Eine der überraschendsten Tatsachen in der Wissenschaft ist, wie universell die Naturgesetze sind. Jedes Teilchen gehorcht denselben Regeln, erfährt dieselben Kräfte, existiert in denselben Grundkonstanten, unabhängig davon, wo und wann es sich befindet. Unter dem Gesichtspunkt der Gravitation erfährt jedes einzelne Teilchen des Universums dieselbe Gravitationsbeschleunigung oder dieselbe Krümmung der Raum-Zeit, unabhängig davon, welche Eigenschaften es hat.
In jedem Fall folgt es aus der Theorie. In der Praxis kann es sehr schwierig sein, einige Dinge zu messen. Photonen und gewöhnliche stabile Teilchen fallen erwartungsgemäß gleichermaßen in ein Gravitationsfeld, und die Erde bewirkt, dass jedes massive Teilchen mit einer Geschwindigkeit von 9,8 m / s2 in Richtung seines Zentrums beschleunigt. Aber egal wie wir es versucht haben, wir konnten die Gravitationsbeschleunigung von Antimaterie nie messen. Es sollte auf die gleiche Weise beschleunigen, aber bis wir es messen, können wir nicht sicher sein. Eines der Experimente zielt darauf ab, die Antwort auf diese Frage ein für alle Mal zu finden. Je nachdem, was er findet, sind wir der wissenschaftlichen und technologischen Revolution möglicherweise einen Schritt näher gekommen.
Gibt es Anti-Schwerkraft?
Sie sind sich dessen vielleicht nicht bewusst, aber es gibt zwei völlig unterschiedliche Arten, die Masse darzustellen. Einerseits gibt es eine Masse, die sich beschleunigt, wenn Sie Kraft darauf ausüben: Das ist m in Newtons berühmter Gleichung, wobei F = ma. Dasselbe gilt für Einsteins Gleichung E = mc2, aus der Sie berechnen können, wie viel Energie Sie zur Erzeugung eines Partikels (oder Antiteilchens) benötigen und wie viel Energie Sie erhalten, wenn es vernichtet.
Aber es gibt noch eine andere Masse: die Gravitation. Es ist die Masse m, die in der Gewichtsgleichung auf der Erdoberfläche (W = mg) oder im Newtonschen Gravitationsgesetz F = GmM / r2 erscheint. Im Fall der gewöhnlichen Materie wissen wir, dass diese beiden Massen - Trägheits- und Gravitationsmassen - dank experimenteller Einschränkungen, die vor mehr als 100 Jahren von Laurent Eotvos festgelegt wurden, gleich dem nächsten Teil von 100 Milliarden sein sollten.
Aber im Fall von Antimaterie könnten wir all dies niemals messen. Wir haben Antimaterie mit nicht-gravitativen Kräften beaufschlagt und gesehen, wie sie sich beschleunigt. wir haben Antimaterie geschaffen und zerstört; Wir wissen genau, wie sich seine Trägheitsmasse verhält - genau wie die Trägheitsmasse gewöhnlicher Materie. F = ma und E = mc2 wirken bei Antimaterie genauso wie bei gewöhnlicher Materie.
Wenn wir aber das Gravitationsverhalten von Antimaterie kennen wollen, können wir nicht einfach die Theorie als Grundlage nehmen; wir müssen es messen. Glücklicherweise ist ein Experiment im Gange, um genau das herauszufinden: das ALPHA-Experiment am CERN.
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Einer der großen Durchbrüche in letzter Zeit war die Erzeugung nicht nur von Partikeln aus Antimaterie, sondern auch von neutralen, stabilen Bindungszuständen in diesen. Antiprotonen und Positronen (Antielektronen) können erzeugt, verlangsamt und gezwungen werden, miteinander zu interagieren, um neutrales Antiwasserstoff zu bilden. Mit einer Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern können wir diese Antiatome einschließen und sie von Materie fernhalten, was im Falle einer Kollision zur Vernichtung führen würde.
Wir konnten sie erfolgreich für jeweils 20 Minuten stabil halten, weit über die Mikrosekunden-Zeitskalen hinaus, die instabile fundamentale Partikel normalerweise erfahren. Wir haben Photonen auf sie abgefeuert und festgestellt, dass sie die gleichen Emissions- und Absorptionsspektren wie Atome haben. Wir haben festgestellt, dass die Eigenschaften von Antimaterie dieselben sind, wie sie von der Standardphysik vorhergesagt werden.
Mit Ausnahme der Gravitation natürlich. Der neue ALPHA-g-Detektor, der in der kanadischen Fabrik TRIUMF gebaut und Anfang dieses Jahres an das CERN ausgeliefert wurde, sollte die Grenzen der Gravitationsbeschleunigung von Antimaterie auf einen kritischen Schwellenwert verbessern. Beschleunigt Antimaterie bei Vorhandensein eines Gravitationsfeldes auf der Erdoberfläche auf 9,8 m / s2 (unten), -9,8 m / s2 (oben), 0 m / s2 (ohne Gravitationsbeschleunigung) oder auf einen anderen Wert? ?
Sowohl aus theoretischer als auch aus praktischer Sicht wird jedes andere Ergebnis als die erwarteten +9,8 m / s2 absolut revolutionär sein.
Ein Antimaterie-Analogon für jedes Materieteilchen sollte Folgendes enthalten:
- die gleiche Masse
- die gleiche Beschleunigung in einem Gravitationsfeld
- entgegengesetzte elektrische Ladung
- entgegengesetzter Spin
- die gleichen magnetischen Eigenschaften
- sollte auf die gleiche Weise in Atome, Moleküle und größere Strukturen binden
- sollte das gleiche Spektrum von Positronenübergängen in einer Vielzahl von Konfigurationen haben.
Einige dieser Eigenschaften wurden im Laufe der Zeit gemessen: Die Trägheitsmasse von Antimaterie, elektrischer Ladung, Spin und magnetischen Eigenschaften ist bekannt und untersucht. Die Bindungs- und Übergangseigenschaften wurden von anderen Detektoren im ALPHA-Experiment gemessen und stimmen mit den Vorhersagen der Teilchenphysik überein.
Wenn sich die Gravitationsbeschleunigung jedoch eher als negativ als als positiv herausstellt, wird sie die Welt buchstäblich auf den Kopf stellen.
Derzeit gibt es keinen Gravitationsleiter. Auf einem elektrischen Leiter leben freie Ladungen an der Oberfläche und können sich bewegen, um sich als Reaktion auf Ladungen in der Nähe neu zu verteilen. Wenn Sie außerhalb des elektrischen Leiters eine elektrische Ladung haben, wird das Innere des Leiters von dieser Stromquelle abgeschirmt.
Aber es gibt keine Möglichkeit, sich vor der Schwerkraft zu schützen. Es gibt keine Möglichkeit, ein gleichmäßiges Gravitationsfeld in einem bestimmten Raumbereich abzustimmen, beispielsweise zwischen parallelen Platten eines elektrischen Kondensators. Ursache? Im Gegensatz zur elektrischen Kraft, die durch positive und negative Ladungen erzeugt wird, gibt es nur eine Art von Gravitationsladung - Masse / Energie. Die Gravitationskraft zieht immer an und es gibt keine Möglichkeit, sie zu ändern.
Aber wenn Sie eine negative Gravitationsmasse haben, ändert sich alles. Wenn Antimaterie tatsächlich Anti-Gravitationseigenschaften aufweist, nach oben und nicht nach unten fällt, besteht sie im Lichte der Schwerkraft aus Anti-Masse oder Anti-Energie. Nach den Gesetzen der Physik, wie wir sie kennen, gibt es keine Anti-Masse oder Anti-Energie. Wir können sie uns vorstellen und uns vorstellen, wie sie sich verhalten würden, aber wir erwarten, dass Antimaterie eine normale Masse und Energie hat, wenn es um die Schwerkraft geht.
Wenn es Anti-Massen gibt, werden die vielen technologischen Fortschritte, von denen Science-Fiction-Autoren seit vielen Jahren geträumt haben, plötzlich physisch machbar.
- Wir können einen Gravitationsleiter erzeugen, indem wir uns vor Gravitationskräften schützen.
- Wir können einen Gravitationskondensator im Weltraum erzeugen und ein künstliches Gravitationsfeld erzeugen.
- Wir könnten sogar einen Warp-Antrieb erzeugen, da wir die Raumzeit auf die gleiche Weise verformen könnten, wie es die 1994 von Miguel Alcubierre vorgeschlagene mathematische Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie erfordert.
Dies ist eine unglaubliche Gelegenheit, die von allen theoretischen Physikern als nahezu unmöglich angesehen wird. Aber egal wie wild oder undenkbar Ihre Theorien sind, Sie müssen sie unterstützen oder ausschließlich mit experimentellen Daten widerlegen. Nur wenn Sie das Universum messen und testen, können Sie genau wissen, wie seine Gesetze funktionieren.
Bis wir die Gravitationsbeschleunigung der Antimaterie mit der Genauigkeit messen, die erforderlich ist, um festzustellen, ob sie nach oben oder unten fällt, müssen wir offen sein für die Möglichkeit, dass sich die Natur nicht so verhält, wie wir es erwarten. Das Äquivalenzprinzip funktioniert bei Antimaterie möglicherweise nicht. es kann 100% gegen das Prinzip sein. Und in diesem Fall eröffnet sich eine Welt völlig neuer Möglichkeiten. Wir werden die Antwort in ein paar Jahren herausfinden, indem wir ein einfaches Experiment durchführen: Legen Sie ein Antiatom in ein Gravitationsfeld und sehen Sie, wie es fallen wird.
Ilya Khel
