Вчені виявили, що атоми антиводню, аналог антиматерії водню, схильні до впливу гравітації так само, як і їх еквіваленти речовини. Це виключає існування «антигравітації».
Антиматерія інтригує і збиває з пантелику фізиків протягом майже століття. І вплив гравітації на антиматерію було однією з причин розбіжності вчених. Нові дослідження в ЦЕРНі, можливо, поставили крапку в цьому питанні.
З чого все почалося?
У XVII столітті Ісаак Ньютон запропонував свою теорію гравітації, спостерігаючи за тим, як яблуко падає з дерева. Він задавався питанням, чому воно впало прямо вниз, а не убік або вгору. Століття по тому Альберт Ейнштейн придумав свою загальну теорію відносності, яка залишається найуспішнішим і перевіреним описом гравітації.
Що Ейнштейн говорив про гравітації?
У загальній теорії відносності постулюється, що гравітаційні ефекти обумовлені не силовим взаємодією тіл і полів, а деформацією самого простору-часу, в якому вони знаходяться. Ця деформація пов’язана, зокрема, з присутністю маси-енергії. Крім того, загальна теорія відносності пояснює явище гравітації проявом геометричних властивостей простору і часу. Відповідно до цієї теорії «порожнього» простору не існує, в ньому завжди присутні речовина, випромінювання і різні фізичні поля. І, що найважливіше, цей науковий тріумф є ще одним підтвердженням загальної теорії відносності Ейнштейна. Вона передбачає, що всі маси, незалежно від відмінностей в їх внутрішній структурі, реагують на гравітацію однаковим чином.
Нове дослідження
У 1928 році британський фізик Пол Дірак передбачив, що для кожної частинки існує відповідна античастинка. Таким чином він передбачив існування позитрона — або антиелектрона — який вперше спостерігали в 1932 році. Відтоді вчені висунули було багато припущень про взаємодію між гравітацією і антиматерією. При цьому, деякі фізики стверджували, що антиматерія відштовхується гравітацією, а інші, що вона її «притягує».
Нове дослідження, проведене у співпраці з Антиводневим лазерним фізичним апаратом (ALPHA) в Європейській організації ядерних досліджень (ЦЕРН), можливо, врегулювало суперечка. Вчені виявили, що атоми антиводню, «антиматеріального» аналога водню, падають на Землю так само, як і їх еквіваленти речовини.
Дослідження показало, що гравітація впливає на антиречовину так само, як і на матерію. Фото: ЦЕРН
Що таке експеримент ALPHA і як він проходив?
Експеримент ALPHA пов’язаний зі створенням, захопленням і вивченням атомів антиводню в пастці. Атоми антиводню є електрично нейтральними і стабільними частинками антиматерії, що робить їх ідеальними для вивчення її гравітаційної поведінки. Антиводень створюють, об’єднуючи двокомпонентні античастинки, антипротони і позитрони.
Антипротон — це субатомна частка з тією ж масою, що і протон, але з негативним електричним зарядом.
Команда ALPHA недавно побудувала вертикальний апарат ALPHA-g, де «g» — локальне прискорення гравітації, яке становить 9,81 м/с2. ALPHA-g дозволяє виміряти вертикальне положення, в якому атоми антиводню зустрічаються з відповідною матерією — процес, відомий як анігіляція — після того, як магнітне поле пастки вимкнено, дозволяючи атомам «тікати».
На цьому малюнку показані атоми антиводню, падаючі і анігілюючи всередині магнітної пастки, що є частиною експерименту ALPHA-g в ЦЕРН по вимірюванню впливу гравітації на антиматерію. Фото: Національний науковий фонд США
Дослідники зловили групи з близько 100 атомів антиводню, по одній групі за раз. Потім вони повільно вивільнили атоми протягом 20 секунд, поступово зменшуючи струм в верхніх і нижніх магнітах-пастки.
Комп’ютерне моделювання передбачило, що 20% атомів будуть виходити через верхню частину пастки і 80% — через нижню. Ця різниця викликана низхідним ефектом сили тяжіння. Усереднючи результати семи випробувань, фізики виявили, що фракції антиатомів, що виходять через верхню і нижню частини, «вирівняються» з симуляцією. Це означає, що атоми антиводню падали так само, як атоми водню падають під дією 1g, або нормальної гравітації.
Таким чином, використовуючи апарат ALPHA-g, фізики ефективно відтворили знаменитий гравітаційний експеримент Галілея. Згідно з легендою, італійський вчений впустив залізні кульки різної ваги з вершини Пізанської вежі, і вони приземлилися одночасно. Таким чином він показав, що гравітація змушує об’єкти з різною масою будуть падати з однаковим прискоренням.
Що в підсумку?
Фізики кажуть, що їх висновки виключають існування «антигравітації». Однак цей експеримент знаменує собою тільки початок докладних, прямих досліджень гравітаційної природи антиматерії.
Наступна мета — виміряти прискорення якомога точніше. Фізики хочуть перевірити, чи дійсно матерія і антиматерія падають однаково. Дослідження опубліковано в журналі Nature, а в наведеному вище відео, підготовленому CERN, Джеффрі Хангст пояснює, як працює ALPHA-g, причини і результати гравітаційних експериментів з антиматерій і результати вчених.