Khi anh em xem những bộ phim có chủ đề du hành vũ trụ như Star Wars, Star Trek thì sẽ thấy các con tàu không gian luôn được trang bị các loại động cơ anti-matter vô cùng hiện đại, có khả năng đưa tàu lao đi với vận tốc còn nhanh hơn cả ánh sáng. Dù chỉ là phim khoa học viễn tưởng nhưng các công nghệ này có cơ sở khoa học hẳn hỏi nha anh em. Vậy thì liệu loài người có thể tạo ra động cơ anti-matter hay không, mời anh em cùng mình du hành đến tương lai vài chục năm sau nhé.

Anti-matter là gì, liệu chúng có thật sự tồn tại?

Các nhà khoa học định nghĩa anti-matter (tiếng Việt được gọi là phản vật chất) là một thứ trái ngược, đối lập với … vật chất bình thường. Trong những năm qua, anti-matter chỉ được xem là tồn tại trên lý thuyết và các nhà khoa học vẫn đang tích cực chứng minh sự tồn tại của nó. Tất nhiên khái niệm anti-matter không tự nhiên mà có nhé. Vào năm 1928, một nhà vật lý người Anh có tên Paul A.M. Dirac đã mạnh dạn sửa lại phương trình E=mc2 của Einstein. Dirac nói rằng chữ “m” hay khối lượng trong phương trình của Einstein cũng có khối lượng âm và khối lượng dương. Vì vậy, Dirac viết lại phương trình đã giúp định hình bộ môn vật lý hiện đại thành E= ± mc2 . Dấu trừ trong phương trình của Dirac sẽ cho phép các hạt anti-matter tồn tại.

Trong thế kỷ 20, chúng ta đã có nhiều bằng chứng về sự tồn tại của anti-matter, trong đó có kể thể đến:

  • Hạt Positron được Carl Anderson phát hiện vào năm 1932. Đây là hạt electron mang điện tích dương thay vì điện tích âm như bình thường.
  • Hạt Anti-proton được tạo ra bằng máy gia tốc hạt Bevatron vào năm 2955. Đây là hạt proton mang điện tích âm thay vì điện tích dương như bình thường.
  • Hạt Anti-atom được Hội đồng Nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) tạo ra. Đây là một hạt “phản nguyên tử” được tạo ra từ hạt positron và anti-proton. Có 9 hạt anti-atom của khí Hydro đã được tạo ra và tồn tại trong khoảng 40 nano giây. Đến năm 1998 thì các nhà nghiên cứu của CERN có thể tạo ra 2000 hạt anti-atom mỗi giờ.

Lý do các hạt anti-matter chỉ tồn tại trong khoảng thời gian vô cùng ngắn là vì ngay khi gặp một hạt bình thường thì hai hạt va chạm với nhau, tạo ra một vụ nổ và phát ra bức xạ tính khiết. Sau vụ nổ thì cả hai hạt đều bị hủy diệt và biến mất hoàn toàn, phần khối lượng của hai hạt thì chuyển thành năng lượng. Các nhà khoa học tìn rằng vụ va chạm của hạt anti-matter với hạt bình thường có thể tạo năng lượng lớn hơn tất cả các phương pháp tạo ra năng lượng mà còn người đang sử dụng.

Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất là không có hạt anti-matter tồn tại trong vũ trụ. Có thể các hạt anti-matter “tự nhiên” đã tan biến ngay sau vụ nổ Big Bang vì bị vật chất bình thường lấn át số lượng. Tuy nhiên, vào năm 1977, các nhà khoa học khám phá ra rằng có thể vẫn còn tồn tại một lượng anti-matter ở trung tâm của dải ngân hà. Dù chúng có thật hay không thì loài người vẫn khó mà khai thác chúng ở rất xa và chúng ta phải tự tạo ra anti-matter cho riêng mình.

Hiện nay, CERN chỉ có thể tạo ra vài pico gram hạt anti-proton, mà mỗi pico gram chỉ nặng bằng một phần nghìn tỷ gram thôi. Tất các các hạt anti-proton được tạo ra trong một năm chỉ đủ sức thắp sáng một bóng đèn 100W trong vỏn vẹn 3 giây. Còn muốn du hành vào không gian và đi đến các vì sao mới thì phải tạo ra cả tấn hạt antiproton mới đủ anh em ạ.

Vấn đề của động cơ anti-matter

Trên thực tế, nếu động cơ anti-matter xuất hiện thì cũng không thể giúp các con tàu không gian bay nhanh hơn tốc ánh sáng nhé anh em, các định luật vật lý ngăn chúng ta làm điều này. Nếu động cơ anti-matter có thật thì nó chỉ có thể giúp chúng ta đi chuyển nhanh hơn so với các loại động cơ phản lực, tên lửa đang được sử dụng ngày nay. Vào năm 2000, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã công bố những thiết kế đầu tiên cho động anti-matter có thể tạo ra lực đẩy cực lớn chỉ với một lượng anti-matter cực nhỏ. Lượng anti-matter cần thiết để di chuyển đến sao Hỏa chỉ bằng vài phần triệu gram.

Đây sẽ là một động cơ có hiệu suất tốt nhất từ trước đến nay vì 100% khối lượng của hạt anti-matter đều biến thành năng lượng. Nếu cần so sánh thì khi hạt anti-matter va chạm với vật chất bình thường sẽ tạo ra năng lượng mạnh gấp 10 tỷ lần lượng năng lượng phát ra từ việc đốt khí Hydro và Oxy thường được dùng trên tàu con thoi hiện nay, gấp 1000 lần so với phản ứng phân hạch hạt nhân trong các nhà máy điện hạt nhân và gấp 300 lần so với một vụ nổ hạt nhân.

Dù có tiềm năng lớn nhưng các động cơ anti-matter vẫn còn 3 vấn đề lớn cần phải giải quyết trước khi chúng có thể hoạt động. Đầu tiên là vấn đề lưu trữ, các hạt anti-matter phải được tách riêng ra khỏi vật chất bình thường để chúng không biến mất trước lúc cần dùng. Trong các cỗ máy gia tốc hạt được CERN sử dụng có một đường hầm cực dài có từ trường cực mạnh giúp các hạt di chuyển nhanh gần bằng vận tốc ánh sáng. Khi một hạt nhân đạt đến tốc độ cần thiết thì người ta sẽ cho nó va vào một một mục tiêu. Cú va chạm sẽ tạo ra nhiều loại hạt khác nhau, trong đó có cả hạt anti-matter rồi người ta dùng từ trường để tách các hạt này ra. Như vậy, chúng ta phải giữ hạt anti-matter liên tục di chuyển cực nhanh trong một ống từ trường, một việc ở mặt đất có đầy đủ thiết bị còn khó làm.

Tiếp theo là hệ thống cung cấp nhiên liệu, khi cần tăng tốc thì phải có sẵn anti-matter để cung cấp vào động cơ ngay lập tức chứ không thể đợi như các trung tâm nghiên cứu ở dưới mặt đất. Và cuối cùng là cần một hệ thống có thể biến năng lượng từ vụ nổ thành lực đẩy giúp con tàu tiến về phía trước. 

Với những thử thách như vậy thì loài người cần thêm vài chục năm nữa mới có thể tạo ra những con tàu vũ trụ sử dụng động cơ anti-matter và thực hiện giấc mơ khám phá vũ trụ bao la ngoài kia anh em ạ.

Nguồn: How Stuff Work