Антигравитация возможна?

0

Одним из самых удивительных фактов в науке является то, насколько универсальны законы природы. Каждая частица подчиняется одним и тем же правилам, испытывает одни и те же силы, существует в одних и тех же фундаментальных константах, независимо от того, где она находится. С точки зрения гравитации каждая отдельная частичка Вселенной испытывает одно и то же гравитационное ускорение или одну и ту же кривизну пространства-времени, независимо от того, какими свойствами обладает.

Во всяком случае, так следует из теории. На практике же некоторые вещи измерить бывает очень трудно. Фотоны и обычные стабильные частицы одинаково падают, как и ожидается, в гравитационном поле, и Земля заставляет любую массивную частицу ускоряться по направлению к ее центру со скоростью 9,8 м/с2 (метров на секунду в квадрате). Но как бы ученые ни пытались, им ни разу не удалось измерить гравитационное ускорение антиматерии. Она обязана ускоряться так же, но пока ученые не измерили, то не могут быть уверены в этом. Один из экспериментов направлен на то, чтобы найти ответ на этот вопрос. В зависимости от того, что он найдет, человечество может оказаться на шаг ближе к научно-технической революции.

Как измерить антиматерию?

Есть два совершенно разные способы представить массу. С одной стороны, существует масса, которая ускоряется, когда вы применяете к ней силу: это m в знаменитом уравнении Ньютона, где F=mа (F – сила, приложенная к телу, m — масса тела, а – ускорение). То же самое и в уравнении Эйнштейна E=mc2 (E – энергия объекта, m – его масса, c — скорость света в вакууме, равная 299.792.458 м/с), из которого можно рассчитать, сколько энергии нужно для создания частицы (или античастицы) и сколько энергии получится, когда она аннигилирует.

Но есть и другая масса: гравитационная. Это масса, m, которая появляется в уравнении веса на поверхности Земли (W=mg, где W – вес тела, m – его масса, g — ускорение) или в гравитационном законе Ньютона, F=GmM/r2 (F – сила тяжести, G – гравитационная постоянная, m и M – массы притягивающихся тел, r – расстояние между ними). В случае с обычной материей известно, что эти две массы — инерциальная и гравитационная — должны быть равны с точностью до 1 части на 100 миллиардов, благодаря экспериментальным ограничениям, установленным более 100 лет назад Лораном Этвешем.

Но в случае с антиматерией ученые никогда не могли все это измерить. Они применяли негравитационные силы к антиматерии и видели, как она ускоряется; они создавали и уничтожали антиматерию; точно знают, как ведет себя ее инерционная масса — точно так же, как инерционная масса обычного вещества. F=ma и E=mc2 работает в случае с антиматерией так же, как и с обычной материей.

Но чтобы узнать гравитационное поведение антиматерии, нельзя просто взять за основу теорию; придется измерить антиматерию. На выяснение именно этого и направлен эксперимент ALPHA, который проводится в швейцарском ЦЕРН.

Все решится в ЦЕРН

Одним из больших прорывов, случившихся за последнее время, стало создание не только частиц из антиматерии, но и нейтральных, устойчивых связанных состояний в них. Антипротоны и позитроны (антиэлектроны) могут быть созданы, замедлены и принуждены взаимодействовать друг с другом с образованием нейтрального антиводорода. Используя комбинацию электрических и магнитных полей, можно ограничить эти антиатомы и поддерживать их в стабильном состоянии вдали от материи, которая приведет к аннигиляции в случае столкновения. Ученым удалось успешно поддерживать частицы в стабильном состоянии в течение 20 минут за раз, что намного превышает микросекундные временные масштабы, которые обычно переживают нестабильные фундаментальные частицы. Физики обстреливали их фотонами и обнаружили, что они имеют те же спектры излучения и абсорбции, что и атомы. И определили, что свойства антиматерии такие же, как предсказывает стандартная физика.

За исключением гравитационных, конечно. Новый детектор ALPHA-g, построенный на канадской фабрике TRIUMF и отправленный в ЦЕРН в начале этого года, должен улучшить пределы гравитационного ускорения антивещества до критического порога. Ускоряется ли антиматерия в присутствии гравитационного поля на поверхности Земли до 9,8 м/с2 (вниз), минус 9,8 м/с2 (вверх), 0 м/с2 (в отсутствие гравитационного ускорения) или же до какой-либо другой величины?

Как с теоретической, так и с практической точки зрения, любой результат, отличный от ожидаемого плюс 9,8 м/с2, будет абсолютно революционным. Аналог антивещества для каждой частицы материи должен иметь:

— такую же массу;
— такое же ускорение в гравитационном поле;
— противоположный электрический заряд;
— противоположный спин;
— такие же магнитные свойства;
— должен связываться так же в атомы, молекулы и более крупные структуры;
— должен иметь такой же спектр позитронных переходов в разнообразных конфигурациях.

Некоторые из этих свойств измерялись в течение долгого времени: инерционная масса антиматерии, электрический заряд, спин (собственный момент импульса частицы) и магнитные свойства хорошо известны и изучены. Связывающие и переходные свойства измерялись другими детекторами на эксперименте ALPHA и совпадают с предсказаниями физики элементарных частиц.

Когда получат антиатом

Но если гравитационное ускорение окажется отрицательным, а не положительным, это буквально перевернет мир вверх дном. В настоящее время нет такого понятия, как гравитационный проводник. На электрическом проводнике свободные заряды живут на поверхности и могут перемещаться, перераспределяя себя в ответ на любые заряды поблизости. Если есть электрический заряд за пределами электрического проводника, то внутренность проводника будет экранирована от этого источника электричества.

Но защититься от силы тяготения невозможно. Нет никакого способа настроить равномерное гравитационное поле в определенной области пространства, как, например, между параллельными пластинами электрического конденсатора. Причина? В отличие от электрической силы, которая генерируется положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного «заряда» — масса/энергия. Гравитационная сила всегда притягивает, и никак это не изменить.

Но если будет отрицательная гравитационная масса, все меняется. Если антиматерия на самом деле проявляет антигравитационные свойства, падает вверх, а не вниз, то в свете гравитации она состоит из антимассы или антиэнергии. Согласно законам физики, которые мы знаем, антимассы или антиэнергии не существует. Мы можем представить их и представить, как они будут себя вести, но мы ожидаем, что антиматерия будет иметь нормальную массу и нормальную энергию, если речь о гравитации. Если же антимасса действительно существует, множество технических достижений, о которых грезили писатели-фантасты многие годы, внезапно станут возможными. Например, человечество сможет создать гравитационный проводник, оградив себя от гравитационной силы; гравитационный конденсатор в космосе и поле искусственной гравитации. Ученые могли бы даже создать варп-двигатель, поскольку получили бы способность деформировать пространство-время так же, как того требует математического решение общей теории относительности, предложенное Мигелем Алькубьерре в 1994 г.

Это невероятная возможность, которая считается практически недостижимой всеми физиками-теоретиками. Но какими бы дикими или немыслимыми не были теории, они должны подкрепляться или опровергаться исключительно экспериментальными данными. Только измеряя Вселенную и подвергая ее проверкам, можно точно узнать, как действуют ее законы.

Пока наука не измерит гравитационное ускорение антиматерии с точностью, необходимой для определения того, падает она вверх или вниз, ученым нужно быть открытыми для варианта, что природа ведет себя не так, как от нее ожидается. Принцип эквивалентности может не работать в случае с антиматерией; он может быть на 100 процентов антипринципом. И в таком случае откроется мир совершенно новых возможностей. Ответ ученые узнают через несколько лет, проведя простейший эксперимент: поместят антиатом в гравитационное поле и посмотрят, как он будет падать.

Илья Хель, hi-news.ru

Поделиться.

Ответить

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.