Numim gravitație acea proprietate a materiei și energiei de a curba spațiu-timpul, făcând obiectele mai mici să urmeze o traiectorie complicată, contraintuitivă pentru noi, oamenii, obișnuiți cu mișcare obiectelor la scară mică, unde această curbare este greu observabilă. Aceasta este înțelegerea modernă a gravitației, diferită de cea a lui Newton, care descria gravitația ca o forță misterioasă prin care corpurile se atrăgeau reciproc. Explicația propusă de Einstein nu este mai puțin misterioasă, pentru că în continuare nu înțelegem care este mecanismul gravitației, dar este mai precisă decât cea a lui Newton.
Dar dacă gravitația are această proprietate a „atracției”, nu ar putea-o avea și pe cea a „respingerii”? Dacă ar fi așa, poate am putea explica unele dintre observațiile cu privire la ceea ce numim „materie întunecată” și „energie întunecată”.
Ca să nu păstrăm misterul foarte mult, trebuie să spunem că gravitație cu o capacitate de respingere nu există în natură. Iar antimateria, care este tot un fel de materie, dar care odată intrată în contact cu materia se anihilează, lăsând în urmă fotoni, nu s-ar depărta de o sursă gravitațională, ci ar urma același traseu pe care-l urmează și materia - adică spre centrul sursei de gravitației.
Legea lui Newton vs legea lui Coulomb
Legea gravitației a lui Newton spune că forța gravitațională dintre două mase este produsul maselor, împărțit la pătratul distanței dintre ele. Și mai există o constantă care îți spune cât de puternică este forța.
Pentru forța electrică dintre două sarcini avem legea lui Coulomb, care spune că forța este produsul sarcinilor, împărțit la pătratul distanței dintre ele. Și din nou există o constantă care vă spune cât de puternică este forța.
Aceste două legi ale naturii arată aproape la fel. Dar forța electrică poate fi atât de respingere, cât și de atracție (depinde de tipul sarcinilor, dacă sunt două de același fel (caz în care se resping) sau diferite (caz în care se atrag)).
Forța gravitațională, pe de altă parte, se manifestă doar prin atracție, deoarece nu avem mase negative. Dar de ce nu?
De ce nu avem mase negative?
Ei bine, nu am văzut niciodată nimic să „cadă” în sus, nu? Pe de altă parte, dacă ar exista vreo materie cu masă negativă, aceasta ar fi fost deja înlăturată de pe Terra, nu? Poate că nu este atât de surprinzător, la urma urmelor, că nu vedem nicio materie „anti-gravitație”.
OK, dar ar putea fi în altă parte în univers. De ce nu o caută fizicienii?
Un argument este acela că dacă masele negative ar exista, asta ar duce la dezintegrarea vidului. Dacă ar exista mase negative, atunci ar exista și energii negative, pentru că există o echivalență între masă și energie, echivalență stabilită de Einstein prin probabil cea mai faimoasă ecuație: E=mc2.
Dacă am avea energii negative, atunci ar apărea perechi de particule cu energie negativă și pozitivă din vid și perechile de particule ar apărea spontan peste tot în jurul nostru. O teorie care include mase negative ar prezice că universul nu există, ceea ce, desigur, intră în dezacord cu faptul că... există.
Această argumentație nu funcționează pentru că nu diferențiază între tipurile de masă. Teoria relativității generale a lui Einstein se bazează pe principiul echivalenței, ideea că masa gravitațională este egală cu masa inerțială (citește aici o explicație completă).
Masa gravitațională este cea care apare în legea gravitației. Masa inerțială este cea care rezistă accelerației.
Dar dacă am avea materie antigravitație (adică cu proprietăți de respingere a materiei obișnuite), doar masa gravitațională a acesteia ar fi negativă. Masa inerțială rămâne întotdeauna pozitivă. Și, deoarece echivalentul în energie al masei inerțiale este conservat, nu putem crea particule care se supun gravitației și antigravitație din nimic.
Unii fizicieni ar putea argumenta că nu poți face antigravitația compatibilă cu relativitatea generală, deoarece particulele din teoria lui Einstein vor respecta întotdeauna principiul echivalenței. Dar acest lucru este greșit. Desigur, nu poți face asta în relativitatea generală așa cum este. Dar relativitatea generală poate fi extinsă pentru a include materia antigravitație. Aceasta înseamnă că masa gravitațională este fie +, fie - masa inerțială. Deci, în teorie, este posibil. Adevărata problemă este că nu observăm materie antigravitație.
Ar putea fi antimateria soluția?
Poate că antimateria are această proprietate anti-gravitație. Antimateria este formată din antiparticule. Antiparticulele sunt particule care au sarcina electrică opusă particulelor normale. Antiparticula unui electron, de exemplu, este similară electronului, doar că are o sarcină electrică opusă, adică pozitivă. Se numește pozitron.
Nu vedem antiparticule în jurul nostru pentru că, cum spuneam mai sus, se anihilează atunci când intră în contact cu materia normală. Și este dificil să eviți contactul cu materia normală de pe o planetă formată din materie. Acesta este motivul pentru care observăm antimateria numai în radiația cosmică sau dacă este creată în acceleratoarele de particule.
Dar dacă există atât de puțină antimaterie în jurul nostru, iar durata de viață a acesteia este atât de scurtă, de unde știm că aceasta „cade” în jos și nu în sus? Știm asta pentru că atât materia, cât și antimateria sunt formate din quarcurile care formează neutronii și protonii.
Protonul și neutronul sunt formate din quarcuri up și down
În interiorul unui neutron și un proton nu există însă doar trei quarcuri. Există, în fapt, o „supă” de particule care țin quarcurile împreună, iar unele dintre particulele din această supă sunt antiparticule. De ce acele antiparticule nu se anihilează? În fapt, se anihilează. Sunt create și anihilate tot timpul. Le numim „particule virtuale”. Dar aceste particule au o contribuție substanțială la masa gravitațională a neutronilor și protonilor.
Citiți și: Câte quarcuri sunt, în fapt, într-un proton?
Asta înseamnă, oricât de bizar ar suna, că masa antiparticulelor contribuie la masa totală a tot ceea ce ne înconjoară. Deci, dacă antimateria ar avea o masă gravitațională negativă, principiul echivalenței ar fi încălcat. Nu este. Acesta este motivul pentru care știm că antimateria nu are proprietăți antigravitație.
Dar poate că este posibil să găsim o altă teorie în care antiparticulele sunt antigravitație doar uneori, astfel încât masele de neutroni și protoni să nu fie afectate.
La Marele accelerator de hadroni de la CERN, Geneva există trei proiecte de cercetare în cadrul cărora se măsoară comportamentul gravitațional al antimateriei de câțiva ani. Proiectul ALPHA a exclus ca antiparticulele să aibă mase antigravitație, e drept că doar dacă valoarea absolută a masei este mult mai mare decât masa particulei corespondente.
Să existe o altă materie cu proprietăți antigravitație?
Așadar, antimateria aproape sigur nu are proprietăți antigravitație. Dar poate că există un alt tip de materie, ceva complet nou și care se comportă astfel. Dacă ar fi așa, cum s-ar comporta? De exemplu, dacă materia antigravitație respinge materia normală, atunci particulele acestei materii se resping și între ele, așa cum electronii se resping între ei? Sau se atrag?
La această întrebare este destul de ușor de răspuns cu puțină matematică. Forțele sunt mediate de câmpuri și acele câmpuri au un spin care este un număr întreg pozitiv, deci, 0, 1, 2 etc.
Pentru gravitație, masa gravitațională joacă rolul unei sarcini. Și forța dintre două sarcini este întotdeauna proporțională cu produsul acelor sarcini înmulțit cu -1 la puterea spinului.
Pentru un câmp de spin zero, forța este de atracție între sarcini similare. Dar electromagnetismul este mediat de un câmp spin-1, adică radiație electromagnetică sau fotoni. Și acesta este motivul pentru care, pentru electromagnetism, forța dintre sarcinile asemănătoare este de respingere, dar sarcinile diferite se atrag. Gravitația este mediată de un câmp de spin-2, adică radiația gravitațională sau gravitonii (care nu au fost identificați). Și astfel, pentru gravitație, este din nou invers. Sarcinile asemănătoare se atrag și cele diferite se resping. Rețineți că pentru gravitație sarcina este masa gravitațională.
Aceasta înseamnă că, dacă există materie antigravitație, aceasta ar fi respinsă de materia obișnuită, dar particulele acestei materii s-ar atrage între ele. Într-adevăr, ar putea forma planete și galaxii la fel ca ale noastre, doar că din acest tip de materie antigravitație. Singurul mod în care am ști despre ele ar fi pe baza efectelor gravitaționale observate. Sună cam ca materia întunecată și energie întunecată, nu?
De ce materia antigravitația nu ar explica materia și energia întunecate
În teorie, ar putea fi cazul că materia antigravitație să înconjoare galaxiile și să exercite o presiune asupra lor. Ceea ce ar crea o forță suplimentară care seamănă mult cu materia întunecată. În mod normal se crede că excesul de forță pe care îl observăm este cauzat de o masă „mai pozitivă” în interiorul și în jurul galaxiilor. Dar nu sunt acele situații foarte asemănătoare? Mai multă masă pozitivă în interior sau masă negativă în exterior cu rol de respingere?
Și dacă vă amintiți, aspectul important cu privire la energia întunecată este că are presiune negativă. Cu siguranță, dacă aveți energie negativă, puteți obține și presiune negativă cumva.
Așadar, folosirea materiei antigravitație pentru a explica materia întunecată și energia întunecată sună bine la prima vedere. Dar, la a doua vedere, niciuna dintre aceste idei nu funcționează.
Ideea că galaxiile ar fi înconjurate de materie antigravitație nu funcționează, deoarece un astfel de aranjament ar fi instabil. Amintiți-vă că particulele din materie antigravitație au tendința să formeze aglomerări, la fel ca materia normală. Nu ar „încapsula” galaxii din materie normală, ci și-ar forma propriile galaxii. Așa că folosirea antigravitației pentru a explica materia întunecată nu funcționează nici măcar pentru galaxii; iar asta înseamnă să lăsăm deoparte toate celelalte observații cu privire la materia întunecată.
Și energia întunecată? Motivul pentru care energia întunecată accelerează expansiunea universului nu este de fapt acela că are presiune negativă, ci că raportul dintre densitatea energiei și presiune este negativ. În ce privește materia antigravitație, ambele componente sunt negative, raportul dintre ele rămânând neschimbat. Contrar la ceea ce am putea crede, nu ar accelera expansiunea universului.
Un alt mod de a vedea lucrurile este acela de a observa că materia antigravitație este încă materie și se comportă ca materia. Energia întunecată, dimpotrivă, nu se comportă ca materia. Energia întunecată nu este un „ceva” anti-gravitație.
Articolul este adaptare după textul din videoclip.
Credit imagine: depositphotos.com
