Введение
Теория гравитации антиматерии
Физики наблюдали гравитационное взаимодействие антиматерии с материей или другой антиматерией. В соответствии с ранее существовавшим консенсусом среди физиков, экспериментально подтверждено, что гравитация притягивает как материю, так и антиматерию с одинаковой скоростью в пределах экспериментальной погрешности. Редкость антиматерии и его склонность к аннигиляции при контакте с материей делают его изучение технически сложной задачей. Более того, гравитация значительно слабее других фундаментальных сил, что по-прежнему представляет интерес для физиков и затрудняет изучение гравитации в системах, достаточно малых для создания в лабораторных условиях, включая системы антиматерии. Большинство методов создания антиматерии (в частности, антиводорода) приводят к образованию частиц и атомов с высокой кинетической энергией, что делает их непригодными для гравитационных исследований. Антиматерия гравитационно притягивается к материи. Величина гравитационной силы также одинакова. Это предсказывается теоретическими доводами, такими как гравитационная эквивалентность энергии и массы, и было экспериментально подтверждено для антиводорода. Однако погрешность в определении эквивалентности гравитационного ускорения материи к материи по сравнению с антиматерией к материи составляет около 20%.
Теории гравитационного притяжения
Когда антиматерия была впервые обнаружена в 1932 году, физики задумались о том, как она будет взаимодействовать с гравитацией. Первоначальный анализ был направлен на выяснение, должна ли антиматерия реагировать на гравитацию так же, как и материя, или же противоположным образом. Возникло несколько теоретических аргументов, которые убедили физиков в том, что антиматерия будет реагировать на гравитацию так же, как и обычная материя. Они пришли к выводу, что гравитационное отталкивание между материей и антиматерией маловероятно, поскольку это нарушило бы CPT-инвариантность, закон сохранения энергии, привело бы к нестабильности вакуума и нарушению CP-инвариантности. Также предполагалось, что это противоречило бы результатам эксперимента Этвёша по проверке слабого принципа эквивалентности. Многие из этих ранних теоретических возражений впоследствии были опровергнуты.
Принцип эквивалентности
Принцип эквивалентности предсказывает, что масса и энергия взаимодействуют с гравитацией одинаково, следовательно, материя и антиматерия будут ускоряться гравитационным полем идентично. С этой точки зрения, гравитационное отталкивание между материей и антиматерией маловероятно.
Поведение фотонов
Фотоны, являющиеся собственными античастицами в рамках Стандартной модели, в многочисленных астрономических наблюдениях (например, при гравитационном красном смещении и гравитационном линзировании) демонстрируют взаимодействие с гравитационным полем обычной материи в точном соответствии с предсказаниями общей теории относительности. Любая теория, предсказывающая отталкивание между материей и антиматерией, должна объяснить этот факт.
Теорема КПТ
Теорема CPT подразумевает, что различие между свойствами частицы материи и её античастицы полностью определяется C-преобразованием. Поскольку это C-преобразование не влияет на гравитационную массу, теорема CPT предсказывает, что гравитационная масса антиматерии равна гравитационной массе обычной материи. Отталкивающее гравитационное взаимодействие исключается, так как это подразумевало бы различие в знаке между наблюдаемой гравитационной массой материи и антиматерии.
Аргумент Моррисона
В 1958 году Филип Моррисон утверждал, что антигравитация нарушила бы закон сохранения энергии. Если бы материя и антиматерия откликались на гравитационное поле противоположным образом, то для изменения высоты пары частица-античастица не потребовалось бы затрат энергии. Однако, при движении сквозь гравитационный потенциал, частота и энергия света претерпевают сдвиг. Моррисон утверждал, что энергия создавалась бы при создании материи и антиматерии на определенной высоте и последующем их аннигилировании выше, поскольку энергия фотонов, используемых для создания, была бы меньше, чем энергия фотонов, образующихся при аннигиляции.
Аргумент Шиффа
Позже в 1958 году Л. Шифф использовал квантовую теорию поля, чтобы доказать, что антигравитация противоречит результатам эксперимента Этвёша. Однако метод перенормировки, примененный в анализе Шиффа, подвергается серьезной критике, и его работа признается неокончательной.
Достоверный аргумент
В 1961 году Майрон Л. Гуд утверждал, что антигравитация приведет к наблюдению неприемлемо высокого уровня нарушения CP при аномальной регенерации каонов. На тот момент нарушение CP еще не было обнаружено. Однако аргумент Гуда критикуется за выражение в терминах абсолютных потенциалов. Переформулировав аргумент в терминах относительных потенциалов, Габриэль Шарден обнаружил, что он приводит к количеству регенерации каонов, которое соответствует наблюдаемым значениям. Он предположил, что антигравитация может быть потенциальным объяснением нарушения CP, основываясь на его моделях K-мезонов. Его результаты относятся к 1992 году. Однако последующие исследования механизмов нарушения CP в системах B-мезонов фундаментально опровергли эти объяснения.
Аргумент Джерарда Тхофта
Согласно Герару т’Хофту, каждый физик сразу понимает, в чем проблема с идеей гравитационного отталкивания: если мяч бросить высоко в воздух, чтобы он упал обратно, то его движение симметрично относительно обращения времени; и, следовательно, мяч падает вниз и в обратном направлении времени. Поскольку частица материи, движущаяся в обратном направлении времени, является античастицей, т’Хофт утверждает, что антиматерия падает на Землю так же, как и "обычная" материя. Однако Кабболе ответил, что аргумент т’Хофта неверен и лишь доказывает, что антимяч падает на антиземлю – что не вызывает споров.
Теории гравитационного отталкивания
Поскольку отталкивающая гравитация не была экспериментально опровергнута, можно строить предположения о физических принципах, которые могли бы вызвать такое отталкивание. На данный момент опубликованы три принципиально различных теории.
Теория Ковитта
Первой теорией отталкивающей гравитации была квантовая теория, опубликованная Марком Ковиттом. В этой модифицированной теории Дирака Ковитт предположил, что позитрон не является «дырой» в море электронов с отрицательной энергией, как в обычной теории «дыр» Дирака, а вместо этого – «дырой» в море электронов с отрицательной энергией и положительной гравитационной массой: это приводит к модифицированной инверсии C, в которой позитрон обладает положительной энергией, но отрицательной гравитационной массой. Отталкивающая гравитация затем описывается добавлением дополнительных членов (mgΦg и mgAg) к волновому уравнению. Суть идеи заключается в том, что волновая функция позитрона, движущегося в гравитационном поле материальной частицы, эволюционирует таким образом, что со временем вероятность обнаружить позитрон на большем расстоянии от материальной частицы возрастает.
Теория Сантили и Виллаты
Классические теории отталкивающей гравитации были опубликованы Руджеро Сантилли и Массимо Виллатой. Обе теории являются расширениями общей теории относительности и экспериментально неотличимы. Основная идея заключается в том, что гравитация – это отклонение непрерывной траектории частицы из-за кривизны пространства-времени, однако античастицы «существуют» в инвертированном пространстве-времени. Уравнение движения для античастиц выводится из уравнения движения обычных частиц либо применением операторов C, P и T (Виллата), либо применением изодуальных отображений (Сантилли), что эквивалентно: в результате уравнение движения для античастиц предсказывает отталкивание материи и антиматерии. Необходимо исходить из того, что наблюдаемые траектории античастиц являются проекциями на наше пространство-время истинных траекторий в инвертированном пространстве-времени. Тем не менее, на методологических и онтологических основаниях было высказано мнение, что область применимости теории Виллаты не может быть распространена на микрокосм. Эти возражения впоследствии были отклонены Виллатой.
Теория Каболета
Первые неклассические, неквантовые физические принципы, лежащие в основе гравитационного отталкивания материи и антиматерии, были опубликованы Маркоэном Кабболе. Он представляет теорию элементарных процессов, использующую новый язык для физики, то есть новый математический формализм и новые физические концепции, несовместимые как с квантовой механикой, так и с общей теорией относительности. Основная идея состоит в том, что частицы с ненулевой массой покоя, такие как электроны, протоны, нейтроны и их античастицы, демонстрируют ступенчатое движение, попеременно находясь в состоянии покоя, подобном частице, и в волнообразном состоянии движения. Гравитация проявляется в волнообразном состоянии, и теория допускает, например, что волнообразные состояния протонов и антипротонов по-разному взаимодействуют с гравитационным полем Земли.
Анализ
Другие авторы использовали гравитационное отталкивание материи и антиматерии для объяснения космологических наблюдений, однако в этих публикациях не рассматриваются физические принципы, лежащие в основе этого отталкивания.
Сверхновая 1987А
Одним из источников экспериментальных подтверждений нормальной гравитации стало наблюдение нейтрино от сверхновой 1987A. В 1987 году три детектора нейтрино, расположенные в разных частях мира, одновременно зарегистрировали каскад нейтрино, испущенных сверхновой в Большом Магеллановом Облаке. Несмотря на то, что сверхновая произошла на расстоянии около 164 000 световых лет, как нейтрино, так и антинейтрино, по-видимому, были обнаружены практически одновременно. Если оба типа частиц действительно были зарегистрированы, то любое различие в гравитационном взаимодействии должно быть крайне незначительным. Однако детекторы нейтрино не способны идеально различать нейтрино и антинейтрино. Некоторые физики осторожно оценивают вероятность того, что обычные нейтрино вообще не были обнаружены, как менее 10%. Другие оценивают эту вероятность еще ниже, вплоть до 1%. К сожалению, в ближайшее время вряд ли удастся повысить точность этих оценок, повторив эксперимент. Предыдущая сверхновая, произошедшая на столь близком расстоянии до сверхновой 1987A, была зафиксирована примерно в 1867 году.
Эксперименты с холодно-нейтральным антиводородом
С 2010 года стало возможным производство холодного антиводорода на Антипротонном замедлителе в ЦЕРНе. Антиводород, являясь электрически нейтральным, должен позволить напрямую измерить гравитационное притяжение частиц антивещества к веществу Земли. Атомы антиводорода были захвачены в ЦЕРНе, сначала в установке ALPHA, а затем в ATRAP; в 2012 году ALPHA использовала эти атомы для получения первых оценок предела свободного падения, ограничивающих гравитационное взаимодействие антивещества с веществом. Измерение выполнено с точностью до ±7500% от значения обычной гравитации, что недостаточно для однозначного научного заключения о знаке гравитации, действующей на антивещество. Для будущих экспериментов потребуется более высокая точность, либо с использованием пучков антиводорода (AEgIS), либо с захваченным антиводородом (ALPHA или GBAR). В 2013 году эксперименты с атомами антиводорода, выпущенными из ловушки ALPHA, установили прямые, то есть полученные в условиях свободного падения, приблизительные ограничения на гравитацию антивещества.