Куда падает антиматерия: вверх или вниз?
В 1971 году астронавт Дэвид Скотт стоял на поверхности Луны, держа в руках молоток и перо. Он отпустил их — и они упали в лунную пыль в один момент. Но это был не просто поэтичный трюк для камер: тем самым он продемонстрировал слабый принцип эквивалентности, на котором построена общая относительность. Но что если существует какой-то астрофизический объект, не подчиняющийся общепринятым правилам? Портал space.com рассказал об антиматерии — и почему направление ее падения важно для науки.
Для того, чтобы понять, почему падающая антиматерия так интересует научное сообщество, нужно взглянуть на историю ее открытия. В 1920-х физик Поль Дирак пытался совместить два очень разных мира: квантовую механику и специальную теорию относительности.
Дирак нашел работающее уравнение, но у него был один изъян. Точно так же, как квадратный корень 4 может быть равен 2 или -2, так и его уравнение предлагало два решения энергии частицы — позитивное и негативное. Почему это проблема? Потому что минимальный порог позитивной энергии равнялся нулю, а вот у негативной энергии нет нижнего предела.
Позже данное решение назвали морем Дирака. По сути, физик представил открытый космос не как пустой вакуум, а как пространство, заполненное «океаном» негативных состояний энергии. Если вытолкнуть одну из этих частиц в позитивное состояние, то оно оставит за собой дыру, которая обладает поведением обычной частицы, но противоположным зарядом. Тем самым Дирак впервые в истории предсказал существование частицы, используя чистую математику без лабораторных наблюдений.
Сегодня мы называем эти частицы антиматерией. Но почему они любопытны в плане измерения гравитации? Потому что антиматерия пробрасывает мост через самый широкий разлом в физике. Общая относительность (гравитация) и квантовая механика (все остальное) не дружат. Они говорят на разных языках и живут в разных районах. Но благодаря тому, что антиматерия — чистый продукт квантового мира, она идеально подходит для того, чтобы протестировать теорию гравитации Эйнштейна.
Правда, на практике это создает огромную головную боль для физиков по трем причинам. Первая — при столкновении материи и антиматерии две частицы взаимно уничтожаются, высвобождая вспышку чистой энергии. Вторая — антиматерию нельзя просто взять и найти в природе; она синтезируется в продвинутых лабораториях. Третья — по сравнению с электромагнитными силами, гравитация очень слаба.
Для того, чтобы преодолеть эти препятствия, сотрудникам эксперимента ЦЕРН ALPHA-g пришлось подойти к проблеме творчески. Они создали нейтральный антиводород, совместим антипротоны с позитронами. Поскольку данные антиатомы нейтральны, их не расталкивает электричество. Команда поймала примерно 100 таких антиатомов в ловушку Пеннинга — магнитную бутылку, которая удерживает их на месте, потому что в нейтральном состоянии они ведут себя как крошечные магниты.
Наконец, после этого исследователи охладили атомы до абсолютного нуля с помощью лазеров и медленно отключили магнитное поле. Если бы антиматерия игнорировала слабый принцип эквивалентности, атомы могли бы сдвинуться вверх, поскольку Земля бы их оттолкнула. Но если Эйнштейн прав, они должны упасть вниз — что и произошло. Примерно 80% антиатомов выпали через дно ловушки.
Получается, что антиматерия все-таки падает вниз. Но на этом вопрос не закрыт: хотя мы знаем, в каком направлении она падает, никто не знает, каким ускорением она обладает по сравнению с обычной материей. Даже 1% разницы в скорости падения может привести к революции физики — это будет означать, что гравитация влияет на зеркальную материю иначе.