Должна ли антиматерия падать вверх? Как физики искали ошибку в общей теории относительности

В 1971 году командир миссии «Аполлон-15» Дэвид Скотт провел на поверхности Луны демонстративный опыт, вошедший в историю науки. В условиях вакуума он одновременно выпустил из рук геологический молоток весом 1,32 кг и соколиное перо весом 0,03 кг. Оба предмета достигли лунного грунта в одно и то же мгновение.

Этот эксперимент стал наглядным подтверждением слабого принципа эквивалентности — фундаментального положения физики, сформулированного еще Галилеем и позже легшего в основу Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Принцип гласит: в гравитационном поле ускорение свободного падения тела не зависит от его массы, плотности или внутреннего состава. Гравитация — это свойство пространства-времени, и она действует одинаково на любую форму энергии и материи.

Долгое время физики считали этот принцип абсолютным. Однако в уравнении оставалась одна неизвестная переменная, способная поставить под сомнение незыблемость теории Эйнштейна: антиматерия. Вплоть до недавнего времени у науки не было экспериментальных данных о том, как гравитация взаимодействует с антивеществом. Существовала ненулевая вероятность того, что античастицы могут не притягиваться к Земле, а отталкиваться от нее.

Фундаментальный конфликт физики

Вопрос «куда падает антиматерия» возник не из праздного любопытства, а из-за глубокого концептуального разрыва в современной науке. Наше понимание Вселенной базируется на двух столпах, которые математически плохо совместимы друг с другом.

Первый — Общая теория относительности (ОТО), которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени массивными объектами. Второй — Стандартная модель физики элементарных частиц, которая описывает электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия на основе квантовой механики.

Антиматерия — это объект, предсказанный и описанный именно квантовой теорией. В 1928 году британский физик Поль Дирак вывел уравнение, описывающее поведение электрона, которое имело два решения: одно соответствовало частице с отрицательным зарядом (электрон), а второе — частице с такой же массой, но положительным зарядом. Позже эта частица была обнаружена и названа позитроном. Так было доказано существование антиматерии.

Поскольку ОТО и квантовая механика описывают реальность на разных языках, физики допускали, что гравитационное взаимодействие для «квантового двойника» материи может работать иначе. Если бы эксперимент показал, что антиматерия падает вверх (проявляет свойства антигравитации) или падает с другим ускорением, это означало бы крах существующей космологической модели и необходимость пересмотра всей физики.

Инженерные препятствия

Проверка гравитационных свойств антиматерии оставалась невозможной на протяжении десятилетий из-за чрезвычайной сложности работы с антивеществом. Перед инженерами и физиками стояли три критические проблемы.

Во-первых, проблема существования. Антиматерия не встречается в природе в свободном виде. Ее необходимо синтезировать искусственно в ускорителях частиц, причем этот процесс требует колоссальных затрат энергии, а выход продукта исчисляется единицами атомов.

Во-вторых, проблема аннигиляции. При любом контакте антиматерии с обычной материей (стенками контейнера или даже молекулами воздуха) происходит мгновенное взаимоуничтожение с выделением энергии. Следовательно, эксперимент должен проходить в глубоком вакууме, а удерживать вещество необходимо бесконтактным способом.

В-третьих, и это самое важное — проблема соотношения сил. Гравитация является самой слабой из четырех фундаментальных сил. Она на много порядков слабее электромагнетизма. Если использовать для эксперимента заряженные частицы (антипротоны или позитроны), любые, даже ничтожные случайные электрические поля в лаборатории окажут на них воздействие, в миллионы раз превышающее силу тяжести Земли. Измерить гравитацию на фоне электрического шума невозможно.

Эксперимент ALPHA-g: методология

Для решения этих проблем в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) была создана коллаборация ALPHA-g. Ученые разработали сложную многоступенчатую методику.

Чтобы исключить влияние электромагнитных полей, исследователи решили работать не с отдельными частицами, а с нейтральными атомами. Они соединили отрицательно заряженные антипротоны с положительно заряженными позитронами, получив атомы антиводорода. Такой атом электрически нейтрален, а значит, внешние электрические поля не могут заставить его двигаться.

Однако нейтральный антиводород все еще обладает слабым магнитным моментом (спином). Это позволило ученым создать специальную вертикальную ловушку. С помощью системы сверхпроводящих магнитов они сформировали «магнитный колодец», который удерживал облако антиатомов в подвешенном состоянии, не давая им коснуться стенок камеры.

Следующим этапом стало охлаждение. Даже при комнатной температуре тепловое движение атомов слишком хаотично и быстро, чтобы заметить влияние слабой гравитации. С помощью лазерного охлаждения температуру антиводорода понизили практически до абсолютного нуля (доли градуса выше -273,15 °C), максимально замедлив атомы.

Суть эксперимента заключалась в следующем: физики медленно снижали напряженность магнитного поля, удерживающего атомы сверху и снизу. В определенный момент сила магнитной поддержки становилась слабее силы тяжести.

Если бы антиматерия обладала свойством отталкивания, атомы устремились бы в верхнюю часть установки. Если гравитация действует стандартно — они должны были упасть вниз. Детекторы космических лучей, окружающие камеру, фиксировали вспышки аннигиляции в моменты, когда антиатомы ударялись о корпус ловушки.

Результаты и их значение

После исключения статистических погрешностей выяснилось, что около 80% атомов антиводорода покинули ловушку через нижнюю часть. Оставшиеся 20% распределились иначе из-за остаточных магнитных возмущений и теплового шума, что укладывалось в расчетные модели.

Главный вывод: антиматерия падает вниз.

Эксперимент доказал, что Земля притягивает антиводород, а не отталкивает его. Слабый принцип эквивалентности прошел проверку: гравитация не делает различий между материей и антиматерией. Это подтверждает правильность Общей теории относительности Эйнштейна и закрывает ряд экзотических теорий, предполагавших существование антигравитации.

Однако на этом исследования не заканчиваются. Текущий эксперимент дал качественный ответ (направление движения), но физикам необходим точный количественный ответ (значение ускорения).

Следующая задача ЦЕРН — измерить ускорение свободного падения для антиводорода с высокой точностью. Если выяснится, что антиматерия падает, например, на 1% медленнее или быстрее обычного вещества, это станет сенсацией, указывающей на существование «пятой силы» или неизвестных свойств пространства. Но на данный момент физическая картина мира остается стабильной: гравитация универсальна.

Источник:Nature