Những bước nhảy xuyên thời gian và không gian dường như đã trở nên quen thuộc với nhiều bạn đọc qua những bộ phim hay những cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng. Mặc dù những ý tưởng này cũng dựa trên một số giả thuyết khoa học, nhưng cũng như du hành xuyên thời gian hay dịch chuyển tức thời, chúng vẫn chỉ là những ước mơ có vẻ như còn khá xa xôi trong tương lai. Tuy nhiên, các nhà khoa học đang nỗ lực hết mình để tạo ra một chiếc tàu vũ trụ gần đạt đến đẳng cấp Star Trek – đó chính là tàu vũ trụ phản vật chất.
Không ai có thể gia tốc một vật đến tốc độ ánh sáng, tuy nhiên, phương thức vận chuyển dựa trên lý thuyết phản vật chất này có thể giúp chúng ta di chuyển nhanh hơn rất nhiều. Một động cơ vật chất – phản vật chất có thể đưa con người ra xa khỏi hệ mặt trời và đi đến những nơi mà một động cơ thông thường không thể làm nổi.
Hãy cùng đi đến thời điểm vài thập kỷ trong tương lai và khám phá sự thật về con tàu mơ ước này.
Phản vật chất là gì?
Đây không phải là một câu hỏi khó. Phản vật chất, như tên gọi của nó, là một khái niệm đối nghịch với vật chất – vật liệu chính tạo nên vũ trụ của chúng ta. Phản vật chất mới chỉ được khám phá ra trong thời gian gần đây, và sự tồn tại của nó cũng mới chỉ dừng ở mức độ lý thuyết.
Năm 1928, nhà vật lý học người Anh Paul A.M. Dirac đã xem xét lại biểu thức nổi tiếng của Einstein E = mc2, ông cho rằng, Einstein đã không tính đến trường hợp m trong biểu thức này cũng có thể có giá trị âm. Biểu thức mới của Dirac, E= + hay – mc2 cho phép tính đến sự tồn tại của các hạt phản vật chất trong vũ trụ của chúng ta. Các nhà khoa học đã dựa vào đó để chứng minh sự tồn tại của phản vật chất.
Những hạt đó, thực chất là các hình chiếu của các hạt vật chất thông thường. Mỗi hạt phản vật chất có khối lượng tương đương với các hạt vật chất song hành cùng nó, nhưng tích điện trái dấu. Sau đây là một vài hạt phản vật chất đã được tìm ra ở thế kỷ 20:
Positron: Electron với điện tích dương thay vì âm. Được tìm ra bởi Carl Anderson vào năm 1932, positron chính là bằng chứng đầu tiên cho sự tồn tại của phản vật chất.
Anti-proton: Proton tích điện âm thay vì dương. Được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1955 bởi các nhà nghiên cứu tại Berkeley Bevatron.
Anti-atom hay phản nguyên tử: Bằng cách ghép cặp positron và anti-proton, các nhà khoa học tại CERN đã lần đầu tiên tạo ra các hạt phản nguyên tử. Chính xác là đã có 9 hạt được tạo ra, và mỗi hạt chỉ tồn tại trong khoảng thời gian là 40 nano giây. Đến năm 1998, CERN đã thúc đẩy quá trình này đến mức có thể tạo ra 2000 hạt mỗi giờ.
Khi các hạt phản vật chất tiếp xúc với các hạt vật chất, những hạt đối lập nhau này sẽ va đập vào nhau để tạo ra một vụ nổ, từ đó sinh ra một bức xạ thuần túy có khả năng duy chuyển ra khỏi điểm xuất phát của vụ nổ với tốc độ ánh sáng. Tất cả những hạt tham gia vào vụ nổ này đều bị tiêu hủy hoàn toàn, để lại những hạt có cấu trúc dưới nguyên tử. Khối lượng của các hạt này đều được chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng cho vụ nổ – và các nhà khoa học tin rằng nguồn năng lượng này lớn hơn nguồn năng lượng sinh ra dưới bất kỳ hình thức hay phương pháp nào khác.
Điều gì ngăn chúng ta sử dụng nguồn năng lượng khổng lồ này? Điều đầu tiên, và cũng là quan trọng nhất: sự tồn tại của các hạt phản vật chất trong vũ trụ là cực kỳ hiếm. Nếu lượng vật chất và phản vật chất trong vũ trụ là cân bằng nhau, nhiều khả năng là chúng ta đã bị bóp vụn dưới sức ép tỏa ra từ phản ứng giữa chúng.
Rất có khả năng là số lượng các hạt vật chất đã áp đảo các hạt phản vật chất ngay từ thời điểm đầu tiên của sự hình thành vũ trụ: vụ nổ Big Bang. Như đã khẳng định ở trên, sư va đập giữa vật chất và phản vật chất sẽ tiêu hủy cả 2 thành phần này. Và bởi vật chất là thứ giờ đây chiếm ưu thế tuyệt đối trong vũ trụ – rất có khả năng chúng chỉ là những gì còn sót lại. Rất có thể, chẳng còn hạt phản vật chất tự nhiên nào sống sót cho đến ngày nay.
Chúng ta, bởi thế, phải tự mình tái sinh những hạt phản vật chất này. Các nhà khoa học tại CERN đã phát minh ra thứ công nghệ sản sinh ra phản vật chất, được đặt tên là công nghệ va đập nguyên tử. Họ tạo ra một đường hầm đủ dài với hình tròn, được lắp đặt nhiều bẫy từ trường. Khi các hạt nguyên tử được thả vào đây, chúng sẽ được gia tốc đủ lớn để đạt được tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, và khi chúng va đập vào một mục tiêu nào đó, các hạt này sẽ bị phá vỡ thành từng mảnh nhỏ, từ đó tạo ra các hạt cấu trúc dưới nguyên tử. Một trong số những hạt này sẽ bị phân tách ra bởi các bẫy từ trường.
Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có thể tạo ra khoảng 1 cho đến 2 picogram phản proton mỗi năm. 1 picogram chỉ có giá trị bằng một phần một tỷ gram. Dễ hình dung hơn, lượng phản vật chất mà CERN tạo ra mỗi năm sẽ cung cấp đủ năng lượng để thắp sáng một bóng đèn 100W trong vòng… 3 giây. Và chúng ta cần đến hàng tấn phản proton mới mong tạo ra được một con tàu có khả năng du hành xuyên không gian và thời gian.
Động cơ vật chất-phản vật chất
Nhiều khả năng, NASA sẽ chỉ mất vài… thập kỷ để phát triển một con tàu vũ trụ phản vật chất có khả năng tiết kiệm một lượng lớn nhiên liệu lỏng so với ngày nay. Tháng 10/2000, các nhà khoa học của NASA đã lần đầu tiên công bố thiết kế của một động cơ có khả năng sinh ra một lực đẩy vô cùng ấn tượng chỉ với một lượng nhỏ các hạt phản vật chất cung cấp năng lượng cho nó. Theo một báo cáo trên ấn phẩm Journal of Propulsion an Power, chúng ta chỉ cần lượng phản vật chất khoảng 1 phần 1 triệu gram là đủ cho một chuyến du hành kéo dài 1 năm lên sao Hỏa.
Động cơ vật chất-phản vậtchất sẽ trở thành thứ động cơ đạt hiệu suất cực đại, bởi 100% khối lượng của vật chất và phản vật chất đều được chuyển hóa thành năng lượng. Khi chúng va chạm, năng lượng được giải phóng ra bởi vụ nổ sẽ lớn gấp khoảng 10 tỷ lần khi so với các động cơ hóa học như oxy-hydro. Phản ứng vật chất-phản vật chất mạnh hơn phản ứng hạt nhân đến hơn 1000 lần. Đó đều là những con số rất hứa hẹn, nhưng khả năng lưu trữ, tính an toàn và sự khan hiếm nguồn phản vật chất vẫn là những rào cản rất lớn đối với chúng ta.
Một động cơ vật chất-phản vật chất cần đến sự cấu thành của ba cấu trúc chính:
Bẫy chứa từ trường: Phản vật chất cần được phân tách ra khỏi vật chất, và từ trường sẽ thực hiện điều này nhờ vào sự tích điện trái dấu giữa vật chất và phản vật chất.
Hệ thống mục tiêu: Tàu vũ trụ cần năng lượng, năng lượng được sinh ra từ các vụ va chạm giữa phản vật chất và vật chất. Hệ thống này sẽ tạo ra đích đến cho những vụ va chạm đó.
Hệ thống đẩy: Chuyển toàn bộ năng lượng được tạo ra thành một lực đẩy giúp con tàu vũ trụ di chuyển.
Sự khát khao tìm tòi và khám phá luôn là động lực lớn nhất giúp loài người phát triển. Chúng ta đã đặt chân ra ngoài Trái đất, nhưng chưa bao giờ chúng ta muốn dừng lại. Phản vật chất, dịch chuyển tức thời, du hành xuyên thời gian – liệu có một ngày tất cả những điều này sẽ trở thành hiện thực? Hãy cùng chờ vào lời giải đáp đến từ những bộ óc lỗi lạc trong tương lai.
