En av de mest overraskende fakta i vitenskapen er hvor universelle naturlovene er. Hver partikkel adlyder de samme reglene, opplever de samme kreftene, eksisterer i de samme grunnleggende konstantene, uavhengig av hvor og når den er. Fra gravitasjonssynet opplever hver enkelt partikkel av universet den samme gravitasjonsakselerasjonen eller den samme krumningen av rom-tid, uavhengig av hvilke egenskaper den har.
I alle fall følger det av teorien. I praksis kan noen ting være veldig vanskelig å måle. Fotoner og vanlige stabile partikler faller som forventet like i et gravitasjonsfelt, og Jorden får enhver massiv partikkel til å akselerere mot sentrum med en hastighet på 9,8 m / s2. Men uansett hvordan vi prøvde, har vi aldri klart å måle gravitasjonsakselerasjonen til antimaterie. Det skal akselerere på samme måte, men inntil vi måler det, kan vi ikke være sikre. Et av eksperimentene er rettet mot å finne svaret på dette spørsmålet, en gang for alle. Avhengig av hva han finner, kan vi være et skritt nærmere den vitenskapelige og teknologiske revolusjonen.
Eksisterer anti-gravity?
Du er kanskje ikke klar over dette, men det er to helt forskjellige måter å representere masse på. På den ene siden er det masse som akselererer når du bruker kraft på den: det er m i Newtons berømte ligning, der F = ma. Det er det samme med Einsteins ligning E = mc2, hvorfra du kan beregne hvor mye energi du trenger for å lage en partikkel (eller antipartikkel) og hvor mye energi du får når den blir tilintetgjort.
Men det er en annen masse: gravitasjon. Det er massen, m, som vises i vektligningen på jordoverflaten (W = mg) eller Newtons gravitasjonslov, F = GmM / r2. Når det gjelder vanlig materie, vet vi at disse to massene - treghets- og gravitasjonsmasser - skal være lik den nærmeste 1 delen på 100 milliarder, takket være eksperimentelle begrensninger satt for mer enn 100 år siden av Laurent Eotvos.
Men når det gjelder antimaterie, kunne vi aldri måle alt dette. Vi brukte ikke-gravitasjonskrefter på antimaterie og så det akselerere; vi skapte og ødela antimaterie; vi vet nøyaktig hvordan dens treghetsmasse oppfører seg - akkurat som treghetsmassen av vanlig materie. F = ma og E = mc2 fungerer for antimaterie på samme måte som med vanlig materie.
Men hvis vi ønsker å kjenne antimateriets gravitasjonsatferd, kan vi ikke uten videre ta teori som grunnlag; vi må måle det. Heldigvis pågår et eksperiment for å finne ut nøyaktig det: ALPHA-eksperimentet ved CERN.
Salgsfremmende video:
Et av de store gjennombruddene som har skjedd nylig har vært opprettelsen av ikke bare partikler fra antimateriell, men også nøytrale, stabile bundne tilstander i dem. Antiprotoner og positroner (antielektroner) kan opprettes, bremses ned og tvinges til å samhandle med hverandre for å danne nøytral antihydrogen. Ved å bruke en kombinasjon av elektriske og magnetiske felt kan vi begrense disse antatomene og holde dem stabile borte fra materie, noe som vil føre til utslettelse i tilfelle kollisjon.
Vi har vært i stand til å holde dem stabile i 20 minutter av gangen, langt utover mikrosekundets tidsrom som ustabile grunnleggende partikler vanligvis opplever. Vi fyrte fotoner mot dem og fant ut at de har samme emisjons- og absorpsjonsspektre som atomer. Vi har bestemt at egenskapene til antimaterie er de samme som forutsagt av standardfysikk.
Bortsett fra gravitasjonelle, selvfølgelig. Den nye ALPHA-g-detektoren, bygget på den kanadiske fabrikken TRIUMF og sendt til CERN tidligere i år, skulle forbedre grensene for gravitasjonsakselerasjonen til antimateriell til en kritisk terskel. Akselererer antimaterien i nærvær av et gravitasjonsfelt på jordoverflaten til 9,8 m / s2 (ned), -9,8 m / s2 (opp), 0 m / s2 (i mangel av gravitasjonsakselerasjon), eller til en annen verdi ?
Fra både teoretisk og praktisk synspunkt vil ethvert annet resultat enn forventet +9,8 m / s2 være absolutt revolusjonerende.
En analog antimateriell for hver partikkel av materie skal ha:
- samme masse
- den samme akselerasjonen i et gravitasjonsfelt
- motsatt elektrisk ladning
- motsatt spinn
- de samme magnetiske egenskapene
- skal binde på samme måte inn i atomer, molekyler og større strukturer
- skal ha det samme spekteret av positronoverganger i en rekke konfigurasjoner.
Noen av disse egenskapene er blitt målt over tid: treghetsmassen til antimateriell, elektrisk ladning, spinn og magnetiske egenskaper er velkjent og studert. Bindings- og forbigående egenskaper ble målt av andre detektorer i ALPHA-eksperimentet og er i tråd med spådommene for partikkelfysikk.
Men hvis gravitasjonsakselerasjonen viser seg å være negativ snarere enn positiv, vil den bokstavelig talt snu verden opp ned.
Foreløpig er det ikke noe som heter en gravitasjonsleder. På en elektrisk leder bor gratis ladninger på overflaten og kan bevege seg, og fordele seg selv som svar på eventuelle ladninger i nærheten. Hvis du har en elektrisk ladning utenfor den elektriske lederen, vil innsiden av lederen være skjermet fra den strømkilden.
Men det er ingen måte å beskytte seg mot tyngdekraften. Det er ingen måte å stille inn et ensartet gravitasjonsfelt i et spesifikt romområde, for eksempel mellom parallelle plater i en elektrisk kondensator. Årsaken? I motsetning til elektrisk kraft, som genereres av positive og negative ladninger, er det bare en type gravitasjons "ladning" - masse / energi. Tyngdekraften tiltrekker seg alltid, og det er ingen måte å endre den på.
Men hvis du har negativ gravitasjonsmasse, endres alt. Hvis antimaterie faktisk manifesterer gravitasjonsegenskaper, faller opp og ikke ned, består den i tyngdekraftets lys av antimasse eller anti-energi. I henhold til fysikkens lover slik vi kjenner det, er det ingen antimasse eller anti-energi. Vi kan forestille oss dem og forestille oss hvordan de ville oppføre seg, men vi forventer at antimaterie har normal masse og normal energi når det gjelder tyngdekraften.
Hvis det eksisterer antimasse, vil de mange teknologiske fremskrittene som science fiction-forfattere har drømt om i mange år, plutselig bli fysisk gjennomførbare.
- Vi kan lage en gravitasjonsleder ved å skjerme oss mot gravitasjonskrefter.
- Vi kan lage en gravitasjonskondensator i rommet og lage et kunstig tyngdekraftfelt.
- Vi kan til og med lage et varpdrev, siden vi ville ha evnen til å deformere romtid på samme måte som den matematiske løsningen av generell relativitet som ble foreslått av Miguel Alcubierre i 1994 krever.
Dette er en utrolig mulighet som anses som nesten umulig av alle teoretiske fysikere. Men uansett hvor ville eller utenkelige teorier er, må du støtte dem eller tilbakevise dem utelukkende med eksperimentelle data. Bare ved å måle og teste universet kan du vite nøyaktig hvordan dets lover fungerer.
Inntil vi måler gravitasjonsakselerasjonen til antimaterie med den presisjon som er nødvendig for å avgjøre om den faller opp eller ned, må vi være åpne for muligheten for at naturen ikke oppfører seg slik vi forventer at den skal. Ekvivalensprinsippet fungerer kanskje ikke i tilfelle av antimaterie; det kan være 100% anti-prinsipp. Og i dette tilfellet vil en verden med helt nye muligheter åpne seg. Vi vil finne ut av svaret om noen år, ved å gjennomføre et enkelt eksperiment: legg et antatom i et gravitasjonsfelt og se hvordan det vil falle.
Ilya Khel
