Vì sao phát hiện ra phản vật chất lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?


Những con tàu vũ trụ trong các cuốn tiểu thuyết viễn tưởng thường dùng phản vật chất để chạy động cơ, việc chế tạo bom trong tương lai cũng đều xuất phát trên cơ sở của phản vật chất. Tuy nhiên chắc chắn ngay cả bạn hay bất kỳ ai khác đều chưa bao giờ tận mắt nhìn thấy những hạt phản vật chất. Phản vật chất không phải là một khối tròn, mà là những hạt hạ nguyên tử độc lập.


Paul Dirac được coi là nhà lý luận vật lý vĩ đại nhất nước Anh chỉ sau Newton. Ông là người đầu tiên đưa ra những phán đoán về sự tồn tại của positrons và antiproton, hay nói cách khác là sự tồn tại của phản vật chất. Khái niệm phản vật chất đã mang lại một phương pháp mới trong lĩnh vực nghiên cứu, lý giải các vấn đề vật lý. Phát hiện ra phản vật chất của Dirac đã trở thành khuôn mẫu lý luận của vật lý học về các hạt hiện đại. Các nhà vũ trụ học và vật lý học sở dĩ có thể tiến hành mở rộng và ứng dụng các lĩnh vực vật lý học lượng tử, cơ học điện lượng tử và cơ học lượng tử phần lớn là nhờ phát hiện ra phản vật chất của Paul Dirac.


Phản vật chất được phát hiện ra như thế nào?


Năm 21 tuổi, Paul Dirac là nghiên cứu sinh trường Đại học Cambridge, ông là người khá nhút nhát và ít khi thể hiện cảm xúc ra bên ngoài. Tuy Dirac không có nhiều bạn bè nhưng chính tài năng toán học đã mang lại cho ông nhiều danh tiếng.


Năm 1923, thuyết tương đối và lý luận cơ học lượng tử của ông đã được mọi người đón nhận, tuy nhiên không có ai biết được tính hạn chế cùng những ý nghĩa chính xác tiềm ẩn trong hai lý luận này. Cơ học lượng tử chủ yếu nghiên cứu một bộ phận nhỏ trong lĩnh vực vật lý học của Newton, nó xuất phát từ giả thiết cho rằng: các chất hạ nguyên tử có tính năng tương tự với các hạt và sóng. Tại thời điểm đó, những mâu thuẫn và hàm ý không rõ ràng của giả thiết cộng với việc sử dụng phương pháp toán học tiến hành mô tả giả thiết này đã làm cho ngành vật lý học tiến dần từng bước đến bờ vực thẳm.


Paul Dirac đã tiến hành một loạt các nghiên cứu và đưa ra luận văn chính xác có căn cứ để xử lý những mâu thuẫn đang tồn tại, những kết quả nghiên cứu này đã làm sáng tỏ dần những vấn đề tưởng chừng như rối ren không tài nào xác định nổi. Ông đã cải tiến các phương pháp tính toán tốc độ vận động của các hạt trong phương trình của Eddington, đồng thời cũng giải quyết những mâu thuẫn trong tần số hiệp phương sai của Niels Bohr.


Khi Dirac còn là một nhà nghiên cứu sinh, ông đã cho đăng năm bài luận văn và chuyển hướng nghiên cứu của mình sang các vấn đề mang tính phổ biến như nghiên cứu cơ học lượng tử (quy luật vận động của thế giới vi mô do các hạt cấu tạo thành) và thuyết tương đối (quy luật vạn vật hấp dẫn của các hành tinh và vũ trụ trong thế giới vĩ mô). Ông đã vận dụng những hiểu biết của mình vào việc nghiên cứu, ông sử dụng số gần đúng áp dụng với những tính toán và đo đạc một cách chuẩn xác. Thử nghiệm bạo dạn này đã giúp ông tiến sâu hơn nữa trong việc phân tích nghiên cứu những lĩnh vực mới. Những nhà nghiên cứu trước thời Dirac chỉ vì không thể thực hiện được việc đo lường chính xác nên đều đã lâm vào bế tắc.


Để tiến hành nghiên cứu, Dirac tập trung vào lĩnh vực toán học cao cấp. Ông sử dụng những kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của các nhà khoa học khác để kiểm chứng cho các phương trình và mô hình toán học của mình.


Suốt năm năm đầu trong thời gian học tiến sĩ và nghiên cứu tại trường Đại học Cambridge, Dirac đã nỗ lực giải thích lập luận và phân tích những mâu thuẫn nổi bật còn tồn tại giữa hai vấn đề lớn này. Đến năm 1929, ông nhận ra rằng việc tính toán của mình chỉ có thể tiếp tục được nếu có sự tồn tại của các hạt hạ nguyên tử. Nhưng xưa nay chưa có ai nghĩ ra hay tìm ra sự tồn tại của các loại hạt này. Nếu muốn đưa ra phương trình bằng việc nghiên cứu và kết quả chứng minh trong phòng thí nghiệm thì nhất thiết phải có sự góp mặt của các hạt mới này. Khối lượng và cấu tạo của chúng giống với những hạt đã biết, nhưng chúng lại mang điện tích ngược lại.


Proton và notron là những hạt mà chúng ta đã biết. Dirac đưa ra kết luận: chắc chắn cũng tồn tại các hạt có điện tích âm cùng khối lượng. Hai mươi lăm năm sau đó, người ta đã chứng minh được sự tồn tại của các hạt phản vật chất.


Đồng thời Dirac cho rằng: nếu có sự tồn tại electron thì nhất định sẽ có sự tồn tại của các hạt mang điện tích dương và hạt mang điện tích trung tính (phân thành pozitron và neutrino) cùng khối lượng. Sự tồn tại của hạt pozitron được công nhận hai năm sau đó - tức năm 1932. Trong những năm 70 của thế kỷ XX, sự tồn tại các hạt neutrino cũng được xác nhận, và mãi đến năm 1998, các nhà nghiên cứu Nhật Bản mới xác nhận được khối lượng của nó.


Dirac đã phát hiện ra sự tồn tại của phản vật chất, chứng minh rằng chúng ta mới chỉ nhìn thấy, sờ thấy hay nhận biết được một nửa các loại hạt trong vũ trụ, từ đó giúp khoa học có những nhận thức chính xác hơn về thế giới vật lý.

schoolnet@