Гравитационное взаимодействие антивещества
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2023 г. ) |
 | Эта статья требует внимания эксперта в области физики . Конкретная проблема: требуется удаление и обновление мусора. ( январь 2023 г. ) |
| Антивещество |
|---|
 |
Гравитационное взаимодействие антиматерии с материей или антиматерией наблюдали физики. [1] Как и ранее было единодушно среди физиков, экспериментально было подтверждено, что гравитация притягивает как материю, так и антиматерию с одинаковой скоростью в пределах экспериментальной ошибки.
Редкость антиматерии и ее склонность к аннигиляции при контакте с материей делают ее изучение технически сложной задачей. Более того, гравитация намного слабее, чем другие фундаментальные силы , по причинам, которые до сих пор интересуют физиков, что усложняет усилия по изучению гравитации в системах, достаточно маленьких, чтобы их можно было реально создать в лаборатории, включая системы антиматерии. Большинство методов создания антивещества (в частности, антиводорода ) приводят к образованию частиц и атомов с высокой кинетической энергией, которые непригодны для изучения, связанного с гравитацией . [2]
Антиматерия гравитационно притягивается к материи. Величина гравитационной силы также одинакова. Это предсказывается теоретическими аргументами, такими как гравитационная эквивалентность энергии и материи , и было экспериментально подтверждено для антиводорода. Однако эквивалентность гравитационного ускорения материи материи и антиматерии материи имеет погрешность около 20% ( [1] таблица 3). Трудности в создании моделей квантовой гравитации привели к мысли, что антивещество может реагировать с несколько иной величиной. [3]
Теории гравитационного притяжения
[ редактировать ]Когда в 1932 году впервые была открыта антиматерия, физики задавались вопросом, как она будет реагировать на гравитацию. Первоначальный анализ был сосредоточен на том, должна ли антиматерия реагировать так же, как материя, или реагировать противоположно. Возникло несколько теоретических аргументов, которые убедили физиков в том, что антиматерия будет реагировать так же, как обычная материя. Они пришли к выводу, что гравитационное отталкивание между веществом и антивеществом неправдоподобно, поскольку оно нарушает CPT-инвариантность , сохранение энергии , приводит к нестабильности вакуума и приводит к нарушению CP . [ нужна ссылка ] Было также высказано предположение, что это будет несовместимо с результатами теста Этвёша слабого принципа эквивалентности . Многие из этих ранних теоретических возражений были позже отменены. [4]
Принцип эквивалентности
[ редактировать ]Принцип эквивалентности предсказывает, что масса и энергия одинаково реагируют с гравитацией, поэтому материя и антиматерия будут одинаково ускоряться гравитационным полем. С этой точки зрения гравитационное отталкивание материи-антиматерии маловероятно.
Поведение фотонов
[ редактировать ]Фотоны , которые являются собственными античастицами в рамках Стандартной модели , в большом количестве астрономических тестов ( например, гравитационное красное смещение и гравитационное линзирование ) взаимодействуют с гравитационным полем обычной материи точно так, как предсказывает общая теория. теория относительности . Это особенность, которую должна объяснить любая теория, предсказывающая, что материя и антиматерия отталкиваются. [ нужна ссылка ]
Теорема CPT
[ редактировать ]Теорема CPT подразумевает, что разница между свойствами частицы материи и ее аналога из антиматерии полностью описывается C-инверсией. Поскольку эта C-инверсия не влияет на гравитационную массу, теорема CPT предсказывает, что гравитационная масса антиматерии такая же, как и у обычной материи. [5] Тогда отталкивающая гравитация исключается, поскольку это означало бы разницу в знаке между наблюдаемой гравитационной массой материи и антиматерии. [ нужна ссылка ]
Аргумент Моррисона
[ редактировать ]В 1958 году Филип Моррисон утверждал, что антигравитация нарушает закон сохранения энергии . Если бы материя и антиматерия противоположно реагировали на гравитационное поле, то для изменения высоты пары частица-античастица не требовалось бы никакой энергии. Однако при движении через гравитационный потенциал частота и энергия света смещаются. Моррисон утверждал, что энергия будет создаваться путем производства материи и антиматерии на одной высоте, а затем ее аннигиляции выше, поскольку фотоны, используемые в производстве, будут иметь меньше энергии, чем фотоны, образующиеся в результате аннигиляции. [6]
Аргумент Шиффа
[ редактировать ]Позже в 1958 году Л. Шифф использовал квантовую теорию поля, чтобы доказать, что антигравитация не согласуется с результатами эксперимента Этвёша . [7] Однако метод перенормировки, использованный в анализе Шиффа, подвергается резкой критике, а его работа считается безрезультатной. [4] В 2014 году этот аргумент был переработан Маркуном Кабболе, который, однако, пришел к выводу, что он просто демонстрирует несовместимость Стандартной модели и гравитационного отталкивания. [8]
Аргумент Гуда
[ редактировать ]В 1961 году Майрон Л. Гуд утверждал, что антигравитация приведет к наблюдению неприемлемо большого количества CP-нарушений при аномальной регенерации каонов . [9] На тот момент нарушений CP еще не наблюдалось. Однако аргумент Гуда подвергается критике за то, что он выражен в терминах абсолютных потенциалов. Перефразировав этот аргумент в терминах относительных потенциалов, Габриэль Шарден обнаружил, что это приводит к некоторой регенерации каонов, что согласуется с наблюдениями. [10] Он утверждал, что антигравитация является потенциальным объяснением CP-нарушения, основываясь на его моделях K-мезонов. Его результаты датируются 1992 годом. Однако с тех пор исследования механизмов CP-нарушения в системах B-мезонов принципиально опровергли эти объяснения. [ нужна ссылка ]
Аргумент Джерарда т Хофта
[ редактировать ]Согласно Джерарду 'т Хоофту , каждый физик сразу же осознает, что не так с идеей гравитационного отталкивания: если шар подбросить высоко в воздух и он упадет обратно, то его движение будет симметричным относительно обращения времени; и, следовательно, мяч также падает в противоположном направлении времени. [11] Поскольку частица материи в противоположном направлении времени является античастицей, это доказывает, согласно 'т Хоофту, что антиматерия падает на Землю так же, как «обычная» материя.Однако Кабболе ответил, что аргумент 'т Хофта ложен и доказывает лишь то, что антишар падает на антиземлю, что не оспаривается. [12]
Теории гравитационного отталкивания
[ редактировать ]Поскольку отталкивающая гравитация не была опровергнута экспериментально, можно размышлять о физических принципах, которые могли бы вызвать такое отталкивание. На данный момент опубликованы три радикально разные теории.
Теория Ковитта
[ редактировать ]Первой теорией отталкивающей гравитации была квантовая теория, опубликованная Марком Ковиттом. [13] В этой модифицированной теории Дирака Ковитт постулировал, что позитрон — это не дыра в море электронов с отрицательной энергией, как в обычной теории дырок Дирака , а дыра в море электронов с отрицательной энергией. и-положительная-гравитационная-масса: это дает модифицированную C-инверсию, благодаря которой позитрон имеет положительную энергию, но отрицательную гравитационную массу. Отталкивающая гравитация затем описывается добавлением дополнительных членов ( m g Φ g и m g A g ) к волновому уравнению. Идея состоит в том, что волновая функция позитрона, движущегося в гравитационном поле частицы материи, развивается так, что со временем становится более вероятным найти позитрон дальше от частицы материи. [ нужна ссылка ]
Теория Сантилли и Виллаты
[ редактировать ]Классические теории отталкивающей гравитации были опубликованы Руджеро Сантилли и Массимо Виллатой . [14] [15] [16] [17] Обе теории являются расширением 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 «живут» в перевернутом пространстве-времени. Уравнение движения античастиц затем получается из уравнения движения обычных частиц применением операторов C, P и T (Виллата) или применением изодуальных отображений (Сантилли), что сводится к одному и тому же: уравнение движения тогда для античастиц предсказывает отталкивание материи и антиматерии. Приходится принять, что наблюдаемые траектории античастиц являются проекциями на наше пространство-время истинных траекторий в перевернутом пространстве-времени. Однако на методологических и онтологических основаниях утверждалось, что область применения теории Виллаты не может быть расширена и включать микрокосмос. [18] Эти возражения впоследствии были отклонены Виллатой. [19]
Теория Кабболе
[ редактировать ]Первые неклассические, неквантовые физические принципы, лежащие в основе гравитационного отталкивания материи и антиматерии, были опубликованы Маркоэном Кабболе. [5] [20] Он представляет 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 заключается в том, что частицы с ненулевой массой покоя, такие как электроны, протоны, нейтроны и их аналоги из антивещества, демонстрируют ступенчатое движение, чередуя между частицеподобным состоянием покоя и волнообразным состоянием движения. Гравитация тогда протекает в волнообразном состоянии, и теория допускает, например, что волнообразные состояния протонов и антипротонов по-разному взаимодействуют с гравитационным полем Земли. [ нужна ссылка ]
Анализ
[ редактировать ]Дальнейшие авторы [21] [22] [23] использовали гравитационное отталкивание материи и антивещества для объяснения космологических наблюдений, но эти публикации не затрагивают физические принципы гравитационного отталкивания.
Эксперименты
[ редактировать ]Сверхновая 1987А
[ редактировать ]Одним из источников экспериментальных доказательств в пользу нормальной гравитации было наблюдение нейтрино от сверхновой 1987А . В 1987 году три нейтринных детектора по всему миру одновременно наблюдали каскад нейтрино, исходящих от сверхновой в Большом Магеллановом Облаке . Хотя сверхновая произошла на расстоянии около 164 000 световых лет от нас, нейтрино и антинейтрино, похоже, были обнаружены практически одновременно. [ нужны разъяснения ] Если бы и то, и другое действительно наблюдалось, то любая разница в гравитационном взаимодействии должна была бы быть очень маленькой. Однако детекторы нейтрино не могут точно отличить нейтрино от антинейтрино. Некоторые физики консервативно подсчитали, что вероятность того, что обычных нейтрино вообще не наблюдалось, составляет менее 10%. Другие оценивают еще более низкие вероятности, некоторые всего лишь 1%. [24] К сожалению, эта точность вряд ли будет повышена за счет повторения эксперимента в ближайшее время. Последняя известная сверхновая , возникшая на таком близком расстоянии до Сверхновой 1987А, произошла около 1867 года. [25]
Эксперименты с холодным нейтральным антиводородом
[ редактировать ]2010 года производство холодного антиводорода стало возможным на Антипротонном замедлителе ЦЕРН С . Антиводород, который электрически нейтрален, должен позволить напрямую измерить гравитационное притяжение частиц антивещества к веществу Земли. [ нужна ссылка ]
Атомы антиводорода были пойманы в ловушку в ЦЕРНе , первой АЛЬФА [26] [27] а затем ATRAP ; [28] в 2012 году АЛЬФА использовала такие атомы, чтобы установить первые свободные границы гравитационного взаимодействия антиматерии с материей, измеренные с точностью до ± 7500% от обычной гравитации, [29] [ нужна ссылка ] недостаточно для четкого научного утверждения о знаке гравитации, действующей на антивещество. Будущие эксперименты необходимо проводить с более высокой точностью, либо с пучками антиводорода ( AEgIS ), либо с захваченным антиводородом ( ALPHA или GBAR ). [ нужна ссылка ]
В 2013 году эксперименты с атомами антиводорода, высвободившимися из ловушки АЛЬФА, установили прямые, то есть свободное падение, грубые ограничения на гравитацию антивещества. [29] Эти пределы были грубыми, с относительной точностью ±100%, поэтому далеки от четкого определения даже знака гравитации, действующей на антивещество. Будущие эксперименты в ЦЕРН с пучками антиводорода, такими как AEgIS, или с захваченным антиводородом, такими как ALPHA и GBAR, должны улучшить чувствительность, чтобы сделать четкое научное заявление о гравитации антиматерии. [30]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Андерссон, ЕК; Бейкер, CJ; Берче, В.; Бхатт, Нью-Мексико (27 сентября 2023 г.). «Наблюдение влияния гравитации на движение антивещества» . Природа . 621 (7980): 716–722. Бибкод : 2023Natur.621..716A . дои : 10.1038/s41586-023-06527-1 . ПМЦ 10533407 . ПМИД 37758891 .
- ^ Берче, МЫ (6 октября 2015 г.). «Физика с антиводородом» . Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика . 48 (23). Бибкод : 2015JPhB...48w2001B . дои : 10.1088/0953-4075/48/23/232001 . S2CID 54550833 .
- ^ Ньето, ММ; Хьюз, Р.Дж.; Гольдман, Т. (март 1988 г.). «Гравитация и антиматерия» . Научный американец . Проверено 21 декабря 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б Ньето, ММ; Гольдман, Т. (1991). «Аргументы против «антигравитации» и гравитационного ускорения антиматерии» . Отчеты по физике . 205 (5): 221–281. Бибкод : 1991PhR...205..221N . дои : 10.1016/0370-1573(91)90138-C . Примечание: исправления опубликованы в 1992 г., том 216.
- ^ Перейти обратно: а б Кабболе, MJTF (2010). «Теория элементарных процессов: формальная аксиоматическая система с потенциальным применением в качестве основополагающей основы физики, поддерживающей гравитационное отталкивание материи и антиматерии». Аннален дер Физик . 522 (10): 699–738. Бибкод : 2010АнП...522..699С . дои : 10.1002/andp.201000063 . S2CID 123136646 .
- ^ Моррисон, П. (1958). «Приблизительная природа физических симметрий». Американский журнал физики . 26 (6): 358–368. Бибкод : 1958AmJPh..26..358M . дои : 10.1119/1.1996159 .
- ^ Шифф, Л.И. (1958). «Знак гравитационной массы позитрона». Письма о физических отзывах . 1 (7): 254–255. Бибкод : 1958PhRvL...1..254S . дои : 10.1103/PhysRevLett.1.254 .
- ^ Кабболе, MJTF (2014). «Несовместимость КЭД/КХД и отталкивающей гравитации, а также последствия для некоторых недавних подходов к темной энергии». Астрофизика и космическая наука . 350 (2): 777–780. Бибкод : 2014Ap&SS.350..777C . дои : 10.1007/s10509-014-1791-4 . S2CID 120917960 .
- ^ Хорошо, М.Л. (1961). " К 2 0 и принцип эквивалентности». Physical Review . 121 (1): 311–313. Bibcode : 1961PhRv..121..311G . doi : 10.1103/PhysRev.121.311 .
- ^ Шарден, Ж.; Ракс, Ж.-М. (1992). « Нарушение CP . Вопрос (анти)гравитации?». Буквы по физике Б. 282 (1–2): 256–262. Бибкод : 1992PhLB..282..256C . дои : 10.1016/0370-2693(92)90510-Б .
- ^ 'т Хофт, Джерард. «Призрачные водители в науке» . webspace.science.uu.nl (на голландском языке) . Проверено 28 сентября 2023 г.
- ^ Кабболе, MJTF « 'т Хоофт не попадает в цель в блоге о движущих силах в науке | DUB» . dub.uu.nl . Проверено 28 сентября 2023 г.
- ^ Ковитт, М. (1996). «Гравитационное отталкивание и антиматерия Дирака». Международный журнал теоретической физики . 35 (3): 605–631. Бибкод : 1996IJTP...35..605K . дои : 10.1007/BF02082828 . S2CID 120473463 .
- ^ Сантилли, РМ (1999). «Классическая изодуальная теория антиматерии и ее предсказание антигравитации». Международный журнал современной физики А. 14 (14): 2205–2238. Бибкод : 1999IJMPA..14.2205S . дои : 10.1142/S0217751X99001111 .
- ^ Виллата, М. (2011). «CPT-симметрия и гравитация антивещества в общей теории относительности». ЭПЛ . 94 (2): 20001. arXiv : 1103.4937 . Бибкод : 2011EL.....9420001V . дои : 10.1209/0295-5075/94/20001 . S2CID 36677097 .
- ^ Виллата, М. (2013). «О природе темной энергии: решетка Вселенной». Астрофизика и космическая наука . 345 (1): 1–9. arXiv : 1302.3515 . Бибкод : 2013Ap&SS.345....1V . дои : 10.1007/s10509-013-1388-3 . S2CID 119288465 .
- ^ Виллата, М. (2015). «Материя-антиматерия, интерпретация пространства-времени Керра». Аннален дер Физик . 527 (7–8): 507–512. arXiv : 1403.4820 . Бибкод : 2015АнП...527..507В . дои : 10.1002/andp.201500154 . S2CID 118457890 .
- ^ Кабболе, MJTF (2011). «Комментарий к статье М. Виллаты об антигравитации». Астрофизика и космическая наука . 337 (1): 5–7. arXiv : 1108.4543 . Бибкод : 2012Ap&SS.337....5C . дои : 10.1007/s10509-011-0939-8 . S2CID 119181081 .
- ^ Виллата, М. (2011). «Ответ на «Комментарий к статье М. Виллаты об антигравитации» ». Астрофизика и космическая наука . 337 (1): 15–17. arXiv : 1109.1201 . Бибкод : 2012Ap&SS.337...15В . дои : 10.1007/s10509-011-0940-2 . S2CID 118540070 .
- ^ Кабболе, MJTF (2011). «Дополнение к теории элементарных процессов». Аннален дер Физик . 523 (12): 990–994. Бибкод : 2011АнП...523..990С . дои : 10.1002/andp.201100194 . S2CID 121763512 .
- ^ Бланше, Л.; Ле Тик, А. (2008). «Модель темной материи и темной энергии, основанная на гравитационной поляризации». Физический обзор D . 78 (2): 024031. arXiv : 0804.3518 . Бибкод : 2008PhRvD..78b4031B . дои : 10.1103/PhysRevD.78.024031 . S2CID 118336207 .
- ^ Хайдукович, Д.С. (2011). «Является ли темная материя иллюзией, созданной гравитационной поляризацией квантового вакуума?». Астрофизика и космическая наука . 334 (2): 215–218. arXiv : 1106.0847 . Бибкод : 2011Ap&SS.334..215H . дои : 10.1007/s10509-011-0744-4 . S2CID 12157851 .
- ^ Бенуа-Леви, А.; Шарден, Г. (2012). «Представляем вселенную Дирака-Милна». Астрономия и астрофизика . 537 : А78. arXiv : 1110.3054 . Бибкод : 2012A&A...537A..78B . дои : 10.1051/0004-6361/201016103 . S2CID 119232871 .
- ^ Пакваса, С.; Симмонс, Вашингтон; Вейлер, Ти Джей (1989). «Проверка принципа эквивалентности нейтрино и антинейтрино». Физический обзор D . 39 (6): 1761–1763. Бибкод : 1989PhRvD..39.1761P . дои : 10.1103/PhysRevD.39.1761 . ПМИД 9959839 .
- ^ Рейнольдс, СП; Борковски, К.Дж.; Грин, округ Колумбия; Хван, Ю.; Харрус, И.; Петре, Р. (2008). «Самый молодой остаток галактической сверхновой: G1,9 + 0,3». Астрофизический журнал . 680 (1): L41–L44. arXiv : 0803.1487 . Бибкод : 2008ApJ...680L..41R . дои : 10.1086/589570 . S2CID 67766657 .
- ^ Андресен, Великобритания; Ашкезари, доктор медицинских наук; Бакеро-Руис, М.; Берче, В.; Боу, PD; и др. (2010). «Захваченный антиводород». Природа . 468 (7324): 673–676. Бибкод : 2010Natur.468..673A . дои : 10.1038/nature09610 . ПМИД 21085118 . S2CID 2209534 .
- ^ Андресен, Великобритания; Ашкезари, доктор медицинских наук; Бакеро-Руис, М.; Берче, В.; Боу, PD; и др. (2011). «Удержание антиводорода в течение 1000 секунд». Физика природы . 7 (7): 558–564. arXiv : 1104.4982 . Бибкод : 2011NatPh...7..558A . дои : 10.1038/NPHYS2025 . S2CID 17151882 .
- ^ Габриэль, Г.; Калра, Р.; Кольтхаммер, WS; МакКоннелл, Р.; Ришерм, П.; и др. (2012). «Захваченный антиводород в основном состоянии». Письма о физических отзывах . 108 (11): 113002. arXiv : 1201.2717 . Бибкод : 2012PhRvL.108k3002G . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.113002 . ПМИД 22540471 . S2CID 1480649 .
- ^ Перейти обратно: а б Амол, К.; Ашкезари, доктор медицинских наук; Бакеро-Руис, М.; Берче, В.; Батлер, Э.; и др. (2013). «Описание и первое применение новой методики измерения гравитационной массы антиводорода» . Природные коммуникации . 4 : 1785. Бибкод : 2013NatCo...4.1785A . дои : 10.1038/ncomms2787 . ПМК 3644108 . ПМИД 23653197 .
- ^ Амос, Дж. (6 июня 2011 г.). «Атомы антиматерии заперты еще дольше» . Новости BBC онлайн . Проверено 3 сентября 2013 г.