Hãy tưởng tượng một thế giới giống hệt thế giới chúng ta, nhưng được tạo nên từ những nguyên tử có các hạt cấu thành mang điện tích trái dấu. Một ngôi sao, một hành tinh, thậm chí một con người như vậy có thể tồn tại về mặt lý thuyết. Thế giới ấy sẽ được cấu tạo từ phản vật chất (antimatter) — một trong những khái niệm kỳ lạ nhất của vật lý hiện đại.

Phản vật chất không phải vật chất tối, cũng không phải một dạng năng lượng bí ẩn. Nó được tạo thành từ các phản hạt tương ứng với những hạt vật chất thông thường. Chẳng hạn, electron mang điện tích âm có phản hạt là positron mang điện tích dương; proton mang điện tích dương có phản hạt là phản proton mang điện tích âm. Các cặp hạt này có cùng khối lượng nhưng khác nhau về một số tính chất, trong đó có điện tích.

Ảnh: note.com

Ý tưởng về phản vật chất xuất hiện từ lý thuyết của nhà vật lý Paul Dirac vào năm 1928, khi ông kết hợp cơ học lượng tử với thuyết tương đối hẹp. Đến năm 1932, nhà vật lý Carl Anderson phát hiện positron trong các tia vũ trụ, xác nhận rằng phản hạt không chỉ tồn tại trên giấy.

Điều khiến phản vật chất trở nên nổi tiếng là hiện tượng hủy cặp (annihilation). Khi một hạt gặp phản hạt tương ứng, chúng có thể chuyển khối lượng nghỉ và động năng thành những dạng năng lượng khác, thường gồm photon hoặc các hạt mới. Theo phương trình nổi tiếng \(E=mc^2\), khối lượng có thể tương đương với một lượng năng lượng rất lớn.

Nếu 1 gam vật chất gặp 1 gam phản vật chất và cả hai hủy cặp hoàn toàn, năng lượng giải phóng tương đương khoảng 43 kiloton thuốc nổ TNT. Tuy nhiên, đây là phép tính lý tưởng, không có nghĩa toàn bộ năng lượng sẽ dễ dàng được thu hồi hay sử dụng hữu ích.

Ảnh: ep-news.web.cern.ch

Vậy tại sao phản vật chất không xuất hiện khắp nơi? Theo các mô hình vũ trụ học hiện nay, Vụ Nổ Lớn lẽ ra tạo ra vật chất và phản vật chất với số lượng gần tương đương. Nếu chúng hủy cặp hoàn toàn, vũ trụ sẽ còn lại chủ yếu là bức xạ. Nhưng thực tế, các ngôi sao, hành tinh và sự sống đều được cấu tạo từ vật chất thông thường. Các nhà khoa học vẫn chưa giải thích đầy đủ vì sao vật chất lại chiếm ưu thế. Đây là một trong những câu hỏi lớn của vật lý hiện đại.

Ngày nay, các phòng thí nghiệm như CERN có thể tạo ra phản hạt và tổng hợp nguyên tử phản hydro từ phản proton cùng positron. Tuy nhiên, việc sản xuất cực kỳ tốn kém, số lượng thu được rất nhỏ và việc lưu trữ vô cùng khó khăn. Vì phản vật chất sẽ hủy cặp khi tiếp xúc với vật chất thông thường, các nhà khoa học phải sử dụng những chiếc bẫy điện từ đặc biệt để giữ các hạt tránh xa thành bình

Dù thường xuất hiện trong khoa học viễn tưởng như một loại nhiên liệu cho tàu vũ trụ, phản vật chất hiện chưa phải nguồn năng lượng thực tiễn. Năng lượng cần để sản xuất và giữ nó lớn hơn rất nhiều năng lượng có thể thu hồi. Giá trị lớn nhất của phản vật chất ngày nay nằm ở khả năng giúp con người kiểm tra các định luật vật lý và tìm hiểu nguồn gốc vũ trụ.

Có lẽ bí ẩn sâu sắc nhất không phải là làm sao chế tạo được nhiều phản vật chất hơn, mà là tại sao chúng ta lại tồn tại. Nếu vật chất và phản vật chất từng được sinh ra gần như ngang nhau, điều gì đã khiến một lượng vật chất nhỏ bé sống sót sau buổi bình minh của vũ trụ để tạo nên tất cả những gì chúng ta nhìn thấy?