Dường như ngành cơ học lượng tử chưa đủ khó hiểu, năm 1928, con người lại phát hiện ra một điều lạ lùng. Nhà vật lý người Anh, Paul Dirac sớm tiếp thu hai phát hiện mới của thế kỷ, đó là nền vật lý tương đối và cơ học lượng tử. Chỉ trong vòng ba mươi năm, kể từ ngày Max Planck đề ra ý niệm lượng tử vào năm 1900, nền vật lý hiện đại đã phát hiện quá nhiều điều mới mẻ và khó hiểu, nó lật đổ toàn bộ nền tảng của tư duy cũ. Con người hầu như choáng ngợp trước vô số những kết quả thực nghiệm, những phát hiện trong thực tế, những lý thuyết mới và cả những phép diễn giải khác nhau về cùng một lý thuyết trên mặt khoa học và triết học.
Trong thế kỷ hai mươi, các nhà vật lý không còn thống nhất với nhau nữa khi nhận thức về thế giới và tự tính của vật chất. Đó là một điều hoàn toàn mới so với các thế kỷ trước. Con người đã đi vào những lĩnh vực nằm xa đời sống bình thường. Hoặc là chúng thuộc về lĩnh vực vĩ mô với vận tốc và năng lượng cực lớn, hoặc là lĩnh vực vi mô với kích thước thật bé nhỏ. Cả hai phía đều đem đến những kết luận mà tư duy con người – vốn bị trói buộc trong lĩnh vực của đời sống hàng ngày – không thể đạt đến nổi chỉ tính sắc bén của toán học cộng với những kết
quả thực nghiệm không thể chối cãi mới buộc con người phải tin những lý thuyết đó là đúng. Thế nhưng trong thế kỷ hai mươi xuất hiện một khái niệm mới, đó là ta “diễn giải” thế nào về một lý thuyết, về một hiện tượng, về một công thức... khi chúng nói về những điều mà đầu óc thông thường của ta không quan niệm được. Bởi vậy trong thế kỷ hai mươi, nền vật lý đi tới tình trạng “phân kỳ” khi ta suy tư về “ý nghĩa” của mọi sự.
Mặc dù con người bị phân kỳ trong việc đi tìm ý nghĩa triết học của các phát hiện vật lý, một khả năng và cơ hội khác lại hiện ra làm nức lòng các nhà vật lý. Đó là khả năng thống nhất của ngành vât lý trong thời đại mới. Trong một chương trước ta đã nói, nền vật lý Newton, cho thấy nền vật lý cổ điển có thể được suy ra từ vật lý tương đối, khi vận tốc của vật thể nhỏ hơn so với vận tốc ánh sáng.
Ngành cơ học lượng tử cũng có sức thống nhất cao độ. Nó chứng minh nền cơ học thông thường trong phạm vi hàng ngày cũng có thể suy ra được từ cơ học lượng tử khi mối liên hệ bất định theo ý nghĩa của Heisenberg tại nơi đó quá nhỏ, không đáng kể.
Thế nhưng giữa vật lý tương đối và cơ học lượng tử chưa được thiết lập mối quan hệ nào cả. Và đó là đối tượng nghiên cứu của Dirac vào năm 1928. Ông tìm ra được cách “ghép” chúng lại với nhau, nhưng quan trọng hơn, ông phát hiện ra – về mặt lý thuyết – một dạng vật chất được gọi là đối vật chất.
Xuất phát từ Thuyết tương đối đặc biệt, Dirac xem khối lượng là một dạng của năng lượng, ông phát biểu lại phương trình của năng lượng và nêu lại phương trình sóng của hạt electron. Khi giải phương trình sóng này Dirac gặp hai lời giải, trong đó một lời giải cho thấy năng lượng là một số dương và trong đáp án kia, năng lượng là một số âm. Giải pháp thứ hai không thể chấp nhận được vì năng lượng không thể âm. Hãy tưởng tượng diện tích một hình vuông là 4m2, mỗi cạnh hình vuông là bao nhiêu. Về mặt toán học ta có hai lời giải, đó là mỗi cạnh hình vuông là 2m và -2m. Về mặt vật lý chỉ có lời giải thứ nhất là chấp nhận được vì trong giải pháp thức hai, cạnh hình vuông là một số âm. Đó là điều “vô lý”.
Dirac chạm trán với sự “vô lý” này với năng lượng âm của ông và chần chừ suốt một năm mới công bố đề nghị của mình. Ông cho rằng toán học đã cho giải pháp thì thực tế cũng phải như thế. Ông công bố công trình chứa một thứ năng lượng âm và điều đó dẫn tới khái niệm của một hạt electron “ngược”. Đó là một hạt có khối lượng và tính chất giống như electron nhưng mang điện tích dương mà ông gọi là “đối electron”. Dĩ nhiên tất cả những gì đã nêu đều xuất phát từ lý thuyết, không có thực nghiệm nào chứng minh.
Kỳ lạ thay, năm 1932 một nhà khoa học tên là David Anderson phát hiện ra hạt “đối electron” thực. Ông phát hiện ra hạt này từ các tia bức xạ trong thiên nhiên. Hạt này đúng như tiên đoán của Dirac, có khối lượng và tính chất như electron, nang điện tích dương. Anderson đặt tên cho nó là positron. Năm 1933 Dirac lãnh giải Nobel vật lý nhờ phương trình của mình, còn Anderson cũng lãnh giải đó nhờ công trình phát hiện bằng thực nghiệm. Dirac còn đi xa hơn, ông quả quyết mỗi hạt trong nhân như pronton và neutron đều có đối hạt của chúng. Quả nhiên, năm 1955 và 1956 người ta lần lượt phát hiện đối hạt của proton và neutron.
Vấn đề kế tiếp là khi những đối hạt của proton và neutron gặp nhau, liệu chúng có thể kết hợp trở thành một hạt nhân, tức là một hạt nhân đối ngược với hạt nhân nguyên tử thông thường hay không. Năm 1965 hai nhóm nghiên cứu độc lập, một tại Thụy Sĩ, một tại Mỹ, thực hiện được công trình đó. Và gần đây, năm 1995, người ta đã thực hiện được một công trình ly kỳ, tạo ra một nguyên tử đối vật chất bằng cách ghép positron với hạt nhân đối vật chất.
Thế nên, về mặt nguyên tắc mỗi nguyên tử đều có một nguyên tử đối nghịch. Nhưng chúng nằm ở đâu? Người ta không biết nhiều về lĩnh vực đối vật chất. Đến nay người ta chỉ biết rõ khi vật chất và đối vật chất gặp nhau, chúng hủy hoại lẫn nhau và biến thành năng lượng. Vậy, ta có thể nói, cả hai dạng đều do năng lượng tạo thành. Thế nhưng liệu chúng thật giống nhau hay không, người ta chưa biết rõ. Thực tế là không đâu có sẵn đối vật chất để mà nghiên cứu và thực hiện những thí nghiệm, chúng chỉ xuất hiện hết sức ngắn ngủi trong những thử nghiệm hiếm hoi. Trong thời gian gần đây, với các thiết bị gia tốc khổng lồ người ta đã có thể phân hủy quang tử photon thành hai hạt electron và posotron, tức là có thể “chế tạo” hạt đối vật chất được. Thế nhưng vận tốc của chúng rất lớn, con người cần nhiều kỹ thuật cao cấp mới “tóm” được chúng cũng như giảm thiểu vận tốc của chúng lại. Vấn đề lớn nhất là hầu như ta không thể cất chứa các hạt đối vật chất được vì lẽ, khi chúng tiếp xúc với vật chất thông thường thì sẽ phát nổ. Hai loại hạt đó gặp nhau là liền tiêu diệt lẫn nhau để sinh ra năng lượng. Nhiều người cho rằng, vật chất và đối vật chất đều xuất hiện cùng lúc và cùng có số lượng trong vụ nổ ban đầu (Big Bang), chúng đều là dạng xuất hiện có “giá trị tương đương” của năng lượng. Thế nhưng trong vũ trụ của chúng ta chỉ có vật chất, còn đối vật chất chỉ xuất hiện khi ta khổ công tìm kiếm nó. Phải chăng đối vật chất đã hình thành một vũ trụ khác, song hành với vũ trụ chúng ta. Phải chăng mỗi một nguyên tử, mỗi một vật thể, mỗi một con người cá thể... đều có dạng đối vật chất trong vũ trụ song hành đó?
Lĩnh vực nói trên là vô cùng hấp dẫn cho các câu chuyện khoa học giả tưởng và quả thực đã có nhiều tiểu thuyết và phim ảnh được xây dựng tên đề tài này. Trong ngành vật lý cùa các nhà khoa học đạo mạo, người ta không ưa
nghe những chuyện hoang đường thiếu căn cứ. Thế nhưng các hạt đối vật chất rất được các nhà vật lý coi trọng vì môt lẽ đơn giản: nó đóng một vai trò then chốt trong việc tìm hiểu sự hoạt động và chuyển hóa của các hạt cơ bản, các hạt nằm trong lòng nguyên tử, trong lĩnh vực “hạ nguyên tử”. Trong lĩnh vực đó, các đối hạt có những vai trò và tác động hẳn hoi mà chúng ta sắp nói đến trong những chương sau. Đó là lĩnh vực vi mô. Liệu các cơ cấu vĩ mô của các đối hạt – nói chung là các cơ cấu đối vật chất – sẽ được phát hiện và đóng một vai trò trong thực tại vật lý thông thường của con người hay không, hiện nay chúng ta chưa thể trả lời.
Công trình ban đầu của Dirac đã dẫn tới những phát hiện lạ lùng mà thiên tài và sự liều lĩnh của ông là dám cho rằng thiên nhiên tuân thủ những lời giải lý thuyết của toán học. Nơi đây, một câu hỏi cũ của chúng ta lại được đặt lại, tại sao thiên nhiên lại chịu tuân thủ những kết luận lý thuyết, sản phẩm của đầu óc con người?