Cântărirea implicațiilor antimateriei cu masă negativă

Antimateria este anti- o mulțime de lucruri, dar nu ar trebui să fie antigravitațional.

O particulă de antimaterie are încărcătura electrică opusă față de omologul său de materie obișnuită. Dar masa ambelor particule ar trebui să fie exact egală. Când o antiparticulă se întâlnește cu partenerul său obișnuit, ea se anihilează într-o explozie de energie, egală cu masele lor la pătrat în conformitate cu celebra formulă a lui Einstein E=mc².

Pentru că scoateți energie prin distrugerea antimateriei, trebuie să puneți energie pentru a crea antimaterie, ceea ce înseamnă că masa antimateriei trebuie să fie pozitivă. Acesta este unul dintre motivele pentru care majoritatea fizicienilor resping imediat ideea că antimateria ar putea avea masă negativă.

Dar datorită unor complicații tehnice în definirea masei, cazul nu este închis. Pentru a vă da seama dacă un astfel de lucru precum masa negativă este posibil în univers, trebuie să știți despre ce fel de masă vorbiți.

Uneori, veți auzi fizicienii spunând că există două tipuri de masă: inerțială și gravitațională. Dar, de fapt, masa seamănă mai mult cu Galia – poate fi împărțită în trei tipuri: masă inerțială, masă gravitațională activă și masă gravitațională pasivă.

Masa inerțială reprezintă rezistența unui obiect la modificările stării sale de mișcare. (Acesta este tipul de masă pe care particulele o dobândesc prin interacțiunea cu câmpul Higgs, sursa bosonului Higgs.) Masa gravitațională activă este sursa unui câmp gravitațional; masa gravitațională pasivă este masa asupra căreia acționează un câmp.

În fizica lui Newton, masa gravitațională activă și pasivă trebuie să fie egală, în virtutea celei de-a treia legi a mișcării (cea despre reacțiile egale și opuse). Dar pentru Newton părea să fie doar o coincidență fericită faptul că masa gravitațională este egală cu masa inerțială (care este masa din a doua lege a lui Newton, despre forță și accelerație). Einstein, totuși, a cerut ca masa inerțială și gravitațională să fie egală – acesta a fost principiul pe care și-a bazat teoria gravitației, relativitatea generală.

Dacă masa gravitațională și masa inerțială sunt egale, atunci antimateria nu poate avea masă gravitațională negativă, deoarece cu siguranță are masă inerțială pozitivă. Dar să presupunem că relativitatea generală se dovedește a nu fi ultimul cuvânt despre gravitație. Atunci antimateria, în ciuda faptului că are o masă inerțială pozitivă, ar putea avea totuși o masă gravitațională negativă.

De aceea, mai multe echipe fac sau plănuiesc experimente pentru a afla.

„Într-o lume în care fizicienii au descoperit abia recent că nu putem explica cea mai mare parte a materiei și energiei din univers, ar fi presumptuos să afirmăm categoric că masa gravitațională a antimateriei este în mod necesar egală cu masa sa inerțială”, fizicienii de la ALPHA. colaborare la laboratorul european de cercetare CERN a scris într-o lucrare recentă.

Fizicienii au dezbătut acest punct de zeci de ani. Unii au susținut că antimateria cu gravitație negativă ar încălca legea conservării energiei. Dar acest argument aparent nu rezistă analizei avansate care invocă fizica cuantică. Și nu poți spune foarte bine că trebuie să fie așa pentru că așa spune relativitatea generală, pentru că scopul este să testezi relativitatea generală pentru a vedea dacă este într-adevăr corect. Și până la urmă, din moment ce relativitatea generală nu se împacă foarte bine cu fizica cuantică, ceva trebuie să dea undeva.

Dacă antimateria posedă o masă gravitațională negativă, forța gravitațională asupra unui antiatom ar îndrepta în sus și astfel ar „cădea” în sus (deoarece masa sa inerțială este pozitivă, accelerează în direcția forței). Dar nu este tocmai ușor de măsurat în ce direcție cad antiatomii. O problemă este crearea atomilor de antimaterie în primul rând, dar asta a fost făcut la CERN.

Totuși, este nevoie de un aparat de extremă delicatețe pentru a testa efectul gravitației asupra antimateriei. O încercare timpurie, raportată anul acesta în Comunicarea naturii de echipa ALPHA, a înregistrat dispariția a 434 de atomi de antihidrogen închiși într-o capcană magnetică. Când magnetismul este oprit, antiatomii se ciocnesc de pereții recipientului și se anihilează. Dacă antiatomii cad în sus în loc de jos, mai multe anihilări ar trebui să aibă loc în partea de sus a recipientului decât în ​​partea de jos.

Sună mai simplu decât este. Este un experiment foarte complex. Locația unei anihilări depinde de tot felul de lucruri, cum ar fi cât de repede se degradează câmpul magnetic după ce este oprit și energia deținută de atomii individuali. Toți acești factori fac ca rezultatele să fie destul de imprecise.

Dacă totul ar merge bine, un astfel de experiment ar putea determina raportul precis dintre masa gravitațională și inerțială a antimateriei. Dacă relativitatea generală a lui Einstein este corectă, masa inerțială și gravitațională sunt identice, astfel încât raportul ar fi exact egal cu 1. Dacă antimateria are masă gravitațională negativă (de mărime egală), raportul ar fi –1. Până acum, cel mai bun lucru pe care experimentul ALPHA poate concluziona este că raportul nu este probabil mai mare de 110 sau mai mic de –75, ceea ce nu se apropie exact de a răspunde la întrebare.

Rafinamentele tehnicii pot restrânge într-o zi acest interval. Și există și alte propuneri, cum ar fi una care utilizează muonium (un antimuon plus electron) care ar putea oferi o precizie mai bună. (Un experiment cu muonium ar avea avantajul suplimentar de a testa dacă antileptonii se comportă la fel în ceea ce privește gravitația ca antiquarcii, principalele componente ale atomilor de antihidrogen.)

Dacă oricare dintre experimentele propuse reușește să identifice o anumită masă negativă, nu va fi prima dată când luarea în serios a unei idei negative a dus la o descoperire importantă. Antimateria în sine a fost imaginată pentru prima dată de către fizicianul Paul Dirac abia după ce acesta a decis să ia în serios ideea de energie negativă, ca să nu mai vorbim de noțiunea și mai bizară de probabilități negative.

„Energiile și probabilitățile negative nu ar trebui considerate o prostie”, a declarat Dirac într-o prelegere din 1941. „Sunt concepte bine definite din punct de vedere matematic, ca o sumă negativă de bani”. Deci, poate că masa negativă nu ar trebui considerată nici o prostie. Dar nu ar trebui să pariezi pe asta. Probabil vei ajunge cu o sumă negativă de bani.