Jednym z najbardziej zaskakujących faktów w nauce jest to, jak uniwersalne są prawa natury. Każda cząstka podlega tym samym regułom, doświadcza tych samych sił, istnieje w tych samych stałych fundamentalnych, niezależnie od tego, gdzie i kiedy się znajduje. Z punktu widzenia grawitacji każda pojedyncza cząstka Wszechświata doświadcza tego samego przyspieszenia grawitacyjnego lub tej samej krzywizny czasoprzestrzeni, niezależnie od tego, jakie ma właściwości.
W każdym razie wynika to z teorii. W praktyce zmierzenie niektórych rzeczy może być bardzo trudne. Fotony i zwykłe stabilne cząstki spadają jednakowo, zgodnie z oczekiwaniami, w polu grawitacyjnym, a Ziemia zmusza każdą masywną cząstkę do przyspieszenia w kierunku jej środka z prędkością 9,8 m / s2. Ale bez względu na to, jak bardzo próbowaliśmy, nigdy nie byliśmy w stanie zmierzyć przyspieszenia grawitacyjnego antymaterii. Powinien przyspieszyć w ten sam sposób, ale dopóki go nie zmierzymy, nie możemy być tego pewni. Jeden z eksperymentów ma na celu znalezienie odpowiedzi na to pytanie raz na zawsze. W zależności od tego, co znajdzie, możemy być o krok bliżej rewolucji naukowej i technologicznej.
Czy istnieje antygrawitacja?
Możesz nie być tego świadomy, ale istnieją dwa zupełnie różne sposoby przedstawiania masy. Z jednej strony istnieje masa, która przyspiesza, gdy przykładasz do niej siłę: to jest m w słynnym równaniu Newtona, gdzie F = ma. Tak samo jest z równaniem Einsteina E = mc2, na podstawie którego można obliczyć, ile energii potrzeba do stworzenia cząstki (lub antycząstki) i ile energii otrzyma się, gdy ulegnie anihilacji.
Ale jest inna masa: grawitacyjna. Jest to masa, m, która pojawia się w równaniu wagi na powierzchni Ziemi (W = mg) lub w prawie grawitacji Newtona, F = GmM / r2. W przypadku zwykłej materii wiemy, że te dwie masy - bezwładna i grawitacyjna - powinny być równe najbliższej 1 części na 100 miliardów, dzięki ograniczeniom eksperymentalnym ustanowionym ponad 100 lat temu przez Laurenta Eotvosa.
Ale w przypadku antymaterii nigdy nie moglibyśmy zmierzyć tego wszystkiego. Przyłożyliśmy siły nie grawitacyjne do antymaterii i zobaczyliśmy, jak przyspiesza; stworzyliśmy i zniszczyliśmy antymaterię; wiemy dokładnie, jak zachowuje się jego bezwładna masa - podobnie jak bezwładna masa zwykłej materii. F = ma i E = mc2 działa w przypadku antymaterii w taki sam sposób, jak w przypadku zwykłej materii.
Ale jeśli chcemy poznać grawitacyjne zachowanie antymaterii, nie możemy po prostu przyjąć teorii jako podstawy; musimy to zmierzyć. Na szczęście trwa eksperyment, który ma dokładnie to ustalić: eksperyment ALPHA w CERN.
Film promocyjny:
Jednym z wielkich przełomów, jaki dokonał się ostatnio, jest stworzenie w nich nie tylko cząstek antymaterii, ale także neutralnych, stabilnych stanów związanych. Antyprotony i pozytony (antyelektrony) mogą być tworzone, spowalniane i zmuszane do wzajemnej interakcji w celu utworzenia obojętnego przeciwwodoru. Używając kombinacji pól elektrycznych i magnetycznych, możemy ograniczyć te antyatomy i utrzymać je stabilnie z dala od materii, co w przypadku zderzenia doprowadziłoby do anihilacji.
Udało nam się z powodzeniem utrzymać je stabilne przez 20 minut za każdym razem, znacznie poza mikrosekundową skalą czasową, której zwykle doświadczają niestabilne cząstki podstawowe. Wystrzeliliśmy w nie fotony i stwierdziliśmy, że mają one takie same widma emisji i absorpcji jak atomy. Ustaliliśmy, że właściwości antymaterii są takie same, jak przewidywała fizyka standardowa.
Oczywiście z wyjątkiem grawitacyjnych. Nowy detektor ALPHA-g, zbudowany w kanadyjskiej fabryce TRIUMF i wysłany do CERN na początku tego roku, powinien poprawić limity przyspieszenia grawitacyjnego antymaterii do krytycznego progu. Czy antymateria przyspiesza w obecności pola grawitacyjnego na powierzchni Ziemi do 9,8 m / s2 (w dół), -9,8 m / s2 (w górę), 0 m / s2 (przy braku przyspieszenia grawitacyjnego), czy do jakiejś innej wartości ?
Z teoretycznego i praktycznego punktu widzenia każdy wynik inny niż oczekiwane +9,8 m / s2 będzie absolutnie rewolucyjny.
Analog antymaterii dla każdej cząstki materii powinien mieć:
- ta sama masa
- to samo przyspieszenie w polu grawitacyjnym
- przeciwny ładunek elektryczny
- obrót przeciwny
- te same właściwości magnetyczne
- powinien wiązać się w ten sam sposób z atomami, cząsteczkami i większymi strukturami
- powinien mieć to samo widmo przejść pozytonowych w różnych konfiguracjach.
Niektóre z tych właściwości zostały zmierzone w czasie: bezwładność antymaterii, ładunek elektryczny, spin i właściwości magnetyczne są dobrze znane i zbadane. Właściwości wiązania i przejściowe zostały zmierzone za pomocą innych detektorów w eksperymencie ALPHA i są one zgodne z przewidywaniami fizyki cząstek.
Ale jeśli przyspieszenie grawitacyjne okaże się raczej ujemne niż dodatnie, dosłownie wywróci świat do góry nogami.
Obecnie nie ma czegoś takiego jak przewodnik grawitacyjny. Na przewodniku elektrycznym wolne ładunki żyją na powierzchni i mogą się przemieszczać, redystrybuując się w odpowiedzi na pobliskie ładunki. Jeśli masz ładunek elektryczny poza przewodnikiem elektrycznym, wnętrze przewodnika będzie ekranowane przed tym źródłem energii elektrycznej.
Ale nie ma sposobu, aby uchronić się przed siłą grawitacji. Nie ma sposobu na dostrojenie jednolitego pola grawitacyjnego w określonym obszarze przestrzeni, na przykład między równoległymi płytkami kondensatora elektrycznego. Przyczyna? W przeciwieństwie do siły elektrycznej, która jest generowana przez ładunki dodatnie i ujemne, istnieje tylko jeden rodzaj „ładunku” grawitacyjnego - masa / energia. Siła grawitacji zawsze przyciąga i nie ma sposobu, aby to zmienić.
Ale jeśli masz ujemną masę grawitacyjną, wszystko się zmienia. Jeśli antymateria faktycznie przejawia właściwości antygrawitacyjne, spada w górę, a nie w dół, to w świetle grawitacji składa się z antymasy lub antyenergii. Zgodnie z prawami fizyki, jakie znamy, nie ma antymasy ani antyenergii. Możemy je sobie wyobrazić i wyobrazić sobie, jak by się zachowywały, ale oczekujemy, że antymateria będzie miała normalną masę i normalną energię, jeśli chodzi o grawitację.
Jeśli antymasa rzeczywiście istnieje, wiele postępów technologicznych, o których pisarze science fiction marzyli od wielu lat, nagle stanie się fizycznie wykonalnych.
- Możemy stworzyć przewodnik grawitacyjny, chroniąc się przed siłami grawitacyjnymi.
- Możemy stworzyć kondensator grawitacyjny w przestrzeni i stworzyć sztuczne pole grawitacyjne.
- Moglibyśmy nawet stworzyć napęd warp, ponieważ mielibyśmy zdolność deformowania czasoprzestrzeni w taki sam sposób, jak wymaga tego matematyczne rozwiązanie ogólnej teorii względności zaproponowane przez Miguela Alcubierre'a w 1994 roku.
To niesamowita okazja, którą wszyscy fizycy teoretycy uważają za prawie niemożliwą. Ale bez względu na to, jak dzikie lub nie do pomyślenia są twoje teorie, musisz je poprzeć lub obalić wyłącznie danymi eksperymentalnymi. Tylko mierząc i testując wszechświat, możesz dokładnie wiedzieć, jak działają jego prawa.
Dopóki nie zmierzymy przyspieszenia grawitacyjnego antymaterii z precyzją niezbędną do określenia, czy spada w górę, czy w dół, musimy być otwarci na możliwość, że natura nie zachowuje się tak, jak tego oczekujemy. Zasada równoważności może nie działać w przypadku antymaterii; może to być w 100% sprzeczne z zasadą. I w tym przypadku otworzy się świat zupełnie nowych możliwości. Odpowiedź znajdziemy za kilka lat, przeprowadzając prosty eksperyment: umieść antyatom w polu grawitacyjnym i zobaczymy, jak spadnie.
Ilya Khel