Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Гравитационное взаимодействие антивещества с материи или антиматерии не было убедительно наблюдается физиками. Хотя физики сходятся во мнении, что гравитация притягивает и материю, и антивещество с той же скоростью, что и материя, существует сильное желание подтвердить это экспериментально, хотя простая алгебра показывает, что присутствие двух фотонов с положительной энергией, следующих за электроном / позитроном Аннигиляции, часто наблюдаемые в природе, являются чрезвычайно убедительным доказательством того, что антивещество имеет положительную массу и, следовательно, будет действовать как обычная материя под действием силы тяжести.

Редкость антивещества и его склонность к аннигилированию при контакте с материей делают его изучение технически сложной задачей. Кроме того, гравитация намного слабее, чем другие фундаментальные силы , по причинам, все еще интересующим физиков, что затрудняет изучение гравитации в системах, достаточно малых, чтобы их можно было создать в лаборатории, включая системы антивещества.

Большинство методов создания антивещества (в частности, антиводорода ) приводят к частицам высокой энергии и атомам с высокой кинетической энергией, которые не подходят для исследований, связанных с гравитацией . В последние годы сначала ALPHA [1] [2], а затем ATRAP [3] захватили атомы антиводорода в ЦЕРН ; в 2012 году ALPHA использовала такие атомы, чтобы установить первые свободные границы свободного падения для гравитационного взаимодействия антивещества с веществом, измеряемого с точностью до ± 7500% от обычной гравитации, [4] [ необходима цитата ]недостаточно для четкого научного утверждения о знаке силы тяжести, действующей на антивещество. Будущие эксперименты необходимо проводить с более высокой точностью, либо с пучками антиводорода (AEGIS), либо с захваченным антиводородом (ALPHA или GBAR).

В дополнение к неопределенности относительно того, притягивается ли антивещество гравитационным путем или отталкивается от другого вещества, также неизвестно, является ли величина гравитационной силы такой же. Трудности создания моделей квантовой гравитации привели к мысли, что антивещество может реагировать с немного другой величиной. [5]

Теории гравитационного притяжения [ править ]

Когда в 1932 году антивещество было впервые обнаружено, физики задавались вопросом, как оно отреагирует на гравитацию. Первоначальный анализ сосредоточился на том, должно ли антивещество реагировать так же, как материя, или реагировать противоположно. Возникло несколько теоретических аргументов, которые убедили физиков в том, что антивещество будет реагировать точно так же, как обычное вещество. Они пришли к выводу, что гравитационное отталкивание между материей и антивеществом было невероятным, поскольку оно нарушило бы CPT-инвариантность , сохранение энергии , привело бы к нестабильности вакуума и привело бы к CP-нарушению . Также предполагалось, что это будет несовместимо с результатами теста Этвёша слабого принципа эквивалентности.. Многие из этих ранних теоретических возражений были позже опровергнуты. [6]

Принцип эквивалентности [ править ]

Принцип эквивалентности предсказывает, что гравитационное ускорение антивещества такое же, как и у обычного вещества. Таким образом, гравитационное отталкивание материи и антивещества исключается с этой точки зрения. Более того, фотоны , которые являются собственными античастицами в рамках Стандартной модели, в большом количестве астрономических тестов (например, гравитационное красное смещение и гравитационное линзирование ) наблюдались как взаимодействующие с гравитационным полем обычной материи точно так, как предсказывает общая теория относительности . Это свойство должно быть объяснено любой теорией, предсказывающей отталкивание вещества и антивещества. Это тоже предсказание Жан-Пьера Пети.сделано в статье, опубликованной в 2018 году: «Кроме того, модель Януса предсказывает, что антивещество, которое будет создано в лаборатории в эксперименте Гбар [7], будет вести себя как обычная материя в гравитационном поле Земли». [8] Антигравитация, описанная в модели Януса, создается антивеществом «отрицательных» масс (антивещество, производимое в лабораториях или космическими лучами, имеет только положительные массы), и полностью соответствует общей теории относительности и ньютоновским приближениям.

Теорема CPT [ править ]

Теорема CPT подразумевает, что разница между свойствами частицы материи и свойств ее аналога из антивещества полностью описывается С-инверсией. Поскольку эта C-инверсия не влияет на гравитационную массу, теорема CPT предсказывает, что гравитационная масса антивещества такая же, как у обычного вещества. [9] Отталкивающая гравитация исключается, так как это будет означать различие в знаке между наблюдаемой гравитационной массой материи и антивещества.

Аргумент Моррисона [ править ]

В 1958 году Филип Моррисон утверждал, что антигравитация нарушит закон сохранения энергии . Если материя и антивещество противоположно отреагировали на гравитационное поле, то для изменения высоты пары частица-античастица не потребовалось бы энергии. Однако при движении сквозь гравитационный потенциал частота и энергия света смещаются. Моррисон утверждал, что энергия будет создаваться путем производства вещества и антивещества на одной высоте, а затем уничтожения ее на более высокой высоте, поскольку фотоны, используемые при производстве, будут иметь меньше энергии, чем фотоны, полученные в результате аннигиляции. [10] Однако позже было обнаружено, что антигравитация все же не нарушает второй закон термодинамики . [11]

Аргумент Шиффа [ править ]

Позже, в 1958 году, Л. Шифф использовал квантовую теорию поля, чтобы доказать, что антигравитация несовместима с результатами эксперимента Этвёша . [12] Однако техника перенормировки, использованная в анализе Шиффа, подвергается резкой критике, а его работа считается неубедительной. [6] В 2014 году аргумент был переделан Маркоеном Кабболетом , который, однако, пришел к выводу, что он просто демонстрирует несовместимость Стандартной модели и гравитационного отталкивания. [13]

Аргумент Гуда [ править ]

В 1961 году Майрон Л. Гуд утверждал, что антигравитация приведет к наблюдению неприемлемо высокого уровня нарушения CP при аномальной регенерации каонов . [14] На тот момент нарушения CP еще не наблюдалось. Однако аргумент Гуда критикуется за то, что он выражается в терминах абсолютных потенциалов. Перефразируя аргумент в терминах относительных потенциалов, Габриэль Шарден обнаружил, что это привело к некоторой регенерации каонов, которая согласуется с наблюдениями. [15]Он утверждает, что антигравитация на самом деле является потенциальным объяснением CP-нарушения, основанного на его моделях на K-мезонах. Его результаты датируются 1992 годом. Однако с тех пор исследования механизмов нарушения СР в системах B-мезонов в корне опровергли эти объяснения.

Аргумент Джерарда т Хофта [ править ]

По словам Джерарда т Хоофта , каждый физик сразу понимает, что не так с идеей гравитационного отталкивания: если мяч подброшен высоко в воздух, так что он падает назад, то его движение симметрично относительно обращения времени; и, следовательно, мяч также падает в противоположном направлении времени. [16] Так как частица материи в противоположном направлении времени является античастицей, это доказывает, согласно 'т Хоофту, что антивещество падает на Землю точно так же, как «нормальная» материя. Однако Кабболет ответил, что аргумент 'т Хоофта ложен и только доказывает, что анти-мяч падает на анти-землю, что не оспаривается. [17]

Теории гравитационного отталкивания [ править ]

Пока отталкивающая гравитация не была опровергнута экспериментально, можно рассуждать о физических принципах, которые могли бы вызвать такое отталкивание. К настоящему времени опубликованы три радикально разные теории.

Теория Ковитта [ править ]

Первой теорией отталкивающей гравитации была квантовая теория, опубликованная Марком Ковиттом . [18] В этой модифицированной теории Дирака Ковитт постулировал, что позитрон - это не дыра в море электронов с отрицательной энергией, как в обычной теории дыр Дирака , а дыра в море электронов с отрицательной энергией. -energy-and-positive-gravitational-mass: это дает модифицированную C-инверсию, согласно которой позитрон имеет положительную энергию, но отрицательную гравитационную массу. Отталкивающая сила тяжести затем описывается добавлением дополнительных терминов ( m g Φ g и m g A g) к волновому уравнению. Идея состоит в том, что волновая функция позитрона, движущегося в гравитационном поле материальной частицы, эволюционирует так, что со временем становится более вероятным найти позитрон подальше от материальной частицы.

Теория Сантилли и Виллата [ править ]

Классические теории отталкивающей гравитации были опубликованы Руджеро Сантилли и Массимо Виллата . [19] [20] [21] [22] Обе теории являются расширениями общей теории относительности и экспериментально неразличимы. Общая идея остается в том, что гравитация - это отклонение непрерывной траектории частицы из-за кривизны пространства-времени, но античастицы теперь «живут» в перевернутом пространстве-времени. Уравнение движения античастиц затем получается из уравнения движения обычных частиц с помощью C, P и T-операторов (Виллата) или с помощью изодуальных отображений(Сантилли), что равносильно тому же: уравнение движения античастиц предсказывает отталкивание материи и антивещества. Следует принять, что наблюдаемые траектории античастиц являются проекциями на наше пространство-время истинных траекторий в инвертированном пространстве-времени. Однако на методологических и онтологических основаниях утверждается, что область применения теории Виллата не может быть расширена за счет включения микрокосмоса. [23] Эти возражения были впоследствии отклонены Виллатой. [24]

Теория Кабболет [ править ]

Первые неклассические, неквантовые физические принципы, лежащие в основе гравитационного отталкивания материи и антивещества, были опубликованы Маркоеном Кабболетом. [9] [25]Он вводит теорию элементарных процессов, которая использует новый язык физики, то есть новый математический формализм и новые физические концепции, и которая несовместима ни с квантовой механикой, ни с общей теорией относительности. Основная идея состоит в том, что частицы с ненулевой массой покоя, такие как электроны, протоны, нейтроны и их аналоги из антивещества, демонстрируют ступенчатое движение, когда они чередуются между состоянием покоя, подобным частице, и состоянием движения, напоминающим волны. Тогда гравитация имеет место в волнообразном состоянии, и теория допускает, например, что волнообразные состояния протонов и антипротонов по-разному взаимодействуют с гравитационным полем Земли.

Анализ [ править ]

Другие авторы [26] [27] [28] использовали гравитационное отталкивание материи и антивещества для объяснения космологических наблюдений, но в этих публикациях не рассматриваются физические принципы гравитационного отталкивания.

Эксперименты [ править ]

Сверхновая 1987A [ править ]

Одним из источников экспериментальных доказательств в пользу нормальной гравитации было наблюдение нейтрино от сверхновой звезды 1987A . В 1987 году три нейтринных детектора по всему миру одновременно наблюдали каскад нейтрино, исходящий от сверхновой в Большом Магеллановом Облаке . Хотя сверхновая произошла на расстоянии около 164000 световых лет , нейтрино и антинейтрино, похоже, были обнаружены практически одновременно. [ требуется разъяснение ]Если бы оба действительно наблюдались, то любая разница в гравитационном взаимодействии была бы очень маленькой. Однако детекторы нейтрино не могут точно отличить нейтрино от антинейтрино. Некоторые физики консервативно считают, что вероятность того, что обычных нейтрино вообще не наблюдалось, составляет менее 10%. Другие оценивают даже более низкие вероятности, некоторые - всего 1%. [29] К сожалению, эту точность вряд ли можно улучшить путем дублирования эксперимента в ближайшее время. Последнее известное сверхновой происходит при таком близком расстоянии до Сверхновой 1987А было около 1867. [30]

Эксперименты Fairbank [ править ]

Физик Уильям Фэйрбэнк попытался провести лабораторный эксперимент по прямому измерению гравитационного ускорения электронов , надеясь применить тот же метод для позитронов. [31] Однако их отношение заряда к массе настолько велико, что электромагнитные эффекты подавили попытки измерить влияние гравитации на электроны. Фэрбанку так и не удалось провести эксперимент с позитронами. [6]

Непосредственно наблюдать гравитационные силы на уровне частиц сложно. Для заряженных частиц электромагнитная сила подавляет гораздо более слабое гравитационное взаимодействие. Даже античастицы в нейтральном антивеществе, такие как антиводород, должны храниться отдельно от их аналогов в веществе, составляющем экспериментальное оборудование, которое требует сильных электромагнитных полей. Эти поля, например, в форме атомных ловушек, воздействуют на эти античастицы силы, которые легко преодолевают гравитационную силу Земли и близлежащих пробных масс. Поскольку все методы производства античастиц приводят к образованию высокоэнергетических частиц антивещества, необходимое охлаждение для наблюдения гравитационных эффектов в лабораторных условиях требует очень сложных экспериментальных методов и очень тщательного контроля полей захвата.

Холодные эксперименты с нейтральным антиводородом [ править ]

С 2010 года производство холодного антиводорода стало возможным на антипротонном замедлителе в ЦЕРНе . Антиводород, который является электрически нейтральным, должен позволить напрямую измерить гравитационное притяжение частиц антивещества к материи Земли. В 2013 году эксперименты с атомами антиводорода, выпущенными из ловушки ALPHA, установили прямые, т.е. свободное падение, грубые ограничения на гравитацию антивещества. [4]Эти пределы были грубыми, с относительной точностью ± 100%, таким образом, далеко от четкого определения даже для знака гравитации, действующей на антивещество. Будущие эксперименты в ЦЕРНе с пучками антиводорода, такими как AEgIS, или с захваченным антиводородом, такими как ALPHA и GBAR, должны улучшить чувствительность, чтобы сделать четкое научное утверждение о гравитации на антивеществе. [32] Недавние эксперименты с позитронием в LHe [33]может быть первым шагом в этом направлении исследований, в этом случае возможность стабилизировать антивещество может в конечном итоге привести к способу изучения его свойств, в частности, его свойств в гравитационном поле. Было высказано предположение, что материал, способный удерживать пару протон / антипротон таким же образом, мог бы быть более полезным, поскольку протоны значительно массивнее электронов, и любые гравитационные эффекты будут увеличиваться на несколько порядков, вплоть до точки, в которой обнаружение становится невозможным. тривиально, используя охлаждаемый акселерометр или другой датчик квантового смещения. Также термоядерный реактор, катализируемый антивеществом, был бы значительно упрощен, если бы позитроний производился и хранился в отдельном месте, хотя это также могло бы вызвать проблемы с транспортировкой, поскольку позитроны обычно производятся «горячими» при высоких относительных скоростях, напримерстолкновением частиц с золотой фольгой. Указанный реактор на антивеществе мог бы быть вариантом фузора Фарнсворта-Хирша, в котором позитроний ускоряется в ядро ​​потенциальной ямой, а электрон отклоняется вдоль силовой линии магнитного поля.[34]

См. Также [ править ]

  • Пятая сила
  • Темная энергия
  • Темная материя

Ссылки [ править ]

  1. ^ Андресен, Великобритания; Ашкезари, доктор медицины; Baquero-Ruiz, M .; Bertsche, W .; Боу, Полицейский; и другие. (2010). «Захваченный антиводород». Природа . 468 (7324): 673–676. Bibcode : 2010Natur.468..673A . DOI : 10,1038 / природа09610 . PMID  21085118 . S2CID  2209534 .
  2. ^ Андресен, Великобритания; Ашкезари, доктор медицины; Baquero-Ruiz, M .; Bertsche, W .; Боу, Полицейский; и другие. (2011). «Удержание антиводорода на 1000 секунд». Физика природы . 7 (7): 558–564. arXiv : 1104.4982 . Bibcode : 2011NatPh ... 7..558A . DOI : 10.1038 / NPHYS2025 . S2CID 17151882 . 
  3. ^ Gabrielse, G .; Kalra, R .; Колтхаммер, WS; McConnell, R .; Richerme, P .; и другие. (2012). «Захваченный антиводород в его основном состоянии». Письма с физическим обзором . 108 (11): 113002. arXiv : 1201.2717 . Bibcode : 2012PhRvL.108k3002G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.108.113002 . PMID 22540471 . S2CID 1480649 .  
  4. ^ a b Amole, C .; Ашкезари, доктор медицины; Baquero-Ruiz, M .; Bertsche, W .; Батлер, Э .; и другие. (2013). «Описание и первое применение нового метода измерения гравитационной массы антиводорода» . Nature Communications . 4 : 1785. Bibcode : 2013NatCo ... 4.1785A . DOI : 10.1038 / ncomms2787 . PMC 3644108 . PMID 23653197 .  
  5. ^ Ньето, ММ; Hughes, RJ; Гольдман, Т. (март 1988 г.). «Гравитация и антивещество» . Scientific American . Проверено 21 декабря 2016 года .
  6. ^ а б в Ньето, ММ; Гольдман, Т. (1991). «Аргументы против« антигравитации »и гравитационного ускорения антивещества» . Отчеты по физике . 205 (5): 221–281. Bibcode : 1991PhR ... 205..221N . DOI : 10.1016 / 0370-1573 (91) 90138-C . Примечание: исправление опубликовано в 1992 году в томе 216.
  7. ^ https://home.cern/fr/news/news/experiments/new-antimatter-gravity-experiments-begin-cern
  8. ^ D'Agostini, G .; Пети, Ж.-П. (Июнь 2018). «Ограничения на космологическую модель Януса из недавних наблюдений сверхновых типа Ia» (PDF) . Астрофизика и космическая наука . 363 (7): 139. Bibcode : 2018Ap & SS.363..139D . DOI : 10.1007 / s10509-018-3365-3 . S2CID 125167116 .  
  9. ^ а б Cabbolet, MJTF (2010). «Теория элементарного процесса: формальная аксиоматическая система с потенциальным применением в качестве фундаментальной основы для физики, поддерживающей гравитационное отталкивание материи и антивещества». Annalen der Physik . 522 (10): 699–738. Bibcode : 2010AnP ... 522..699C . DOI : 10.1002 / andp.201000063 .
  10. ^ Моррисон, П. (1958). «Примерная природа физических симметрий». Американский журнал физики . 26 (6): 358–368. Bibcode : 1958AmJPh..26..358M . DOI : 10.1119 / 1.1996159 .
  11. ^ Шарден, Г. (1993). «Нарушение CP и антигравитация (снова)». Ядерная физика . 558 : 477–495. Bibcode : 1993NuPhA.558..477C . DOI : 10.1016 / 0375-9474 (93) 90415-Т .
  12. ^ Шифф, LI (1958). «Знак гравитационной массы позитрона». Письма с физическим обзором . 1 (7): 254–255. Полномочный код : 1958PhRvL ... 1..254S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.1.254 .
  13. ^ Cabbolet, MJTF (2014). «Несовместимость КЭД / КХД и отталкивающей гравитации, и последствия для некоторых недавних подходов к темной энергии». Астрофизика и космическая наука . 350 (2): 777–780. Bibcode : 2014Ap и SS.350..777C . DOI : 10.1007 / s10509-014-1791-4 . S2CID 120917960 . 
  14. ^ Хорошо, ML (1961). « K 2 0 и принцип эквивалентности». Физический обзор . 121 (1): 311–313. Bibcode : 1961PhRv..121..311G . DOI : 10.1103 / PhysRev.121.311 .
  15. ^ Шарден, G .; Ракс, Ж.-М. (1992). « Нарушение CP . Дело в (анти) гравитации?». Физика Письма Б . 282 (1–2): 256–262. Bibcode : 1992PhLB..282..256C . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (92) 90510-B .
  16. ^ Г. «т'Хоофт, Spookrijders в де wetenschap (на голландском) , DUB (2014)
  17. ^ MJTF Cabbolet, 't Hooft slaat plank mis over spookrijders (на голландском языке) , Дубай (2014)
  18. ^ Kowitt, М. (1996). «Гравитационное отталкивание и антивещество Дирака». Международный журнал теоретической физики . 35 (3): 605–631. Bibcode : 1996IJTP ... 35..605K . DOI : 10.1007 / BF02082828 . S2CID 120473463 . 
  19. ^ Сантилли, RM (1999). «Классическая изодуальная теория антивещества и ее предсказание антигравитации». Международный журнал современной физики А . 14 (14): 2205–2238. Bibcode : 1999IJMPA..14.2205S . DOI : 10.1142 / S0217751X99001111 .
  20. ^ Villata, М. (2011). «CPT-симметрия и гравитация антивещества в общей теории относительности». EPL . 94 (2): 20001. arXiv : 1103.4937 . Bibcode : 2011EL ..... 9420001V . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 94/20001 . S2CID 36677097 . 
  21. ^ Villata, M. (2013). «О природе темной энергии: решетчатая Вселенная». Астрофизика и космическая наука . 345 (1): 1–9. arXiv : 1302.3515 . Bibcode : 2013Ap & SS.345 .... 1V . DOI : 10.1007 / s10509-013-1388-3 . S2CID 119288465 . 
  22. ^ Villata, М. (2015). «Интерпретация материи-антивещества керровского пространства-времени». Annalen der Physik . 527 (7–8): 507–512. arXiv : 1403,4820 . Bibcode : 2015AnP ... 527..507V . DOI : 10.1002 / andp.201500154 . S2CID 118457890 . 
  23. ^ Cabbolet, MJTF (2011). «Комментарий к статье М. Виллата об антигравитации». Астрофизика и космическая наука . 337 (1): 5–7. arXiv : 1108,4543 . Bibcode : 2012Ap & SS.337 .... 5C . DOI : 10.1007 / s10509-011-0939-8 . S2CID 119181081 . 
  24. ^ Villata, М. (2011). «Ответ на« Комментарий к статье М. Виллата об антигравитации » ». Астрофизика и космическая наука . 337 (1): 15–17. arXiv : 1109.1201 . Bibcode : 2012Ap & SS.337 ... 15V . DOI : 10.1007 / s10509-011-0940-2 . S2CID 118540070 . 
  25. ^ Cabbolet, MJTF (2011). «Дополнение к теории элементарного процесса». Annalen der Physik . 523 (12): 990–994. Bibcode : 2011AnP ... 523..990C . DOI : 10.1002 / andp.201100194 .
  26. ^ Blanchet, L .; Ле Тик, А. (2008). «Модель темной материи и темной энергии на основе гравитационной поляризации». Physical Review D . 78 (2): 024031. arXiv : 0804.3518 . Bibcode : 2008PhRvD..78b4031B . DOI : 10.1103 / PhysRevD.78.024031 . S2CID 118336207 . 
  27. ^ Hajdukovic, DS (2011). «Является ли темная материя иллюзией, созданной гравитационной поляризацией квантового вакуума?». Астрофизика и космическая наука . 334 (2): 215–218. arXiv : 1106.0847 . Bibcode : 2011Ap & SS.334..215H . DOI : 10.1007 / s10509-011-0744-4 . S2CID 12157851 . 
  28. ^ Бенуа-Леви, А .; Шарден, Г. (2012). «Представляем вселенную Дирака-Милна». Астрономия и астрофизика . 537 : A78. arXiv : 1110.3054 . Bibcode : 2012A & A ... 537A..78B . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201016103 . S2CID 119232871 . 
  29. ^ Pakvasa, S .; Симмонс, Вашингтон; Вейлер, Т.Дж. (1989). «Проверка принципа эквивалентности нейтрино и антинейтрино». Physical Review D . 39 (6): 1761–1763. Bibcode : 1989PhRvD..39.1761P . DOI : 10.1103 / PhysRevD.39.1761 . PMID 9959839 . 
  30. ^ Рейнольдс, SP; Борковски, KJ; Грин, DA; Hwang, U .; Harrus, I .; Петре, Р. (2008). «Самый молодой остаток галактической сверхновой: G1.9 + 0.3». Астрофизический журнал . 680 (1): L41 – L44. arXiv : 0803.1487 . Bibcode : 2008ApJ ... 680L..41R . DOI : 10.1086 / 589570 . S2CID 67766657 . 
  31. ^ Fairbank, Уильям М. «Эксперименты по измерению силы тяжести на позитронах» (PDF) .
  32. ^ Амос, Дж. (06.06.2011). «Атомы антивещества загнаны в загон еще дольше» . BBC News Online . Проверено 3 сентября 2013 .
  33. ^ https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/14073257/bubbles-of-positronium-in-liquid-helium-could-make-a-gammaray-laser-possible
  34. ^ https://www.nextbigfuture.com/2018/09/positron-catalyzed-fusion-propulsion.html