Антиматерия интриговала и озадачивала физиков на протяжении почти столетия, а влияние на нее гравитации было предметом разногласий. Новое исследование может разрешить эту дискуссию, обнаружив, что на атомы антиводорода (аналог водорода из антивещества) действует гравитация так же, как и на их материальные аналоги, что исключает возможность отталкивающей «антигравитации».
В 17 веке Исаак Ньютон выдвинул свою теорию гравитации после того, как увидел, как яблоко падает с дерева. Столетия спустя Альберт Эйнштейн предложил свою общую теорию относительности, которая остается наиболее успешным и проверяемым описанием гравитации. Однако антиматерия была неизвестна Эйнштейну.
В 1928 году британский физик Поль Дирак предложил теорию, согласно которой каждой частице соответствует античастица, и предсказал существование позитронов (или антиэлектронов). С тех пор было много спекуляций о взаимодействии гравитации и антиматерии: некоторые предполагали, что антиматерия отталкивается гравитацией, а другие — что она притягивается гравитацией.
Новое исследование, проведенное Центром лазерной физики антиводорода (АЛЬФА) ЦЕРН, возможно, разрешит этот спор, обнаружив, что атомы антиводорода (аналог водорода из антивещества) падают на Землю так же, как и их материальные аналоги.
Джеффри Хангст, соответствующий автор исследования, сказал: «В физике можно по-настоящему понять что-то, только наблюдая это. Это первый эксперимент, в котором непосредственно наблюдается влияние гравитации на движение антиматерии. Это веха в изучении антиматерии, которая до сих пор загадка для нас из-за ее очевидного отсутствия во Вселенной».
Эксперимент АЛЬФА предполагает создание, захват и изучение атомов антиводорода в ловушке. Атомы антиводорода являются электрически нейтральными и стабильными частицами антивещества, что делает их идеальными для изучения гравитационного поведения антивещества. Антиводород состоит из двух античастиц: антипротонов и позитронов. Антипротон – это субатомная частица той же массы, что и протон, но с отрицательным зарядом.
Команда АЛЬФА недавно создала вертикальный инструмент под названием АЛЬФА-g, где буква «g» обозначает местное ускорение силы тяжести, которое для материи составляет 32,2 фута в секунду (9,81 метра в секунду). АЛЬФА-g может измерять вертикальное положение атомов антиводорода, когда они встречаются с соответствующим веществом (процесс, известный как аннигиляция), и атомы покидают его, как только магнитное поле ловушки выключается.
Исследователи захватили группу из примерно 100 атомов антиводорода одновременно. Затем они медленно высвобождали атомы в течение 20 секунд, постепенно уменьшая ток в верхнем и нижнем магнитах ловушки. Компьютерное моделирование предсказало, что 20 процентов атомов высвободятся из верхней части ловушки, а 80 процентов — из нижней, разница вызвана нисходящим действием гравитации. Исследователи усреднили результаты семи экспериментов по высвобождению и обнаружили, что соотношение антиатомов, перетекающих сверху вниз, соответствует результатам моделирования. То есть атомы антиводорода падают так же, как атомы водорода падают под 1 грамм (т. е. нормальная гравитация).
Используя прибор ALPHA-g, исследователи эффективно воссоздали знаменитый гравитационный эксперимент Галилея. По легенде, итальянский учёный сбросил с вершины Пизанской башни железные шары разного веса, и все они одновременно ударились о землю, продемонстрировав, что гравитация заставляет предметы разной массы падать с одинаковым ускорением.
Исследователи говорят, что их результаты исключают возможность отталкивающей «антигравитации», но нынешнее исследование знаменует собой лишь начало детального и прямого изучения гравитационных свойств антиматерии.
«Нам потребовалось 30 лет, чтобы научиться создавать этот антиатом, как его захватывать и как контролировать его достаточно хорошо, чтобы мы могли действительно сбросить его таким образом, чтобы он стал чувствительным к гравитации», — сказал Хангст. «Следующий шаг — как можно точнее измерить ускорение. Мы хотим проверить, действительно ли материя и антиматерия падают одинаково».
Исследование было опубликовано в журнале Nature. В следующем видео, созданном CERN, Джеффри Хангст объясняет, как работает АЛЬФА-g, причины и результаты гравитационного эксперимента с антивеществом.