Uno dei fatti più sorprendenti della scienza è quanto siano universali le leggi della natura. Ogni particella obbedisce alle stesse regole, sperimenta le stesse forze, esiste nelle stesse costanti fondamentali, indipendentemente da dove e quando si trova. Dal punto di vista della gravitazione, ogni singola particella dell'Universo sperimenta la stessa accelerazione gravitazionale o la stessa curvatura dello spazio-tempo, indipendentemente dalle proprietà che ha.
In ogni caso, segue dalla teoria. In pratica, alcune cose possono essere molto difficili da misurare. I fotoni e le normali particelle stabili cadono allo stesso modo, come previsto, in un campo gravitazionale, e la Terra forza qualsiasi particella massiccia ad accelerare verso il suo centro a una velocità di 9,8 m / s2. Ma non importa come abbiamo provato, non siamo mai stati in grado di misurare l'accelerazione gravitazionale dell'antimateria. Dovrebbe accelerare allo stesso modo, ma finché non lo misuriamo, non possiamo esserne sicuri. Uno degli esperimenti mira a trovare la risposta a questa domanda, una volta per tutte. A seconda di ciò che trova, potremmo essere un passo più vicini alla rivoluzione scientifica e tecnologica.
Esiste l'antigravità?
Potresti non esserne consapevole, ma ci sono due modi completamente diversi per rappresentare la massa. Da un lato, c'è una massa che accelera quando le applichi forza: è m nella famosa equazione di Newton, dove F = ma. È lo stesso con l'equazione di Einstein E = mc2, da cui puoi calcolare quanta energia hai bisogno per creare una particella (o antiparticella) e quanta energia ottieni quando si annichila.
Ma c'è un'altra massa: gravitazionale. È la massa, m, che appare nell'equazione del peso sulla superficie terrestre (W = mg) o la legge gravitazionale di Newton, F = GmM / r2. Nel caso della materia ordinaria, sappiamo che queste due masse - massa inerziale e gravitazionale - dovrebbero essere uguali alla più vicina 1 parte su 100 miliardi, grazie ai vincoli sperimentali fissati oltre 100 anni fa da Laurent Eotvos.
Ma nel caso dell'antimateria, non potremmo mai misurare tutto questo. Abbiamo applicato forze non gravitazionali all'antimateria e l'abbiamo vista accelerare; abbiamo creato e distrutto l'antimateria; sappiamo esattamente come si comporta la sua massa inerziale, proprio come la massa inerziale della materia ordinaria. F = ma ed E = mc2 funziona nel caso dell'antimateria allo stesso modo della materia ordinaria.
Ma se vogliamo conoscere il comportamento gravitazionale dell'antimateria, non possiamo semplicemente prendere la teoria come base; dobbiamo misurarlo. Fortunatamente, è in corso un esperimento per scoprirlo esattamente: l'esperimento ALPHA al CERN.
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Una delle grandi scoperte avvenute di recente è stata la creazione non solo di particelle dall'antimateria, ma anche di stati legati neutri e stabili in esse. Antiprotoni e positroni (antielettroni) possono essere creati, rallentati e costretti a interagire tra loro per formare antiidrogeno neutro. Usando una combinazione di campi elettrici e magnetici, possiamo confinare questi antiatomi e tenerli stabili lontano dalla materia, il che porterebbe all'annientamento in caso di collisione.
Siamo stati in grado di mantenerli stabili con successo per 20 minuti alla volta, ben oltre le scale temporali di microsecondi tipiche delle particelle fondamentali instabili. Abbiamo sparato loro dei fotoni e abbiamo scoperto che hanno gli stessi spettri di emissione e assorbimento degli atomi. Abbiamo determinato che le proprietà dell'antimateria sono le stesse predette dalla fisica standard.
Tranne quelli gravitazionali, ovviamente. Il nuovo rilevatore ALPHA-g, costruito presso la fabbrica canadese TRIUMF e spedito al CERN all'inizio di quest'anno, dovrebbe migliorare i limiti dell'accelerazione gravitazionale dell'antimateria a una soglia critica. L'antimateria accelera in presenza di un campo gravitazionale sulla superficie terrestre a 9,8 m / s2 (in basso), -9,8 m / s2 (in alto), 0 m / s2 (in assenza di accelerazione gravitazionale) oa qualche altro valore ?
Sia dal punto di vista teorico che pratico, qualsiasi risultato diverso dall'atteso +9,8 m / s2 sarà assolutamente rivoluzionario.
Un analogo dell'antimateria per ogni particella di materia dovrebbe avere:
- la stessa massa
- la stessa accelerazione in un campo gravitazionale
- carica elettrica opposta
- rotazione opposta
- le stesse proprietà magnetiche
- dovrebbe legarsi allo stesso modo in atomi, molecole e strutture più grandi
- dovrebbe avere lo stesso spettro di transizioni di positroni in una varietà di configurazioni.
Alcune di queste proprietà sono state misurate nel tempo: la massa inerziale dell'antimateria, la carica elettrica, lo spin e le proprietà magnetiche sono ben note e studiate. Le proprietà di legame e transitorie sono state misurate da altri rivelatori nell'esperimento ALPHA e sono in linea con le previsioni della fisica delle particelle.
Ma se l'accelerazione gravitazionale si rivela negativa piuttosto che positiva, capovolgerà letteralmente il mondo.
Attualmente non esiste un conduttore gravitazionale. Su un conduttore elettrico, le cariche libere vivono in superficie e possono muoversi ridistribuendosi in risposta alle cariche vicine. Se si dispone di una carica elettrica all'esterno del conduttore elettrico, l'interno del conduttore sarà schermato da quella fonte di elettricità.
Ma non c'è modo di proteggersi dalla forza di gravità. Non c'è modo di sintonizzare un campo gravitazionale uniforme in un'area specifica dello spazio, come tra le piastre parallele di un condensatore elettrico. Causa? A differenza della forza elettrica, che è generata da cariche positive e negative, esiste un solo tipo di "carica" gravitazionale: massa / energia. La forza gravitazionale attrae sempre e non c'è modo di cambiarla.
Ma se hai una massa gravitazionale negativa, tutto cambia. Se l'antimateria manifesta effettivamente proprietà antigravitazionali, cade su e non giù, allora alla luce della gravità è costituita da anti-massa o anti-energia. Secondo le leggi della fisica così come la conosciamo, non esiste né l'anti-massa né l'anti-energia. Possiamo immaginarli e immaginare come si comporterebbero, ma ci aspettiamo che l'antimateria abbia massa normale ed energia normale quando si tratta di gravità.
Se l'anti-massa esiste, i molti progressi tecnologici che gli scrittori di fantascienza hanno sognato per molti anni diventeranno improvvisamente fattibili fisicamente.
- Possiamo creare un conduttore gravitazionale proteggendoci dalle forze gravitazionali.
- Possiamo creare un condensatore gravitazionale nello spazio e creare un campo gravitazionale artificiale.
- Potremmo persino creare un motore di curvatura, poiché avremmo la capacità di deformare lo spaziotempo nello stesso modo in cui richiede la soluzione matematica della relatività generale proposta da Miguel Alcubierre nel 1994.
Questa è un'incredibile opportunità che è considerata quasi impossibile da tutti i fisici teorici. Ma non importa quanto selvagge o impensabili siano le tue teorie, devi supportarle o confutarle esclusivamente con dati sperimentali. Solo misurando e testando l'universo puoi sapere esattamente come funzionano le sue leggi.
Fino a quando non misuriamo l'accelerazione gravitazionale dell'antimateria con la precisione necessaria per determinare se sta cadendo verso l'alto o verso il basso, dobbiamo essere aperti alla possibilità che la natura non si stia comportando come ci aspettiamo. Il principio di equivalenza potrebbe non funzionare nel caso dell'antimateria; può essere anti-principio al 100%. E in questo caso si aprirà un mondo di possibilità completamente nuove. Troveremo la risposta tra qualche anno, conducendo un semplice esperimento: metti un antiatomo in un campo gravitazionale e vediamo come cadrà.
Ilya Khel
