Een van de meest verrassende feiten in de wetenschap is hoe universeel de natuurwetten zijn. Elk deeltje gehoorzaamt aan dezelfde regels, ervaart dezelfde krachten, bestaat in dezelfde fundamentele constanten, ongeacht waar en wanneer het zich bevindt. Vanuit het oogpunt van zwaartekracht ervaart elk afzonderlijk deeltje van het heelal dezelfde zwaartekrachtversnelling of dezelfde kromming van ruimte-tijd, ongeacht welke eigenschappen het heeft.
Het volgt in ieder geval uit de theorie. In de praktijk kunnen sommige zaken erg moeilijk te meten zijn. Fotonen en gewone stabiele deeltjes vallen gelijk, zoals verwacht, in een zwaartekrachtveld, en de aarde zorgt ervoor dat elk massief deeltje met een snelheid van 9,8 m / s2 naar het midden versnelt. Maar hoe we het ook probeerden, we zijn nooit in staat geweest om de zwaartekrachtversnelling van antimaterie te meten. Het zou op dezelfde manier moeten versnellen, maar totdat we het meten, weten we het niet zeker. Een van de experimenten is erop gericht om voor eens en altijd het antwoord op deze vraag te vinden. Afhankelijk van wat hij vindt, zijn we misschien een stap dichter bij de wetenschappelijke en technologische revolutie.
Bestaat er anti-zwaartekracht?
Je bent je hier misschien niet van bewust, maar er zijn twee totaal verschillende manieren om massa weer te geven. Aan de ene kant is er massa die versnelt als je er kracht op uitoefent: dat is m in de beroemde vergelijking van Newton, waar F = ma. Hetzelfde geldt voor Einsteins vergelijking E = mc2, waaruit je kunt berekenen hoeveel energie je nodig hebt om een deeltje (of antideeltje) te maken en hoeveel energie je krijgt als het vernietigt.
Maar er is nog een andere massa: zwaartekracht. Het is de massa, m, die voorkomt in de gewichtsvergelijking op het aardoppervlak (W = mg) of de zwaartekrachtwet van Newton, F = GmM / r2. In het geval van gewone materie weten we dat deze twee massa's - traagheids- en zwaartekrachtmassa's - gelijk zouden moeten zijn aan het dichtstbijzijnde deel van de 100 miljard, dankzij experimentele beperkingen die meer dan 100 jaar geleden door Laurent Eotvos zijn vastgesteld.
Maar in het geval van antimaterie zouden we dit nooit allemaal kunnen meten. We pasten niet-gravitatiekrachten toe op antimaterie en zagen het versnellen; we hebben antimaterie gemaakt en vernietigd; we weten precies hoe zijn traagheidsmassa zich gedraagt - net als de traagheidsmassa van gewone materie. F = ma en E = mc2 werkt bij antimaterie op dezelfde manier als bij gewone materie.
Maar als we het zwaartekrachtgedrag van antimaterie willen weten, kunnen we niet simpelweg de theorie als basis nemen; we moeten het meten. Gelukkig is er een experiment gaande om precies dat uit te vinden: het ALPHA-experiment bij CERN.
Promotie video:
Een van de grote doorbraken die onlangs heeft plaatsgevonden, is de creatie van niet alleen deeltjes uit antimaterie, maar ook van neutrale, stabiele gebonden toestanden daarin. Antiprotonen en positronen (antielectrons) kunnen worden gecreëerd, vertraagd en gedwongen om met elkaar in wisselwerking te staan om neutraal antiwaterstof te vormen. Door een combinatie van elektrische en magnetische velden te gebruiken, kunnen we deze antiatomen beperken en stabiel houden uit de buurt van materie, wat bij een botsing tot vernietiging zou leiden.
We zijn erin geslaagd ze met succes 20 minuten per keer stabiel te houden, ver voorbij de microseconde tijdschalen die onstabiele fundamentele deeltjes doorgaans ervaren. We schoten fotonen op ze af en ontdekten dat ze dezelfde emissie- en absorptiespectra hebben als atomen. We hebben vastgesteld dat de eigenschappen van antimaterie dezelfde zijn als voorspeld door standaardfysica.
Behalve natuurlijk de zwaartekracht. De nieuwe ALPHA-g-detector, gebouwd in de Canadese fabriek TRIUMF en eerder dit jaar naar CERN verscheept, zou de grenzen van de zwaartekrachtversnelling van antimaterie moeten verbeteren tot een kritieke drempel. Versnelt antimaterie in aanwezigheid van een zwaartekrachtsveld op het aardoppervlak tot 9,8 m / s2 (omlaag), -9,8 m / s2 (omhoog), 0 m / s2 (bij afwezigheid van zwaartekrachtversnelling) of tot een andere waarde ?
Vanuit zowel theoretisch als praktisch oogpunt zal elk ander resultaat dan de verwachte +9,8 m / s2 absoluut revolutionair zijn.
Een analoog van antimaterie voor elk materiedeeltje zou moeten hebben:
- dezelfde massa
- dezelfde versnelling in een zwaartekrachtveld
- tegenovergestelde elektrische lading
- tegenovergestelde draai
- dezelfde magnetische eigenschappen
- moeten op dezelfde manier binden tot atomen, moleculen en grotere structuren
- moeten hetzelfde spectrum van positronovergangen hebben in verschillende configuraties.
Sommige van deze eigenschappen zijn in de loop van de tijd gemeten: de traagheidsmassa van antimaterie, elektrische lading, spin en magnetische eigenschappen zijn bekend en bestudeerd. De bindingseigenschappen en transiënte eigenschappen werden gemeten door andere detectoren in het ALPHA-experiment en zijn in lijn met de voorspellingen van de deeltjesfysica.
Maar als de zwaartekrachtversnelling eerder negatief dan positief blijkt te zijn, zal het de wereld letterlijk op zijn kop zetten.
Momenteel bestaat er niet zoiets als een zwaartekrachtgeleider. Op een elektrische geleider leven gratis ladingen op het oppervlak en kunnen ze bewegen, zichzelf herverdelen als reactie op eventuele ladingen in de buurt. Als u een elektrische lading heeft buiten de elektrische geleider, wordt de binnenkant van de geleider afgeschermd van die elektriciteitsbron.
Maar er is geen manier om zichzelf tegen de zwaartekracht te beschermen. Er is geen manier om een uniform zwaartekrachtveld af te stemmen in een specifiek gebied van de ruimte, zoals tussen parallelle platen van een elektrische condensator. Oorzaak? In tegenstelling tot elektrische kracht, die wordt opgewekt door positieve en negatieve ladingen, is er maar één type gravitatie "lading" - massa / energie. De zwaartekracht trekt altijd aan en er is geen manier om deze te veranderen.
Maar als je een negatieve zwaartekracht hebt, verandert alles. Als antimaterie daadwerkelijk anti-zwaartekracht eigenschappen vertoont, op en niet naar beneden valt, dan bestaat het in het licht van de zwaartekracht uit anti-massa of anti-energie. Volgens de wetten van de fysica zoals we die kennen, is er geen antimassa of anti-energie. We kunnen ons ze voorstellen en ons voorstellen hoe ze zich zouden gedragen, maar we verwachten dat antimaterie een normale massa en normale energie heeft als het gaat om zwaartekracht.
Als er toch antimassa bestaat, zullen de vele technologische vooruitgang waar sciencefictionschrijvers al jaren van dromen plotseling fysiek haalbaar worden.
- We kunnen een zwaartekrachtgeleider creëren door ons af te schermen tegen zwaartekrachten.
- We kunnen een zwaartekrachtcondensator in de ruimte creëren en een kunstmatig zwaartekrachtveld creëren.
- We zouden zelfs een warp-drive kunnen creëren, omdat we de mogelijkheid zouden hebben om de ruimtetijd op dezelfde manier te vervormen als de wiskundige oplossing van de algemene relativiteitstheorie zoals voorgesteld door Miguel Alcubierre in 1994 vereist.
Dit is een ongelooflijke kans die door alle theoretisch natuurkundigen als bijna onmogelijk wordt beschouwd. Maar hoe wild of ondenkbaar uw theorieën ook zijn, u moet ze steunen of ze uitsluitend met experimentele gegevens weerleggen. Alleen door het universum te meten en te testen, kun je precies weten hoe zijn wetten werken.
Totdat we de zwaartekrachtversnelling van antimaterie meten met de precisie die nodig is om te bepalen of het naar boven of naar beneden valt, moeten we openstaan voor de mogelijkheid dat de natuur zich niet gedraagt zoals we verwachten. Het gelijkwaardigheidsbeginsel werkt mogelijk niet in het geval van antimaterie; het kan 100% anti-principe zijn. En in dit geval gaat er een wereld van compleet nieuwe mogelijkheden open. We zullen het antwoord over een paar jaar ontdekken door een eenvoudig experiment uit te voeren: plaats een antiatom in een zwaartekrachtveld en kijk hoe het zal vallen.
Ilya Khel
