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 и когда находится. С точки зрения гравитации каждая отдельная частичка Вселенной испытывает одно и то же гравитационное ускорение или же 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. Но как бы мы ни пытались, нам ни разу не удалось измерить гравитационное ускорение антиматерии. Она обязана ускоряться так же, но пока мы не измерим, мы не можем быть уверены. Один из экспериментов направлен на то, чтобы найти ответ на этот вопрос, раз и навсегда. В зависимости от того, что он найдет, мы можем оказаться на шаг ближе к научно-технической революции.
Существует ли антигравитация?
Возможно, вы этого не осознаете, но есть два совершенно разного способа представить массу. С одной стороны, существует масса, которая ускоряется, когда вы применяете к ней силу: это m в знаменитом уравнении Ньютона, где F = ma. То же самое и в уравнении Эйнштейна E = mc2, из которого вы можете рассчитать, сколько энергии вам нужно для создания частицы (или античастицы) и сколько энергии вы получите, когда она аннигилирует.
Но есть и другая масса: гравитационная. Это масса, m, которая появляется в уравнении веса на поверхности Земли (W = mg) или в гравитационном законе Ньютона, F = GmM/r2. В случае с обычной материей нам известно, что эти две массы — инерциальная и гравитационная массы — 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 мы никогда не могли все это измерить. Мы применяли негравитационные силы к антиматерии и видели, как она ускоряется; мы создавали и уничтожали антиматерию; мы точно знаем, 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 если мы хотим узнать гравитационное поведение антиматерии, мы не можем просто взять за основу теорию; нам придется измерить ее. К счастью, в настоящее время проводится эксперимент, задача которого выяснить именно это: эксперимент ALPHA 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, мы можем ограничить эти антиатомы и поддерживать их в стабильном состоянии вдали от материи, которая приведет к аннигиляции в случае столкновения.
Нам удалось успешно поддерживать их в стабильном состоянии в течение 20 минут за раз, что намного превышает микросекундные временные масштабы, которые обычно переживают нестабильные фундаментальные частицы. Мы обстреливали их фотонами и обнаружили, что они имеют те же спектры излучения и абсорбции, что и атомы. Мы 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), -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 +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 и магнитные свойства хорошо известны, изучены. Связывающие и переходные свойства измерялись другими детекторами на эксперименте ALPHA и совпадают с предсказаниями физики элементарных частиц.
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 у вас есть электрический заряд за пределами электрического проводника, внутренность проводника будет экранирована от этого источника электричества.
Но защититься от силы тяготения нет никакого способа. 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 у вас будет отрицательная гравитационная масса, все меняется. Если антиматерия на самом деле проявляется 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 станет физически осуществимо.
Мы можем создать гравитационный проводник, оградив себя от гравитационной силы.
Мы можем создать гравитационный конденсатор в космосе и создать поле искусственной гравитации.
Мы 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 году.
Это невероятная возможность, которая считается практически невозможной всеми физиками-теоретиками. Но какими бы дикими или немыслимыми не были ваши теории, вы должны подкреплять их или опровергать исключительно экспериментальными данными. Только измеряя Вселенную и подвергая ее проверкам, вы можете точно узнать, как действуют ее законы.
Пока мы не измерим гравитационное ускорение антиматерии с точностью, необходимой для определения того, падает она вверх или вниз, мы должны быть открытыми для варианта, что природа ведет себя не так, как мы от нее ожидаем. Принцип эквивалентности может не работать в случае с антиматерии; он может быть на 100% антипринципом. И в таком случае откроется мир совершенно новых возможностей. Ответ мы узнаем через несколько лет, проведя простейший эксперимент: поместим антиатом в гравитационное поле и посмотрим, как он будет падать.
