L'un des faits les plus surprenants de la science est à quel point les lois de la nature sont universelles. Chaque particule obéit aux mêmes règles, subit les mêmes forces, existe dans les mêmes constantes fondamentales, peu importe où et quand elle se trouve. Du point de vue de la gravitation, chaque particule individuelle de l'Univers subit la même accélération gravitationnelle ou la même courbure de l'espace-temps, quelles que soient ses propriétés.
En tout cas, cela découle de la théorie. En pratique, certaines choses peuvent être très difficiles à mesurer. Les photons et les particules stables ordinaires tombent également, comme prévu, dans un champ gravitationnel, et la Terre force toute particule massive à accélérer vers son centre à une vitesse de 9,8 m / s2. Mais peu importe comment nous avons essayé, nous n'avons jamais été en mesure de mesurer l'accélération gravitationnelle de l'antimatière. Il devrait s'accélérer de la même manière, mais tant que nous ne l'avons pas mesuré, nous ne pouvons en être sûrs. L'une des expériences vise à trouver la réponse à cette question, une fois pour toutes. Selon ce qu'il trouve, nous pouvons être un pas de plus vers la révolution scientifique et technologique.
L'anti-gravité existe-t-il?
Vous ne le savez peut-être pas, mais il existe deux façons complètement différentes de représenter la masse. D'une part, il y a une masse qui accélère quand on lui applique une force: c'est m dans la célèbre équation de Newton, où F = ma. C'est la même chose avec l'équation d'Einstein E = mc2, à partir de laquelle vous pouvez calculer la quantité d'énergie dont vous avez besoin pour créer une particule (ou une antiparticule) et la quantité d'énergie que vous obtenez lorsqu'elle s'annihile.
Mais il y a une autre masse: gravitationnelle. C'est la masse, m, qui apparaît dans l'équation de poids à la surface de la Terre (W = mg) ou la loi gravitationnelle de Newton, F = GmM / r2. Dans le cas de la matière ordinaire, on sait que ces deux masses - masses inertielles et gravitationnelles - devraient être égales à la partie la plus proche sur 100 milliards, grâce à des contraintes expérimentales fixées il y a plus de 100 ans par Laurent Eotvos.
Mais dans le cas de l'antimatière, nous ne pourrions jamais mesurer tout cela. Nous avons appliqué des forces non gravitationnelles à l'antimatière et l'avons vu s'accélérer; nous avons créé et détruit l'antimatière; nous savons exactement comment se comporte sa masse inertielle - tout comme la masse inertielle de la matière ordinaire. F = ma et E = mc2 fonctionne dans le cas de l'antimatière de la même manière qu'avec la matière ordinaire.
Mais si nous voulons connaître le comportement gravitationnel de l'antimatière, nous ne pouvons pas simplement prendre la théorie comme base; nous devons le mesurer. Heureusement, une expérience est en cours pour découvrir exactement cela: l'expérience ALPHA au CERN.
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L'une des grandes avancées qui s'est produite récemment a été la création non seulement de particules d'antimatière, mais aussi d'états liés neutres et stables. Les antiprotons et les positrons (antiélectrons) peuvent être créés, ralentis et forcés à interagir les uns avec les autres pour former un antihydrogène neutre. En utilisant une combinaison de champs électriques et magnétiques, nous pouvons confiner ces antiatomes et les maintenir stables à l'écart de la matière, ce qui conduirait à l'annihilation en cas de collision.
Nous avons réussi à les maintenir stables pendant 20 minutes à la fois, bien au-delà des échelles de temps de la microseconde que subissent généralement les particules fondamentales instables. Nous leur avons tiré des photons et avons découvert qu'ils avaient les mêmes spectres d'émission et d'absorption que les atomes. Nous avons déterminé que les propriétés de l'antimatière sont les mêmes que celles prédites par la physique standard.
Sauf pour les gravitationnels, bien sûr. Le nouveau détecteur ALPHA-g, construit à l'usine canadienne TRIUMF et expédié au CERN plus tôt cette année, devrait améliorer les limites de l'accélération gravitationnelle de l'antimatière à un seuil critique. L'antimatière accélère-t-elle en présence d'un champ gravitationnel à la surface de la Terre à 9,8 m / s2 (vers le bas), -9,8 m / s2 (vers le haut), 0 m / s2 (en l'absence d'accélération gravitationnelle), ou à une autre valeur ?
D'un point de vue tant théorique que pratique, tout résultat autre que les +9,8 m / s2 attendus sera absolument révolutionnaire.
Un analogue d'antimatière pour chaque particule de matière devrait avoir:
- la même masse
- la même accélération dans un champ gravitationnel
- charge électrique opposée
- rotation opposée
- les mêmes propriétés magnétiques
- devrait se lier de la même manière aux atomes, aux molécules et aux structures plus grandes
- devrait avoir le même spectre de transitions de positons dans une variété de configurations.
Certaines de ces propriétés ont été mesurées dans le temps: la masse d'inertie de l'antimatière, la charge électrique, le spin et les propriétés magnétiques sont bien connues et étudiées. Les propriétés de liaison et transitoires ont été mesurées par d'autres détecteurs dans l'expérience ALPHA et sont en ligne avec les prédictions de la physique des particules.
Mais si l'accélération gravitationnelle s'avère être négative plutôt que positive, elle bouleversera littéralement le monde.
Actuellement, il n'existe pas de conducteur gravitationnel. Sur un conducteur électrique, des charges gratuites vivent à la surface et peuvent se déplacer, se redistribuant en réponse aux charges à proximité. Si vous avez une charge électrique à l'extérieur du conducteur électrique, l'intérieur du conducteur sera protégé de cette source d'électricité.
Mais il n'y a aucun moyen de se protéger de la force de gravité. Il n'y a aucun moyen d'accorder un champ gravitationnel uniforme dans une zone spécifique de l'espace, comme entre des plaques parallèles d'un condensateur électrique. Cause? Contrairement à la force électrique, qui est générée par des charges positives et négatives, il n'y a qu'un seul type de "charge" gravitationnelle - masse / énergie. La force gravitationnelle attire toujours et il n'y a aucun moyen de la changer.
Mais si vous avez une masse gravitationnelle négative, tout change. Si l'antimatière manifeste réellement des propriétés anti-gravitationnelles, tombe vers le haut et non vers le bas, alors à la lumière de la gravité, elle consiste en anti-masse ou anti-énergie. Selon les lois de la physique telle que nous la connaissons, il n'y a ni anti-masse ni anti-énergie. Nous pouvons les imaginer et imaginer comment ils se comporteraient, mais nous nous attendons à ce que l'antimatière ait une masse normale et une énergie normale en ce qui concerne la gravité.
Si l'anti-masse existe, les nombreuses avancées technologiques dont les auteurs de science-fiction rêvent depuis de nombreuses années deviendront soudainement réalisables physiquement.
- Nous pouvons créer un conducteur gravitationnel en nous protégeant des forces gravitationnelles.
- Nous pouvons créer un condensateur gravitationnel dans l'espace et créer un champ de gravité artificiel.
- Nous pourrions même créer un entraînement de distorsion, puisque nous aurions la capacité de déformer l'espace-temps de la même manière que l'exige la solution mathématique de la relativité générale proposée par Miguel Alcubierre en 1994.
Il s'agit d'une opportunité incroyable qui est considérée comme presque impossible par tous les physiciens théoriciens. Mais peu importe à quel point vos théories sont sauvages ou impensables, vous devez les soutenir ou les réfuter exclusivement avec des données expérimentales. Ce n'est qu'en mesurant et en testant l'univers que vous pouvez savoir exactement comment ses lois fonctionnent.
Jusqu'à ce que nous mesurions l'accélération gravitationnelle de l'antimatière avec la précision nécessaire pour déterminer si elle tombe vers le haut ou vers le bas, nous devons être ouverts à la possibilité que la nature ne se comporte pas comme nous l'attendons. Le principe d'équivalence peut ne pas fonctionner dans le cas de l'antimatière; cela peut être 100% anti-principe. Et dans ce cas, un monde de possibilités complètement nouvelles s'ouvrira. Nous trouverons la réponse dans quelques années, en menant une expérience simple: mettre un antiatom dans un champ gravitationnel et voir comment il va tomber.
Ilya Khel