Yksi yllättävimmistä tosiasioista tieteessä on, kuinka yleiset luonnonlait ovat. Jokainen hiukkanen noudattaa samoja sääntöjä, kokee samat voimat, esiintyy samoissa perusvakiissa riippumatta siitä, missä ja milloin se on. Painovoiman kannalta jokainen maailmankaikkeuden hiukkanen kokee saman painovoimakiihtyvyyden tai saman avaruus-ajan kaarevuuden riippumatta siitä, mitä ominaisuuksia sillä on.
Joka tapauksessa se seuraa teoriasta. Käytännössä jotkut asiat voivat olla erittäin vaikeita mitata. Fotonit ja tavalliset vakaat hiukkaset putoavat odotetusti yhtä suuressa painovoimakentässä, ja Maa pakottaa kaikki massiiviset hiukkaset kiihtymään kohti keskustaan nopeudella 9,8 m / s2. Mutta riippumatta siitä, kuinka yritimme, emme ole koskaan pystyneet mittaamaan antimateriaalin painovoimakiihtyvyyttä. Sen pitäisi kiihtyä samalla tavalla, mutta ennen kuin mittaamme sitä, emme voi olla varmoja. Yhden kokeilun tarkoituksena on löytää vastaus tähän kysymykseen lopullisesti. Hänen löytämästään riippuen voimme olla askeleen lähempänä tieteellistä ja teknologista vallankumousta.
Onko antigravitaatiota olemassa?
Et ehkä ole tietoinen tästä, mutta on olemassa kaksi täysin erilaista tapaa edustaa massaa. Toisaalta on massa, joka kiihtyy, kun kohdistat siihen voimaa: se on m Newtonin kuuluisassa yhtälössä, missä F = ma. Sama on Einsteinin yhtälöllä E = mc2, josta voit laskea kuinka paljon energiaa tarvitset hiukkasen (tai hiukkasen vastaisen aineen) luomiseen ja kuinka paljon energiaa saat, kun se tuhoaa.
Mutta on myös toinen massa: painovoimainen. Se on massa m, joka ilmenee painoyhtälössä maan pinnalla (W = mg) tai Newtonin painovoimalaki, F = GmM / r2. Tavallisen aineen tapauksessa tiedämme, että näiden kahden massan - inertiaalisen ja painovoimaisen massan - pitäisi olla yhtä suuri kuin lähin 1 osa 100 miljardista, Laurent Eotvosin yli 100 vuotta sitten asettamien kokeellisten rajoitusten ansiosta.
Mutta antimaterian tapauksessa emme koskaan voineet mitata kaikkea tätä. Käytimme ei-painovoimavoimia antimateriaaliin ja näimme sen kiihtyvän; loimme ja tuhoimme antimaterian; tiedämme tarkalleen, kuinka sen inertiamassa käyttäytyy - aivan kuten tavallisen aineen inertiaalimassa. F = ma ja E = mc2 toimii antimaterian tapauksessa samalla tavalla kuin tavallisen aineen kanssa.
Mutta jos haluamme tietää antimateriaalin gravitaatiokäyttäytymisen, emme voi yksinkertaisesti ottaa teoriaa perustana; meidän on mitattava se. Onneksi kokeilu on parhaillaan selvittämässä tarkalleen sitä: ALPHA-kokeilu CERN: ssä.
Mainosvideo:
Yksi viime aikoina tapahtuneista suurista läpimurtoista on antimateriaalista paitsi hiukkasten luominen myös neutraaleihin, vakaasti sitoutuneisiin tiloihin. Antiprotonit ja positronit (antielektronit) voidaan luoda, hidastaa ja pakottaa vuorovaikutukseen toistensa kanssa muodostamaan neutraali antivety. Käyttämällä sähkö- ja magneettikentän yhdistelmää voimme rajoittaa nämä antiatomit ja pitää ne vakaana etäällä aineesta, mikä johtaisi tuhoutumiseen törmäyksessä.
Olemme kyenneet pitämään ne onnistuneesti vakaina 20 minuuttia kerrallaan, huomattavasti yli mikrosekunnin aikataulut, joita epästabiilit perushiukkaset tyypillisesti kokevat. Poltimme fotoneja heihin ja huomasimme, että niiden emissio- ja absorptiospektrit ovat samat kuin atomien. Olemme todenneet, että antimateriaalin ominaisuudet ovat samat kuin normaalifysiikassa ennustettiin.
Lukuun ottamatta gravitaatiota, tietenkin. Kanadan TRIUMF-tehtaalla rakennetun ja CERNiin aiemmin tänä vuonna toimitetun uuden ALPHA-g-ilmaisimen pitäisi parantaa antimateriaalin painovoima kiihtyvyyden rajoja kriittiseen kynnysarvoon. Kiinnittääkö antimateria maapallon pinnalla olevan gravitaatiokentän ollessa 9,8 m / s2 (alas), -9,8 m / s2 (ylöspäin), 0 m / s2 (ilman gravitaation kiihtyvyyttä) tai johonkin muuhun arvoon ?
Sekä teoreettiselta että käytännölliseltä kannalta mikä tahansa muu tulos kuin odotettu +9,8 m / s2 on ehdottomasti mullistava.
Antimaterian analogilla jokaisella ainehiukkasella tulisi olla:
- sama massa
- sama kiihtyvyys painovoimakentässä
- vastapäätä sähkövarausta
- vastapäätä spinää
- samat magneettiset ominaisuudet
- tulisi sitoutua samalla tavalla atomeihin, molekyyleihin ja suurempiin rakenteisiin
- pitäisi olla sama positronisiirtymien spektri erilaisissa kokoonpanoissa.
Jotkut näistä ominaisuuksista on mitattu ajan myötä: antimateriaalin hitausmassa, sähkövaraus, kehruu- ja magneettiset ominaisuudet ovat hyvin tunnettuja ja tutkittuja. Sitoutumis- ja ohimenevät ominaisuudet mitattiin muilla ilmaisimilla ALPHA-kokeessa ja ne ovat hiukkasfysiikan ennusteiden mukaisia.
Mutta jos gravitaatiokiihtyvyys osoittautuu pikemminkin negatiiviseksi kuin positiiviseksi, se kääntää kirjaimellisesti maailman ylösalaisin.
Tällä hetkellä ei ole sellaista asiaa kuin painovoimajohdin. Sähköjohtimella ilmaiset lataukset elävät pinnalla ja voivat liikkua jakautuessaan uudelleen vastauksena lähellä oleviin latauksiin. Jos sähköjohtimen ulkopuolella on sähkövaraus, johtimen sisäosa on suojattu kyseiseltä sähkölähteeltä.
Mutta ei ole mitään keinoa suojata itseäsi painovoimalta. Yhdenmukaista painovoimakenttää ei voida virittää tietylle avaruusalueelle, kuten sähkökondensaattorin rinnakkaislevyjen väliin. Syy? Toisin kuin positiivisella ja negatiivisella varauksella syntyvä sähkövoima, on vain yksi tyyppi painovoima "varaus" - massa / energia. Painovoima houkuttelee aina, eikä sitä voida muuttaa.
Mutta jos sinulla on negatiivinen painovoimamassa, kaikki muuttuu. Jos antimaterialla todella ilmenee antigravitaatioominaisuuksia, putoaa ylös eikä alas, niin se koostuu painovoiman valossa massojen vastaisesta tai anti-energiasta. Fysiikan lakien mukaan sellaisena kuin me sen tunnemme, ei ole anti-massaa tai anti-energiaa. Voimme kuvitella niitä ja kuvitella kuinka ne käyttäytyisivät, mutta odotamme, että antimateriaalilla on normaali massa ja normaali energia painovoiman suhteen.
Jos massajoukkoja on olemassa, niistä monista teknologisista kehityksistä, joista tieteiskirjailijat ovat haaveilleet monien vuosien ajan, tulee yhtäkkiä fyysisesti toteutettavissa olevia.
- Voimme luoda painovoimajohtimen suojaamalla itsemme painovoimilta.
- Voimme luoda painovoimakondensaattorin avaruuteen ja luoda keinotekoisen painovoimakentän.
- Voisimme jopa luoda loimilaitteen, koska meillä olisi kyky muuttaa avaruusaikaa samalla tavalla kuin Miguel Alcubierren vuonna 1994 ehdottama yleisen suhteellisuusteorian matemaattinen ratkaisu vaatii.
Tämä on uskomaton tilaisuus, jota kaikki teoreettiset fyysikot pitävät lähes mahdottomana. Mutta riippumatta siitä, kuinka villi tai käsittämätön teoriasi ovat, sinun on tuettava niitä tai kumottava ne yksinomaan kokeellisilla tiedoilla. Vain mittaamalla ja testaamalla maailmankaikkeutta voit tietää tarkalleen, kuinka sen lait toimivat.
Ennen kuin mitataan antimateriaalin painovoima kiihtyvyyttä tarvittavalla tarkkuudella sen määrittämiseksi, putoaako se ylös vai alas, meidän on oltava avoimia mahdollisuudelle, että luonto ei käyttäytyy niin kuin odotamme. Vastaavuusperiaate ei ehkä toimi antimaterian tapauksessa; se voi olla 100% vastaista. Ja tässä tapauksessa avautuu täysin uusien mahdollisuuksien maailma. Selvitämme vastauksen muutamassa vuodessa suorittamalla yksinkertainen koe: laita antiatomi painovoimakenttään ja katso kuinka se putoaa.
Ilja Khel