Mô phỏng đảo ngược công thức của Einstein, các nhà khoa học chứng minh ánh sáng có thể tạo nên vật chất

Công thức nổi tiếng của nhà vật lý Einstein, E=mc², đã thiết lập nên mối quan hệ giữa khối lượng và năng lượng, trong đó, năng lượng của một vật nào đó bằng khối lượng của nó nhân với bình phương tốc độ ánh sáng. Công thức đơn giản này đã mở đường cho nhân loại biến nhiều loại vật chất thành các loại hình năng lượng mới chưa từng biết đến trước đây.

Nhưng nếu đặt ngược lại vấn đề, liệu ánh sáng và năng lượng có biến được thành vật chất như mô tả trong công thức của Einstein hay không?

Một nhóm các nhà khoa học tại các trường Đại học Osaka và Đại học UC San Diego gần đây đã thực hiện một mô phỏng về va chạm giữa các hạt photon ánh sáng khi dùng tia laser. Kết quả mô phỏng cho thấy, các vụ va chạm này sẽ tạo ra các cặp hạt electron và positron. Các positron – các hạt có đặc tính ngược với electron – sau đó sẽ được tăng tốc trong điện trường của tia laser để tạo ra một chùm các hạt positron.

Alexey Aerfiev, nhà vật lý tại Đại học UC San Diego và là đồng tác giả của nghiên cứu này, cho biết: “Chúng tôi cảm thấy đề xuất của chúng tôi hoàn toàn khả thi về mặt thử nghiệm, và chúng tôi đang tìm cách thực hiện trong thế giới thực.”

Theo tài liệu của nghiên cứu, việc thử nghiệm trong thế giới thực là điều khả thi, căn cứ vào khả năng triển khai laser mật độ cao của hiện tại. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng để kiểm tra các khả năng thực hiện thí nghiệm nói trên và tìm được một giải pháp hấp dẫn. Một máy tạo va chạm sử dụng quy trình Breit-Wheeler để sản sinh ra vật chất, nghĩa là nó có thể hủy các tia plasma để sản sinh ra các cặp hạt positron-electron.

Điều này cũng tồn tại trong các hiện tượng vật lý cực đoan – ví dụ nơi các ngôi sao sinh ra và chết đi, nơi thời gian đứng yên – thường tồn tại ở những nơi xa xôi trong vũ trụ. Năm 2021, một nhóm các nhà nghiên cứu khác cho rằng trong lõi của các ngôi sao neutron – một trong các giai đoạn cuối của những ngôi sao siêu lớn trước khi sụp đổ hoàn toàn – thường có mật độ vật chất vô cùng đặc, cũng có thể xảy ra những hiện tượng tương tự như mô phỏng trên. Tại đây, các hạt vật chất tối có thể chuyển đổi thành các photon ánh sáng.

Các sao neutron xoay với tốc độ cực nhanh được gọi là các sao pulsar, và môi trường năng lượng siêu cao của chúng là nơi ánh sáng có thể tạo ra vật chất. Theo NASA, các sao pulsar có thể xoay với tốc độ hàng nghìn vòng mỗi giây, phát ra các tia gamma và là một trong những vật thể có từ trường mạnh nhất được biết đến.

Các sao pulsar được xem như các công cụ hữu ích để đo lường sóng hấp dẫn trong không gian. Đầu năm nay, 5 nhóm nghiên cứu khác nhau về sao pulsar cho biết đã tìm thấy điều được họ cho là cái nhìn đầu tiên về nền sóng hấp dẫn – về cơ bản, là những tiếng thì thầm liên tục của sóng hấp dẫn đang tạo ra các gợn sóng của không thời gian ở mức độ gần như không thể thấy được.

Cho dù rất khó quan sát được từ xa phía trong và ngoài của sao pulsar, nhưng các nhà vật lý cho rằng có thể mô phỏng được chúng.

Ông Vyacheslav Lukin, giám đốc chương trình của Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ cho biết: “Nghiên cứu này cho thấy tiềm năng của việc khám phá các bí ẩn trong vũ trụ với điều kiện của phòng thí nghiệm. Những khả năng trong tương lai của các cơ sở laser năng lượng cao hiện tại và sắp tới sẽ trở nên ngày càng hấp dẫn hơn.”

Nếu được thực hiện thành công, thí nghiệm này cũng sẽ mở ra một cách thức mới để hiểu sâu hơn về vũ trụ, bằng cách đưa các hiện tượng vật lý xảy ra ở những nơi xa xôi vào trong môi trường của phòng thí nghiệm. Nhưng để điều đó xảy ra, trước tiên các nhà khoa học cần tìm cách thực hiện được thử nghiệm nói trên.