Η αντιύλη πέφτει κάτω από τη βαρύτητα στο πρώτο πείραμα
Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δεν γνώριζε για την ύπαρξη αντιύλης όταν σκέφτηκε
η θεωρία της γενικής σχετικότητας
, το οποίο διέπει την κατανόησή μας για τη
βαρύτητα
από τότε. Περισσότερο από έναν αιώνα αργότερα, οι επιστήμονες εξακολουθούν να συζητούν πώς η βαρύτητα επηρεάζει την αντιύλη, τις άπιαστες κατοπτρικές εκδοχές των σωματιδίων που μένουν μέσα μας και γύρω μας. Με άλλα λόγια, μια σταγόνα αντιύλης πέφτει κάτω ή πάνω;
Η κοινή φυσική σοφία υποστηρίζει ότι πρέπει να πέσει κάτω. Ένα δόγμα της ίδιας της γενικής σχετικότητας γνωστό ως το
αρχή αδύναμης ισοδυναμίας
σημαίνει ότι η βαρύτητα δεν πρέπει να ενδιαφέρεται αν κάτι είναι ύλη ή αντιύλη. Την ίδια στιγμή,
μια μικρή ομάδα ειδικών υποστηρίζει
ότι η πτώση της αντιύλης μπορεί να εξηγήσει, για παράδειγμα, τη μυστικιστική σκοτεινή ενέργεια που δυνητικά κυριαρχεί στο σύμπαν μας.
Όπως συμβαίνει, οι φυσικοί των σωματιδίων έχουν τώρα την πρώτη άμεση απόδειξη ότι η αντιύλη πέφτει κάτω. Η συν
εργασία
Antihydrogen Laser Physics Apparatus (
ALPHA
), μια διεθνής ομάδα με έδρα το CERN, μέτρησε για πρώτη φορά την επίδραση της βαρύτητας στην αντιύλη. Η ομάδα ALPHA δημοσίευσε τη δουλειά της στο
η εφημερίδα
Φύση
σήμερα.
Κάθε σωματίδιο στο σύμπαν έχει μια αντανάκλαση αντιύλης με ίδια μάζα και αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. τα αντίστροφα είναι κρυμμένα στη φύση, αλλά ήταν
ανιχνεύεται στις κοσμικές ακτίνες
και
χρησιμοποιείται στην ιατρική απεικόνιση
για δεκαετίες. Αλλά στην πραγματικότητα η δημιουργία αντιύλης σε οποιαδήποτε σημαντική ποσότητα είναι δύσκολη, επειδή μόλις ένα σωματίδιο ύλης και ο ανταγωνιστής του συναντηθούν, τα δύο αυτοκαταστρέφονται σε καθαρή ενέργεια. Ως εκ τούτου, η αντιύλη πρέπει να αποκλείεται προσεκτικά από κάθε ύλη, γεγονός που καθιστά εξαιρετικά δύσκολη την απόρριψή της ή το παιχνίδι με αυτήν με οποιονδήποτε τρόπο.
«Τα πάντα σχετικά με την αντιύλη είναι προκλητικά», λέει
Τζέφρι Χανγκστ
, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Aarhus στη Δανία και μέλος της ομάδας ALPHA. «Είναι πραγματικά χάλια να πρέπει να δουλεύεις με αυτό».
Επιπρόσθετα στην πρόκληση, η βαρύτητα είναι εξαιρετικά αδύναμη στη μικροσκοπική κλίμακα των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων. Ήδη από τη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί
πρώτη σκέψη για
μέτρηση των επιπτώσεων της βαρύτητας στα ποζιτρόνια, ή αντι-ηλεκτρόνια, τα οποία έχουν θετικό και όχι αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Αλίμονο, αυτό το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο κάνει τα ποζιτρόνια ευαίσθητα σε μικροσκοπικά ηλεκτρικά πεδία—και
Ο ηλεκτρομαγνητισμός επισκιάζει τη δύναμη της βαρύτητας
.
Έτσι, για να ελέγξουν σωστά την επίδραση της βαρύτητας στην αντιύλη, οι ερευνητές χρειάστηκαν ένα ουδέτερο σωματίδιο. Το μόνο «στον ορίζοντα» ήταν το άτομο αντιυδρογόνου, λέει
Τζόελ Φάγιανς
φυσικός στο UC Berkeley και άλλο μέλος της ομάδας ALPHA.
Το αντιυδρογόνο είναι το πρώτο, πιο θεμελιώδες στοιχείο του αντιπεριοδικού πίνακα. Ακριβώς όπως το άτομο υδρογόνου της ποικιλίας του κήπου αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, το βασικό άτομο αντιυδρογόνου αποτελείται από ένα αρνητικά φορτισμένο αντιπρωτόνιο και ένα ποζιτρόνιο σε τροχιά. Μόνο για φυσικούς
δημιούργησε άτομα αντιυδρογόνου
τη δεκαετία του 1990? δεν μπορούσαν να παγιδεύσουν και να αποθηκεύσουν μερικά
μέχρι το 2010
.
«Έπρεπε να μάθουμε πώς να το φτιάχνουμε και μετά έπρεπε να μάθουμε πώς να το κρατάμε και μετά έπρεπε να μάθουμε πώς να αλληλεπιδρούμε με αυτό και ούτω καθεξής», λέει ο Hangst.
Μόλις ξεπέρασαν αυτά τα εμ
πόδια
, μπόρεσαν τελικά να μελετήσουν τις ιδιότητες του αντιυδρογόνου – όπως η συμπεριφορά του υπό τη βαρύτητα. Για το νέο χαρτί, η ομάδα ALPHA σχεδίασε έναν κατακόρυφο θάλαμο κενού γύρω από έναν κατακόρυφο σωλήνα χωρίς ύλη για να αποτρέψει την πρόωρη εκμηδένιση του αντιυδρογόνου. Οι επιστήμονες τύλιξαν μέρος του σωλήνα μέσα σε ένα υπεραγώγιμο μαγνητικό «μπουκάλι», δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο που κλείδωσε το αντιυδρογόνο στη θέση του μέχρι να χρειαστεί να το χρησιμοποιήσουν.
Η
κατασκευή
αυτής της συσκευής πήρε χρόνια στο τέλος. «Ξοδέψαμε εκατοντάδες ώρες απλώς μελετώντας το μαγνητικό πεδίο χωρίς να χρησιμοποιήσουμε καθόλου αντιύλη για να πείσουμε τους εαυτούς μας ότι ξέραμε τι κάναμε», λέει ο Hangst. Για να δημιουργήσουν ένα μαγνητικό πεδίο αρκετά ισχυρό ώστε να συγκρατεί το αντιυδρογόνο, έπρεπε να διατηρήσουν τη συσκευή παγωμένη στους -452 βαθμούς Φαρενάιτ.
Στη συνέχεια, η ομάδα ALPHA πληκτρολόγησε το μαγνητικό πεδίο για να ανοίξει το πάνω και το κάτω μέρος της φιάλης και άφησε τα άτομα αντιυδρογόνου να χαλαρώσουν μέχρι να συντρίψουν στο τοίχωμα του σωλήνα. Μέτρησαν πού συνέβησαν αυτοί οι ατομικοί θάνατοι: πάνω ή κάτω από τη θέση που κρατούσε η αντιύλη. Περίπου το 80 τοις εκατό των ατόμων έπεσαν μερικά εκατοστά κάτω από την παγίδα, σύμφωνα με αυτό που θα έκανε ένα νέφος κανονικών ατόμων υδρογόνου στην ίδια διάταξη. (Το άλλο 20 τοις εκατό απλά ξεπήδησε.)
«Ήταν πολύ διασκεδαστικό να κάνω το πείραμα», λέει ο Fajans. «Οι άνθρωποι σκέφτονται αυτό το πρόβλημα εδώ και εκατό χρόνια… τώρα έχουμε μια οριστική απάντηση».
Άλλοι ερευνητές σε όλο τον κόσμο προσπαθούν τώρα να αναπαράγουν το αποτέλεσμα. Στις τάξεις τους περιλαμβάνονται άλλες δύο συνεργασίες του CERN,
GBAR
και
Αιγίς
, που εστιάζονται επίσης σε άτομα αντιυδρογόνου. Η ίδια η ομάδα του ALPHA ελπίζει να συνεχίσει το πείραμά της για να αποκτήσει περισσότερη εμπιστοσύνη στο αποτέλεσμα.
Για παράδειγμα, όταν οι συγγραφείς του
Φύση
Μελέτη που υπολόγισε πόσο γρήγορα τα άτομα αντιυδρογόνου επιταχύνθηκαν προς τα κάτω με τη βαρύτητα, διαπίστωσαν ότι ήταν το 75% του ρυθμού που θα περίμεναν οι φυσικοί για τα κανονικά άτομα υδρογόνου. Αλλά αναμένουν ότι η απόκλιση θα εξασθενίσει όταν επαναλάβουν αυτές τις παρατηρήσεις για να βρουν ένα πιο ακριβές αποτέλεσμα. «Αυτός ο αριθμός και αυτές οι αβεβαιότητες είναι ουσιαστικά συνεπείς με τις καλύτερες προσδοκίες μας για το πώς θα έμοιαζε η βαρύτητα στο πείραμά μας», λέει.
Ουίλιαμ Μπέρτσε
φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και άλλο μέλος της ομάδας ALPHA.
Αλλά είναι επίσης πιθανό η βαρύτητα να επηρεάζει την ύλη και την αντιύλη με διαφορετικούς τρόπους. Μια τέτοια ανωμαλία θα έθετε σε αμφιβολία την αρχή της αδύναμης ισοδυναμίας – και, κατ’ επέκταση, τη γενική σχετικότητα στο σύνολό της.
Η επίλυση αυτής της ουσιαστικής ερώτησης θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε περισσότερες απαντήσεις γύρω από τη γέννηση του σύμπαντος. Η αντιύλη βρίσκεται στην καρδιά ενός από τα μεγάλα άλυτα μυστήρια της φυσικής: Γιατί δεν βλέπουμε περισσότερα από αυτήν; Οι νόμοι της φυσικής μας ορίζουν ξεκάθαρα ότι η μεγάλη έκρηξη θα έπρεπε να έχει δημιουργήσει ίσα μέρη ύλης και αντιύλης. Αν ναι, τα δύο μισά του Κόσμου μας θα έπρεπε να έχουν αυτοκαταστραφεί λίγο μετά τη γέννηση.
Αντίθετα, παρατηρούμε ένα σύμπαν γεμάτο με ύλη και χωρίς ευδιάκριτη αντιύλη για να το εξισορροπήσει. Είτε η μεγάλη έκρηξη δημιούργησε μια ανεξήγητη πληθώρα ύλης, είτε συνέβη κάτι άγνωστο. Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτό το κοσμικό αίνιγμα το
πρόβλημα βαρυογένεσης
.
«Οποιαδήποτε διαφορά βρείτε μεταξύ υδρογόνου και αντιυδρογόνου θα ήταν μια εξαιρετικά σημαντική ένδειξη για το πρόβλημα της βαρυογένεσης», λέει ο Fajans.
