Кіріспе
Антиматерияға қатысты гравитация теориясы
Физиктер антиматерияның материямен немесе антиматериямен гравитациялық өзара әрекеттесуін байқады. Бұрын физиктер арасындағы консенсус ретінде, ауырлық күші материя мен антиматерияны эксперименттік қателік шегінде бірдей жылдамдықпен тартатыны эксперименттік жолмен расталды. Антиматерияның сирек кездесуі және материямен жанасқанда жойылуға бейімділігі оны зерттеуді техникалық тұрғыдан қиын міндет етеді. Бұған қоса, гравитациялық күштің басқа негізгі күштерге қарағанда әлсіздігі физиктер үшін әлі де қызығушылық тудырады, бұл зертханада, соның ішінде антиматерия жүйелерінде жасауға мүмкіндігі бар кішкентай жүйелерде гравитацияны зерттеуге жасалатын күш-жігерді усложняет. Антиматерияны (әсіресе антигидрогенді) жасаудың көптеген әдістері гравитацияға қатысты зерттеулерге жарамсыз, жоғары кинетикалық энергиялы бөлшектер мен атомдарды тудырады. Антиматерия материяға гравитациялық тартыммен тартылады. Гравитациялық күштің шамасы да бірдей. Бұл энергия мен материяның гравитациялық эквиваленттігі сияқты теориялық аргументтермен болжанады және антигидроген үшін эксперименттік түрде тексерілді. Дегенмен, материяға қатысты материя мен антиматерияның гравитациялық үдеуінің эквиваленттілігінің қателік маржасы шамамен 20% құрайды.
Гравитациялық тартылыс теориясы
1932 жылы антиматерия алғаш рет ашылғанда, физиктер оның гравитацияға қалай реакция ететінін ойлады. Бастапқы талдау антиматерияның материя сияқты әрекет ете ме, әлде керісінше реакция көрсете ме деген мәселеге бағытталды. Физиктерді антиматерияның қалыпты материя сияқты әрекет ететініне көндірген бірнеше теориялық аргументтер пайда болды. Олар материя мен антиматерия арасындағы гравитациялық итергіш күштің болуы мүмкін емес деп болжады, себебі ол CPT инварианттылығын, энергияның сақталуын бұзады, вакуумның тұрақсыздығына және CP бұзушылығына алып келер еді. Бұған қоса, бұл әлсіз тепе-теңдік принципінің Этвёс тәжірибесінің нәтижелерімен қайшы келер деп есептелді. Осы ерте теориялық қарсылықтардың көпшілігі кейіннен күшін жойды.
Теңдестік қағидаты
Эквиваленттік принцип масса мен энергияның гравитациямен бірдей әрекет ететінін болжайды, демек материя мен антиматерия гравитациялық өріспен бірдей үдеуге ие болады. Осыған байланысты, материя мен антиматерия арасындағы гравитациялық итергіш күш болуы күмәнді.
Фотондардың мінез-құлқы
Стандартты модельде өз-өздеріне антибөлшектері болатын фотондар, көптеген астрономиялық сынақтарда (мысалы, гравитациялық қызыл жылжу және гравитациялық линзалау) қалыпты материяның гравитациялық өрісімен жалпы салыстырмалылық теориясы болжағандай дәлме-дәл өзара әрекеттесетіні байқалды. Бұл, материя мен антиматерияның тебілетінін болжаған кез келген теория түсіндіруі тиіс ерекшелік.
CPT теоремасы
CPT теоремасы материя бөлшегінің және оның антиматериялық әріптесінің қасиеттері арасындағы айырмашылықты C инверсиясымен толыққанды сипаттайды. Бұл C инверсиясы гравитациялық массаға әсер етпейтіндіктен, CPT теоремасы антиматерияның гравитациялық массасы обыкновен материяның гравитациялық массасымен бірдей екенін күтеді. Сондықтан, теріскей тартылыс мүмкін емес, себебі ол материя мен антиматерияның байқалатын гравитациялық массасының таңбасындағы айырмашылықты білдіретін болар еді.
Моррисонның дәлелі
1958 жылы Филип Моррисон антигравитация энергия сақталу заңын бұзатынын айтты. Егер материя мен антиматерия гравитациялық өріс әсеріне қарама-қарсы жауап берсе, онда бөлшек-антибөлшек жұбының биіктігін өзгерту үшін энергия қажет болмас еді. Дегенмен, гравитациялық потенциал арқылы қозғалғанда жарықтың жиілігі мен энергиясы өзгереді. Моррисон материя мен антиматерияны бір биіктікте жаратып, кейін жоғарыда жою арқылы энергия пайда болады деп тұжырымдады, себебі жарату үшін қолданылған фотондардың энергиясы жоюдан пайда болған фотондардан кем болар еді.
Шифтің дәлелі
Кейін 1958 жылы Л. Шифф кванттық өріс теориясын қолданып, антигравитация Этвёс экспериментінің нәтижелерімен қарама-қайшы болар екенін көрсетті. Дегенмен, Шиффтің талдауында қолданылған қайта нормалау техникасы көп сынға ұшырады және оның жұмысы нақты қорытынды шығармайды деп есептеледі.
Жақсылық аргументі
1961 жылы Майрон Л. Гуд антигравитацияның каондардың аномальды регенерациясында ҚП-ның (CP) қабылдауға келмейтіндей жоғары деңгейде бұзылуына себеп болатынын айтты. Ол кезде ҚП бұзуы әлі байқалмаған еді. Дегенмен, Гудтың аргументі абсолюттік потенциалдармен түсіндірілгендігі үшін сынға ұшырады. Аргументті салыстырмалы потенциалдармен қайта формулирлеу арқылы Габриэль Шардин оның нәтижесінің байқаулармен сәйкес келетін каон регенерациясының деңгейіне әкелетінін анықтады. Ол антигравитацияның К-мезондардағы модельдеріне негізделген ҚП бұзуының мүмкін түсіндірмесі болуы мүмкін екенін дәлелдеді. Оның нәтижелері 1992 жылға жатады. Бірақ, содан бері B мезондарының ҚП бұзу механизмдерін зерттеулер осы түсіндірмелерді түбегейлі жоққа шығарды.
Герард т Хоуфттың дәлелі
Герард т Хофтың пікірінше, кез келген физик гравитациялық итергіштік идеясының дұрыс еместігін бірден түсінеді: егер допты биікке лақтырсаңыз да, ол кері түсіп жатса, оның қозғалысы уақыттың кері айналуына қатысты симметриялы болады; демек, доп уақыт бағытына қарама-қарсы бағытта да төмен түседі. Уақыттың кері бағытындағы материя бөлшегі антибөлшек болатындықтан, т Хофтың сөзіне сүйенсек, антиматерия да "қалыпты" материя сияқты жерге түседі. Бірақ Каболе т Хофтың аргументінің жалған екенін, ол тек антидоптың антижерге түсетінін көрсетеді дейді, бұл пікірге ешкім дау айтпайды.
Гравитациялық керілу теориясы
Жүгірткіш гравитация эксперименттік жолмен жоққа шығарылмағандықтан, мұндай итергіш күшті тудыруға болатын физикалық принциптер туралы пікір айтуға болады. Бүгінгі күнге дейін үш түбегейлі түрлі теория жарияланды.
Ковитт теориясы
Асыртқы гравитация теориясының алғашқысы Марк Ковитт жариялаған кванттық теория болды. Бұл өзгертілген Дирак теориясында Ковитт позитронның, әдеттегі Дирак тесігі теориясындағыдай, теріс энергиялы электрондар теңізіндегі бос орын емес, керісінше теріс энергиялы және оң гравитациялық массасы бар электрондар теңізіндегі бос орын екенін болжады: бұл өзгертілген C-инверсияға әкеледі, оған сәйкес позитрон оң энергияға, бірақ теріс гравитациялық массаға ие болады. Асыртқы гравитация одан кейін толқын теңдеуіне қосымша мүшелер (mgΦg және mgAg) қосу арқылы сипатталады. Аталған идеяға сәйкес, материя бөлшегінің гравитациялық өрісінде қозғалатын позитронның толқындық функциясы уақыт өте келе материя бөлшегінен алысқа жылған позитронның табылу ықтималдығын арттырады.
Сантили мен Виллатаның теориясы
Руджеро Сантили мен Массимо Виллата тарапынан теріскел гравитацияның классикалық теориялары жарияланды. Екі теория да жалпы салыстырмалылық теориясының кеңейтілген нұсқалары болып табылады және тәжірибе жүзінде ажырату мүмкін емес. Базалық идея гравитацияның – уақыт-кеңістіктің қисықтығынан туындаған үздіксіз бөлшектер траекториясының ауытқуы екендігінде, бірақ антибөлшектер инвертті уақыт-кеңістікте "өмір сүреді". Антибөлшектердің қозғалыс теңдеуі C, P және T операторларын (Виллата) немесе изодуалды бейнелеулерді (Сантили) қолдану арқылы, қарапайым бөлшектердің қозғалыс теңдеуінен шығарылады, бұл бірдей мәнді білдіреді: антибөлшектердің қозғалыс теңдеуі материя мен антиматерияның тебілуін болжайды. Антибөлшектердің байқалатын траекториялары – инвертті уақыт-кеңістіктегі нақты траекториялардың біздің уақыт-кеңістігіне проекциясы деп есептелуі керек. Дегенмен, Виллатаның теориясын микрокосмға дейін қолдану аясын кеңейтуге болмайды деген әдістемелік және онтологиялық аргументтер келтірілді. Бұл қарсылықтарды Виллата кейіннен жоққа шығарды.
Каболе теориясы
Материя-антиматерияның гравитациялық итергішін түсіндіретін алғашқы классикалық емес, кванттық емес физикалық принциптерді Маркоэн Кабболе жариялады. Ол физика үшін жаңа тілді, яғни жаңа математикалық формализмді және жаңа физикалық ұғымдарды пайдаланатын, сонымен қатар кванттық механикамен де, жалпы салыстырмалылық теориясымен де қарама-қайшы келетін Элементарлық Процесс Теориясын ұсынады. Теорияның негізгі идеясы – электрон, протон, нейтрон және олардың антиматериялық қарсылықтары сияқты нөлдік емес тыныштық массасы бар бөлшектер, бөлшектік тыныштық күйі мен толқындық қозғалыс күйі арасында кезектескенде сатылап қозғалыс көрсетеді. Гравитация толқындық күйде жүзеге асады, және бұл теория, мысалы, протон мен антипротонның толқындық күйлері Жердің гравитациялық өрісімен әртүрлі әрекеттесе алады деген мүмкіндікті қарастырады.
Талдау
Басқа авторлар космологиялық байқауларды түсіндіру үшін материя-антиматерияның гравитациялық итергіш күшін пайдаланған, бірақ бұл жарияланымдар гравитациялық итергіш күштің физикалық қағидаларын қарастырмайды.
1987А суперновасы
Нормалды гравитацияның пайдасына эксперименттік дәлелдердің бір көзі 1987А суперновасынан нейтриноларды байқау болды. 1987 жылы әлемдегі үш нейтрино детекторы бірдей уақытта Үлкен Магеллан бұлтындағы суперновадан шыққан нейтринолардың тізбегін байқады. Супернова шамамен 164 000 жарық жылы қашықтықта болғанмен, нейтринолар мен антинейтринолар дерлік бір уақытта байқалған сияқты. Егер екеуі де шындығында байқалған болса, онда гравитациялық өзара әрекеттесудегі кез келген айырмашылық өте кішкентай болуы керек. Дегенмен, нейтрино детекторлары нейтрино мен антинейтриноны толыққанды ажырата алмайды. Кейбір физиктер мұндай жағдайда ешқандай қалыпты нейтрино байқалмауының ықтималдығы 10%-дан кем деп сараптап бағалайды. Ал басқалары одан да төменгі ықтималдықты, тіпті 1%-ға дейін бағалайды. Анықтап айтқанда, осындай тәжірибені қайталау арқылы бұл дәлдікті жақсартуға қазірдің өзінде үміт жоқ. 1987А суперновасына дейін осындай жақын қашықтықта болған соңғы белгілі супернова шамамен 1867 жылы болған.
Салқын нейтралды антигидроген эксперименттері
2010 жылдан бері CERN-дегі антипротон баяулағышында суық антигидроген өндіру мүмкін болды. Электрлік бейтарап антигидроген антиматерия бөлшектерінің Жер материясына тартылуын тікелей өлшеуге мүмкіндік беруі керек. Антигидроген атомдары CERN-де тұтқындалды, бірінші ALPHA, содан кейін ATRAP; 2012 жылы ALPHA осындай атомдарды антиматерияның материямен гравитациялық өзара әрекеттесуіне қатысты алғашқы еркін түсу шектерін белгілеу үшін пайдаланды, бұл шамамен қарапайым гравитацияның ±7500% -ы мөлшерінде өлшенді, антиматерияға әсер ететін гравитацияның таңбасы туралы нақты ғылыми тұжырым жасау үшін бұл жеткіліксіз. Жаңа тәжірибелерді антигидроген шоқтарымен (AEgIS) немесе тұтқындалған антигидрогенмен (ALPHA немесе GBAR) жоғары дәлдікпен жүргізу қажет. 2013 жылы ALPHA тұзағынан босатылған антигидроген атомдарымен жүргізілген тәжірибелер антиматерия гравитациясына қатысты тікелей, яғни еркін түсу бойынша, жалпы шектеулер қойды.