Отново си прав, Айнщайн! Изследване показва как антиматерията реагира на гравитацията

В света на „Стар Трек“ звездният кораб „Ентърпрайз“ се движи в пространството с помощта на уарп задвижване, което използва антиматерия. Достатъчно е да се каже, че тази технология остава в сферата на научната фантастика.

Но учените правят важни крачки към по-доброто разбиране на антиматерията. Изследователи заявиха, че за първи път са доказали, че антиматерията реагира на гравитацията по същия начин, както и материята – падайки, както може да се очаква – в експеримент, който за пореден път потвърждава основната теория на физика Алберт Айнщайн за общата теория на относителността.
Всички познати ни неща – планети, звезди, пудели и близалки – са изградени от обикновена материя.

Антиматерията е загадъчният близнак на обикновената материя, притежаваща същата маса, но с противоположен електрически заряд. Почти всички субатомни частици, като електрони и протони, имат аналог в антиматерията. Докато електроните са отрицателно заредени, антиелектроните, наричани още позитрони, са положително заредени. По същия начин, докато протоните са положително заредени, антипротоните са отрицателно заредени.

Според сегашната теория експлозията на Големия взрив, която е поставила началото на Вселената, би трябвало да създаде равни количества материя и антиматерия. Изглежда обаче, че това не е така. Изглежда, че антиматерията е много малко, а на Земята – почти никаква. Нещо повече, материята и антиматерията са несъвместими. Ако се докоснат, те се взривяват – явление, наречено анихилация.

Експериментът е проведен в Европейския център за ядрени изследвания (ЦЕРН) в Швейцария от изследователи от международното сътрудничество Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA). В него участва антиматерията на водорода, най-лекия от елементите.
„На Земята по-голямата част от антиматерията, която се появява в природата, се получава от космическите лъчи – енергийни частици от космоса – които се сблъскват с атоми във въздуха и създават двойки антиматерия“, казва физикът Джонатан Вуртеле от Калифорнийския университет в Бъркли, съавтор на изследването, публикувано в списание Nature.

Тази новосъздадена антиматерия съществува само докато не се сблъска с атом нормална материя в долните слоеве на атмосферата. Въпреки това антиматерия може да бъде синтезирана при контролирани условия, както в експеримента ALPHA, в който беше използван антиводород, създаден в ЦЕРН.

Антиводородът бил поставен в цилиндрична вакуумна камера, уловен с магнитни полета отгоре и отдолу. Изследователите намалили магнитните полета, за да освободят антиматерията, за да наблюдават дали тя ще падне, след като се прояви влиянието на гравитацията. Тя паднала, държейки се така, както би се държал водородът при същите условия.

„Този резултат беше предвиден от теорията и от косвени експерименти, които разчитаха на фини явления. Но никоя група не беше правила пряк експеримент, при който антиматерията просто да бъде пусната, за да се види накъде ще падне“, казва физикът от Калифорнийския университет в Бъркли и съавтор на изследването Джоел Фаянс.

„Нашият експеримент изключва други теории, които изискват антиматерията да се издига – „антигравитация“ – в гравитационното поле на Земята“, добавя Вуртеле.

Макар че Айнщайн разработва своята обща теория на относителността – цялостно обяснение на гравитацията – преди откриването на антиматерията през 1932 г., той третира цялата материя с еквивалентност, което означава, че се очаква антиматерията да реагира по същия начин на гравитационните сили като материята.

Но какво щеше да стане, ако антиматерията не се беше съобразила с очакванията?
„Това би било огромна изненада, тъй като би било в значително противоречие с много теории“, казва физикът и съавтор на изследването Уилям Бертш от Манчестърския университет в Англия, който провежда експерименти в ЦЕРН и е заместник-говорител на сътрудничеството ALPHA.

„Смятам, че това е доказателство за силата на общата теория на относителността и нейните принципи на еквивалентност“, добави Бертш.

Учените остават озадачени от оскъдността на антиматерията в наблюдаваната Вселена. Например, няма данни за галактики, изградени от антиматерия.

„Почти пълното отсъствие на естествено срещаща се антиматерия е един от големите въпроси пред физиката“, казва Вуртеле.

Доказвайки, че антиматерията и материята се привличат гравитационно, експериментът изключва едно от възможните обяснения за недостига на антиматерия – че тя е била гравитационно отблъсната от материята по време на Големия взрив.

„Без значение колко красива е теорията, физиката е експериментална наука“, казва Фаянс.