Vậy ra có một thứ mang tên "phản vật chất". Có lẽ bạn đã từng nghe qua về chúng. Chúng trông giống như các hạt vật chất thông thường, với tất cả điểm giống nhau về đặc tính cũng như khả năng tạo ra các nguyên tử và phân tử, ngoại trừ một khác biệt chủ yếu: Chúng có điện tích trái dấu. Lấy các hạt electron làm ví dụ. Khối lượng khoảng 9.11 x 10-31 kg. Spin lượng tử là 1/2. Điện tích -1.6 x 10-9 coulombs.

Nó có một con quỷ song sinh là hạt positron, phản vật chất của electron. Hạt positron có khối lượng khoảng 9.11 x 10-31 kg. Spin lượng tử là 1/2. Và điện tích… 1.6 x10-9 Coulombs.

Điều đó tương tự với mọi hạt vật chất khác ngoài kia. Đều có một người em song sinh bóng tối của hạt quark đỉnh, hạt nơtrinô, hạt muon và nhiều loại hạt khác. Tất cả các hạt cơ bản cấu thành cuộc sống thường ngày của chúng ta đều có một người anh em, sinh sống chỉ ở phía bên kia hàng rào điện tích.

Tất cả diễn ra tốt đẹp, tuyệt diệu và không vấn đề gì, chỉ trừ một chuyện, mà điều đó là một điểm nhỏ trong một vấn đề lớn. Theo như chúng ta có thể hiểu trên lý thuyết và quan sát trên thực nghiệm, không những các hạt vật chất và phản vật chất luôn song hành như thế, chúng còn mang tính đối xứng. Mỗi hạt vật chất thông thường sản sinh trong các phản ứng đều đến song hành cùng với người anh em phản vật chất của chúng.

Chỉ có một kết luận: Vũ trụ của chúng ta đang bơi cùng với những hạt phản vật chất, tồn tại thành từng phần đồng đều với các vật chất thông thường. Toàn bộ các hành tinh, sao và các thiên hà đều cấu thành từ các hạt phản vật chất. Hoặc chí ít thì, lượng lớn các hạt phản vật chất trôi nổi trong không gian, chỉ quan tâm đến chính nó.

Nhưng khi các hạt vật chất và phản vật chất gặp nhau, đó là một điều tồi tệ. Cũng như các cặp vật chất - phản vật chất sản sinh với tính đối xứng hoàn hảo trong các dạng tương tác cơ bản, chúng đồng thời bị huỷ hoại một cách đối xứng. Khi một hạt vật chất gặp gỡ và bắt tay với người bạn thân thiết phản vật chất của mình, chúng sẽ có kết cục như chính bộ phim Butch Cassidy and the Sundance Kid: ra đi cùng ngọn lửa của vinh quang.

Mọi loại hạt kết hợp đều chuyển hóa thành năng lượng, thông thường dưới dạng bức xạ gamma năng lượng cao.

Các hạt electron và người anh em phản vật chất song hành của chúng - positron, tương tác xung quanh một sao neutron. (Image: © NASA's Goddard Space Flight Center).

Sự hỗn loạn của các lực tương tác

Chúng ta không thể thấy dấu hiệu lượng lớn các hạt phản vật chất trôi nổi tự do trong vũ trụ, bởi chúng ta không thể thấy kết quả sự huỷ hoại không thể tránh được khi gặp các hạt thông thường. Vũ trụ được lấp đầy những vật chất thường xuyên tương tác lẫn nhau. Các hạt năng lượng cao bay vụt qua vài năm ánh sáng. Các cột phun vật chất thoát khỏi thiên hà và những thứ mới trượt vào trong. Những ngôi sao va chạm vào nhau. Trong vũ trụ của chúng ta, vật chất hoà trộn lẫn nhau mọi lúc. Nếu có một lượng thành phần các hạt phản vật chất, vũ trụ sẽ trở nên mãnh liệt rất nhiều… hơn cả bây giờ.

Vậy nên, nếu các hạt phản vật chất không còn ở đây chúng đã biến mất nơi đâu?

Một khả năng cho rằng vũ trụ chúng ta lúc sinh ra đã như thế, với lượng lớn các hạt vật chất và cực kì thiếu các hạt phản vật chất. Trong khi chắc chắn đó là một lời biện hộ, không phải là một cách giải thích. "Đó chỉ là cách nói hiển nhiên, theo dân gian" không phải là lập luận thuyết phục nhất trong khoa học. Vậy nên, thay vì nói như thế, ta hãy chuyển sang ý kiến khác, với những cách tiếp cận vấn đề hiệu quả hơn.

Có lẽ một điều gì đó trong vũ trụ sơ khai đã gây ra sự mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất.

Đó không hẳn là ý tưởng điên rồ. Những ngày sơ khai của vũ trụ là những thời điểm hỗn loạn, với hàng loạt sự kiện vật lý điên cuồng và những tương tác vật chất kì diệu mà cho tới bây giờ, thật may mắn, là những kí ức của vũ trụ. Vậy nên đã có điều gì đó xảy ra. Có lẽ vũ trụ đã từng phát triển tốt đẹp, với các hạt vật chất song hành với các phản hạt đồng đều và trái dấu.

Và rồi… một sự thay đổi. Sự mất cân bằng. Một quy trình kì lạ đã sản sinh nhiều vật chất hơn các phản vật chất. Nhiều cặp hạt - phản hạt sẽ phân hủy, nhưng một vài vật chất thông thường sẽ được giữ lại. Lượng còn lại không nhiều: Chỉ một trong một tỷ hạt đủ để đặt nền móng cho sự hình thành của các vì sao và thiên hà mà chúng ta nhìn thấy hôm nay.

Sức mạnh trong tương tác yếu

Quả thực phải có những điều kiện rất đặc biệt gây nên sự mất cân bằng này. Vũ trụ của chúng ta bị chi phối bởi những quy luật về cách mà các hạt và các lực nên tương tác và hành xử. Chính những quy luật ấy đặt nền móng cho toàn bộ các tương tác diệu kì, mà điều đó góp phần vào sự phong phú trong cuộc sống thường ngày.

Nhưng thỉnh thoảng một số quy luật cần bị phá vỡ, như trường hợp của vũ trụ sơ khai. Rốt cuộc thì, cũng chính những quy luật đó cho rằng sự khác biệt giữa các hạt vật chất và phản vật chất không nên ở cùng một địa điểm ban đầu.

Bất kì lực tương tác, bất kì quá trình nào dẫn đến sự thắng thế sau cùng của các hạt vật chất đều thực sự kì lạ. Nó phải bắt đầu bằng việc sản sinh không chỉ lượng dư thừa các hạt vật chất thông thường, mà còn lượng dư thừa các hạt điện tích để trung hoà chúng. Mặt khác, bởi vì toàn bộ các hạt điện tích được giữ nguyên xuyên suốt quá trình, con đường tình yêu của vật chất sẽ được cân bằng hoàn hảo với con đường tình yêu của các hạt phản vật chất song sinh.

Thêm vào đó, quá trình này phải xảy ra trong thời kì giao thoa mạnh mẽ, khi vũ trụ lạm phát chuyển hoá nhanh chóng từ dạng này sang dạng khác. Chỉ có thời điểm đó vật lý cho phép các quy luật bị phá vỡ, nếu không vũ trụ ổn định sẽ kết thúc trong sự cân bằng các lực tương tác bằng bất cứ giá nào.

Điều gì trong các quy luật vật lý khiến cho các hạt phản vật chất biến mất? Thực sự thì, có lẽ có. Có rất nhiều gợi ý và đề xuất về những tương tác vật chất hiếm, trong đó có tương tác hạt nhân yếu. Chúng ta hiểu các tương tác ấy một cách mập mờ, đặc biệt cách chúng xuất hiện trong thời kì vũ trụ sơ khai, nhưng thậm chí những dự đoán tốt nhất của chúng ta về khả năng ưu thế của vật chất còn xa vời, dưới mức tối thiểu cần thiết để giải thích tình trạng hiện tại của chúng ta.

Nguồn gốc của sự bất đối xứng giữa các hạt vật chất và phản vật chất là một vấn đề đáng chú ý trong vật lý. Một vấn đề đã đưa những tri thức hiện tại và những hiểu biết của chúng ta về vũ trụ vào những giai đoạn ban đầu của nó. Một vấn đề mà, bạn có thể nói, thực sự... có vấn đề (A problem that, you could say, really matters).

Theo Space

Tham khảo

Author: Trương Lê Gia Bảo
Sinh viên cử nhân ngành Kỹ thuật Không gian, trường Đại học Quốc tế, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (HCMIU).


Bài viết xem nhiều