Uno de los hechos más sorprendentes de la ciencia es lo universales que son las leyes de la naturaleza. Cada partícula obedece las mismas reglas, experimenta las mismas fuerzas, existe en las mismas constantes fundamentales, independientemente de dónde y cuándo se encuentre. Desde el punto de vista de la gravitación, cada partícula separada del Universo experimenta la misma aceleración gravitacional o la misma curvatura del espacio-tiempo, independientemente de las propiedades que tenga.
En cualquier caso, se desprende de la teoría. En la práctica, algunas cosas pueden ser muy difíciles de medir. Los fotones y las partículas estables ordinarias caen por igual, como se esperaba, en un campo gravitacional, y la Tierra fuerza a cualquier partícula masiva a acelerar hacia su centro a una velocidad de 9,8 m / s2. Pero no importa cuánto lo intentemos, nunca hemos podido medir la aceleración gravitacional de la antimateria. Debería acelerar de la misma manera, pero hasta que no lo midamos, no podemos estar seguros. Uno de los experimentos tiene como objetivo encontrar la respuesta a esta pregunta, de una vez por todas. Dependiendo de lo que encuentre, podemos estar un paso más cerca de la revolución científica y tecnológica.
¿Existe la antigravedad?
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Puede que no seas consciente de esto, pero hay dos formas completamente diferentes de representar la masa. Por un lado, hay una masa que se acelera cuando se le aplica fuerza: eso es m en la famosa ecuación de Newton, donde F = ma. Es lo mismo con la ecuación de Einstein E = mc2, a partir de la cual puedes calcular cuánta energía necesitas para crear una partícula (o antipartícula) y cuánta energía obtienes cuando se aniquila.
Pero hay otra masa: gravitacional. Es la masa, m, que aparece en la ecuación de peso en la superficie de la Tierra (W = mg) o la ley gravitacional de Newton, F = GmM / r2. En el caso de la materia ordinaria, sabemos que estas dos masas, inerciales y gravitacionales, deberían ser iguales a la parte más cercana entre 100 mil millones, gracias a las restricciones experimentales establecidas hace más de 100 años por Laurent Eotvos.
Pero en el caso de la antimateria, nunca podríamos medir todo esto. Aplicamos fuerzas no gravitacionales a la antimateria y la vimos acelerar; creamos y destruimos la antimateria; sabemos exactamente cómo se comporta su masa inercial, al igual que la masa inercial de la materia ordinaria. F = ma y E = mc2 funciona en el caso de la antimateria de la misma manera que con la materia ordinaria.
Pero si queremos conocer el comportamiento gravitacional de la antimateria, no podemos simplemente tomar la teoría como base; tenemos que medirlo. Afortunadamente, se está realizando un experimento para averiguar exactamente eso: el experimento ALPHA en el CERN.
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Uno de los grandes avances que ha ocurrido recientemente ha sido la creación no solo de partículas de antimateria, sino también de estados unidos neutrales y estables en ellas. Se pueden crear antiprotones y positrones (antielectrones), ralentizarlos y obligarlos a interactuar entre sí para formar antihidrógeno neutro. Usando una combinación de campos eléctricos y magnéticos, podemos confinar estos antátomos y mantenerlos estables lejos de la materia, lo que conduciría a la aniquilación en caso de colisión.
Hemos podido mantenerlos estables con éxito durante 20 minutos a la vez, mucho más allá de las escalas de tiempo de microsegundos que suelen experimentar las partículas fundamentales inestables. Les disparamos fotones y descubrimos que tienen los mismos espectros de emisión y absorción que los átomos. Hemos determinado que las propiedades de la antimateria son las mismas que las predichas por la física estándar.
Excepto los gravitacionales, por supuesto. El nuevo detector ALPHA-g, construido en la fábrica canadiense TRIUMF y enviado al CERN a principios de este año, debería mejorar los límites de la aceleración gravitacional de la antimateria a un umbral crítico. ¿La antimateria se acelera en presencia de un campo gravitacional en la superficie de la Tierra a 9,8 m / s2 (hacia abajo), -9,8 m / s2 (hacia arriba), 0 m / s2 (en ausencia de aceleración gravitacional) o algún otro valor? ?
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Tanto desde el punto de vista teórico como práctico, cualquier resultado que no sea el esperado +9,8 m / s2 será absolutamente revolucionario.
Un análogo de antimateria para cada partícula de materia debería tener:
- la misma masa
- la misma aceleración en un campo gravitacional
- carga eléctrica opuesta
- giro opuesto
- las mismas propiedades magnéticas
- debe unirse de la misma manera en átomos, moléculas y estructuras más grandes
- debe tener el mismo espectro de transiciones de positrones en una variedad de configuraciones.
Algunas de estas propiedades se han medido a lo largo del tiempo: la masa inercial de la antimateria, la carga eléctrica, el espín y las propiedades magnéticas son bien conocidas y estudiadas. Las propiedades de unión y transitorias fueron medidas por otros detectores en el experimento ALPHA y están en línea con las predicciones de la física de partículas.
Pero si la aceleración gravitacional resulta ser negativa en lugar de positiva, literalmente pondrá el mundo patas arriba.
Actualmente, no existe tal cosa como un conductor gravitacional. En un conductor eléctrico, las cargas libres viven en la superficie y pueden moverse, redistribuyéndose en respuesta a cualquier carga cercana. Si tiene una carga eléctrica fuera del conductor eléctrico, el interior del conductor estará protegido de esa fuente de electricidad.
Pero no hay forma de protegerse de la fuerza de la gravedad. No hay forma de sintonizar un campo gravitacional uniforme en un área específica del espacio, como entre placas paralelas de un condensador eléctrico. ¿Porque? A diferencia de la fuerza eléctrica, que es generada por cargas positivas y negativas, solo existe un tipo de "carga" gravitacional: masa / energía. La fuerza gravitacional siempre se atrae y no hay forma de cambiarla.
Pero si tienes masa gravitacional negativa, todo cambia. Si la antimateria realmente manifiesta propiedades anti-gravitacionales, cae hacia arriba y no hacia abajo, entonces a la luz de la gravedad consiste en anti-masa o anti-energía. Según las leyes de la física tal como la conocemos, no existe anti-masa o anti-energía. Podemos imaginarlos e imaginar cómo se comportarían, pero esperamos que la antimateria tenga una masa normal y una energía normal cuando se trata de la gravedad.
Si existe la anti-masa, los muchos avances tecnológicos con los que los escritores de ciencia ficción han soñado durante muchos años se volverán físicamente factibles de repente.
- Podemos crear un conductor gravitacional protegiéndonos de las fuerzas gravitacionales.
- Podemos crear un condensador gravitacional en el espacio y crear un campo de gravedad artificial.
- Incluso podríamos crear un impulso warp, ya que tendríamos la capacidad de deformar el espacio-tiempo de la misma manera que requiere la solución matemática de la relatividad general propuesta por Miguel Alcubierre en 1994.
Esta es una oportunidad increíble que todos los físicos teóricos consideran casi imposible. Pero no importa cuán salvajes o impensables sean tus teorías, debes apoyarlas o refutarlas exclusivamente con datos experimentales. Solo midiendo y probando el universo se puede saber exactamente cómo funcionan sus leyes.
Hasta que midamos la aceleración gravitacional de la antimateria con la precisión necesaria para determinar si está cayendo hacia arriba o hacia abajo, debemos estar abiertos a la posibilidad de que la naturaleza no se esté comportando de la manera que esperamos. El principio de equivalencia puede no funcionar en el caso de la antimateria; puede ser 100% anti-principio. Y en este caso, se abrirá un mundo de posibilidades completamente nuevas. Descubriremos la respuesta en unos años, realizando un experimento simple: coloque un antiatómico en un campo gravitacional y vea cómo caerá.
Ilya Khel
