Interacțiunea gravitațională a antimateriei

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Interacțiunea gravitațională a antimateriei este un subiect al fizicii speculative, care nu a fost încă verificată definitiv în mod experimental.

Marea majoritate a fizicienilor sunt de acord că antimateria ar trebui să interacționeze gravitațional atractiv față de sine și materie cu aceeași intensitate și există o puternică atenție a cărturarilor pentru observații care confirmă această credință.

Raritatea antimateriei și tendința de a anihila atunci când intră în contact cu materia fac din studiul său o sarcină tehnic solicitantă. Majoritatea metodelor de creare a antimateriei (în mod specific anti-hidrogen ) provin din atomi cu energie ridicată care sunt inutilizabili pentru studiul gravitației . Consorțiile ATHENA și ATRAP au creat cu succes anti-hidrogenul cu energie scăzută, dar observațiile au fost până acum limitate metodic la evenimente de anihilare, care furnizează foarte puține date gravitaționale.

Trei teorii

Teorema CPT afirmă că între particulele de antimaterie ar trebui să existe aceeași atracție gravitațională care există între cele ale materiei. În schimb, există mai multe teorii despre modul în care antimateria interacționează gravitațional cu materia:

  • Gravitația normală : teoria standard afirmă că antimateria și materia ar trebui să interacționeze conform legilor normale ale gravitației.
  • Antigravitație : afirmă că antimateria poate fi în schimb respingătoare față de materie cu același ordin de mărime ca și gravitația atractivă. [1]
  • Gravivector și graviscalar : Dificultățile în crearea teoriilor gravitației cuantice au condus la ideea că antimateria poate interacționa cu materia într-o ordine de mărime ușor diferită. [2]

Experimente

Supernova 1987A

Mulți oameni de știință consideră că sunt cele mai bune dovezi experimentale în favoarea gravitației normale pe cele provenite din observațiile făcute pe neutrini provenind din Supernova 1987A . În acest experiment de bază, trei detectoare de neutrini din întreaga lume au observat simultan o cascadă de neutrini de la o supernovă din Marele Nor Magellanic . Deși supernova a avut loc la aproximativ 164.000 de ani lumină distanță, atât neutrinii cât și antineutrinii au putut fi detectați aproape simultan. Dacă ambele ar fi fost observate, atunci orice diferență în interacțiunea gravitațională ar fi fost foarte mică. Cu toate acestea, detectoarele de neutrini nu au reușit să distingă perfect între neutrini și antineutrini. Unii fizicieni estimează în mod conservator că există mai puțin de 10% șanse ca neutrini neobișnuiți să fi fost deloc observați. Alții evaluează cotele chiar mai mici, unele scăzând cu 1%. [3] Din păcate, este puțin probabil ca această precizie să fie îmbunătățită prin duplicarea experimentului suficient de curând. Ultima supernovă cunoscută care a apărut la o distanță atât de mică a fost în jurul anului 1867. [4]

Experimente Fairbank

Fizicianul William Fairbank a încercat un experiment de laborator pentru a măsura direct accelerația gravitațională atât a electronilor, cât și a pozitronilor . Cu toate acestea, raportul lor încărcare-masă este atât de mare, încât efectele electromagnetice întorc experimentul cu susul în jos.

Este dificil să observați direct forțele gravitaționale la nivelul particulelor. La aceste distanțe mici, forțele electrice tind să copleșească interacțiunea gravitațională mult mai slabă. Mai mult, antiparticulele trebuie păstrate separate de echivalentele lor normale, altfel ar anihila rapid. Mai rău, metodele de producție a antimateriei dau de obicei rezultate foarte energice nepotrivite pentru observare. Înțeles, acest lucru a făcut dificilă măsurarea directă a reacției gravitaționale a antimateriei.

Experimente cu hidrogen neutru la rece

În ultimii ani, producția de anti-hidrogen rece a devenit posibilă datorită experimentelor ATHENA și ATRAP de la CERN . Anti-hidrogenul, care este neutru din punct de vedere electric, ar trebui să permită măsurarea directă a atracției gravitaționale a particulelor de antimaterie de către materia terestră.

Dezbatere asupra gravității antimateriei

Când a fost descoperită antimateria în 1932, fizicienii s-au întrebat cum va reacționa la gravitație. O primă analiză s-a concentrat pe întrebarea dacă antimateria a reacționat în același mod ca materia sau în direcția opusă. Diferitele probleme teoretice care au apărut i-au convins pe fizicieni că antimateria va reacționa exact ca materia obișnuită, deducând astfel că o repulsie gravitațională între materie și antimaterie nu ar fi plauzibilă, deoarece ar încălca invarianța CPT , conservarea energiei , provocând instabilitate în vid și Încălcarea CP . De asemenea, s-a teoretizat că ar fi incompatibil cu rezultatele testului Eötvös cu privire la principiul echivalenței slabe . Multe dintre aceste obiecții teoretice timpurii au fost ulterior inversate. [5]

Ipoteza lui Morrison

În 1958, Philip Morrison a susținut că antigravitația ar încălca legea conservării energiei . Dacă materia și antimateria ar răspunde opus unui câmp gravitațional, atunci nu ar fi nevoie de energie pentru a schimba înălțimea unei perechi particule-antiparticule. Cu toate acestea, atunci când se deplasează printr-un potențial gravitațional, frecvența și energia luminii sunt schimbate. Morrison a susținut că energia va fi creată producând materie și antimaterie la o înălțime și anihilând-o mai sus, deoarece fotonii utilizați pentru producție ar avea mai puțină energie decât fotonii produși prin anihilare. [6] Cu toate acestea, s-a constatat mai târziu că antigravitația nu a încălcat prima lege a termodinamicii . [7]

Principiul echivalenței

Dacă se poate inventa o teorie în care materia și antimateria se resping reciproc, la ce se așteaptă lucrurile care nu sunt nici materie, nici antimaterie? Fotonii sunt propriile lor antiparticule și, în toate privințele, se comportă exact simetric în ceea ce privește materia și particulele de antimaterie. Într-un număr mare de teste de laborator și astronomice (cum ar fi schimbarea gravitațională la roșu și lentilele gravitaționale ) se observă fotonii atrași de materie, exact în conformitate cu teoria generală a relativității . Este posibil să se găsească atomi și nuclei al căror conținut de particule elementare este același, dar ale căror mase sunt diferite. De exemplu, un atom de heliu cântărește mai puțin de 2 atomi de deuteriu datorită energiei diferite care îi leagă. Se observă că constanta forței gravitaționale este aceeași, până la limitele preciziei experimentale, pentru toate aceste materiale diferite, sugerând că „energia de legare” - care, ca și pentru foton, nu face distincție între materie și antimaterie - experimentează aceeași forță gravitațională ca și materia. Acest lucru este de acord cu teoria relativității generale și nu se împacă cu nici o teorie care prezice că materia și antimateria se resping reciproc.

Ipoteza lui Schiff

Mai târziu, în 1958, L. Schiff a exploatat teoria cuantică a câmpului pentru a argumenta că antigravitația ar fi incompatibilă cu rezultatele experimentului Eötvös. [8] Cu toate acestea, tehnica de renormalizare utilizată pentru analiza lui Schiff a fost puternic criticată și munca sa este văzută ca neconcludentă. [5]

Ipoteza lui Good

În 1961, Myron Good a susținut că antigravitația ar duce la observarea unei cantități inacceptabile de încălcare a CP în regenerarea anormală a kaonului . [9] În prezent, încălcarea CP nu a fost încă observată. Cu toate acestea, ipoteza lui Good este criticată pentru că este exprimată în termeni de potențiale absolute. Reformulând argumentul în termeni de potențiale relative, Gabriel Chardin a constatat că a dus la o cantitate de regenerare Kaoni în concordanță cu observația. [10] Good susține că antigravitația este de fapt o explicație potențială pentru încălcarea CP.

Disputa privind E = mc²

În anumite privințe, acesta este cel mai simplu și mai puternic argument. Fizicienii observă în mod obișnuit că energia obișnuită, cum ar fi un foton gamma adecvat, poate fi convertită într-un electron și un anti-electron, conform celebrei ecuații a lui Einstein („ producția de cuplu ”). De asemenea, au observat că exact jumătate din energia obișnuită a fotonului apare ca electron și, datorită legii conservării energiei , cealaltă jumătate din energia obișnuită a fotonului trebuie să devină cea a anti-electronului. Observații similare se aplică tuturor celorlalte particule de antimaterie. Aceasta înseamnă că toate particulele anti-materie trebuie să fie alcătuite din energie obișnuită, ceea ce înseamnă puternic că interacțiunea lor gravitațională trebuie să fie la fel ca cea a particulelor de materie obișnuite. Este de la distanță posibil ca un alt aspect al anti-particulelor, pe lângă faptul că este alcătuit din energie obișnuită, să le poată comporta diferit într-un câmp gravitațional obișnuit, dar există foarte puțini candidați pentru ceea ce ar putea fi acest alt aspect al anti-particulelor . -particule.

Motive pentru antigravitație

Susținătorii antigravitației antimateriei susțin că aceasta, pe lângă încălcarea CP, ar putea explica câteva probleme importante ale fizicii, în special două paradoxuri cosmologice.

Primul este lipsa aparentă a antimateriei locale: în teorie, antimateria și materia s-ar respinge gravitațional, formând galaxii separate și evitând astfel orice contact și anihilare consecventă.

Aceeași repulsie galactică este susținută și ca o explicație potențială pentru un univers accelerat . [11] [12] Dacă gravitația este întotdeauna atractivă, s-ar putea aștepta ca expansiunea universului să încetinească și, în cele din urmă, să se contracte într-o mare criză . Folosind observații de redshift , astronomii și fizicienii estimează în schimb că universul are o rată accelerată de expansiune la o rată aproximativ constantă. Au fost propuse mai multe teorii pentru a explica această observație în contextul unei gravitații mereu atractive. Susținătorii antigravitației susțin că, dacă se resping reciproc, cantități egale de materie și antimaterie ar putea explica fenomenul. [13] [14]

Notă

  1. ^ M. Villata, simetria CPT și gravitația antimateriei în relativitatea generală , 2011, EPL (Europhysics Letters) 94, 2011
  2. ^(EN) Goldman, Hughes și Nieto, "Gravity and antimatter", Scientific American, volumul 258, martie 1988, paginile 48-56.
  3. ^(EN) S. Pakvasa, WA Simmons și TJ Weiler, Testul principiului echivalenței pentru neutrini și antineutrini , D Physical Review Letters 39, (1989) paginile 1761-1763.
  4. ^(EN) The Youngest Supernova Galactic Remnant Accesat la 24 februarie 2009
  5. ^ a b Michael Martin Nieto și T. Goldman, Argumentele împotriva „antigravitației” și accelerației gravitaționale a antimateriei , în Physics Reports , vol. 205, nr. 5, -, pp. 221-281, DOI : 10.1016 / 0370-1573 (91) 90138-C .
  6. ^(EN) P. Morrison, Nature Approximate of Physical Symmetries American Journal of Physics 26 (1958) 358-368.
  7. ^(EN) G. Chardin, încălcarea CP și antigravitația (revizuit) , Nuclear Physics A 558 (1993) 477C.
  8. ^(EN) LI Schiff, Proceedings of the National Academy of Sciences 45 (1959) 69; Semnul masei gravitaționale a unui pozitron , Physical Review Letters 1 (1958) 254-255.
  9. ^(EN) Myron L. Good, K20 and the Equivalence Principle , Physical Review 121 (1961) 311-313.
  10. ^(EN) G. Chardin și J.-M. Rax, încălcarea CP. O chestiune de (anti) gravitație? , Physics Letters B 282 (1992) 256-262. De asemenea, disponibil aici Arhivat la 10 decembrie 2006 la Internet Archive ..
  11. ^ M. Villata, Despre natura energiei întunecate: Universul zăbrele , 2013, Astrofizică și știința spațiului 345, 1. De asemenea, disponibil aici
  12. ^ M. Villata, Interpretarea materie-antimaterie a spațiului-timp Kerr , 2015, Annalen der Physik 527, 507. De asemenea, disponibil aici
  13. ^(EN) G. Chardin, Gravitation, C, P and T symmetries and the Second Law Filed 14 octombrie 2005 în Internet Archive ., DSM / DAPNIA / SPP, 2002.
  14. ^(EN) JM Ripalda, Expansiunea accelerată și simetria inversării timpului în relativitatea generală , ArXiv.org gr-qc / 9906012.

Surse

Elemente conexe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Interazione_gravitazionale_dell%27antimateria&oldid=117570073 ”