Siła powszechnego odpychania?
Jedną z żelaznych reguł nauki jest powszechne obowiązywanie praw natury. Każda cząsteczka we Wszechświecie powinna podlegać tym samym prawom, doświadczać tych samych sił i tych samych podstawowych stałych fizycznych, bez względu na to, gdzie i kiedy istnieje.
Każdy obiekt we Wszechświecie doświadcza więc – w zależności od tego, jak na niego patrzymy – albo tego samego przyspieszenia grawitacyjnego, albo tej samej krzywizny czasoprzestrzeni, bez względu na to, jakie ma indywidualne właściwości. Zgodnie z oczekiwaniami teorii fotony i stabilne cząstki elementarne doświadczają pól grawitacyjnych. Na Ziemi prawo ciążenia sprawia, że każdy obiekt zbudowany z materii porusza się w kierunku jej środka z przyspieszeniem 9,8 m/s2.
Zdroworozsądkowa logika wskazywałaby, że w przypadku antymaterii działa to po prostu odwrotnie – obiekty z antymaterii przyspieszają w odwrotnym kierunku (1). Jednak pomimo wielu wysiłków ludzi nauki z całego świata, nigdy nie udało się zmierzyć „przyspieszenia antygrawitacyjnego” antymaterii. Nauce zdrowy rozsądek i logika nie wystarczają. Potrzebne są doświadczalne wyniki potwierdzające, że założenia teoretyczne pozostają słuszne. Wielu komentatorów zwraca uwagę, że niezależnie od tego, czy uda się potwierdzić istnienie „antygrawitacji”, czy też wykaże się z całą pewnością, że jej we Wszechświecie nie ma, będzie to rewolucyjne odkrycie.
Ujemna grawitacja? Ujemna masa?
Istnieją dwa zupełnie różne sposoby myślenia o masie. Z jednej strony, jest masa jako coś, co przyspiesza, gdy przyłożymy do niej siłę. To m w słynnym równaniu Newtona F = ma. Fizycy upatrują tego samego rozumienia masy u Einsteina. E = mc2 to równanie opisujące ilość energii potrzebną do powstania cząstki (lub antycząsteczki) i energii „odzyskanej”, gdy ją unicestwiamy. To masa bezwładna. Jest jeszcze masa grawitacyjna, czyli masa wynikająca z siły grawitacji F = Gm1m2/r2. Ściśle rzecz biorąc, można oddzielnie zdefiniować bierną masę grawitacyjną jako miarę oddziaływania z zewnętrznym polem grawitacyjnym (wytwarzanym przez inne masy) oraz czynną masę grawitacyjną jako miarę wytwarzanego pola grawitacyjnego (oddziałującego na inne masy).
Przeprowadzony w 1909 r. przez Loránda Eötvösa eksperyment sprawdzający związek pomiędzy masą grawitacyjną i bezwładnościową był testem postulowanej przez Alberta Einsteina równoważności obu mas. Równość pomiędzy masą grawitacyjną i bezwładnościową, niezależnie od struktury i gęstości ciała, stanowi podstawę ogólnej teorii względności Einsteina. Waga skrętna użyta w eksperymencie miała wykrywać różnice przyspieszeń różnych materiałów – mosiądzu, szkła, korka, drewna wężownika, miedzi, wody i platyny. Eksperyment Eötvösa został powtórzony przez innych badaczy – Jánosa Rennera (przy użyciu oryginalnej wagi skrętnej używanej przez Eötvösa) oraz Roberta H. Dicke’a z zespołem. Eksperyment Dicke’a potwierdził równoważność masy grawitacyjnej i bezwładnościowej z dokładnością 1 do 100 miliardów.
W odniesieniu do antymaterii nie byliśmy dotąd w stanie dokonać podobnych eksperymentów i pomiarów, choć wydaje się, że powinno to być możliwe i dawać wyniki podobne co do wartości, ale przeciwne co do kierunku i znaku. W badaniach zastosowano wobec antymaterii siły niegrawitacyjne, obserwując, jak przyspiesza. Naukowcy są przekonani, że zarówno F = ma, jak i E = mc2 działają tak samo dla antymaterii, jak dla materii zwykłej.
Aby się przekonać, czy teoretyczne oczekiwania są słuszne, trzeba by przeprowadzić coś w rodzaju eksperymentu Eötvösa dla antymaterii. Eksperymentem na miarę pierwszej połowy XXI wieku jest projekt ALPHA w CERN (zdjęcie okładkowe). Zgodnie z przyjętymi założeniami detektor ALPHA-g ma zmierzyć zachowanie neutralnej antymaterii w polu grawitacyjnym. Antyprotony i pozytony (antyelektrony) mogą być tworzone, spowalniane i zmuszane do wiązania się ze sobą w neutralne atomy antywodoru. Przez zastosowanie układu magnesów uczonym udaje się obecnie utrzymać je w stabilnym stanie przez ok. 20 minut, czyli znacznie dłużej niż trwa typowy okres istnienia pojedynczych cząstek antymaterii, który wynosi ułamki sekundy. Bombardowanie antyatomów wodoru fotonami wykazuje, że mają one takie same widma emisji i absorpcji jak atomy. Znów okazuje się, że właściwości antymaterii są takie, jak przewiduje fizyka.
Detektor ALPHA-g, skonstruowany w kanadyjskim ośrodku badawczym TRIUMF, jest pierwszym tego typu detektorem zaprojektowanym do pomiaru wpływu grawitacji na antymaterię. Po instalacji w układzie pionowym powinien być w stanie wykryć, w którym kierunku spada antymateria i z jakim ewentualnie przyspieszeniem. Zarówno z teoretycznego punktu widzenia, jak i z perspektywy rozwoju technologii, każdy wynik inny niż spodziewane +9,8 m/s2 byłby absolutnie rewolucyjny. Hipotetyczny wynik równoważny -9,8 m/s2 oznaczałby, że antygrawitacja w stosunku do zwykłej materii działa w przeciwnym kierunku, czyli nie przyciąga, lecz odpycha. Inne wartości liczbowe to znów znaczny krok na drodze do wyjaśnienia zagadek przewagi materii nad antymaterią we Wszechświecie, o czym piszemy niżej.
Nie ma obecnie możliwości stworzenia pola grawitacyjnego, tak jak można to zrobić np. z polem elektrycznym przez przyłożenie napięcia, po czym pole jest generowane przez ładunki przeciwne, dodatnie i ujemne. Gdy chodzi o grawitację, istnieje tylko jeden rodzaj „ładunku grawitacyjnego”, związanego z masą/energią. Siła grawitacji, jaką znamy, zawsze tylko przyciąga.
Gdybyśmy natrafili na ujemną grawitację, to diametralnie zmieniłoby postać rzeczy. Jeśli ta nie przyciągałaby, tylko odpychała, oznaczałoby to występowanie czegoś w rodzaju antymasy i antyenergii, a te, zgodnie ze znanymi nam prawami fizyki, nie istnieją.
Odkrycie to mogłoby zrewolucjonizować technologię. Być może dałoby się np. zbudować obwód antygrawitacyjny, chroniący przed grawitacją. Niektórzy spekulują, że moglibyśmy stworzyć napęd warp, czyli maszynę do zakrzywiania czasoprzestrzeni, wg pomysłu Miguela Alcubierre'a. Koncept ten wymaga zastosowania materii o ujemnej masie, a z hipotetycznych wyników eksperymentu ALPHA-g coś takiego może wyniknąć.
Zagadka niesymetrii
Najbardziej znanym typem antymaterii jest pozyton, czyli antyelektron. Ma taką samą masę jak elektron, ale przeciwny ładunek elektryczny. Kiedy materia zderza się ze swoim partnerem antymaterii, nawzajem się unicestwiają. Pozytony mogą być wytwarzane poprzez rozpad radioaktywny. Powstają one również w parze z elektronami, gdy niezwykle energetyczne fotony, lepiej znane jako promienie gamma, oddziałują z jądrami atomowymi. Powstały również antyprotony, a w 1995 r. naukowcy zdołali w końcu połączyć pozytony i antyprotony, wytwarzając antywodór.
Fizycy od lat głowią się, dlaczego zwykła materia wydaje się mieć przewagę ilościową we Wszechświecie, jaki znamy. Teoretycznie przecież można by oczekiwać, że w Wielkim Wybuchu wytworzona została taka sama ilość materii i antymaterii, co szybko doprowadziłoby zresztą do unicestwienia w procesie anihilacji (3). W niemal każdym oddziaływaniu pomiędzy cząstkami subatomowymi, antymateria i materia produkowane są w równej mierze. Wydaje się, że jest to fundamentalna symetria Wszechświata (CP). A jednak, gdy obserwujemy nasz Wszechświat, nie widzimy prawie żadnej antymaterii. Fizycy szacują w tej chwili, że dla każdej cząstki antymaterii istnieje w kosmosie ok. miliarda cząstek materii zwykłej. Zagadka ta jest różnie nazywana – np. problemem asymetrii materii lub problemem asymetrii barionowej. Niezależnie od nazwy, nikt nie był dotąd w stanie dostarczyć spójnego wyjaśnienia zjawiska dominacji materii nad antymaterią.
Niedawno fizycy z Uniwersytetu w Syracuse w Stanach Zjednoczonych potwierdzili doświadczalnie, że cząstki i antycząstki, zawierające kwarki powabne, rozpadają się w różny sposób. I to mogłoby tłumaczyć, dlaczego we Wszechświecie mamy do czynienia z fundamentalną asymetrią barionową. Jeśli te wyniki się potwierdzą, doszłoby do przełomu naukowego i stworzenia okna do nowej fizyki. Naukowcy przeanalizowali rezultaty zderzeń protonowych, zarejestrowane przez detektor LHCb w Wielkim Zderzaczu Hadronów, i z dużą dokładnością (do jednej dziesiątej procenta) określili stosunek produktów rozpadu mezonów D0 i antymezonów D0. Mezony składają się z jednego kwarka i antykwarka, przy czym mezony D0 zawierają kwark powabny i antykwark górny, a antymezony D0 – antykwark powabny i kwark górny. Naukowcom udało się zarejestrować naruszenie symetrii CP, czyli procesu zamiany cząstki na antycząstkę.
Inne zaproponowane niedawno wyjaśnienie – autorstwa trójki fizyków: Hoomana Davoudiasla, Iana M. Lewisa i Matthew Sullivana – sugeruje, że w kreowaniu przewagi materii nad antymaterią miały udział na wczesnym etapie Wszechświata różne typy bozonów Higgsa.
Rozgryzienie zagadek antymaterii wydaje się być ciekawe nie tylko dla samej nauki, ale i dla dalszego rozwoju naszej cywilizacji. Jeśli bowiem udowodnilibyśmy istnienie antygrawitacji, a następnie potrafili z tego odkrycia skorzystać w praktyce, to rozpoczęłaby się nowa era technologiczna, otwierająca drogę do eksploracji kosmosu.
Mirosław Usidus
