Століттями вчені знали, що сила тяжіння однаково впливає на всі об’єкти, незалежно від їх маси чи складу. Цей принцип, відомий як принцип слабкої еквівалентності, є наріжним каменем загальної теорії відносності Ейнштейна. Тепер знаковий експеримент підтверджує, що навіть антиматерія — одна з найбільш екзотичних речовин у Всесвіті — поводиться згідно з цим правилом, падаючи, як звичайна матерія.
Історичний контекст: від Галілея до Ейнштейна
Концепція всесвітнього прискорення гравітації бере початок з експериментів Галілея, де він продемонстрував, що об’єкти різної ваги падають у вакуумі з однаковою швидкістю. Ейнштейн не намагався пояснити, чому гравітація впливає на все однаково; він просто прийняв це як фундаментальний закон, коли формулював свою загальну теорію відносності. Це припущення залишалося вірним для всієї спостережуваної матерії донедавна.
Головоломка антиматерії
Антиматерія, передбачена фізиком Полом Діраком у 1920-х роках як наслідок узгодження квантової механіки зі спеціальною теорією відносності, ставить унікальний виклик цьому розумінню. Рівняння Дірака передбачали, що для кожної частинки існує аналог з протилежним зарядом, але однаковою масою. Коли матерія й антиматерія зустрічаються, вони анігілюють одна одну, вивільняючи енергію. Це робить вивчення гравітаційної поведінки антиматерії неймовірно складним.
Експеримент ALPHA-g в CERN
Вчені з CERN в експерименті ALPHA-g подолали ці перешкоди, створивши нейтральні атоми антиводню – об’єднавши антипротони з позитронами (антиелектронами). Ці нейтральні атоми, на відміну від зарядженої антиматерії, не піддаються впливу електромагнітних сил. Щоб ізолювати антиматерію, дослідники використали «пастку Пеннінга» — магнітну пляшку, щоб утримувати їх на місці — та охолодили антиатоми майже до абсолютного нуля, щоб мінімізувати рух.
Результати: антиматерія падає
Поступово послаблюючи магнітне поле, команда спостерігала за поведінкою захоплених атомів антиводню. Якби антиматерія суперечила принципу слабкої еквівалентності, вона могла б дрейфувати вгору через невідоме відштовхування. Натомість приблизно 80% антиатомів провалилися через дно пастки, анігілюючи при контакті зі стінками контейнера. Це підтверджує, що антиматерія притягується вниз гравітацією, як і звичайна матерія.
Що це означає для фізики
Експеримент не доводить, що гравітація та квантова механіка згодні – вони все ще говорять різними мовами. Але це посилює теорію загальної відносності Ейнштейна, показуючи, що вона застосовна навіть до антиматерії. Однак справа не закрита повністю. Дослідники ще не визначили, чи падає антиматерія з точно такою ж швидкістю, як матерія. Невелика різниця, навіть 1%, вимагала б фундаментального перегляду гравітації.
Поки що Всесвіт залишається послідовним: молотки, пір’я та антиводень падають з однаковою швидкістю. Це не революція у фізиці, а обнадійливе підтвердження того, що Всесвіт поводиться так, як ми очікуємо.
