У 1971 році астронавт Дейвід Скотт поставив простий, але елегантний експеримент на поверхні Місяця. Він одночасно відпустив геологічний молоток і пір’їнку. Без опору повітря вони впали на поверхню одночасно, наочно продемонструвавши принцип, який століттями до того довів Галілео Галілей: у гравітаційному полі всі тіла падають з однаковим прискоренням, незалежно від маси. Це була ілюстрація слабкого принципу еквівалентності — фундаменту теорії відносності Ейнштейна. Але чи працює він для найзагадковішої субстанції у Всесвіті — антиматерії?
Народження антиматерії
Щоб зрозуміти важливість питання, варто згадати, як з’явилася антиматерія. У 1920-х роках фізик Поль Дірак об’єднав квантову механіку з теорією відносності. Його рівняння мало незвичайну властивість: воно передбачало існування «двійників» усіх частинок, але з протилежним електричним зарядом. Так з математики народилася ідея антиматерії — перше передбачення такого роду в історії науки. Пізніше експерименти підтвердили: античастинки справді існують.
Ідеальний піддослідний для гравітації
Чому антиматерія так цікава для вивчення гравітації? Вона є чистим продуктом квантової механіки, тоді як гравітація найкраще описана теорією Ейнштейна. Ці дві основоположні теорії сучасної фізики поки що не поєднуються. Вивчаючи, як антиматерія реагує на гравітацію, вчені надіються знайти міст між ними.
Проте експерименти з антиматерією — справжнє випробування: вона анігілює при контакті зі звичайною матерією, тому її неймовірно складно отримати та ще складніше утримати.
Вирішальний момент у лабораторії ALPHA-g
Нарешті, вчені з колаборації ALPHA-g у ЦЕРН знайшли спосіб. Вони створили нейтральні атоми антиводню, поєднавши антипротони та позитрони (антиелектрони), а потім охолодили їх лазерами майже до абсолютного нуля. Антиатоми утримувалися в спеціальній магнітній пастці. Ключовий етап настав, коли силу магнітного поля почали повільно зменшувати.
Якби антиматерія «падала вгору» або поводилася інакше, атоми вирвалися б зверху. Якщо ж слабкий принцип еквівалентності працює, вони повинні були впасти вниз під дією гравітації Землі. Детектори чекали на спалахи анігіляції при ударі об стінки контейнера. Результат був вирішальним: близько 80% антиатомів вивільнилися саме внизу.
Відкриті питання
Експеримент підтвердив — антиматерія підкорюється гравітації так само як і звичайна матерія. Молоток, пір’їнка й атом антиводню падають з однаковим прискоренням. Це тріумф слабкого принципу еквівалентності та теорії Ейнштейна. Однак історія на цьому не закінчується.
Фізики тепер прагнуть з’ясувати, чи точно таке саме це прискорення. Навіть крихітна різниця в 1% між падінням матерії та антиматерії зрушила б основи фізики та відкрила нове розуміння природи Всесвіту. Поки що ж наш світ залишається місцем, де закони гравітації універсальні для всього — від молотка до антиатома.
Раніше ми розповідали про чергову спробу вирішити загадку «всесвітньої асиметрії».
За матеріалами Space
