La deformazione dello spaziotempo, nel quadro relativistico generale, da parte delle masse gravitazionali è ciò che… causa la forza gravitazionale. Si presume, ma non verificato sperimentalmente, che le masse di antimateria si comporteranno allo stesso modo delle masse di materia in un campo gravitazionale.
LIGO/T. Pyle
Uno dei fatti più sorprendenti sulla scienza è quanto siano universalmente applicabili le leggi della natura., Ogni particella obbedisce alle stesse regole, sperimenta le stesse forze e vede le stesse costanti fondamentali, indipendentemente da dove o quando esistono. Gravitazionalmente, ogni singola entità nell’Universo sperimenta, a seconda di come la si guarda, la stessa accelerazione gravitazionale o la stessa curvatura dello spaziotempo, indipendentemente dalle proprietà che possiede.
Almeno, questo è come sono le cose in teoria. In pratica, alcune cose sono notoriamente difficili da misurare., I fotoni e le particelle normali e stabili cadono entrambi come previsto in un campo gravitazionale, con la Terra che causa l’accelerazione di qualsiasi particella massiccia verso il suo centro a 9,8 m/s2. Nonostante i nostri migliori sforzi, però, non abbiamo mai misurato l’accelerazione gravitazionale di antimateria. Dovrebbe accelerare esattamente allo stesso modo, ma finché non lo misuriamo, non possiamo saperlo. Un esperimento sta tentando di decidere la questione, una volta per tutte. A seconda di ciò che trova, potrebbe essere la chiave per una rivoluzione scientifica e tecnologica.,
Traiettorie di atomi di antiidrogeno dall’esperimento ALFA. Possiamo tenerli stabili fino a 20… minuti alla volta ora, e misurare come si comportano in un campo gravitazionale è il passo logico successivo.
Chukman So/University of California, Berkeley
Potresti non rendertene conto, ma ci sono due modi completamente diversi di pensare alla massa. Da un lato, c’è la massa che accelera quando si applica una forza ad essa: la m nella famosa equazione di Newton, F = ma., Questo è lo stesso di m in E = mc2 di Einstein, che ti dice quanta energia hai bisogno per creare una particella (o antiparticella) e quanta energia ottieni quando la annichilisci.
Ma c’è un’altra massa là fuori: massa gravitazionale. Questa è la massa, m, che appare nell’equazione per il peso sulla superficie terrestre (W = mg), o nella legge gravitazionale di Newton, F = GmM/r2., Per la materia normale, sappiamo che queste due masse-massa inerziale e massa gravitazionale-devono essere uguali a qualcosa come 1 parte su 100 miliardi, grazie ai vincoli sperimentali di un setup progettato oltre 100 anni fa da Loránd Eötvös.
La legge di gravitazione universale di Newton (L) e la legge di Coulomb per l’elettrostatica (R) hanno quasi… forme identiche. Se la ” m ” nella forza gravitazionale ottiene un segno negativo per l’antimateria, i prossimi esperimenti dovrebbero rivelarlo.
Dennis Nilsson / RJB1 / E., Siegel
Per antimateria, però, non siamo mai stati in grado di misurarlo affatto. Abbiamo applicato forze non gravitazionali all’antimateria e l’abbiamo vista accelerare, e abbiamo creato e annichilito anche l’antimateria; siamo certi di come si comporta la sua massa inerziale, ed è esattamente la stessa della massa inerziale della materia normale. Sia F = ma che E = mc2 funzionano allo stesso modo per l’antimateria come per la materia normale.
Ma se vogliamo sapere come si comporta l’antimateria gravitazionalmente, non possiamo semplicemente andare fuori di ciò che teoricamente ci aspettiamo; dobbiamo misurarlo., Fortunatamente, c’è un esperimento che è in esecuzione ora che è stato progettato per fare esattamente questo: l’esperimento ALPHA al CERN.
La collaborazione ALPHA è stata la più vicina di qualsiasi esperimento a misurare il comportamento del neutro… antimateria in un campo gravitazionale. Con il prossimo rivelatore ALPHA-g, potremmo finalmente conoscere la risposta.
Maximilien Brice/CERN
Uno dei grandi passi avanti che è stato fatto di recente è la creazione non solo di particelle di antimateria, ma di stati legati neutri e stabili di essa., Anti-protoni e positroni (anti-elettroni) possono essere creati, rallentati e costretti a interagire tra loro, dove formano anti-idrogeno neutro. Usando una combinazione di campi elettrici e magnetici, possiamo confinare questi anti-atomi e mantenerli stabili, lontano dalla materia che li farebbe annichilire.
Li abbiamo mantenuti stabili con successo per circa 20 minuti alla volta, superando di gran lunga i tempi di microsecondo che le particelle instabili e fondamentali sopravvivono. Li abbiamo colpiti con i fotoni, scoprendo che hanno gli stessi spettri di emissione e assorbimento degli atomi., In ogni modo importante, abbiamo determinato che le proprietà dell’antimateria sono esattamente come la fisica standard prevede che siano.
Il rivelatore ALPHA-g, costruito presso l’impianto canadese di acceleratori di particelle, TRIUMF, è il primo dei suoi… tipo progettato per misurare l’effetto della gravità sull’antimateria. Quando orientato verticalmente, dovrebbe essere in grado di misurare in quale direzione cade l’antimateria e in quale grandezza.
Stu Shepherd/TRIUMF
Tranne, ovviamente, gravitazionalmente., Il nuovo rivelatore ALPHA-g, costruito presso la struttura TRIUMF del Canada e spedito al CERN all’inizio di quest’anno, dovrebbe migliorare i limiti sull’accelerazione gravitazionale dell’antimateria fino alla soglia critica. L’antimateria accelera, in presenza del campo gravitazionale sulla superficie della Terra, a + 9,8 m / s2 (verso il basso), a -9,8 m / s2 (verso l’alto), a 0 m/s2 (nessuna accelerazione gravitazionale) o qualche altro valore?
Sia dal punto di vista teorico che applicativo, qualsiasi risultato diverso dal previsto +9.8 m/s2 sarebbe assolutamente rivoluzionario.,
Se ci fosse qualche tipo di materia che aveva carica gravitazionale negativa, sarebbe respinta da… la materia e l’energia di cui siamo consapevoli.,
Muu-karhu di Wikimedia Commons
L’antimateria controparte di ogni particella di materia dovrebbe avere:
- la stessa massa,
- la stessa accelerazione in un campo gravitazionale,
- la carica elettrica opposta,
- l’opposto di rotazione,
- la stessa proprietà magnetiche,
- dovrebbero legare insieme il modo stesso in atomi, molecole e strutture più grandi,
- e dovrebbe avere lo stesso spettro di positroni transizioni in diverse configurazioni.,
Alcuni di questi sono stati misurati per molto tempo: la massa inerziale dell’antimateria, la carica elettrica, lo spin e le proprietà magnetiche sono ben note. Le sue proprietà di legame e di transizione sono state misurate da altri rivelatori all’esperimento ALPHA e allineate con ciò che la fisica delle particelle prevede.
Ma se l’accelerazione gravitazionale ritorna negativa anziché positiva, capovolgerebbe letteralmente il mondo.
La possibilità di avere la gravità artificiale è allettante, ma si basa sull’esistenza…, di massa gravitazionale negativa. L’antimateria può essere quella massa, ma non lo sappiamo ancora, sperimentalmente.
Rolf Landua / CERN
Attualmente non esiste un conduttore gravitazionale. Su un conduttore elettrico, le cariche libere vivono sulla superficie e possono muoversi, ridistribuendosi in risposta a qualsiasi altra carica. Se si dispone di una carica elettrica al di fuori di un conduttore elettrico, l’interno del conduttore sarà schermato da quella fonte elettrica.
Ma non c’è modo di proteggersi dalla forza gravitazionale., Non c’è modo di impostare un campo gravitazionale uniforme in una regione dello spazio, come è possibile tra le piastre parallele di un condensatore elettrico. Il motivo? Perché a differenza della forza elettrica, che è generata da cariche positive e negative, c’è solo un tipo di “carica” gravitazionale, e questa è massa ed energia. La forza gravitazionale è sempre attraente, e semplicemente non c’è modo di aggirarlo.
Diagramma schematico di un condensatore, dove due piastre di conduzione parallele hanno uguale e opposto…, cariche, creando un campo elettrico uniforme tra di loro. Questa configurazione è impossibile per gravità, a meno che non ci sia una qualche forma di massa gravitazionale negativa.
Wikimedia Commons utente Papa Novembre
Ma se si dispone di massa gravitazionale negativa, tutto questo cambia. Se l’antimateria in realtà anti-gravita, cadendo verso l’alto anziché verso il basso, allora la gravità la vede come se fosse fatta di anti-massa o anti-energia. Secondo le leggi della fisica che attualmente comprendiamo, quantità come anti-massa o anti-energia non esistono., Possiamo immaginarli e parlare di come si comporterebbero, ma ci aspettiamo che l’antimateria abbia massa normale ed energia normale quando si tratta di gravità.
Se l’anti-massa esiste, però, allora una sfilza di grandi progressi tecnologici, immaginati da scrittori di fantascienza per generazioni, diventerebbe improvvisamente fisicamente possibile.
Lo strumento virtuale IronBird per la CAM (Centrifuge Accommodation Module) è un modo per creare… gravità artificiale, ma richiede molta energia e consente solo un tipo di forza molto specifico, che cerca il centro., La vera gravità artificiale richiederebbe qualcosa per comportarsi con massa negativa.
NASA Ames
Possiamo costruire un conduttore gravitazionale e proteggerci dalla forza gravitazionale.
Possiamo impostare un condensatore gravitazionale nello spazio, creando un campo di gravità artificiale uniforme.
Potremmo persino creare warp drive, dal momento che otterremmo la capacità di deformare lo spaziotempo esattamente come richiede una soluzione matematica alla Relatività Generale, scoperta da Miguel Alcubierre nel 1994.,
La soluzione Alcubierre alla Relatività Generale, consentendo un movimento simile al warp drive. Questa soluzione… richiede una massa gravitazionale negativa, che potrebbe essere esattamente ciò che l’antimateria potrebbe fornire.
Wikimedia Commons user AllenMcC
È una possibilità incredibile, considerata selvaggiamente improbabile da praticamente tutti i fisici teorici., Ma non importa quanto siano selvagge o addomesticate le tue teorie, devi assolutamente confrontarle con dati sperimentali; solo misurando l’Universo e mettendolo alla prova puoi mai determinare con precisione come funzionano le leggi della natura.
Finché non misuriamo l’accelerazione gravitazionale dell’antimateria con la precisione necessaria per determinare se cade verso l’alto o verso il basso, dobbiamo tenerci aperti alla possibilità che la natura non si comporti come ci aspettiamo. Il principio di equivalenza potrebbe non essere vero per l’antimateria; potrebbe, infatti, essere 100% anti-vero., Ma se questo è il caso, un intero nuovo mondo di possibilità sarà sbloccato. Potremmo cambiare i limiti attualmente noti di ciò che gli umani possono creare nell’Universo. E impareremo la risposta in pochi anni attraverso il più semplice di tutti gli esperimenti: mettere un anti-atomo in un campo gravitazionale, e guardare in che modo cade.
