Сила всеобщего отталкивания?

Работает ли гравитация антиматерии так же, как закон всемирного тяготения для обычной материи, или все наоборот? От ответа на этот вопрос может зависеть многое.

Одним из железных правил науки является универсальность законов природы. Каждая частица во Вселенной должна подчиняться одним и тем же законам, испытывать одни и те же силы и одни и те же основные физические константы, независимо от того, где и когда она существует.

Таким образом, каждый объект во Вселенной испытывает — в зависимости от того, как мы на него смотрим — либо одно и то же гравитационное ускорение, либо одно и то же искривление пространства-времени, какими бы индивидуальными свойствами он ни обладал. Как и ожидалось в теории, фотоны и стабильные элементарные частицы испытывают гравитационные поля. На Земле закон всемирного тяготения заставляет каждый объект, состоящий из материи, двигаться к своему центру с ускорением 9,8 м/с.².

1. Гравитация и антигравитация — как это могло работать

Логика здравого смысла подсказывает, что с антиматерией все работает наоборот — объекты из антиматерии ускоряются в противоположном направлении (1). Однако, несмотря на многочисленные усилия ученых со всего мира, «антигравитационное ускорение» антиматерии так и не было измерено. Здравого смысла и логики недостаточно для науки. Экспериментальные результаты необходимы для подтверждения того, что теоретические предположения остаются в силе. Многие комментаторы отмечают, что независимо от того, удастся ли подтвердить существование «антигравитации» или будет с уверенностью доказано, что ее не существует во Вселенной, это будет революционным открытием.

Отрицательная гравитация? Отрицательная масса?

Есть два совершенно разных способа думать о массе. С одной стороны, это масса как то, что ускоряеткогда мы применяем к нему силу. Это m в знаменитом уравнении Ньютона F = ma. Физики видят такое же понимание массы у Эйнштейна. Е = чб² — это уравнение, описывающее количество энергии, необходимой для создания частицы (или античастицы), и энергию, «восстановленную» при ее уничтожении. Этот инерционная масса. Он все еще там гравитационная масса, т. е. масса, возникающая в результате действия силы тяжести F = Gm₁m₂/r². Строго говоря, можно отдельно определить реактивную гравитацию как меру взаимодействия с внешним гравитационным полем (создаваемым другими массами) и активную гравитационную массу как меру создаваемого гравитационного поля (воздействующего на другие массы).

Осуществлено в 1909 г. Лоранд Этвёса эксперимент, проверяющий взаимосвязь между массой и инерцией, был проверкой эквивалентности обеих масс, постулированной Альбертом Эйнштейном. Равенство между гравитационной и инертной массой вне зависимости от строения и плотности тела лежит в основе общая теория относительности Эйнштейн. Торсионные весы, использованные в эксперименте, должны были обнаруживать различия в ускорениях различных материалов — латуни, стекла, пробки, необработанного дерева, меди, воды и платины. Эксперимент Этвеша повторили другие исследователи. Янош Реннера (используя исходный торсионный вес, используемый Этвёшем) и Роберта Х. Диккеа с командой. Эксперимент Дикке подтвердил эквивалентность гравитационной и инертной масс с точностью от 1 до 100 миллиардов.

В отношении антивещества нам пока не удалось провести подобные эксперименты и измерения, хотя кажется, что это должно быть возможно и давать аналогичные по величине, но противоположные по направлению и знаку результаты. В исследовании применялись негравитационные силы к антивеществу, наблюдая за его ускорением. Ученые считают, что и F = ma, и E = mc2 работают для антивещества так же, как и для обычного вещества.

Чтобы выяснить, верны ли теоретические ожидания, нужно было бы провести что-то вроде эксперимента Этвеша с антивеществом. Это эксперимент, подходящий для первой половины XNUMX века. Projekt w ЦЕРН (Фото на обложке). В соответствии с предположениями, сделанными детектор АЛЬФА-г заключается в измерении поведения нейтрального антивещества в гравитационном поле. Антипротоны и позитроны (антиэлектроны) могут образовываться, замедляться и принуждаться связываться вместе в нейтральные атомы антиводорода. Используя систему магнитов, ученые теперь могут поддерживать их стабильность в течение примерно 20 минут, что намного дольше, чем типичные доли секунды жизни одиночных частиц антиматерии. Бомбардировка анатомов водорода фотонами показывает, что они имеют такие же спектры излучения и поглощения, как и атомы. И снова оказывается, что свойства антивещества соответствуют предсказаниям физики.

Детектор ALPHA-g, построенный в канадском исследовательском центре TRUMF, является первым детектором такого типа, предназначенным для измерения воздействия на антивещество. При вертикальной установке он должен быть в состоянии определить, в каком направлении падает антивещество и с каким ускорением, если оно есть. Как с теоретической точки зрения, так и с точки зрения развития технологий любой результат, кроме ожидаемых +9,8 м/с² было бы абсолютно революционным. Гипотетический эквивалентный результат -9,8 м/с² означало бы, что антигравитация к обычному веществу действует в обратном направлении, т. е. не притягивает, а отталкивает. Другие числовые значения — это снова значительный шаг на пути к объяснению загадок преимущества материи над антиматерией во Вселенной, о которых мы пишем ниже.

В настоящее время невозможно создать поле, как это можно сделать, например, с электрическим полем, приложив напряжение, после чего поле создается противоположными, положительными и отрицательными зарядами. Когда дело доходит до гравитации, есть только один тип «гравитационного заряда», связанный с массой/энергией. Сила гравитации, как мы ее знаем, всегда только притягивает.

Если бы мы столкнулись с отрицательной гравитацией, это радикально изменило бы форму вещей. Если бы она не притягивала, а отталкивала, то была бы какая-то антимасса и антиэнергия, которых по известным нам законам физики не существует.

Это открытие может произвести революцию в технологиях. Возможно, например, можно было бы построить антигравитационный контур, защищающий от гравитации. Некоторые предполагают, что мы могли бы создать двигатель или машину для искривления пространства-времени из идеи. Мигела Алькубьерреа. Эта концепция требует использования материи с отрицательной массой, а из гипотетических результатов эксперимента такое могло возникнуть.

Загадка асимметрии

Самый известный тип антиматерии — позитрон или антиэлектрон. Он имеет ту же массу, что и электрон, но противоположный электрический заряд. Когда материя сталкивается со своим партнером из антиматерии, они аннигилируют друг друга. Позитроны могут образовываться в результате радиоактивного распада. Они также образуются в парах с электронами, когда чрезвычайно энергичные фотоны, более известные как гамма излучение, взаимодействуют с атомными ядрами. Они также возникли антипротонияа в 1995 году ученым наконец удалось объединить позитроны и антипротоны для получения антиводорода.

В течение многих лет физики задавались вопросом, почему обычная материя кажется количественно лучше во Вселенной, какой мы ее знаем. Теоретически можно было ожидать, что в Большом взрыве образовалось одинаковое количество вещества и антивещества, что быстро привело бы к аннигиляции в процессе аннигиляции. (3). Почти при каждом взаимодействии между субатомными частицами антиматерия и материя производятся в равной мере. Похоже, это фундаментальная симметрия Вселенной (CP). И все же, когда мы наблюдаем нашу вселенную, мы почти не видим антивещества. В настоящее время физики считают, что на каждую частицу антиматерии приходится около миллиарда частиц обычной материи в космосе. Эта головоломка имеет разные названия — например. проблема асимметрии материи Lub проблема барионной асимметрии. Каким бы ни было название, до сих пор никто не смог дать связного объяснения господству материи над антиматерией.

Недавно физики из Сиракузского университета в США экспериментально подтвердили, что частицы и античастицы, содержащие очарование кварков, распадаются по-разному. И это могло бы объяснить, почему во Вселенной существует фундаментальная барионная асимметрия. Если бы эти результаты подтвердились, произошел бы научный прорыв и открылось бы окно в новую физику. Ученые проанализировали результаты столкновений протонов, зафиксированные детектором LHCb на Большом адронном коллайдере и с высокой точностью (до одной десятой доли процента) определил соотношение продуктов распада D0-мезоны i антисезоны D0. Мезоны состоят из одиночного кварка и антикварка, причем мезоны D0 содержат очарованный кварк и антикварк, а антимезоны D0 содержат антикварк и апкварк. Ученым удалось зафиксировать нарушение СР-симметрии, т.е. процесс превращения частицы в античастицу.

Другое объяснение, недавно предложенное тремя физиками Хуманом Давудиаслом, Яном М. Льюисом и Мэтью Салливаном, предполагает, что различные типы бозоны Хиггса.

Разгадка тайн антивещества кажется интересной не только для самой науки, но и для дальнейшего развития нашей цивилизации. Если бы мы доказали существование антигравитации, а затем смогли бы использовать это открытие на практике, началась бы новая технологическая эра, открывающая путь к освоению космоса.