Tốc độ nhanh nhất của tàu vũ trụ hiện nay là 14km/s, danh hiệu này thuộc về tàu Voyager 1 có khả năng bay ra ngoài hệ Mặt Trời sau vài năm. Tuy nhiên, tốc độ đó không là gì so với các khoảng cách của các thiên hà trong vũ trụ, ví dụ như thiên hà Andromeda gần chúng ta nhất cũng cách Trái Đất 2,5 triệu năm ánh sáng. Vậy làm thế nào để giải quyết vấn đề này trong khả năng phát triển của con người? Câu trả lời chính là các động cơ phản vật chất cho phép tàu vũ trụ, tên lửa có thể bay quanh Trái Đất trong vòng 3 giây!
Hình ảnh phác thảo của một mẫu tên lửa phản vật chất.
Ryan Weed, CEO của công ty vũ trụ Positron Dynamics, phát biểu tại Hội nghị Wired 2015 hôm 16/10: "Tốc độ 14km/s thực sự rất chậm, nếu tính tới các khoảng cách rất xa giữa Trái Đất và các thiên thể khác trong vũ trụ. Chúng ta cần một động cơ tốt hơn rất nhiều cho các tàu thám hiểm không gian, một cách ưu việt hơn để có thể bay ra ngoài vũ trụ". Positron Dynamics là một công ty có trụ sở tại California và liên kết với nhiều công ty vũ trụ hàng không khác như SpaceX và NASA. Ryan Weed đã nhắc đến động cơ phản vật chất như một ứng viên sáng giá cho hình mẫu động cơ tên lửa và tàu vũ trụ trong tương lai.
Vậy 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. Phản vật chất bắt đầu từ trí tưởng tượng của con người ở những năm 1930. Những người hâm mộ của bộ phim khoa học giả tưởng nổi tiếng Star Trek, đã biết đến một loại phản vật chất được sử dụng giống như nhiên liệu với năng lượng cao để đẩy những chiếc tàu không gian đi nhanh hơn cả vận tốc ánh sáng. Loại phi thuyền không gian này dường như không thể thiết kế được, nhưng các nhà lý thuyết đã có khả năng biến dạng nhiên liệu tưởng tượng ấy thành hiện thực. Ý tưởng trong truyện tiểu thuyết đã trở thành hiện thực bằng việc khám phá ra sự tồn tại của phản vật chất, ở những thiên hà khoảng cách xa và ở thời nguyên sinh của vũ trụ.
Điều thú vị nhất đó là từ trong trí tưởng tượng, phản vật chất trở thành hiện thực, và mang tính thuyết phục. Năm 1928, nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đặt ra một vấn đề: làm sao để kết hợp các định luật trong thuyết lượng tử vào trong thuyết tương đối đặc biệt của Albert Einstein. Thông qua các bước tính toán phức tạp, Dirac đã vạch định ra hướng để tổng quát hóa hai thuyết hoàn toàn riêng rẽ này. Ông đã giải thích việc làm sao mọi vật càng nhỏ thì vận tốc càng lớn; trong trường hợp đó, các electron có vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Đó là một thành công đáng kể, nhưng Dirac không chỉ dừng lại ở đó, ông nhận ra rằng các bước tính toán của ông vẫn hợp lệ nếu electron vừa có thể có điện tích âm, vừa có thể có điện tích dương - đây là một kết quả ngoài tầm mong đợi.
Giải thích về phản vật chất.
Dirac biện luận rằng, kết quả khác thường này chỉ ra sự tồn tại của một "đối hạt", hay "phản hạt" của electron, chúng hình thành nên một "cặp ma quỷ". Trên thực tế, ông quả quyết rằng mọi hạt đều có "đối hạt" của nó, cùng với những tính chất tương đồng, duy chỉ có sự đối lập về mặt điện tích. Và giống như proton, neutron và electron hình thành nên các nguyên tử và vật chất, các phản proton, phản neutron, positron (còn được gọi là phản electron) hình thành nên phản nguyên tử và phản vật chất. Nghiên cứu của ông dẫn đến một suy đoán rằng có thể tồn tại một vũ trụ ảo tạo bởi các phản vật chất này. Và dự đoán của ông đã được kiểm chứng trong thí nghiệm của Carl Anderson vào năm 1932, cả hai ông đều được giải Nobel cho thành tựu ấy.
Năng lượng từ phản vật chất thu được từ một quá trình gọi là "triệt tiêu". Đây là một tính chất độc đáo của phản vật chất: khi cho phản vật chất và vật chất va chạm vào nhau, chúng sẽ tự triệt tiêu nhau và sinh ra năng lượng tinh khiết. Đây là sự chuyển đổi vật chất thành năng lượng trực tiếp nhất. Để dễ hình dung sự mạnh mẽ của động cơ phản vật chất, Weed lấy ví dụ nếu bạn có 20 hạt muối và 20 hạt "phản vật chất muối" va chạm với nhau, năng lượng tạo ra sẽ tương đương với hơn 1.800 tấn nhiên liệu tên lửa thông thường, hoặc tương đương với năng lượng mà cả thành phố London sử dụng trong một ngày. Với tốc độ của Voyager 1, cần tới 30.000 năm để tới được hệ sao này.
Với tàu vũ trụ hiện nay, du hành vũ trụ gần như là bất khả thi.
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.
Động cơ vật chất - phản vật chất 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. Tuy nhiên, công nghệ hiện nay chưa cho phép khai thác nguồn nhiên liệu này. Các hạt positron, phản vật chất của electron dự định được sử dụng, vẫn chỉ tồn tại ở trạng thái nhiệt độ rất cao, chưa thể điều khiển được. Ryan Weed giải thích: "Với công nghệ hiện nay, cứ 1.000 positron thì chỉ khai thác được một để tạo ra năng lượng, hiệu suất quá thấp. Để giải quyết vấn đề này, tôi và nhóm nghiên cứu của minh đã gửi một bằng sáng chế về một hệ thống có tên Hạ nhiệt positron sử dụng điện từ trường kết hợp với chất bán dẫn".
Liệu những chiếc tàu vũ trụ như USS Enterprise trong phim Star Trek sẽ trở thành hiện thực nhờ động cơ phản vật chất?
Mục tiêu trước mắt của Positron Dynamics là chế tạo một vệ tinh cỡ hộp đựng giày, sử dụng động cơ phản vật chất phóng vào quỹ đạo. Nếu thành công, dự án không chỉ phục vụ mục tiêu du hành vũ trụ trong tương lai, mà còn có thể giúp giảm đáng kể chi phí phóng vệ tinh lên các quỹ đạo thấp của các công ty công nghệ. Điển hình như Samsung đang có kế hoạch phóng 5.000 vệ tinh để tạo ra một hệ thống mạng băng thông rộng trên toàn cầu. 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.
