Chúng ta được bao quanh bởi vật chất. Và trên thực tế, chúng ta chính là vật chất. Mọi thứ chúng ta phát hiện trong vũ trụ cũng là vật chất. Nó cơ bản đến mức chúng ta chỉ đơn giản chấp nhận rằng mọi thứ đều được tạo ra từ vật chất. Đó là nền tảng cơ bản của mọi thứ: sự sống trên Trái đất, hành tinh chúng ta đang sống, các ngôi sao và các thiên hà. Nó thường được định nghĩa là bất cứ thứ gì có khối lượng và chiếm một thể tích không gian.
Các khối cấu tạo của vật chất được gọi là “nguyên tử” và “phân tử”. Chúng cũng là vật chất. Vật chất mà chúng ta có thể phát hiện bình thường được gọi là vật chất “baryonic”. Tuy nhiên, có một loại vật chất khác ngoài kia, không thể trực tiếp phát hiện được. Nhưng ảnh hưởng của nó là có thể. Nó được gọi là vật chất tối.
Vật chất bình thường
Thật dễ dàng để nghiên cứu vật chất bình thường hay “vật chất baryonic”. Nó có thể được chia thành các hạt dưới nguyên tử gọi là lepton (ví dụ như electron) và quark (các khối cấu tạo của proton và neutron). Đây là những gì tạo nên các nguyên tử và phân tử là thành phần của mọi thứ từ con người đến các ngôi sao.
Vật chất bình thường phát sáng, tức là nó tương tác điện từ và hấp dẫn với các vật chất khác và với bức xạ. Nó không nhất thiết phải tỏa sáng như chúng ta nghĩ về một ngôi sao đang tỏa sáng. Nó có thể phát ra các bức xạ khác (chẳng hạn như tia hồng ngoại).
Một khía cạnh khác xuất hiện khi vật chất được thảo luận là một thứ gọi là phản vật chất. Hãy coi nó như mặt trái của vật chất bình thường (hoặc có thể là hình ảnh phản chiếu) của nó. Chúng ta thường nghe về nó khi các nhà khoa học nói về vật chất/phản ứng phản vật chất như nguồn năng lượng. Ý tưởng cơ bản đằng sau phản vật chất là tất cả các hạt đều có phản hạt có cùng khối lượng nhưng spin và điện tích trái dấu. Khi vật chất và phản vật chất va chạm, chúng tiêu diệt lẫn nhau và tạo ra năng lượng tinh khiết dưới dạng tia gamma. Việc tạo ra năng lượng đó, nếu nó có thể được khai thác, sẽ cung cấp một lượng lớn sức mạnh cho bất kỳ nền văn minh nào có thể tìm ra cách thực hiện điều đó một cách an toàn.
Vật chất tối
Trái ngược với vật chất thông thường, vật chất tối là vật chất không phát sáng. Nghĩa là, nó không tương tác điện từ và do đó nó có vẻ tối (tức là nó sẽ không phản xạ hoặc phát ra ánh sáng). Bản chất chính xác của vật chất tối vẫn chưa được biết rõ, mặc dù ảnh hưởng của nó đối với các khối lượng khác (chẳng hạn như các thiên hà) đã được các nhà thiên văn học như Tiến sĩ Vera Rubin và những người khác ghi nhận. Tuy nhiên, sự hiện diện của nó có thể được phát hiện bởi hiệu ứng hấp dẫn mà nó có đối với vật chất bình thường. Ví dụ, sự hiện diện của nó có thể hạn chế chuyển động của các ngôi sao trong một thiên hà chẳng hạn.
Hiện tại, có ba khả năng cơ bản đối với “những thứ” tạo nên vật chất tối:
- Vật chất tối lạnh (CDM): Có một ứng cử viên được gọi là hạt khối lượng tương tác yếu (WIMP) có thể là cơ sở cho vật chất tối lạnh. Tuy nhiên, các nhà khoa học không biết nhiều về nó hoặc bằng cách nào mà nó có thể được hình thành sớm trong lịch sử vũ trụ. Các khả năng khác đối với các hạt CDM bao gồm axion, tuy nhiên, chúng chưa bao giờ được phát hiện. Cuối cùng, có MACHO (MAssive Compact Halo Objects), Chúng có thể giải thích khối lượng đo được của vật chất tối. Những vật thể này bao gồm lỗ đen, sao neutron cổ đại và các vật thể hành tinh, tất cả đều không phát sáng (hoặc gần như vậy) nhưng vẫn chứa một khối lượng đáng kể. Điều đó có thể giải thích một cách thuận tiện vật chất tối, nhưng có một vấn đề. Sẽ phải có rất nhiều trong số chúng (nhiều hơn dự kiến với tuổi của các thiên hà nhất định) và sự phân bố của chúng sẽ phải trải đều khắp vũ trụ một cách đáng kinh ngạc để giải thích vật chất tối mà các nhà thiên văn đã tìm thấy “ngoài kia”. Vì vậy, vật chất tối lạnh vẫn là một “công việc đang được tiến hành.”
- Vật chất tối ấm (WDM): Vật chất này được cho là bao gồm các hạt neutrino vô trùng. Đây là những hạt tương tự như hạt neutrino bình thường, do chúng có khối lượng lớn hơn nhiều và không tương tác thông qua lực yếu. Một ứng cử viên khác cho WDM là gravitino. Đây là một hạt lý thuyết sẽ tồn tại nếu lý thuyết siêu trọng lực – sự pha trộn giữa thuyết tương đối rộng và siêu đối xứng – có được lực kéo. WDM cũng là một ứng cử viên hấp dẫn để giải thích vật chất tối, nhưng sự tồn tại của neutrino vô trùng hoặc gravitinos chỉ là suy đoán.
- Vật chất tối nóng (HDM): Các hạt được coi là vật chất tối nóng đã tồn tại. Chúng được gọi là “neutrino”. Chúng di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và không “kết tụ” lại với nhau theo cách mà chúng ta chiếu vật chất tối. Cũng do neutrino gần như không có khối lượng, nên phải cần một lượng lớn chúng đáng kinh ngạc để tạo nên lượng vật chất tối được biết là tồn tại. Một lời giải thích là có một loại hoặc hương vị chưa được phát hiện của neutrino sẽ tương tự như những loại đã được biết là tồn tại. Tuy nhiên, nó sẽ có khối lượng lớn hơn đáng kể (và do đó có lẽ tốc độ chậm hơn). Nhưng điều này có lẽ sẽ giống với vật chất tối ấm hơn.
Mối liên hệ giữa Vật chất và Bức xạ
Vật chất không thực sự tồn tại nếu không có ảnh hưởng trong vũ trụ và có một mối liên hệ kỳ lạ giữa bức xạ và vật chất. Mối liên hệ đó vẫn chưa được hiểu rõ cho đến đầu thế kỷ 20. Đó là khi Albert Einstein bắt đầu suy nghĩ về mối liên hệ giữa vật chất với năng lượng và bức xạ. Đây là những gì ông ấy nghĩ ra: theo thuyết tương đối của ông ấy, khối lượng và năng lượng là tương đương nhau. Nếu có đủ bức xạ (ánh sáng) va chạm với các photon khác (một từ khác của “hạt” ánh sáng) có năng lượng đủ lớn, thì khối lượng có thể được tạo ra. Quá trình này là những gì các nhà khoa học nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm khổng lồ với máy va chạm hạt. Công việc của họ đi sâu vào trung tâm của vật chất, tìm kiếm những hạt nhỏ nhất được biết là tồn tại.
Vì vậy, trong khi bức xạ không được coi là vật chất một cách rõ ràng (nó không có khối lượng hoặc chiếm thể tích, ít nhất là không theo một cách xác định rõ ràng), nó có liên hệ với vật chất. Điều này là do bức xạ tạo ra vật chất và vật chất tạo ra bức xạ (như khi vật chất và phản vật chất va chạm nhau).
Năng lượng tối
Tiến thêm một bước nữa về mối liên hệ giữa vật chất và bức xạ, các nhà lý thuyết cũng đề xuất rằng có một bức xạ bí ẩn tồn tại trong vũ trụ của chúng ta. Nó được gọi là năng lượng tối. Bản chất của nó hoàn toàn không được hiểu. Có lẽ khi vật chất tối được hiểu rõ, chúng ta cũng sẽ hiểu được bản chất của năng lượng tối.
John P. Millis, Ph.D, Carolyn Collins Petersen.
