En av vetenskapens mest överraskande fakta är hur universella naturlagar är. Varje partikel följer samma regler, upplever samma krafter, finns i samma grundläggande konstanter, oavsett var och när den är. Från tyngdpunkten upplever varje enskild partikel i universum samma gravitationsacceleration eller samma krökning av rymdtid, oavsett vilka egenskaper den har.
I vilket fall som helst följer det av teorin. I praktiken kan vissa saker vara mycket svåra att mäta. Fotoner och vanliga stabila partiklar faller lika, som förväntat, i ett gravitationsfält, och jorden får all massiv partikel att accelerera mot sitt centrum med en hastighet av 9,8 m / s2. Men oavsett hur vi försökte, har vi aldrig kunnat mäta gravitationsaccelerationen för antimateria. Det borde accelerera på samma sätt, men tills vi mäter det, kan vi inte vara säkra. Ett av experimenten syftar till att hitta svaret på denna fråga, en gång för alla. Beroende på vad han finner kan vi vara ett steg närmare den vetenskapliga och tekniska revolutionen.
Finns anti-gravitation?
Du kanske inte är medveten om detta, men det finns två helt olika sätt att representera massa. Å ena sidan finns det massa som accelererar när du tillämpar kraft på den: det är m i Newtons berömda ekvation, där F = ma. Det är samma sak med Einsteins ekvation E = mc2, från vilken du kan beräkna hur mycket energi du behöver för att skapa en partikel (eller antipartikel) och hur mycket energi du får när den förstörs.
Men det finns en annan massa: gravitation. Det är massan, m, som förekommer i viktekvationen på jordytan (W = mg) eller Newtons gravitationslag, F = GmM / r2. När det gäller vanlig materia vet vi att dessa två massor - tröghetsmassa och gravitationsmassor - bör vara lika med den närmaste 1 delen på 100 miljarder tack vare experimentella restriktioner som sattes för mer än 100 år sedan av Laurent Eotvos.
Men när det gäller antimateriel kunde vi aldrig mäta allt detta. Vi applicerade icke-gravitationskrafter på antimateria och såg att det accelererade; vi skapade och förstörde antimateria; vi vet exakt hur dess tröghetsmassa beter sig - precis som den inertiella massan av vanlig materia. F = ma och E = mc2 fungerar för antimateria på samma sätt som med vanlig materia.
Men om vi vill veta antimateriets gravitationsbeteende, kan vi inte bara ta teori som grund; vi måste mäta det. Lyckligtvis pågår ett experiment för att ta reda på exakt det: ALPHA-experimentet vid CERN.
Kampanjvideo:
Ett av de stora genombrott som har hänt nyligen har varit skapandet av inte bara partiklar från antimateria utan också neutrala, stabila bundna tillstånd i dem. Antiprotoner och positroner (antielektroner) kan skapas, bromsas ner och tvingas interagera med varandra för att bilda neutralt antihydrogen. Med hjälp av en kombination av elektriska och magnetiska fält kan vi begränsa dessa antiatomer och hålla dem stabila borta från materien, vilket skulle leda till förintelse i händelse av kollision.
Vi har lyckats hålla dem stabila i 20 minuter åt gången, långt bortom de mikrosekunda tidsskalorna som instabila grundpartiklar vanligtvis upplever. Vi sköt fotoner mot dem och fann att de har samma emission- och absorptionsspektra som atomer. Vi har fastställt att egenskaperna hos antimateria är desamma som förutses av standardfysiken.
Förutom gravitationella, naturligtvis. Den nya ALPHA-g-detektorn, byggd vid den kanadensiska fabriken TRIUMF och skickas till CERN tidigare i år, borde förbättra gränserna för gravitationsaccelerationen för antimateria till en kritisk tröskel. Accelererar antimaterialet i närvaro av ett gravitationsfält på jordens yta till 9,8 m / s2 (ned), -9,8 m / s2 (upp), 0 m / s2 (i frånvaro av gravitationsacceleration) eller till något annat värde ?
Ur både en teoretisk och praktisk synvinkel kommer alla andra resultat än de förväntade +9,8 m / s2 att vara absolut revolutionerande.
En analog antimateria för varje materialpartikel bör ha:
- samma massa
- samma acceleration i ett gravitationsfält
- motsatt elektrisk laddning
- motsatt snurr
- samma magnetiska egenskaper
- bör binda på samma sätt i atomer, molekyler och större strukturer
- bör ha samma spektrum av positronövergångar i olika konfigurationer.
Vissa av dessa egenskaper har uppmättts över tid: den inertiella massan av antimateria, elektrisk laddning, spinn och magnetiska egenskaper är välkända och studerade. De bindande och övergående egenskaperna mättes av andra detektorer i ALPHA-experimentet och överensstämmer med förutsägelserna för partikelfysik.
Men om gravitationsaccelerationen visar sig vara negativ snarare än positiv, kommer den bokstavligen att vända världen upp och ner.
För närvarande finns det inget sådant som en gravitationsledare. På en elektrisk ledare lever gratisladdningar på ytan och kan röra sig och återfördela sig själva som svar på eventuella laddningar i närheten. Om du har en elektrisk laddning utanför den elektriska ledaren, är ledarens insida skyddad från den elektricitetskällan.
Men det finns inget sätt att skydda sig mot tyngdkraften. Det finns inget sätt att ställa in ett enhetligt gravitationsfält i ett specifikt rymdområde, till exempel mellan parallella plattor i en elektrisk kondensator. Orsak? Till skillnad från elektrisk kraft, som genereras av positiva och negativa laddningar, finns det bara en typ av gravitationell "laddning" - massa / energi. Tyngdkraften lockar alltid och det finns inget sätt att ändra den.
Men om du har en negativ gravitationsmassa förändras allt. Om antimateria faktiskt manifesterar gravitationsegenskaper, faller upp och inte ner, då i ljuset av tyngdkraften består den av antimassa eller anti-energi. Enligt fysiklagarna så som vi känner det finns det ingen antimass eller antigenergi. Vi kan föreställa oss dem och föreställa oss hur de skulle bete sig, men vi förväntar oss att antimateria har normal massa och normal energi när det gäller tyngdkraften.
Om antimassa finns, kommer de många tekniska framstegen som science fiction-författare har drömt om i många år plötsligt att bli fysiskt genomförbara.
- Vi kan skapa en gravitationsledare genom att skydda oss från gravitationskrafter.
- Vi kan skapa en gravitationskondensator i rymden och skapa ett konstgjord tyngdkraftsfält.
- Vi kan till och med skapa en varp-enhet, eftersom vi skulle ha förmågan att deformera rymdtid på samma sätt som den matematiska lösningen av allmän relativitet som föreslogs av Miguel Alcubierre 1994 kräver.
Detta är en otrolig möjlighet som anses vara nästan omöjlig av alla teoretiska fysiker. Men oavsett hur vilda eller otänkbara dina teorier är, måste du stödja dem eller motbevisa dem uteslutande med experimentell data. Endast genom att mäta och testa universum kan du veta exakt hur dess lagar fungerar.
Tills vi mäter gravitationsaccelerationen för antimateria med den noggrannhet som krävs för att avgöra om den faller upp eller ner, måste vi vara öppna för möjligheten att naturen inte bete sig som vi förväntar oss att den ska göra. Ekvivalensprincipen kanske inte fungerar i fallet med antimateria; det kan vara 100% anti-princip. Och i detta fall kommer en värld av helt nya möjligheter att öppna sig. Vi kommer att ta reda på svaret om några år genom att genomföra ett enkelt experiment: sätta en antatom i ett gravitationsfält och se hur det kommer att falla.
Ilya Khel
