật chất (antimatter) là cặp song sinh bí ẩn của vật chất thông thường, có cùng khối lượng nhưng có điện tích trái dấu. Hầu như tất cả các hạt như electron và proton đều có bản sao phản vật chất. Trong khi các electron mang điện tích âm thì các phản electron, còn gọi là positron, mang điện tích dương. Tương tự như vậy, trong khi proton tích điện dương thì phản proton (antiproton) tích điện âm.
Theo lý thuyết hiện nay, vụ Đại Bùng Nổ (Big Bang) khởi đầu vũ trụ lẽ ra phải tạo ra lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Tuy nhiên, điều này dường như không đúng. Có vẻ như có rất ít phản vật chất – và chúng hầu như không có trên Trái Đất. Hơn nữa, vật chất và phản vật chất không tương thích với nhau. Nếu chạm vào nhau, chúng sẽ nổ tung, hiện tượng này gọi là sự hủy diệt (annihilation).
Thí nghiệm được thực hiện tại European Center for Nuclear Research (CERN) ở Thụy Sĩ bởi các nhà nghiên cứu thuộc nhóm hợp tác quốc tế Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA). Nó liên quan đến phản vật chất tương ứng của hydro, nguyên tố nhẹ nhất.
Nhà vật lý Jonathan Wurtele của University of California, Berkeley, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Trên Trái Đất, hầu hết phản vật chất xuất hiện tự nhiên đều được tạo ra từ các tia vũ trụ – các hạt mang năng lượng từ không gian – va chạm với các nguyên tử trong không khí và tạo ra các cặp phản vật chất-vật chất.”
Phản vật chất mới được tạo ra này chỉ tồn tại cho đến khi nó chạm vào một nguyên tử vật chất bình thường ở tầng khí quyển thấp hơn. Tuy nhiên, phản vật chất có thể được tổng hợp trong những điều kiện được kiểm soát, như trong thí nghiệm ALPHA sử dụng phản hydro (antihydrogen) được tạo ra tại CERN.
Antihydrogen được chứa trong buồng chân không hình trụ và bị giữ lại bằng từ trường ở cả phía trên và phía dưới. Các nhà nghiên cứu đã giảm từ trường để giải phóng phản vật chất nhằm quan sát xem nó có rơi khi có ảnh hưởng của lực hấp dẫn hay không. Nó đã hoạt động giống như hydro trong cùng điều kiện.
Nhà vật lý Joel Fajans và đồng tác giả nghiên cứu tại UC Berkeley cho biết: “Kết quả này đã được dự đoán bởi lý thuyết và các thí nghiệm gián tiếp dựa trên các hiện tượng vi tế. Nhưng chưa có nhóm nào từng thực hiện một thí nghiệm trực tiếp trong đó phản vật chất được thả rơi bình thường để xem nó sẽ rơi theo hướng nào. Thí nghiệm của chúng tôi loại trừ các lý thuyết khác buộc phản vật chất tăng lên – ‘phản trọng lực’ – trong ảnh hưởng lực hấp dẫn của Trái Đất.”
Khi Einstein phát minh ra thuyết tương đối rộng – một lời giải thích toàn diện về lực hấp dẫn – trước khi phản vật chất được phát hiện vào năm 1932, ông đã coi mọi vật chất là tương đương, nghĩa là phản vật chất sẽ phản ứng trước lực hấp dẫn giống như vật chất.
Các khoa học gia vẫn còn chưa hiểu rõ về phản vật chất bởi sự khan hiếm của nó trong vũ trụ quan sát được. Thí dụ, không có dấu hiệu nào cho thấy các thiên hà được tạo thành từ phản vật chất.
Wurtele nói: “Sự vắng mặt gần như hoàn toàn của phản vật chất trong tự nhiên là một trong những câu hỏi lớn mà của lĩnh vực vật lý.”
Khi chứng minh rằng phản vật chất và vật chất bị hút bởi lực hấp dẫn, thí nghiệm đã loại trừ một lời giải thích khả dĩ cho sự khan hiếm của phản vật chất – đó là nó bị vật chất đẩy lùi bởi lực hấp dẫn trong sự kiện Big Bang. Cuối cùng, Fajans nhận định: “Cho dù lý thuyết có hay đến đâu thì vật lý vẫn là một môn khoa học thực nghiệm.”
Lý Thuyết Văn Học Thực Hành Phê Bình