Един от най-изненадващите факти в науката е колко универсални са природните закони. Всяка частица се подчинява на едни и същи правила, изпитва едни и същи сили, съществува в едни и същи основни константи, независимо къде и кога е. От гледна точка на гравитацията, всяка отделна частица от Вселената изпитва едно и също гравитационно ускорение или една и съща кривина на пространство-време, независимо какви свойства притежава.
Във всеки случай това следва от теорията. На практика някои неща могат да бъдат много трудни за измерване. Фотоните и обикновените стабилни частици попадат еднакво, както се очаква, в гравитационно поле, а Земята принуждава всяка масивна частица да се ускори към центъра си със скорост 9,8 m / s2. Но колкото и да се опитахме, никога не успяхме да измерим гравитационното ускорение на антиматерията. Той трябва да се ускори по същия начин, но докато не го измерим, не можем да бъдем сигурни. Един от експериментите има за цел да намери отговора на този въпрос веднъж завинаги. В зависимост от това, което намира, може да сме една крачка по-близо до научната и технологичната революция.
Съществува ли антигравитация?
Може да не сте наясно с това, но има два напълно различни начина за представяне на масата. От една страна, има маса, която се ускорява, когато приложите сила към нея: това е m в известното уравнение на Нютон, където F = ma. Същото е с уравнението на Айнщайн E = mc2, от което можете да изчислите колко енергия ви е необходима, за да създадете частица (или античастица) и колко енергия получавате, когато се унищожи.
Но има и друга маса: гравитационна. Това е масата m, която се появява в уравнението на теглото върху земната повърхност (W = mg) или гравитационния закон на Нютон, F = GmM / r2. В случая с обикновената материя знаем, че тези две маси - инерционни и гравитационни маси - трябва да са равни на най-близката 1 част на 100 милиарда, благодарение на експерименталните ограничения, поставени преди повече от 100 години от Лоран Еотвос.
Но в случая на антиматерия никога не бихме могли да измерим всичко това. Приложихме негравитационни сили към антиматерията и видяхме как тя се ускорява; създадохме и унищожихме антиматерията; знаем точно как се държи нейната инерционна маса - също като инерционната маса на обикновената материя. F = ma и E = mc2 работи в случай на антиматерия по същия начин, както при обикновената материя.
Но ако искаме да знаем гравитационното поведение на антиматерията, не можем просто да вземем теорията за основа; трябва да го измерим. За щастие се провежда експеримент, който ще разбере точно това: експериментът ALPHA в CERN.
Промоционално видео:
Един от големите пробиви, който се случи наскоро, е създаването на не само частици от антиматерия, но и неутрални, стабилно свързани състояния в тях. Антипротоните и позитроните (антиелектроните) могат да бъдат създадени, забавени и принудени да взаимодействат помежду си, за да образуват неутрален антихидроген. Използвайки комбинация от електрически и магнитни полета, можем да ограничим тези антиатоми и да ги държим стабилни далеч от материята, което би довело до унищожаване в случай на сблъсък.
Успяхме да ги поддържаме стабилни в продължение на 20 минути наведнъж, далеч отвъд микросекундните времеви интервали, които обикновено изпитват нестабилните основни частици. Изстреляхме фотони по тях и установихме, че те имат същия спектър на емисия и абсорбция като атомите. Определихме, че свойствата на антиматерията са същите, както са предвидени от стандартната физика.
Освен гравитационните, разбира се. Новият детектор ALPHA-g, построен в канадската фабрика TRIUMF и изпратен до CERN по-рано тази година, трябва да подобри границите на гравитационното ускорение на антиматерията до критичен праг. Ускорява ли антиматерията при наличие на гравитационно поле на земната повърхност до 9,8 m / s2 (надолу), -9,8 m / s2 (нагоре), 0 m / s2 (при липса на гравитационно ускорение) или до някаква друга стойност ?
Както от теоретична, така и от практическа гледна точка, всеки резултат, различен от очакваните +9,8 m / s2, ще бъде абсолютно революционен.
Аналог на антиматерията за всяка частица от материята трябва да има:
- същата маса
- същото ускорение в гравитационно поле
- срещу електрически заряд
- противоположно въртене
- същите магнитни свойства
- трябва да се свързват по същия начин с атоми, молекули и по-големи структури
- трябва да имат същия спектър от позитронни преходи в различни конфигурации.
Някои от тези свойства са измерени във времето: инерционната маса на антиматерията, електрически заряд, спин и магнитни свойства са добре известни и проучени. Свързващите и преходни свойства бяха измерени от други детектори в експеримента с ALPHA и са в съответствие с прогнозите на физиката на частиците.
Но ако гравитационното ускорение се окаже отрицателно, а не положително, то буквално ще обърне света с главата надолу.
В момента няма такова нещо като гравитационен проводник. В електрическия проводник безплатните заряди живеят на повърхността и могат да се движат, преразпределяйки се в отговор на всякакви заряди наблизо. Ако имате електрически заряд извън електрическия проводник, вътрешността на проводника ще бъде екранирана от този източник на електричество.
Но няма начин да се предпазите от силата на гравитацията. Няма начин да настроите равномерно гравитационно поле в определена област от пространството, например между паралелни плочи на електрически кондензатор. Причина? За разлика от електрическата сила, която се генерира от положителни и отрицателни заряди, има само един вид гравитационен "заряд" - маса / енергия. Гравитационната сила винаги привлича и няма начин да я промените.
Но ако имате отрицателна гравитационна маса, всичко се променя. Ако антиматерията действително проявява антигравитационни свойства, пада нагоре и не надолу, тогава в светлината на гравитацията тя се състои от антимаса или антиенергия. Според законите на физиката, както я познаваме, няма антимаса или антиенергия. Можем да си ги представим и да си представим как биха се държали, но очакваме антиматерията да има нормална маса и нормална енергия, когато става въпрос за гравитацията.
Ако съществува антимаса, многото технологични постижения, за които са писали писатели на научна фантастика от много години, изведнъж ще станат физически осъществими.
- Можем да създадем гравитационен проводник, като се предпазваме от гравитационните сили.
- Можем да създадем гравитационен кондензатор в космоса и да създадем изкуствено гравитационно поле.
- Можем дори да създадем деформация, тъй като бихме имали способността да деформираме космическото време по същия начин, както математическото решение на общата относителност, предложено от Мигел Алкубиер през 1994 г.
Това е невероятна възможност, която се счита за почти невъзможна от всички теоретични физици. Но без значение колко диви или немислими са вашите теории, трябва да ги подкрепите или да ги опровергаете изключително с експериментални данни. Само чрез измерване и тестване на Вселената можете да знаете как точно работят нейните закони.
Докато не измерваме гравитационното ускорение на антиматерията с точността, необходима, за да определим дали тя пада или надолу, трябва да сме отворени за възможността природата да не се държи така, както очакваме. Принципът на еквивалентност може да не работи в случай на антиматерия; може да бъде 100% анти-принцип. И в този случай ще се отвори свят с напълно нови възможности. Отговорът ще разберем след няколко години, като проведем прост експеримент: поставете антиатом в гравитационно поле и вижте как ще падне.
Иля Кел