Космолог рассказал, действительно ли антиматерия «падает вверх»
В 1971 году астронавт Дэвид Скотт провел на поверхности Луны знаменитый эксперимент. Он одновременно выпустил из рук молоток и перо, которые коснулись лунного грунта в один и тот же момент. Этот опыт стал наглядной демонстрацией слабого принципа эквивалентности. Согласно этому правилу, все объекты в гравитационном поле падают с одинаковой скоростью независимо от их массы или состава. Альберт Эйнштейн сделал этот принцип фундаментом общей теории относительности, хотя и не объяснил причину такого явления. Он принял это как данность. Космолог Пол Саттер предлагает рассмотреть ситуацию, в которой этот закон может не сработать. Для этого физикам приходится изучать антиматерию.
История вопроса началась в 1920-х годах. Физик Поль Дирак пытался объединить квантовую механику и частную теорию относительности. Его уравнение работало, но давало два решения для энергии частицы: положительное и отрицательное. Отрицательная энергия казалась абсурдом, так как у нее не было нижнего предела. Дирак решил эту проблему через концепцию заполненного «океана» отрицательных энергетических состояний. Если выбить частицу из этого невидимого моря, на ее месте останется «дыра». Она ведет себя как обычная частица, но с противоположным зарядом. Так ученые впервые предсказали существование антиматерии с помощью математики.
Антиматерия стала идеальным кандидатом для проверки теории гравитации Эйнштейна. Общая теория относительности и квантовая механика плохо согласуются друг с другом. Античастицы, как продукт квантового мира, могли бы стать мостом между этими двумя направлениями физики. Однако эксперименты с ними проводить крайне сложно. Антиматерия мгновенно аннигилирует при контакте с обычной материей, а гравитация намного слабее электромагнитных сил. Ее воздействие на отдельные частицы трудно зафиксировать.
Антиматерия: что это такое, как выглядит, где используется и почему такая дорогая
Ученые из коллаборации ALPHA-g в ЦЕРНе нашли решение. Они создали нейтральный антиводород из антипротонов и позитронов. Нейтральный заряд позволил исключить влияние электрических полей на результаты. Исследователи поймали около сотни таких антиатомов в магнитную ловушку и охладили их лазерами почти до абсолютного нуля. Холод был необходим для снижения теплового движения частиц. Затем физики начали медленно уменьшать мощность удерживающего магнитного поля.
Результат эксперимента зависел от направления движения антиатомов. Если бы антиматерия отталкивалась от Земли, атомы полетели бы вверх. В случае верности теории Эйнштейна они должны были падать вниз. Детекторы зафиксировали вспышки аннигиляции на стенках ловушки. После фильтрации шумов выяснилось, что около 80% антиатомов выпали через нижнюю часть контейнера.
Антиматерия падает вниз. Это подтверждает слабый принцип эквивалентности. Гравитация действует на нее так же, как и на обычное вещество. Однако физики пока не ставят точку в этом вопросе. Ученые знают направление падения, но точное ускорение еще предстоит измерить. Даже минимальное отличие в скорости падения антиматерии и обычной материи укажет на необходимость пересмотра законов физики. На данный момент молотки, перья и антиводород подчиняются одним и тем же гравитационным правилам.
На обложке иллюстрация процесса аннигиляции частиц, который приводит к образованию антиматерии в форме антигелия. Источник изображения: ЦЕРН.
Самое популярное
