Liệu phản vật chất có thực sự tồn tại?

Nói một cách đơn giản, các chất phổ biến của chúng ta đều là các chất dương, và các chất này đều được cấu tạo từ các nguyên tử. Một nguyên tử bao gồm một hạt nhân (bao gồm các proton và neutron) và các electron ngoài hạt nhân.

Mỗi proton trong hạt nhân mang 1 đơn vị điện tích dương và neutron không có điện tích; số lượng electron ngoài hạt nhân tương ứng với số lượng proton trong hạt nhân, nghĩa là có một electron ngoài hạt nhân cho mỗi proton và mỗi electron mang 1 đơn vị điện tích âm.

Theo cách này, điện tích dương của hạt nhân và điện tích âm của electron triệt tiêu lẫn nhau và nguyên tử tồn tại ở trạng thái trung hòa về điện.

Nếu nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử nhường bớt hoặc nhận thêm một hoặc một số electron thì chúng tạo thành hạt mang điện gọi là ion. Ion bị mất electron ngoài hạt nhân mang điện tích dương nên gọi là ion dương, ion nhận thêm electron ngoài hạt nhân mang điện tích âm nên gọi là ion âm.

Phản vật chất có thức sự tồn tại không?

Phản vật chất cũng bao gồm các nguyên tử, nhưng điện tích của hạt nhân và các electron bên ngoài hạt nhân hoàn toàn trái ngược với điện tích dương của vật chất, nghĩa là hạt nhân mang điện tích âm và các electron bên ngoài hạt nhân mang điện tích dương.

Phản vật chất và vật chất dương tồn tại độc lập, nếu chúng không gặp nhau thì sẽ không có chuyện gì xảy ra, nhưng nếu chúng gặp nhau, chúng sẽ ở trong trạng thái đối nghịch, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ và sẽ biến mất cùng nhau.

Người đoạt giải Nobel và nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã tiên đoán ngay từ năm 1928 rằng mọi hạt phải có một phản hạt tương ứng, có cùng khối lượng nhưng tính chất điện trái ngược nhau. Lượng tử spin cũng trái ngược nhau. Vì vậy, Dirac được coi là nhà khoa học đầu tiên đề xuất khái niệm phản vật chất.

Những khám phá khoa học sau này đã xác nhận dự đoán của Dirac, và phản vật chất tồn tại rộng rãi trong vũ trụ, nó tập hợp với số lượng lớn ở một số vùng đặc biệt. Trong tự nhiên xung quanh chúng ta, phản vật chất cũng tồn tại rộng rãi. Chẳng hạn như kali-40 trong cơ thể con người, đồng vị không ổn định này sẽ giải phóng positron.

Chuối cũng chứa một lượng nhỏ kali-40, một quả chuối khoảng 75 phút giải phóng một positron, mỗi ngày có thể giải phóng 19 positron.

Ngay khi các positron này được sinh ra, chúng bị triệt tiêu cùng với các electron âm trong vô số vật chất dương trong thế giới của chúng ta, vì vậy "phản vật chất" này không thể tạo ra bất kỳ sóng nào.

Trên thực tế, có 2,6875×10^19 phân tử (khoảng 2,7 tỷ) trong 1 cm khối không khí. Các phân tử khí chính trong không khí là oxy và nitơ. Mỗi phân tử oxy có 16 electron âm và mỗi phân tử nitơ có 14 electron âm.

Năm 1995, CERN đã sản xuất lô nguyên tử phản hydro đầu tiên trên thế giới trong phòng thí nghiệm; sau đó, nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tạo ra các phản hạt khác nhau, chẳng hạn như proton và positron âm; năm 2011, các nhà khoa học Trung Quốc và Mỹ đã cùng nhau sản xuất phản nguyên tử 4 heli.

Từ đó có thể thấy rằng phản vật chất thực sự tồn tại trong thế giới của chúng ta và có thể được sản xuất nhân tạo. Nhưng cho đến nay, phản vật chất do con người phát hiện và chế tạo vẫn dừng lại ở cấp độ nguyên tử hoặc hạt hạ nguyên tử, và toàn bộ mảnh phản vật chất mà mắt người có thể nhìn thấy vẫn chưa được khám phá.

Phản vật chất có bao nhiêu năng lượng?

Cho đến nay, phản vật chất là vật chất có thể bùng nổ về mặt lý thuyết với năng lượng lớn nhất và nó chỉ có thể được biến đổi theo phương trình khối lượng-năng lượng của Einstein: E=MC^2. Ở đây E là năng lượng, đơn vị là J (joule); M là khối lượng của vật chất, đơn vị là kg; C là vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị là mét.

Phương trình khối lượng-năng lượng của Einstein là một trong những khám phá vĩ đại nhất của nhân loại trong thế kỷ 20. Mặc dù công thức này rất đơn giản, nhưng nó giải thích một sự thật sâu sắc: khối lượng và năng lượng có thể chuyển hóa lẫn nhau và tương đương nhau.

Để chuyển đổi khối lượng thành năng lượng là một điều không hề đơn giản, công nghệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng lớn nhất mà con người hiện đang làm chủ là phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân. Tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng của phân hạch hạt nhân là khoảng 0,13% và tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng của phản ứng tổng hợp hạt nhân là khoảng 0,7%%.

Tỷ lệ chuyển đổi này nghe có vẻ nhỏ, nhưng trên thực tế nó có thể giải phóng năng lượng lớn đến mức đáng kinh ngạc, chẳng hạn như vụ nổ bom nguyên tử và bom khinh khí, xác minh một cách hoàn hảo rằng phương trình khối lượng- năng lượng là cực kỳ chính xác.

Sự hủy diệt của phản vật chất khi gặp vật chất dương diễn ra tức thời, đồng thời nó chuyển hóa 100% khối lượng của mọi vật chất thành năng lượng, nên nó còn được gọi là sự chuyển hóa hoàn hảo giữa khối lượng và năng lượng. Hơn nữa, 1 gam phản vật chất phải bị hủy hoàn toàn bằng 1 gam vật chất dương nên trên thực tế, kết quả của sự hủy 1 phần phản vật chất có thể thu được khối lượng năng lượng gấp đôi.

Theo phương trình khối lượng- năng lượng của Einstein, 1kg phản vật chất và 1kg vật chất dương có thể tạo ra 1,8*10^17J năng lượng khi chúng gặp nhau.

Năng lượng này là bao nhiêu? Nó tương đương với 50 tỷ kilowatt giờ điện, hay khoảng 43,02 triệu tấn năng lượng nổ. Đây là sức mạnh của hơn 3.300 quả bom nguyên tử ném xuống Hiroshima cùng lúc.

Từ đó, ta có: năng lượng hủy diệt của 1 gam phản vật chất và 1 gam dương vật chất là khoảng 50 triệu kilowatt giờ, hay sức nổ của 3,3 quả bom nguyên tử ở Hiroshima.

Phản vật chất nhân tạo đắt cỡ nào?

Có thể nói, trên thế giới không có vật chất nào đắt hơn phản vật chất. Bởi vì cho đến nay, tất cả các phản vật chất được các nhà khoa học trên toàn thế giới tạo ra trong nhiều thập kỷ vẫn ở cấp độ nguyên tử và hầu như không thể nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử mà mắt người không thể nhìn thấy.

Fermilab đã sử dụng máy gia tốc nghìn tỷ electron vôn, tiêu tốn rất nhiều tài nguyên khoa học công nghệ, năng lượng trong 26 năm và tổng lượng phản proton được tạo ra chỉ là 15 nanogam, tức là 1,5 phần 100 triệu của một gam.

Và tất cả các loại nguyên tử phản hydro hay phản proton, phản electron và phản vật chất khác được tạo ra trong tất cả các phòng thí nghiệm trên thế giới đều không vượt quá 20 nanogram.

Chi phí sản xuất phản vật chất rất lớn, bởi vì một số lượng lớn các nhà khoa học đã đốt tiền vào đó trong nhiều thập kỷ để tạo ra rất ít phản hạt. Chúng ta chỉ cần tính mức tiêu thụ năng lượng của việc sản xuất phản vật chất thì có thể thấy rằng nó rất đắt.

Một số chuyên gia đã tính toán rằng dựa trên mức tiêu thụ điện hiện tại để sản xuất phản vật chất, sản xuất 1 gam phản vật chất cần 2,5*10^16 kilowatt-giờ (kWh). Khoảng một phần tỷ gram phản hạt được sản xuất mỗi năm, với giá 80 triệu USD. Chính vì vậy, giá của nó ở mức ngất ngưởng là 62,5 nghìn tỷ USD/gram.

Do đó, không có gì trên thế giới có thể đắt hơn phản vật chất.