Антиматерия интригует и сбивает с толку физиков на протяжении почти столетия. И влияние гравитации на антиматерию было одной из причин разногласия ученых. Новые исследования в ЦЕРНе, возможно, поставили точку в этом вопросе.
С чего все началось?
В XVII веке Исаак Ньютон предложил свою теорию гравитации, наблюдая за тем, как яблоко падает с дерева. Он задавался вопросом, почему оно упало прямо вниз, а не вбок или вверх. Столетия спустя Альберт Эйнштейн придумал свою общую теорию относительности, которая остается самым успешным и проверенным описанием гравитации.
Что Эйнштейн говорил о гравитации?
В общей теории относительности постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени, в котором они находятся. Эта деформация связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Кроме того, общая теория относительности объясняет явление гравитации проявлением геометрических свойств пространства и времени. Согласно этой теории «пустого» пространства не существует, в нем всегда присутствуют вещество, излучение и различные физические поля. И, что самое важное, этот научный триумф является еще одним подтверждением общей теории относительности Эйнштейна. Она предсказывает, что все массы, независимо от различий в их внутренней структуре, реагируют на гравитацию одинаковым образом.
Новое исследование
В 1928 году британский физик Пол Дирак предсказал, что для каждой частицы существует соответствующая античастица. Таким образом он предсказал существование позитрона — или антиэлектрона — который впервые наблюдали в 1932 году. С тех пор ученые выдвинули было много предположений о взаимодействии между гравитацией и антиматерией. При этом, некоторые физики утверждали, что антиматерия отталкивается гравитацией, а другие, что она ее «притягивает».
Новое исследование, проведенное в сотрудничестве с Антиводородным лазерным физическим аппаратом (ALPHA) в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), возможно, урегулировало спор. Ученые обнаружили, что атомы антиводорода, «антиматериального» аналога водорода, падают на Землю так же, как и их эквиваленты вещества.
«В физике вы на самом деле ничего не знаете, пока не наблюдаете за этим. Это первый прямой эксперимент, в котором на самом деле наблюдается гравитационное влияние на движение антиматерии. Это веха в изучении антиматерии, которая до сих пор интригует нас из-за ее очевидного отсутствия во Вселенной», — объясняет Джеффри Хангст, автор-корреспондент исследования.
Что такое эксперимент ALPHA и как он проходил?
Эксперимент ALPHA связан с созданием, захватом и изучением атомов антиводорода в ловушке. Атомы антиводорода являются электрически нейтральными и стабильными частицами антиматерии, что делает их идеальными для изучения ее гравитационного поведения. Антиводород создают, объединяя двухкомпонентные античастицы, антипротоны и позитроны.
Антипротон — это субатомная частица с той же массой, что и протон, но с отрицательным электрическим зарядом.
Команда ALPHA недавно построила вертикальный аппарат ALPHA-g, где «g» — локальное ускорение гравитации, которое составляет 9,81 м/с2. ALPHA-g позволяет измерить вертикальное положение, в котором атомы антиводорода встречаются с соответствующей материей — процесс, известный как аннигиляция — после того, как магнитное поле ловушки выключено, позволяя атомам «убегать».
Исследователи поймали группы из около 100 атомов антиводорода, по одной группе за раз. Затем они медленно высвободили атомы в течение 20 секунд, постепенно уменьшая ток в верхних и нижних магнитах-ловушках.
Компьютерное моделирование предсказало, что 20% атомов будут выходить через верхнюю часть ловушки и 80% — через нижнюю. Эта разница вызвана нисходящим эффектом силы тяжести. Усредняя результаты семи испытаний, физики обнаружили, что фракции антиатомов, выходящие через верхнюю и нижнюю части, «выровняются» с симуляцией. Это значит, что атомы антиводорода падали так же, как атомы водорода падают под действием 1g, или нормальной гравитации.
Таким образом, используя аппарат ALPHA-g, физики эффективно воссоздали знаменитый гравитационный эксперимент Галилея. Согласно легенде, итальянский ученый уронил железные шарики разного веса с вершины Пизанской башни, и они приземлились одновременно. Таким образом он показал, что гравитация заставляет объекты с разной массой будут падать с одинаковым ускорением.
Что в итоге?
Физики говорят, что их выводы исключают существование отталкивающей «антигравитации». Однако этот эксперимент знаменует собой только начало подробных, прямых исследований гравитационной природы антиматерии.
«Нам потребовалось 30 лет, чтобы научиться делать этот антиатом и контролировать его достаточно хорошо, чтобы на самом деле бросить его. Причем, таким образом, чтобы он был чувствителен к силе тяжести», — объясняют авторы исследования.
Следующая цель — измерить ускорение как можно точнее. Физики хотят проверить, действительно ли материя и антиматерия падают одинаково. Исследование опубликовано в журнале Nature, а в приведенном выше видео, подготовленном CERN, Джеффри Хангст объясняет, как работает ALPHA-g, причины и результаты гравитационных экспериментов с антиматерий и результаты ученых.
Читать далее
Акулы жили в пруду на поле для гольфа 20 лет, а затем исчезли: ученые рассказали, как это вышло
Ученые объяснили, почему пожилым людям стоит пить кофе
Обложка: художественное изображение вымышленного антигравитационного автомобиля.
By Mike Winkelmann, behance.net (licence), CC BY 4.0