Od stuleci naukowcy wiedzą, że grawitacja działa jednakowo na wszystkie obiekty, niezależnie od ich masy czy składu. Zasada ta, znana jako zasada słabej równoważności, jest kamieniem węgielnym ogólnej teorii względności Einsteina. Teraz przełomowy eksperyment potwierdza, że nawet antymateria – jedna z najbardziej egzotycznych substancji we wszechświecie – zachowuje się zgodnie z tą zasadą, spadając tak samo jak zwykła materia.
Kontekst historyczny: od Galileusza do Einsteina
Koncepcja powszechnego przyspieszenia grawitacyjnego sięga eksperymentów Galileusza, gdzie wykazał, że obiekty o różnych masach spadają w próżni z tą samą prędkością. Einstein nie próbował wyjaśnić, dlaczego grawitacja wpływa na wszystko w ten sam sposób; po prostu przyjął je jako podstawowe prawo, formułując swoją ogólną teorię względności. Założenie to pozostawało prawdziwe aż do niedawna w odniesieniu do całej obserwowalnej materii.
Zagadka z antymaterią
Antymateria, przewidziana przez fizyka Paula Diraca w latach dwudziestych XX wieku w wyniku pogodzenia mechaniki kwantowej ze szczególną teorią względności, stanowi wyjątkowe wyzwanie dla tego zrozumienia. Równania Diraca zakładały, że dla każdej cząstki istnieje odpowiednik o przeciwnym ładunku, ale identycznej masie. Kiedy materia i antymateria spotykają się, unicestwiają się nawzajem, uwalniając energię. To sprawia, że badanie grawitacyjnego zachowania antymaterii jest niezwykle trudne.
Eksperyment ALPHA-g w CERN
Naukowcy z CERN w eksperymencie ALPHA-g pokonali te przeszkody, tworząc neutralne atomy antywodoru – łącząc antyprotony z pozytonami (antyelektronami). Na te neutralne atomy, w przeciwieństwie do naładowanej antymaterii, nie działają siły elektromagnetyczne. Aby wyizolować antymaterię, badacze wykorzystali „pułapkę Penninga” – butelkę magnetyczną utrzymującą antymaterię w miejscu – i ochłodzili antyatomy do temperatury bliskiej zera absolutnego, aby zminimalizować ruch.
Wyniki: antymateria spada
Stopniowo osłabiając pole magnetyczne, zespół zaobserwował zachowanie uwięzionych atomów antywodoru. Jeśli antymateria byłaby sprzeczna z zasadą słabej równoważności, mogłaby dryfować w górę z powodu nieznanego odpychania. Zamiast tego około 80% antyatomów spadło na dno pułapki, unicestwiając po zetknięciu ze ściankami pojemnika. To potwierdza, że antymateria jest ściągana przez grawitację, tak jak zwykła materia.
Co to oznacza dla fizyki
Eksperyment nie dowodzi, że grawitacja i mechanika kwantowa zgadzają się – nadal mówią różnymi językami. Wzmacnia jednak ogólną teorię względności Einsteina, pokazując, że ma ona zastosowanie nawet do antymaterii. Sprawa nie jest jednak całkowicie zamknięta. Naukowcy nie ustalili jeszcze, czy antymateria spada z dokładnie taką samą prędkością jak materia. Niewielka różnica, nawet 1%, wymagałaby fundamentalnego przemyślenia na nowo kwestii grawitacji.
Jak dotąd Wszechświat pozostaje spójny: młoty, pióra i antywodór spadają z tą samą prędkością. Nie jest to rewolucja w fizyce, ale zachęcające potwierdzenie, że Wszechświat zachowuje się tak, jak tego oczekujemy.
