Трябва ли антиматерията да пада нагоре? Как физиците търсиха грешка в общата теория на относителността

През 1971 г. Дейвид Скот, командир на мисията „Аполо 15“, провежда демонстрационен експеримент на повърхността на Луната, който остава в историята на науката. В условията на вакуум той пуска от ръцете си едновременно геоложки чук с тегло 1,32 кг и соколово перо с тегло 0,03 кг. И двата предмета са достигнали лунната почва в един и същи момент.

Този експеримент е ясно потвърждение на принципа на слабата еквивалентност – фундаментално твърдение на физиката, формулирано от Галилей и по-късно залегнало в основата на Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. Принципът гласи: в гравитационно поле ускорението на свободното падане на едно тяло не зависи от неговата маса, плътност или вътрешен състав. Гравитацията е свойство на пространство-времето и действа еднакво върху всяка форма на енергия и материя.

Дълго време физиците смятаха, че този принцип е абсолютен. В уравнението обаче имаше една неизвестна променлива, която можеше да постави под съмнение ненарушимостта на теорията на Айнщайн: антиматерията. Доскоро науката не разполагаше с експериментални данни за това как гравитацията взаимодейства с антиматерията. Съществуваше ненулева вероятност античастиците да не се привличат към Земята, а да се отблъскват от нея.

Фундаменталният конфликт във физиката

Въпросът „накъде пада антиматерията“ не е възникнал от празно любопитство, а поради дълбока концептуална празнина в съвременната наука. Нашето разбиране за Вселената се основава на два стълба, които от математическа гледна точка са несъвместими един с друг.

Първият е Общата теория на относителността (ОТО), която описва гравитацията като изкривяване на пространство-времето от масивни обекти. Вторият е Стандартният модел на физиката на елементарните частици, който описва електромагнитните, слабите и силните взаимодействия въз основа на квантовата механика.

Антиматерията е обект, предсказан и описан именно от квантовата теория. През 1928 г. британският физик Пол Дирак извежда уравнение, описващо поведението на електрона, което има две решения: едното съответства на частица с отрицателен заряд (електрона), а другото – на частица със същата маса, но с положителен заряд. По-късно тази частица е открита и наречена позитрон. По този начин е доказано съществуването на антиматерия.

Тъй като ОТО и квантовата механика описват реалността на различни езици, физиците допускат, че гравитационното взаимодействие за „квантовия двойник“ на материята може да действа по различен начин. Ако някой експеримент покаже, че антиматерията пада нагоре (проявявайки характеристиките на антигравитацията) или поне пада с по-различно ускорение, това би означавало крах на съществуващия космологичен модел и необходимост от преразглеждане на цялата физика.

Техническите пречки

Тестването на гравитационните свойства на антиматерията остава невъзможно в продължение на десетилетия поради изключителната трудност на работата с антиматерия. Инженерите и физиците бяха изправени пред три критични проблема.

• Първо, проблемът за съществуването. Антиматерията не се среща в природата в свободна форма. Тя трябва да се синтезира изкуствено в ускорителите на частици – процес, който изисква огромен разход на енергия, а добивът на продукта се изчислява в единици атоми.
• Второ, проблемът с анихилацията. При всяко съприкосновение на антиматерията с обикновена материя (стените на контейнера или дори молекулите на въздуха) настъпва мигновена взаимна анихилация с освобождаване на енергия. Следователно експериментът трябва да се проведе в дълбок вакуум, а материята трябва да се удържа по безконтактен начин.
• На трето и най-важно място е проблемът за баланса на силите. Гравитацията е най-слабата от четирите фундаментални сили. Тя е с много порядъци по-слаба от електромагнетизма. Ако за експеримента се използват заредени частици (антипротони или позитрони), всяко, дори и незначително случайно електрическо поле в лабораторията, ще има върху тях ефект, милиони пъти по-голям от земната гравитация. Невъзможно е да се измери гравитацията на фона на електрически шум.

Експериментът ALPHA-g: методологията

та За да се решат тези проблеми, в Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН) беше създадена колаборацията ALPHA-g. Учените разработиха сложна многоетапна методология.

За да изключат влиянието на електромагнитните полета, изследователите решават да работят не с отделни частици, а с неутрални атоми. Те комбинират отрицателно заредените антипротони с положително заредените позитрони, за да получат антиводородни атоми. Този атом е електрически неутрален, което означава, че външните електрически полета не могат да го накарат да се движи.

Въпреки това неутралният антиводород все още има слаб магнитен момент (спин). Това дава възможност на учените да създадат специален вертикален капан. С помощта на система от свръхпроводящи магнити те образуват „магнитно кладенче“, което държи облака от антиатоми в окачено състояние, като не им позволява да докосват стените на камерата.

Следващата стъпка е охлаждането. Дори при стайна температура термичното движение на атомите е твърде хаотично и бързо, за да се забележи ефектът на слабата гравитация. С помощта на лазерно охлаждане температурата на антиводорода е понижена почти до абсолютната нула (част от градуса над -273,15 °C), като по този начин атомите са забавени максимално.

Същността на експеримента е следната: физиците бавно намаляват силата на магнитното поле, което държи атомите отгоре и отдолу. В определен момент силата на магнитната опора станала по-слаба от гравитацията.

Ако антиматерията притежаваше свойството да се отблъсква, атомите щяха да се устремят към върха на инсталацията. Ако гравитацията действа по стандартния начин – те би трябвало да паднат на дъното. Детекторите за космически лъчи, заобикалящи камерата, регистрираха проблясъци на анихилация в моментите, когато антиатомите се сблъскаха с тялото на капана.

Резултатите и тяхната значимост

След изключване на статистическите грешки се оказа, че около 80% от антиводородните атоми са напуснали капана през долната му част. Останалите 20% са разпределени по различен начин поради остатъчни магнитни смущения и термичен шум, което съответства на изчислителните модели.

Основното заключение е, че антиматерията пада надолу.

Експериментът доказа, че Земята привлича антиматерията, а не я отблъсква. Проверен е принципът на слабата еквивалентност: гравитацията не прави разлика между материя и антиматерия. Това потвърждава правилността на Общата теория на относителността на Айнщайн и слага край на редица екзотични теории, които предполагаха съществуването на антигравитация.

Изследванията обаче не приключват с това. Настоящият експеримент е дал качествен отговор (посоката на движение), но физиците се нуждаят от точен количествен отговор (стойността на ускорението).

Следващото предизвикателство пред ЦЕРН е да измери ускорението при свободно падане за антиводорода, при това с много висока точност. Ако се окаже, че антиматерията пада например с 1% по-бавно или по-бързо от обикновената материя, това ще бъде сензация, показваща съществуването на „пета сила“ или неизвестни свойства на пространството. Но засега физическата картина на света остава стабилна: гравитацията е универсална.