Если антиматерия упадет вверх, а не вниз, бесчисленные научно-фантастические мечты станут научной реальностью.
Одним из самых удивительных фактов о науке является то, насколько универсально применимы законы природы. Каждая частица подчиняется одним и тем же правилам, испытывает одни и те же силы и видит одни и те же фундаментальные константы, независимо от того, где и когда они существуют. С точки зрения гравитации каждая отдельная сущность во Вселенной испытывает, в зависимости от того, как вы на это смотрите, либо одно и то же гравитационное ускорение, либо одно и то же искривление пространства-времени, какими бы свойствами оно ни обладало.
По крайней мере, так обстоят дела в теории. На практике некоторые вещи, как известно, трудно измерить. Фотоны и нормальные стабильные частицы падают, как и ожидалось, в гравитационном поле, а Земля заставляет любую массивную частицу ускоряться к своему центру на 9.8 м/с². Однако, несмотря на все наши усилия, нам так и не удалось измерить гравитационное ускорение антивещества. Он должен ускоряться точно так же, но пока мы не измерим его, мы не можем знать. Один эксперимент пытается решить вопрос раз и навсегда. В зависимости от того, что он найдет, он может оказаться ключом к научно-технической революции.
Вы можете этого не осознавать, но есть два совершенно разных взгляда на массу. С одной стороны, есть масса, которая ускоряется, когда вы прикладываете к ней силу: m в знаменитом уравнении Ньютона F=ma. Это то же самое, что m в формуле Эйнштейна E=mc², которая говорит вам, сколько энергии вам нужно для создания частицы (или античастицы) и сколько энергии вы получите, когда аннигилируете ее.
Но есть и другая масса: гравитационная масса. Это масса m, фигурирующая в уравнении веса на поверхности Земли (W=mg) или в законе тяготения Ньютона F=GmM/r². Для нормальной материи мы знаем, что эти две массы - инерционная масса и гравитационная масса - должны быть равны примерно 1 стомиллиардной, благодаря экспериментальным ограничениям установки, разработанной более 100 лет назад Лорандом Этвёшем.
Что касается антивещества, то мы вообще никогда не могли его измерить. Мы воздействовали на антиматерию негравитационными силами и видели, как она ускоряется, а также создавали и уничтожали антиматерию; мы уверены, как ведет себя его инерционная масса, и она точно такая же, как инерционная масса обычной материи. И F=ma, и E=mc² работают для антиматерии точно так же, как и для обычной материи.
Но если мы хотим знать, как антиматерия ведет себя гравитационно, мы не можем просто отклониться от того, что теоретически ожидаем; мы должны измерить это. К счастью, сейчас проводится эксперимент, который был разработан именно для этого: эксперимент ALPHA в ЦЕРН.
Одним из последних достижений, достигнутых в последнее время, является создание не просто частиц антиматерии, но ее нейтральных, стабильных связанных состояний. Антипротоны и позитроны (антиэлектроны) могут быть созданы, замедлены и вынуждены взаимодействовать друг с другом, где они образуют нейтральный антиводород. Используя комбинацию электрических и магнитных полей, мы можем удерживать эти антиатомы и поддерживать их стабильность вдали от материи, которая может привести к их аннигиляции.
Мы успешно удерживали их стабильными около 20 минут за раз, что намного превышает микросекундные временные рамки, в течение которых выживают нестабильные фундаментальные частицы. Мы поразили их фотонами и обнаружили, что у них такие же спектры излучения и поглощения, как у атомов. Во всех смыслах мы определили, что свойства антиматерии точно такие, как предсказывает стандартная физика.
Кроме, конечно, гравитационного. Новый детектор ALPHA-g, построенный на канадском объекте TRIUMF и отправленный в ЦЕРН в начале этого года, должен улучшить пределы гравитационного ускорения антивещества до критического порога. Ускоряется ли антиматерия в присутствии гравитационного поля на поверхности Земли до +9,8 м/с² (вниз), до -9,8 м/с² (вверх), до 0 м/с² (полное отсутствие гравитационного ускорения), или другое значение?
Как с теоретической, так и с прикладной точки зрения, любой результат, отличный от ожидаемых +9,8 м/с², был бы абсолютно революционным.
Антивещественный аналог каждой частицы материи должен иметь:
- та же масса,
- то же ускорение в гравитационном поле,
- противоположный электрический заряд,
- противоположное вращение,
- те же магнитные свойства,
- должны связываться вместе в атомы, молекулы и более крупные структуры,
- и должен иметь одинаковый спектр позитронных переходов в этих различных конфигурациях.
Некоторые из них измерялись давно: инерционная масса антивещества, электрический заряд, спин и магнитные свойства хорошо известны. Его связующие и переходные свойства были измерены другими детекторами в эксперименте ALPHA и соответствуют предсказаниям физики элементарных частиц.
Но если гравитационное ускорение вернется к отрицательному, а не к положительному, это буквально перевернет мир с ног на голову.
В настоящее время гравитационного проводника не существует. В электрическом проводнике свободные заряды живут на поверхности и могут перемещаться, перераспределяя себя в ответ на любые другие заряды вокруг. Если у вас есть электрический заряд вне электрического проводника, внутренняя часть проводника будет экранирована от этого источника электричества.
Но нет никакого способа защитить себя от силы гравитации. Также невозможно создать однородное гравитационное поле в области пространства, как это можно сделать между параллельными пластинами электрического конденсатора. Причина? Потому что в отличие от электрической силы, которая создается положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного «заряда» - масса-энергия. Сила гравитации всегда притягивает, и с этим просто не поспоришь.
Но если у вас отрицательная гравитационная масса, все меняется. Если антиматерия на самом деле антигравитирует, падая вверх, а не вниз, то гравитация воспринимает ее так, как будто она состоит из антимассы или антиэнергии. Согласно законам физики, которые мы сейчас понимаем, таких величин, как антимасса или антиэнергия, не существует. Мы можем вообразить их и говорить о том, как они будут себя вести, но мы ожидаем, что антивещество будет иметь нормальную массу и нормальную энергию, когда дело доходит до гравитации.
Если антимасса действительно существует, то множество великих технологических достижений, воображаемых писателями-фантастами в течение нескольких поколений, внезапно станут физически возможными.
Мы можем построить гравитационный проводник и защитить себя от силы гравитации.
Мы можем установить в космосе гравитационный конденсатор, создав однородное искусственное гравитационное поле.
Мы могли бы даже создать варп-двигатель, поскольку получили бы возможность деформировать пространство-время именно так, как требует математическое решение общей теории относительности, открытое Мигелем Алькубьерре в 1994 году.
Это невероятная возможность, которую практически все физики-теоретики считают крайне маловероятной. Но какими бы дикими или примитивными ни были ваши теории, вы должны непременно сопоставить их с экспериментальными данными; только измерив Вселенную и проверив ее, вы сможете точно определить, как работают законы природы.
Пока мы не измерим гравитационное ускорение антивещества с точностью, необходимой для определения того, падает ли оно вверх или вниз, мы должны быть готовы к тому, что природа может вести себя не так, как мы ожидаем. Принцип эквивалентности может быть неверным для антивещества; на самом деле это может быть на 100% антиправдой. Но если это так, перед вами откроется целый новый мир возможностей. Мы могли бы изменить известные в настоящее время пределы того, что люди могут создавать во Вселенной. И мы узнаем ответ всего через несколько лет с помощью самого простого из всех экспериментов: поместить антиатом в гравитационное поле и посмотреть, куда он упадет.