В 1971 году астронавт Дэвид Скотт провел простой, но элегантный эксперимент на поверхности Луны. Он одновременно отпустил геологический молоток и перышко. Без сопротивления воздуха они упали на поверхность одновременно, наглядно продемонстрировав принцип, который веками до того доказал Галилео Галилей: в гравитационном поле все тела падают с одинаковым ускорением, независимо от массы. Это была иллюстрация слабого принципа эквивалентности — фундамента теории относительности Эйнштейна. Но работает ли он для самой загадочной субстанции во Вселенной — антиматерии?
Рождение антиматерии
Чтобы понять важность вопроса, стоит вспомнить, как появилась антиматерия. В 1920-х годах физик Поль Дирак объединил квантовую механику с теорией относительности. Его уравнение имело необычное свойство: оно предполагало существование «двойников» всех частиц, но с противоположным электрическим зарядом. Так из математики родилась идея антиматерии — первое предсказание такого рода в истории науки. Позже эксперименты подтвердили: античастицы действительно существуют.
Идеальный подопытный для гравитации
Почему антиматерия так интересна для изучения гравитации? Она является чистым продуктом квантовой механики, тогда как гравитация лучше всего описана теорией Эйнштейна. Эти две основополагающие теории современной физики пока не сочетаются. Изучая, как антиматерия реагирует на гравитацию, ученые надеются найти мост между ними.
Однако эксперименты с антиматерией — настоящее испытание: она ангилирует при контакте с обычной материей, поэтому ее невероятно сложно получить и еще сложнее удержать.
Решающий момент в лаборатории ALPHA-g
Наконец, ученые из коллаборации ALPHA-g в ЦЕРН нашли способ. Они создали нейтральные атомы антиводорода, соединив антипротоны и позитроны (антиелектроны), а затем охладили их лазерами почти до абсолютного нуля. Антиатомы удерживались в специальной магнитной ловушке. Ключевой этап наступил, когда силу магнитного поля начали медленно уменьшать.
Если бы антиматерия «падала вверх» или вела себя иначе, атомы вырвались бы сверху. Если же слабый принцип эквивалентности работает, они должны были упасть под действием гравитации Земли. Детекторы ждали вспышки аннигиляции при ударе о стенки контейнера. Результат был решающим: около 80% антиатомов высвободились именно внизу.
Открытые вопросы
Эксперимент подтвердил — антиматерия подчиняется гравитации так же, как и обычная материя. Молоток, перышко и атом антиводорода падают с одинаковым ускорением. Это триумф слабого принципа эквивалентности и теории Эйнштейна. Однако история на этом не заканчивается.
Физики теперь стремятся выяснить, точно ли такое же это ускорение. Даже крошечная разница в 1% между падением материи и антиматерии сдвинула бы основы физики и открыла новое понимание природы Вселенной. Пока же наш мир остается местом, где законы гравитации универсальны для всего — от молотка до антиатома.
Ранее мы рассказывали об очередной попытке решить загадку «всемирной асимметрии».
По материалам Space
