Bản in

Khoa học

Thứ Ba, 18/8/2009 17:27

Những điều ít biết về phản vật chất

Những điều ít biết về phản vật chất

(GD&TĐ) - Thời gian gần đây, bộ phim "Thiên thần và ác quỷ" dựa theo tiểu thuyết của tác giả lừng danh Dan Brown được trình chiếu đã thu hút nhiều sự quan tâm của khán giả khắp thế giới. Ngoài việc "đào bới" những bí ẩn ở Vatican, diễn biến bộ phim còn xoay quanh vấn đề phản vật chất.
Hình ảnh tưởng tượng về hệ thống động cơ phản vật chất
Hình ảnh tưởng tượng về hệ thống động cơ phản vật chất

*Phản vật chất ở lẫn với chúng ta

Phản vật chất không phải là thứ mà người ta tưởng tượng ra và xa lạ với chúng ta. “Đối nghịch” của điện tử là hạt prositron và “đối nghịch” của các hạt quark là phản quark vẫn liên tục hình thành xung quanh chúng ta. Dù chúng ta có muốn hay không thì phản vật chất vẫn “bao vây” chúng ta.

Trong khí quyển, ở độ cao chừng 15km, các phản hạt hình thành do kết quả của việc bức xạ vũ trụ bắn phá liên tục các hạt nhân nguyên tử các khí. Những hạt nhân nguyên tử bị trúng các “viên đạn vũ trụ” năng lượng cao lập tức phân rã, đôi lúc chúng tạo ra các hạt mesone, tức là những hạt cấu tạo từ quark và phản quark. Mặc dù các mesone không tồn tại được lâu, chỉ từ 10-17 (mười mũ âm mười bảy) cho đến 10-8 (mười luỹ thừa âm tám) giây, nhưng đôi khi chúng cũng đến được bề mặt trái đất. Điều này xảy ra bởi vì các mesone chuyển động rất nhanh, với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Đối với vật chuyển động nhanh như vậy thì thời gian trôi chậm hơn. Do đó, “đồng hồ bên trong” mesone chạy rất chậm và hạt mesone kịp vượt qua hơn chục kilômet trước khi nó tự phân huỷ.

Phản vật chất cũng hình thành dưới chân chúng ta. Trong vỏ trái đất có nhiều nguyên tố bức xạ: Một số phản ứng phân rã dẫn đến việc hình thành “phản điện tử”, tức là positron.

Phản hạt khác với “đối tác - hạt” của nó, trước hết là ở điện tích, tính lạ và isospin.

*Đắt hơn vàng

Phản vật chất rất đắt. Đắt hơn vàng tới vài trăm tỷ lần! Nguyên do là để tạo ra nó, cần có những cỗ máy khổng lồ, tiêu tốn lượng năng lượng khổng lồ để tạo gia tốc cho các hạt đạt tới vận tốc cực lớn, rồi sau đó “tóm lấy” một số ít “mảnh vụn” phản vật chất.

Ước tính, để tạo ra một gam phản vật chất, cần chi phí hàng tỷ USD. Hơn nữa, giá thành cao mới chỉ là một mặt của vấn đề. Mặc dù từ năm 1955, năm các nhà khoa học tạo ra phản hạt đầu tiên (phản proton), số lượng phản vật chất tạo ra hàng năm tăng theo cấp số nhân, nhưng chúng ta vẫn tiếp tục ở trong tình trạng mỗi năm chỉ tạo ra được vài ba nanô gam phản vật chất!

Máy chụp cắt lớp PET sử dụng tia Positron
Máy chụp cắt lớp PET sử dụng tia Positron

*Không phải lúc nào cũng nguy hiểm

Trong điện ảnh và sách, phản vật chất được giới thiệu như một thứ vật liệu nổ lý tưởng. Thực sự thì không thể tìm được vật liệu khác tốt hơn, bởi lẽ trong thời gian tiếp xúc của phản vật chất với vật chất xảy ra hiện tượng huỷ diệt hoàn toàn (Canililation) – nghĩa là hiện tượng khối lượng biến thành năng lượng. Lượng năng lượng có thể dễ dàng tính được từ công thức nổi tiếng: E = mc2 (năng lượng bằng khối lượng nhân với bình phương vận tốc ánh sáng). Vì rằng vận tốc ánh sáng là không nhỏ, cho nên lượng năng lượng mà chúng ta có cũng khá nhiều. Một kilôgam vật chất trộn với một kilôgam phản vật chất cho năng lượng tương đương với nụ nổ của 47 triệu tấn thuốc nổ TNT.

Tuy nhiên, không phải lúc nào phản vật chất cũng nguy hiểm. Chỉ có một số loại phản vật chất mới có thể gây nhiễu loạn trong thế giới của chúng ta. Lý do là mỗi hạt vật chất đều có phản hạt tương ứng và chỉ khi cặp hạt “tương thích” này gặp nhau thì mới xảy ra hiện tượng huỷ diệt hoàn toàn. Toàn bộ thế giới của chúng ta được cấu thành chủ yếu từ vài ba loại hạt – proton, neutron, điện tử và quang từ (hạt photon). Để xảy ra huỷ diệt hoàn toàn, proton, neutron hoặc điện tử phải gặp được phản hạt của mình. Điều này không liên quan đến hạt photon bởi vì (thật ngạc nhiên) bản thân hạt photon cũng là phản hạt của chính nó và nó không “quan tâm” đến hiện tượng huỷ diệt hoàn toàn!

*Tham gia vào việc chữa bệnh

Phản vật chất được sử dụng vào một trong những kỹ thuật chẩn đoán bệnh hiện đại nhất. Đó là máy chụp cắt lớp sử dụng tia positon gọi tắt là PET. Kỹ thuật này cho phép theo dõi hoạt động của từng cơ quan nội tạng bệnh nhân.

Để tiến hành kỹ thuật PET, người ta đưa chất có chứa nguyên tố phóng xạ với chu kỳ bán rã ngắn vào gần cơ quan nội tạng cần xét nghiệm. Nguyên tố phóng xạ phải có phân rã dạng bê ta cộng, mà kết quả của nó là bức xạ positon tức là phản điện tử. Positron chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn và sau khi vượt qua quãng đường vài ba milimét, nó gặp điện tử và xảy ra hiện tượng huỷ diệt hoàn toàn. Trong lúc này xuất hiện hai photon luôn bay về hai phía ngược nhau. Các thiết bị dò tìm đặt xung quanh cơ thể bệnh nhân ghi lại rõ ràng thời gian mỗi cặp photon chạm vào thiết bị. So sánh các khoảng thời gian này, máy tính sẽ biết được vị trí xảy ra hiện tượng huỷ diệt hoàn toàn và trên cơ sở đó tạo ra bức tranh toàn thể về phân rã đồng vị bên trong cơ thể bệnh nhân. Từ đó, các bác sĩ nhận được khá nhiều thông tin bởi lẽ các tế bào tổng hợp các chất theo các cách khác nhau tuỳ thuộc vào trạng thái tế bào.

Tuy nhiên, chẩn đoán không phải là ứng dụng duy nhất của phản vật chất vào y học. Từ 6 năm nay, tại trung tâm CERN (Mỹ) đã có những nghiên cứu gọi là Antiproton Cell Experiment. Mục đích của những nghiên cứu này là sử dụng chùm tia phản proton để tiêu diệt các tế bào ung thư. Các nhà khoa học thấy rằng, tia phản proton hoạt động hiệu quả hơn tia vật chất thông thường.

* Trước đây mới thật là nhiều phản vật chất

Vũ trị ngày nay chỉ chứa phần còn lại khá ít ỏi phản vật chất. Cần nhớ rằng cách đây chưa lâu khoảng 13,7 tỷ năm về trước, phản vật chất đã từng phổ biến, gần như là vật chất. Tuy nhiên, hiện tượng đó không tồn tại lâu mà chỉ trong vẻn vẹn 15 giây! Sau vụ nổ lớn, vũ trụ được lấp đầy bởi bức xạ. Ngay lập tức, các lượng tử bức xạ biến đổi thành cặp hạt - phản hạt. Đến khi nhiệt độ hơi giảm một chút, bắt đầu diễn ra hiện tượng huỷ diệt hoàn toàn – các cặp hạt lại biến đổi thành bức xạ. Nếu như tất cả diễn ra trong một trật tự nghiêm ngặt, thì ngày nay không còn gì ngoài bức xạ thuần tuý, bởi vì toàn bộ vật chất vũ trụ trong vòng 15 giây đầu tiên sau vụ nổ lớn chuyển thành năng lượng.

Tuy nhiên, đã xảy ra một điều bất thường – đó là cứ trong một tỷ hạt vật chất thì có một hạt không có phản hạt tương ứng. Vì vậy, sau “cuộc huỷ diệt vĩ đại”, trong vũ trụ còn lại rất nhiều năng lượng và một phần tỉ số vật chất ban đầu. Từ tỷ lệ một phần tỉ này đã hình thành nên toàn bộ vũ trụ ngày nay.

Tại sao lại xảy ra như vậy? Đó là một trong những thách đố lớn đối với Vật lý học.

* Vẫn còn quá ít

Phản vật chất có năng lượng tiềm ẩn rất lớn. Nó là thứ nhiên liệu lý tưởng. Hiệu suất của nó bằng 10 tỷ lần hiệu suất của xăng. Ước tính, một phần triệu gam phản vật chất đủ để cung cấp năng lượng cho chuyến bay lên sao Hoả kéo dài trong 1 năm.

Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa biết cách tạo ra phản vật chất khác so với phương pháp cho các nguyên tử có vận tốc khổng lồ va chạm nhau. Những “nhà máy sản xuất phản vật chất” như thế rất đắt tiền và có hiệu suất rất thấp. Hơn nữa, “những thứ phản vật chất” do chúng ta tạo ra, rất khó lưu giữ. Các nhà khoa học sử dụng cái gọi là bẫy Penning – đó là thiết bị tạo ra điện trường và từ trường mạnh để giữ phản hạt. Vấn đề là ở chỗ các phản hạt ở trong bẫy không nhiều, bởi vì khi bẫy trở nên chật chội, các phản hạt bắt đầu đẩy lẫn nhau, và lực đẩy càng ngày càng mạnh và cuối cùng chúng chạy ra khỏi bẫy. Hiện tại, chúng ta chỉ có thể giữ được trong bẫy không quá 1012 (mười luỹ thừa mười hai) phản hạt trong thời gian vài ba giờ, nghĩa là chỉ giữ được không quá một phần tỉ gam phản vật chất.

Phùng Thu Nguyệt (Theo Sience)

Tin tiêu điểm