Materie si antimaterieAntimateria este misterioasă, periculoasă şi rară. În ficţiune ea stă la baza creierelor pozitronice ale lui Isaac Asimov, a motoarelor de pe nava Enterprise şi a bombei lui Dan Brown din ”Îngeri şi demoni”. Dar în lumea reală antimateria este o chestiune destul de banală.

 

 

 

Dacă întreg universul s-ar transforma în antimaterie, abia dacă am observa. Sau poate nu este aşa?

Charlie Jane Anders şi-a propus să afle mai multe despre antimaterie:


Săptămâna trecută cercetătorii au anunţat că au găsit o metodă de măsurare a masei gravitaţionale de antihidrogen. Ar putea oare însemna aceasta că putem CÂNTĂRI ANTIMATERIA? Sau, dacă nu, de fapt ce înseamnă?


Înainte de a intra în detalii, permiteţi-mi să vă liniştesc curiozitatea cu:

a) Da, dar deocamdată putem doar ghici greutatea antimateriei cu o acurateţe care lasă foarte mult de dorit, şi

b) Dacă se dovedeşte că antimateria cântăreşte mai mult sau mai puţin (sau Doamne fereşte de un răspuns negativ) din materia obişnuită, înseamnă că va trebui să regândim serios ceea ce ştim despre gravitaţie.

Dar înainte de a aborda acest subiect, vă voi spune câteva cuvinte despre ceea ce este de fapt antimateria.

 

Câteva cuvinte despre antimaterie

Orice tip de particulă din univers are o antiparticulă – un fel de versiune geamănă rea a sinelui, încărcată cu sarcini electrice şi nucleare opuse. Un electron, de exemplu, are omologul său, pozitronul, care are o sarcină electrică pozitivă şi nu negativă. Un proton îl are ca omolog pe ”antiprotonul” căruia i s-a dat o definiţie atât de plictisitoare, şi care are o sarcină negativă. De fapt, antimateria este atât de similară cu materia obişnuită astfel încât câteva particule, în special fotonul şi bosonul Higgs, par să fie propriile lor antiparticule.

În toate sensurile, materia şi antimateria sunt doar două feţe ale aceleiaşi monede – iar aceasta reprezintă una dintre simetriile centrale ale legilor Universului. Oricare experiment care s-a făcut vreodată, de exemplu, a produs acelaşi număr de particule de materie şi antimaterie.

Mai pe larg

În acelaşi chip, dacă vi se întâmplă să vă întâlniţi antimateria geamănă, orice ar fi, să nu cumva să îl sau să o atingeţi. Atunci când materia şi antimateria intră în contact una cu cealaltă, se anihilează cu totul, eliberând în cadrul procesului o cantitate de energie exprimată prin celebra ecuaţie a lui Einstein, E = mc2.

Dar sigur că dacă sunteţi cititori frecvenţi ai site-ului nostru cunoaşteţi deja toate acestea.



Faptul că materia şi antimateria trebuie să fie cel puţin un pic diferite nu valorează nimic. Suntem, până la urmă făcuţi dintr-una şi nu din cealaltă, aşa încât Universul la începuturile sale trebuia să distingă dintre cele două entităţi. Dar aceste diferenţe sunt în primul rând legate de subtilităţi ale unei forţe nucleare slabe, un domeniu în care nu este necesar să pătrundem acum.

Toate experimentele care s-au făcut sugerează, de asemenea, că este nevoie de o anumită cantitate de energie pentru a crea o particulă şi antiparticula sa. Cu alte cuvinte, un electron şi un pozitron au aceeaşi masă. Aceasta trebuie să fie adevărat în mod evident pentru bosonul Higgs care, aşa cum am spus, este propria sa antiparticulă.

Dar doar pentru că este dificil să busculezi un antiproton în chip de proton nu înseamnă că gravitaţia îi afectează în acelaşi mod. Ar putea fi oare posibil ca antimateria să aibă antigravitaţie?

Experimentul  Eötvös

La sfârşitul secolului al XVII-lea, Isaac Newton a realizat că ”masa” înseamnă două lucruri diferite, în funcţie de context. 

Pe de o parte, cântarul din baie rezistă forţei gravitaţionale dintre noi şi Pământ şi ne indică un număr din ce în ce mai mare pe măsură ce devenim mai graşi. Aici este vorba de masa gravitaţională.

Masa inerţială, pe de altă parte, nu are nimic de-a face cu gravitaţia. Este o măsurătoare a cât este de dificil să accelerăm ceva – sau să încetinim odată ce acest ceva este pus în mişcare.

În ciuda faptului că cele două tipuri de masă sunt atât de strâns legate, nu există de fapt niciun motiv evident conform căruia masa noastră gravitaţională (care creează forţa dintre noi şi Pământ) şi masa noastră inerţială (care ţine de cât de greu ne este să ne mişcăm) ar  trebui să aibă de-a face una cu cealaltă.

Şi cu toate acestea aşa este. Galileo a rămas atât de faimos pentru că printre  multe altele, a demonstrat că gravitaţia accelerează mişcarea obiectelor independent de masa acestora, comparând rata vitezei cu care roţi de diferite mărimi şi densităţi se rostogoleau de pe un deal.  Cu alte cuvinte, dintr-un motiv sau altul, raportul  dintre masa gravitaţională şi cea inerţială pare să fie o constantă fixă a naturii.

În 1885, un fizician ungur pe nume Lorand Eötvös  a întreprins o serie de experimente care au stabilit raportul dintre masa gravitaţională şi cea inerţială cu o precizie fantastică. În esenţă, el a ”instigat” forţa gravitaţională a Pământului împotriva forţei centrifuge provocată de rotaţia Pământului. Dacă aţi fost vreodată pe un gravitron în parcurile de distracţie, atunci ştiţi că este o platformă rotitoare care creează o senzaţie apropiată de cea a gravitaţiei, dar fără ca de fapt câmpul gravitaţional să existe. Rotaţia Pământului trebuie să aibă de-a face doar cu masa inerţială, în timp ce câmpul gravitaţional se ocupă de masa gravitaţională. Eötvös şi succesorii săi au arătat că cele două tipuri de masă sunt la fel în proporţie de mai mult de 1 la 10 milioane.

Sigur că aceasta nu explică de ce cele două tipuri de masă sunt la fel.

Principiul echivalenţei

Explicaţia fundamentală a faptului că masa inerţială şi cea gravitaţională păreau să fie la fel a trebuit să mai aştepte până la apariţia lui Einstein.

Aşa a şi fost.

Stabilirea de către Einstein a Relativităţii Generale – teoria noastră modernă cu privire la gravitaţie – s-a bazat pe o idee cunoscută sub numele de ”Principiul Echivalenţei”. Deşi Einstein tot încerca să găsească formularea cea mai potrivită, ideea de bază este că dacă se taie cablurile de la liftul dumneavoastră, în scurtele, dar stresantele momente care v-ar mai despărţi de prăbuşirea mortală, nimic nu va distinge starea de cădere liberă de o adevărată lipsă a gravitaţiei.

Toate acestea se pot dezbate şi învârti pe toate părţile. Dacă presupunem că sunteţi instalaţi într-o rachetă spaţială care accelerează, sigur că aţi fi împinşi spre spatele rachetei şi aţi avea senzaţia că ”înapoi” înseamnă ”în jos”. Conform principiului  echivalenţei niciun experiment local pe care l-aţi face nu ar putea distinge între un adevărat câmp gravitaţional şi efectele rachetei. O minge aruncată se va arcui în jos (înapoi), de exemplu şi chiar timpul se va scurge mai încet la spatele navei decât în faţă,  deşi doar în proporţie de aproximativ 1  la un trilion – din nou,  în perfect acord cu ceea ce se întâmplă în câmpul gravitaţional real. 

Nu pot scoate suficient de clar în evidenţă importanţa Principiului Echivalenţei.Totul (începând de la structura găurilor negre şi până la undele gravitaţionale sau expansiunea Universului) rezultă din ecuaţiile lui Einstein, iar acele ecuaţii au la bază Principiul Echivalenţei.

Dar acesta este foarte important şi din alte puncte de vedere. Dacă călătoriţi prin spaţiu împreună cu geamănul dumneavoastră de antimaterie, amândoi veţi fi împinşi spre spatele navei cu aceeaşi acceleraţie. La urma urmei, de fapt spatele navei accelerează spre faţă pentru a vă întâlni. Dacă chiar este adevărat că nimic nu ne poate ajuta să distingem un sistem de referinţă neinerţial de un câmp gravitaţional adevărat, atunci antiparticulele ar cădea mai bine pe Pământ cu aceeaşi acceleraţie ca şi particulele obişnuite.

Sau cu alte cuvinte, antiparticulele ar trebui să aibă aceeaşi masă gravitaţională ca şi omologii lor de materie obişnuită.

Fiindcă dacă lucrurile nu stau aşa, înseamnă că fizica ar avea enorm de multe de explicat.

Cât cântăreşte un antiatom?

Timp de aproximativ un secol am presupus că antimateria şi materia ar trebui să aibă aceeaşi masă gravitaţională şi inerţială - şi deşi teoria Relativităţii Generale depinde de aceasta, nu reuşisem până de curând să dispunem de o modalitate de a cântări în mod direct antimateria. De fapt este extrem de dificil să fabrici antimaterie în cantităţi considerabile, şi în cea mai mare parte, particulele pe care le creăm sunt pozitroni. Particulele încărcate electric sunt bune şi ele, dar pentru că forţele electrice sunt cam de 10^36 mai mari decât cele gravitaţionale, ceea ce ne dorim cu adevărat este să obţinem antiparticule neutre din punct de vedere electric. Cu alte cuvinte, avem nevoie de antiatomi.

Într-un nou articol foarte interesant publicat recent de către fizicienii care participă la experimentul ALPHA de la CERN, echipa de cercetători a reuşit să captureze 434 de atomi de anti-hidrogen (pozitroni orbitând anti-protoni) într-o capcană magnetică. Anti-atomii sunt apoi eliberaţi din capcană şi măsuraţi într-un detector din apropiere. Dacă majoritatea anti-atomilor "cad" în jos, atunci se presupune că anti-atomii au o masă gravitaţională pozitivă. Dacă aceştia "cad" în sus, atunci ar trebui să aibă o masă gravitaţională negativă - antigravitaţie. Este ceva asemănător cu experimentul lui Galileo care arunca mingi de diferite mase din Turnul din Pisa, numai că acum discutăm la un nivel atomic. Şi de fapt acest experiment chiar a avut loc. 

Măsurătoarea este dificilă. Fiindcă anti-atomii ”ţopăie” în jurul capcanei magnetice, unii vor fi aruncaţi în sus, iar alţii către în jos. Deci ceea ce obţinem este un semnal ridicol de zgomotos.

Aşa că răspunsul la întrebarea iniţială a lui Charlie Jane este că de fapt nu măsurăm masa anti-hidrogenului, cel puţin nu în mod direct. Ceea ce măsurăm  este raportul dintre masa gravitaţională şi cea inerţială – un număr care ne aşteptăm să fie 1.

Ce se măsoară de fapt în cadrul experimentului ALPHA? Ei bine, pregătiţi-vă să fiţi dezamăgiţi! S-a descoperit că raportul este între -65 şi 110. Aceasta este mai mult sau mai puţin echivalent cu o scară conform căreia greutatea tipică a unui adult s-ar situa undeva între -5 şi + 8 tone. Este corect ca experiment, dar nu foarte util. Dar în cazul anti-hidrogenului, nu contează atât de mult numărul în sine, ci faptul că pur şi simplu suntem în stare să măsurăm această masă.

De asemenea, este nevoie de timp. Marjele de eroare se vor restrânge considerabil pe măsură ce vom avea mai multe date. Deci la ce să ne aşteptăm după un timp, când entuziasmul pentru acest nou experiment va fi pierit deja? Nu trebuie să mă credeţi pe cuvânt. Dar aşa cum este de părere colegul meu, fizicianul  Rich Gott (cel care mi-a atras primul atenţia asupra acestui experiment):

"Fie Einstein, fie Newton ar spune că raportul gravitaţiei la masa inerţială pentru antimaterie este de 1, în anumite limite experimentale. Pariaţi pe 1!


Dave Goldberg este profesor de fizică la Universitatea Drexel University.

Traducere de Daniela Albu după how-much-does-antimatter-weigh.