En af de mest overraskende kendsgerninger i videnskaben er, hvor universelle naturlovene er. Hver partikel adlyder de samme regler, oplever de samme kræfter, findes i de samme grundlæggende konstanter, uanset hvor og hvornår den er. Fra tyngdepunktet oplever hver enkelt partikel af universet den samme gravitationsacceleration eller den samme krumning af rum-tid, uanset hvilke egenskaber den har.
Under alle omstændigheder følger det af teorien. I praksis kan nogle ting være meget vanskelige at måle. Fotoner og almindelige stabile partikler falder som forventet lige i et tyngdefelt, og Jorden får enhver massiv partikel til at accelerere mod sit centrum med en hastighed på 9,8 m / s2. Men uanset hvordan vi prøvede, har vi aldrig været i stand til at måle gravitationsaccelerationen af antimatter. Det skulle accelerere på samme måde, men indtil vi måler det, kan vi ikke være sikre. En af eksperimenterne sigter mod at finde svaret på dette spørgsmål en gang for alle. Afhængigt af hvad han finder, kan vi være et skridt nærmere den videnskabelige og teknologiske revolution.
Eksisterer anti-gravitation?
Du er muligvis ikke opmærksom på dette, men der er to helt forskellige måder at repræsentere masse på. På den ene side er der masse, der accelererer, når du anvender kraft til det: det er m i Newtons berømte ligning, hvor F = ma. Det er det samme med Einsteins ligning E = mc2, hvorfra du kan beregne, hvor meget energi du har brug for for at skabe en partikel (eller antipartikel), og hvor meget energi du får, når den udslettes.
Men der er en anden masse: tyngdekraft. Det er massen, m, der vises i vægtligningen på jordoverfladen (W = mg) eller Newtons gravitationslov, F = GmM / r2. Når det gælder almindeligt stof, ved vi, at disse to masser - inertielle og tyngdekraftmasser - skal være lig med den nærmeste 1 del i 100 milliarder takket være eksperimentelle begrænsninger, der er indstillet for mere end 100 år siden af Laurent Eotvos.
Men i tilfælde af antimateriale kunne vi aldrig måle alt dette. Vi anvendte kræfter uden gravitation på antimaterie og så det accelerere; vi skabte og ødelagde antimaterie; vi ved nøjagtigt, hvordan dens inertielle masse opfører sig - ligesom den inertielle masse af almindeligt stof. F = ma og E = mc2 fungerer i tilfælde af antimaterie på samme måde som med almindeligt stof.
Men hvis vi vil vide antimateriets gravitationsopførsel, kan vi ikke blot tage teori som grundlag; vi måler det. Heldigvis er et eksperiment i gang for at finde ud af det præcist: ALPHA-eksperimentet ved CERN.
Salgsfremmende video:
Et af de store gennembrud, der er sket for nylig, har været skabelsen af ikke kun partikler fra antimaterie, men også neutrale, stabile bundne tilstande i dem. Antiprotoner og positroner (antielektroner) kan oprettes, bremses ned og tvinges til at interagere med hinanden for at danne neutral antihydrogen. Ved hjælp af en kombination af elektriske og magnetiske felter kan vi begrænse disse antatomer og holde dem stabile væk fra stof, hvilket ville føre til udslettelse i tilfælde af kollision.
Vi har været i stand til med succes at holde dem stabile i 20 minutter ad gangen, langt ud over de mikrosekunders tidsskalaer, som ustabile grundlæggende partikler typisk oplever. Vi fyrede fotoner mod dem og fandt, at de havde de samme emission- og absorptionsspektre som atomer. Vi har bestemt, at antimateriets egenskaber er de samme som forudsagt af standardfysik.
Bortset fra tyngdekraften, selvfølgelig. Den nye ALPHA-g detektor, der blev bygget på den canadiske fabrik TRIUMF og sendt til CERN tidligere på året, skulle forbedre grænserne for gravitationsaccelerationen af antimateriale til en kritisk tærskel. Accelererer antimaterie i nærvær af et tyngdefelt på jordoverfladen til 9,8 m / s2 (ned), -9,8 m / s2 (op), 0 m / s2 (i fravær af tyngdeacceleration) eller til en anden værdi ?
Set fra et teoretisk og praktisk synspunkt vil ethvert andet resultat end de forventede +9,8 m / s2 være absolut revolutionerende.
En analog antimaterie for hver stofpartikel skal have:
- den samme masse
- den samme acceleration i et gravitationsfelt
- modsat elektrisk ladning
- modsat spin
- de samme magnetiske egenskaber
- skal binde på samme måde til atomer, molekyler og større strukturer
- skal have det samme spektrum af positronovergange i en række konfigurationer.
Nogle af disse egenskaber er blevet målt over tid: den inertielle masse af antimateriale, elektrisk ladning, spin og magnetiske egenskaber er velkendt og undersøgt. De bindende og kortvarige egenskaber blev målt ved hjælp af andre detektorer i ALPHA-eksperimentet og er i tråd med forudsigelserne af partikelfysik.
Men hvis tyngdeaccelerationen viser sig at være negativ snarere end positiv, vil den bogstaveligt talt vende verden på hovedet.
I øjeblikket er der ikke sådan noget som en gravitationsleder. På en elektrisk leder lever frie opladninger på overfladen og kan bevæge sig, og de distribuerer sig selv som svar på eventuelle afgifter i nærheden. Hvis du har en elektrisk ladning uden for den elektriske leder, er lederen indvendigt afskærmet fra den elektricitetskilde.
Men der er ingen måde at beskytte sig mod tyngdekraften. Der er ingen måde at indstille et ensartet tyngdefelt i et specifikt rumområde, såsom mellem parallelle plader i en elektrisk kondensator. Årsag? I modsætning til elektrisk kraft, der genereres af positive og negative ladninger, er der kun en type tyngdepunkt "ladning" - masse / energi. Tyngdekraften tiltrækker altid, og der er ingen måde at ændre den på.
Men hvis du har negativ gravitationsmasse, ændrer alt sig. Hvis antimaterie faktisk manifesterer anti-gravitationsegenskaber, falder op og ikke ned, består den i tyngdekraften af antimasse eller anti-energi. I henhold til fysikens love, som vi kender det, er der ingen antimasse eller anti-energi. Vi kan forestille os dem og forestille os, hvordan de ville opføre sig, men vi forventer, at antimaterie har normal masse og normal energi, når det kommer til tyngdekraften.
Hvis der findes antimasse, vil de mange teknologiske fremskridt, som science fiction-forfattere har drømt om i mange år, pludselig blive fysisk gennemførlige.
- Vi kan skabe en gravitationsleder ved at afskærme os mod gravitationskræfter.
- Vi kan skabe en gravitationskondensator i rummet og skabe et kunstigt tyngdekraftfelt.
- Vi kunne endda skabe et varpdrev, da vi ville have evnen til at deformere rumtid på samme måde som den matematiske løsning af generel relativitet, som Miguel Alcubierre havde foreslået i 1994, kræver.
Dette er en utrolig mulighed, der betragtes som næsten umulig af alle teoretiske fysikere. Men uanset hvor vilde eller utænkelige dine teorier er, skal du støtte dem eller tilbagevise dem udelukkende med eksperimentelle data. Kun ved at måle og teste universet kan du vide nøjagtigt, hvordan dets love fungerer.
Indtil vi måler gravitationsaccelerationen af antimateriale med den nøjagtighed, der er nødvendig for at bestemme, om det falder op eller ned, må vi være åbne for muligheden for, at naturen ikke opfører sig, som vi forventer, at den skal. Princippet om ækvivalens fungerer muligvis ikke i tilfælde af antimaterie; det kan være 100% anti-princip. Og i dette tilfælde vil en verden med helt nye muligheder åbne sig. Vi finder ud af svaret om et par år ved at udføre et simpelt eksperiment: læg et antatom i et tyngdefelt og se, hvordan det vil falde.
Ilya Khel