Công nghệ của làn sóng thứ năm (gồm động cơ phản vật chất, buồm ánh sáng, động cơ nhiệt hạch và tàu nano) sẽ mở ra những chân trời xán lạn cho ngành thiết kế tàu liên sao. Động cơ phản vật chất như trong phim Star Trek rất có thể sẽ trở thành hiện thực. Chúng sẽ tận dụng nguồn năng lượng lớn nhất trong vũ trụ: sự chuyển hóa trực tiếp vật chất thành năng lượng thông qua va chạm giữa vật chất và phản vật chất.

Phản vật chất ngược với vật chất, nghĩa là nó có điện tích trái dấu. Một phản electron mang điện tích dương, còn một phản proton mang điện tích âm. (Thời trung học, tôi từng nghiên cứu phản vật chất bằng cách đặt một viên natri-22 trong buồng mây, chờ phản electron thoát ra, rồi chụp ảnh những dấu vết rất đẹp sót lại của nó. Về sau, tôi còn làm một máy gia tốc betatron có năng lượng gia tốc 2,3 triệu electron volt, với hy vọng có thể phân tích tính chất của phản vật chất.)

Khi vật chất va chạm với phản vật chất, cả hai sẽ nổ tung, trở thành năng lượng thuần túy, nên hiệu suất giải phóng năng lượng của phản ứng này là 100%. Trong khi đó, hiệu suất của bom nguyên tử chỉ là 1%; còn đối với bom nhiệt hạch, phần lớn năng lượng bên trong cũng bị lãng phí.

Thiết kế tên lửa phản vật chất thực sự khá đơn giản. Phản vật chất sẽ được chứa trong bồn kín và an toàn, rồi đưa thành dòng chảy đều vào buồng đốt. Chúng sẽ kết hợp với vật chất trong buồng và bùng nổ, phát ra các tia gamma và tia X. Năng lượng này bắn ra ngoài qua khe hở ở buồng xả, tạo nên lực đẩy.

Như James Benford nói với tôi, tên lửa phản vật chất là ý tưởng rất được người hâm mộ truyện khoa học viễn tưởng ưa thích, nhưng có một số vấn đề nghiêm trọng trong việc chế tạo loại tên lửa này. Thứ nhất, phản vật chất có tồn tại trong tự nhiên, nhưng với lượng rất nhỏ, nên ta sẽ phải sản xuất chúng trên quy mô lớn để có đủ nhiên liệu cho động cơ. Nguyên tử phản hydro đầu tiên, với một phản electron quay xung quanh một phản proton, được tạo ra năm 1995 tại CERN (European Organization for Nuclear Research: Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu) ở Geneva, Thụy Sỹ. Người ta tạo ra một chùm proton thông thường rồi bắn nó xuyên qua một mục tiêu làm bằng vật chất thông thường. Va chạm này làm phát sinh một số hạt phản proton. Từ trường mạnh sẽ ngăn không cho proton và phản proton tiếp xúc bằng cách hút chúng về hai phía khác nhau – một trái, một phải. Phản proton được làm chậm đi và giam trong bẫy từ, tại đây chúng liên kết cùng phản electron, hợp thành phản hydro. Năm 2016, các nhà vật lý của CERN đã tách lấy phản hydro và nghiên cứu lớp vỏ quay quanh quỹ đạo hạt phản proton. Đúng như dự đoán, mức độ năng lượng của phản hydro và hydro hoàn toàn tương ứng với nhau.

Họ tuyên bố: “Nếu có thể tập hợp tất cả phản vật chất đã tạo ra ở CERN rồi cho hủy đi bằng vật chất, ta sẽ có đủ năng lượng để thắp sáng một bóng đèn điện trong vài phút.” Tên lửa sẽ cần tới một lượng lớn hơn thế rất nhiều và phản vật chất cũng là thứ “vật chất” đắt nhất trên thế giới. Theo thời giá hiện nay, một gam phản vật chất sẽ có giá 70.000 tỷ đô-la. Hiện tại, chúng chỉ có thể được tạo ra (với lượng rất nhỏ) bằng máy gia tốc hạt, mà để xây dựng và vận hành máy này cần đến nguồn kinh phí khủng khiếp. Máy Gia tốc hạt lớn LHC (Large Hadron Collider) tại CERN là máy gia tốc hạt mạnh nhất thế giới với kinh phí xây dựng hơn 10 tỷ đô-la, nhưng cũng chỉ tạo được một chùm phản vật chất rất mỏng. Nỗ lực tích cóp đủ phản vật chất làm nhiên liệu cho tàu liên sao có lẽ sẽ đẩy Hoa Kỳ vào phá sản.

Các máy gia tốc hạt khổng lồ hiện tại đều được thiết kế cho nhiều mục đích và chỉ được sử dụng thuần túy là công cụ nghiên cứu. Chúng rất kém hiệu quả khi sản xuất phản vật chất. Để giải quyết phần nào vấn đề, ta có thể xây dựng các nhà máy chuyên dụng. Khi đó, theo chuyên gia Harold Gerrish của NASA dự đoán, giá thành phản vật chất sẽ giảm xuống còn năm tỷ đô-la mỗi gam.

Lưu trữ phản vật chất lại đặt ra những khó khăn và chi phí khác. Nếu cho phản vật chất vào trong chai, sớm muộn nó cũng chạm vào thành chai và phá hủy cái chai. Bẫy Penning[1] sẽ thích hợp để lưu trữ chúng. Bẫy này dùng từ trường để giữ phản vật chất ở trạng thái treo lơ lửng, ngăn chúng chạm vào bình chứa.

Trong truyện khoa học viễn tưởng, vấn đề chi phí và lưu giữ đôi khi được giải quyết bằng một vận may từ trên trời rơi xuống - một phản-tiểu-hành-tinh (tiểu hành tinh cấu thành từ phản vật chất) cho phép ta khai thác phản vật chất với giá rẻ. Nhưng tình huống giả định này lại mở ra một câu hỏi phức tạp: Phản vật chất từ đâu mà có?

Ta quan sát khắp không gian bằng các dụng cụ và chỉ thấy vật chất, chứ không thấy phản vật chất. Ta biết điều đó bởi một electron va chạm với một phản electron sẽ giải phóng một nguồn năng lượng tối thiểu là 1,02 triệu electron volt. Đó là dấu hiệu của vụ nổ phản vật chất. Nhưng khi khảo sát vũ trụ, ta phát hiện được rất ít loại bức xạ này. Phần lớn vũ trụ ta thấy quanh mình đều cấu thành từ vật chất giống như vật chất tạo nên chúng ta.

Các nhà vật lý cho rằng vào thời điểm vụ nổ Big Bang, vũ trụ cần xứng hài hòa tuyệt đối, với lượng vật chất và phản vật chất ngang bằng nhau. Song nếu như thế, hai bên phải cùng bị triệt tiêu và vũ trụ sẽ thuần túy chỉ là bức xạ. Vậy mà chúng ta đang hiện diện ở đây, được cấu tạo từ vật chất, thứ đáng nhẽ không thể tồn tại nữa. Sự hiện hữu của chúng ta là một câu hỏi lớn đối với ngành vật lý hiện đại.

Ta vẫn chưa hình dung được vì sao trong vũ trụ lại có nhiều vật chất hơn phản vật chất. Chỉ có một phần mười tỷ vật chất của vũ trụ sơ khai sót lại sau vụ nổ Big Bang và chúng ta là một phần trong đó. Lý thuyết được quan tâm nhất là có gì đó đã phá vỡ sự cân xứng tuyệt đối giữa vật chất và phản vật chất tại thời điểm xảy ra Big Bang, nhưng ta chưa biết nó là gì. Giải Nobel hẳn sẽ dành cho người nào giải được bài toán này.

Động cơ phản vật chất nằm trong số ít những lựa chọn ưu tiên của bất cứ ai muốn chế tạo tàu liên sao. Nhưng đặc tính của phản vật chất hầu như vẫn chưa được khám phá. Ví dụ, ta không biết nó sẽ rơi theo chiều đi lên hay đi xuống. Vật lý hiện đại dự đoán nó rơi xuống, giống như vật chất thông thường. Nếu quả đúng vậy, sẽ không có cái gọi là phản trọng lực. Tuy nhiên, giống như những giả định khác, giả định này chưa được thực nghiệm bao giờ. Do những vấn đề về chi phí và hiểu biết, có lẽ tên lửa phản vật chất vẫn chỉ là giấc mơ trong thế kỷ 22, trừ phi chúng ta tìm được một phản tiểu hành tinh trôi nổi giữa không gian.

❀ ❀ ❀

[1] Đặt theo tên nhà vật lý Frans Michel Penning. (ND)