Антигравітація — можлива? Наука обіцяє з’ясувати це дуже скоро

Одним із найдивовижніших фактів у науці є те, наскільки універсальні закони природи. Кожна частинка підпорядковується одним і тим же правилам, відчуває одні й ті ж сили, що існує в одних і тих же фундаментальних константах, незалежно від того, де і коли. З точки зору гравітації кожна окрема частинка Всесвіту відчуває одне і те ж гравітаційне прискорення або ж одну і ту ж кривизну простору-часу, незалежно від того, якими властивостями володіє.

Принаймні, так випливає з теорії. На практиці ж деякі речі виміряти буває дуже важко. Фотони і звичайні стабільні частинки однаково падають, як і очікується, у гравітаційному полі, і Земля змушує будь-яку масивну частку прискорюватися за напрямом до її центру зі швидкістю 9,8 м/с2. Але як би ми не намагалися, нам жодного разу не вдалося виміряти гравітаційне прискорення антиматерії. Вона зобов’язана прискорюватися так само, але поки ми не виміряємо, ми не можемо бути впевнені. Один з експериментів спрямований на те, щоб знайти відповідь на це питання, раз і назавжди. В залежності від того, що він знайде, ми можемо опинитися на крок ближче до науково-технічної революції.

Існує антигравітація?

Можливо, ви цього не усвідомлюєте, але є два абсолютно різного способу представити масу. З одного боку, існує маса, яка прискорюється, коли ви застосовуєте до неї силу: це m в знаменитому рівняння Ньютона, де F = ma. Те ж саме і в рівнянні Ейнштейна E = mc2, з якого ви можете розрахувати, скільки енергії вам потрібно для створення частинки (або античастки) і скільки енергії ви отримаєте, коли вона анігілює.

Але є й інша маса: гравітаційна. Це маса, m, яка з’являється в рівнянні ваги на поверхні Землі (W = mg) або в гравітаційному законі Ньютона, F = GmM/r2. У випадку зі звичайною матерією нам відомо, що ці дві маси — інерційна та гравітаційна маси — повинні бути рівні з точністю до 1 частини на 100 мільярдів, завдяки експериментальним обмеженням, встановленим більше 100 років тому Лораном Этвешем.

Але у випадку з антиматерией ми ніколи не могли все це виміряти. Ми застосовували негравитационные сили до антиматерії і бачили, як вона прискорюється; ми створювали і знищували антиматерію; ми точно знаємо, як поводиться її інерційна маса — точно так само, як інерційна маса звичайної речовини. F = ma і E = mc2 працює у випадку з антиматерией так само, як і зі звичайною матерією.

Але якщо ми хочемо дізнатися гравітаційне поведінка антиматерії, ми не можемо просто взяти за основу теорію; нам доведеться виміряти її. На щастя, в даний час проводиться експеримент, завдання якого з’ясувати саме це: експеримент ALPHA в ЦЕРН.

Одним з великих проривів, що трапилися за останній час, стало створення не тільки частинок антиматерії, але і нейтральних, стійких зв’язаних станів в них. Антипротоны і позитрони (антиэлектроны) можуть бути створені, сповільнені і змушені взаємодіяти один з одним з утворенням нейтрального антиводню. Використовуючи комбінацію електричних і магнітних полів, ми можемо обмежити ці антиатоми і підтримувати їх у стабільному стані далеко від матерії, яка призведе до знищення у разі зіткнення.

Нам вдалося успішно підтримувати їх у стабільному стані протягом 20 хвилин за раз, що набагато перевищує мікросекундні тимчасові масштаби, які зазвичай переживають нестабільні фундаментальні частинки. Ми обстрілювали їх фотонами і виявили, що вони мають ті ж спектри випромінювання та поглинання, що і атоми. Ми визначили, що властивості антиматерії такі ж, як пророкує стандартна фізика.

За винятком гравітаційних, звичайно. Новий детектор ALPHA-g, побудований на канадській фабриці TRIUMF і відправлений в ЦЕРН на початку цього року, повинен поліпшити межі гравітаційного прискорення антиречовини до критичного порогу. Прискорюється антиматерія в присутності гравітаційного поля на поверхні Землі до 9,8 м/с2 (вниз), -9,8 м/с2 (вгору), 0 м/с2 (відсутність гравітаційного прискорення) або ж до якоїсь іншої величини?

Як з теоретичної, так і з практичної точки зору, будь-який результат, відмінний від очікуваного +9,8 м/с2, буде абсолютно революційним.

Аналог антиречовини для кожної частинки матерії повинен мати:

• таку ж масу
• таке ж прискорення в гравітаційному полі
• протилежний електричний заряд
• протилежний спін
• такі ж магнітні властивості
• повинен зв’язуватися так само в атоми, молекули і більш великі структури
• повинен мати такий же спектр позитронних переходів у різноманітних конфігураціях.

Деякі з цих властивостей вимірялися протягом довгого часу: інерційна маса антиматерії, електричний заряд, спін і магнітні властивості добре відомі, вивчені. Зв’язують та перехідні властивості вимірювалися іншими детекторами на експерименті ALPHA і збігаються з прогнозами фізики елементарних частинок.

Але якщо гравітаційне прискорення виявиться негативним, а не позитивним, це буквально переверне світ догори дном.

В даний час немає такого поняття, як гравітаційний провідник. На електричному провіднику вільні заряди живуть на поверхні і можуть переміщатися, перерозподіляючи себе у відповідь на будь-які заряди поблизу. Якщо у вас є електричний заряд за межами електричного провідника, внутрішність провідника буде екранована від цього джерела електрики.

Але захиститися від сили тяжіння немає ніякого способу. Немає ніякого способу налаштувати рівномірне гравітаційне поле в певній області простору, як, наприклад, між паралельними пластинами електричного конденсатора. Причина? На відміну від електричної сили, що генерується позитивними і негативними зарядами, існує тільки один тип гравітаційного «заряду» — маса/енергія. Гравітаційна сила завжди притягує і ніяк це не змінити.

Але якщо у вас буде негативна гравітаційна маса, все змінюється. Якщо антиматерія насправді виявляється антигравітаційні властивості, падає вгору, а не вниз, то в світлі гравітації вона складається з антимассы або антиэнергии. Згідно законам фізики, які ми знаємо, антимассы або антиэнергии не існує. Ми можемо уявити їх і уявити, як вони будуть себе вести, але ми очікуємо, що антиматерія буде мати нормальну масу і нормальну енергію, якщо мова про гравітації.

Якщо ж антимасса дійсно існує, безліч технічних досягнень, про яких мріяли письменники-фантасти багато років, раптово стане фізично неможливе.

• Ми можемо створити гравітаційний провідник, захистивши себе від гравітаційної сили.
• Ми можемо створити гравітаційний конденсатор в космосі і створити поле штучної гравітації.
• Ми могли б навіть створити варп-двигун, оскільки отримали б здатність деформувати простір-час так само, як того вимагає математичного рішення загальної теорії відносності, запропоноване Мігелем Алькубьерре в 1994 році.

Це неймовірна можливість, яка вважається практично неможливою усіма фізиками-теоретиками. Але якими б дикими або неможливими не були ваші теорії, ви повинні підкріплювати їх або спростовувати виключно експериментальними даними. Тільки вимірюючи Всесвіт і піддаючи її перевіркам, ви можете точно дізнатися, як діють її закони.

Поки ми не виміряємо гравітаційне прискорення антиматерії з точністю, необхідної для визначення того, вона падає вгору або вниз, ми повинні бути відкритими для варіанту, що природа веде себе не так, як ми від неї очікуємо. Принцип еквівалентності може не працювати у випадку з антиматерії; він може бути на 100% антипринципом. І в такому випадку відкриється світ зовсім нових можливостей. Відповідь ми дізнаємося лише через кілька років, провівши найпростіший експеримент: помістимо антиатом в гравітаційне поле і подивимося, як він буде падати.

Вгору або вниз, зробите ставку?