科技革命的关键点:测量反物质的重力加速度!

文章作者:bianji3 | 2018-10-29
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自然界中,每个粒子都遵循相同的规则,经历同样的力,并且感受着相同的基本常量。而宇宙中的每一个实体也都受到地球引力的影响,有些时候用重力加速度来描述,有些时候用时空曲率来说明。

 

(按照广义相对论的理论,由物质质量分布状况决定的时空曲率产生了引力。反物质质量与重力场中的物质质量表现是否相同,这需要实验证实。)

光子和正常的、稳定的粒子,在重力场中都会像预期那样下落,地球会导致任何有质量的粒子以9.8m/s^2的加速度向地球方向中心运动。但是,我们从未测量过反物质的重力加速度。一项实验正试图确定这件事情,这或许将成为一场科技革命的关键点。

(ALPHA实验中反氢原子的轨迹。我们现在可以让它们一次稳定20分钟,下一个逻辑步骤是测量它们在重力场中的行为。)

对于质量有两种完全不同的思考方式。一种质量是惯性质量,当你对质量物体施加力时,它就会加速,这就是众所周知的牛顿第二定律F=ma描述的内容。另一种质量是引力质量,这里的质量m出现在地球表面重力公式(w=mg)或牛顿引力定律公式F=GmM/r 中。对于正常物质,惯性质量和引力质量是相等的。

(牛顿万有引力定律(L)和库仑静电学定律(R)具有几乎相同的形式。)

然而,对于反物质来说,我们根本无法进行测量。我们对反物质施加了非引力,看到它加速,它和正常物质的惯性质量完全一样。F=ma和E=mc 既适用于反物质也适用于正常物质。

但是,如果我们想知道反物质的引力行为,不能仅仅停留在理论上的预期,必须进行实验测量。幸运的是,现在有一项实验正是为了做到这一点而设计的:欧洲粒子物理研究所(CERN)的ALPHA实验。

反质子和正电子(反电子)能够被创造,被减速,并且迫使他们相互作用,形成中性反氢原子。利用电场和磁场的组合,我们可以限制这些反原子,使它们保持稳定,远离导致它们消失的物质。

我们成功地让它们一次稳定了大约20分钟,远远超过了不稳定的基本粒子存在的微秒时间。我们用光子撞击它们时发现,它们与原子具有相同的发射光谱和吸收光谱。重要的是,我们已经确定反物质的性质和标准物理预测的完全一样。

 

(加拿大国家粒子与核物理实验室TRIUMF制造的ALPHA-g探测器,是首个设计用来测量重力对反物质影响的探测设备。当垂直定向时,它能够测量反物质下落的方向和程度。)

当然,除了重力。新的ALPHA-g探测器由加拿大国家粒子与核物理实验室TRIUMF制造,并于今年运至欧洲粒子物理研究所(CERN)。该探测器将把反物质重力加速度的限制提高到临界阈值。在地球表面引力场存在的情况下,反物质加速度会达到到+9.8m/s^2(下线)、-9.8m/s^2(上线)、0m/s^2(完全无重力加速度)或其他某个值吗?

从理论和应用的角度来看,预期的+9.8m/s 以外的任何结果都将是革命性的。

(如果有某种类型的物质具有负引力电荷,它就会被我们所知道的物质和能量所排斥。)

每个物质粒子对应的反物质具有同样的质量、引力场中同样的加速度、相反的电荷、相反的自旋、同样的磁性;应该以同样的方式结合在一起,形成原子、分子和更大的结构;在这些不同的构造中,正电子转变的光谱应该是相同的。

反物质的惯性质量、电荷,自旋和磁性已经得到证实。反物质的结合和过渡性质在阿尔法实验中已由其他探测器测量,结果与粒子物理预测一致。

但是,如果重力加速度变成负值而不是正值,世界就会被颠倒过来。

在我们测量反物质的重力加速度可以达到什么值时,我们必须对自然界中的未知状态保持开放态度。对于反物质来说,等效原理可能不成立。事实上,它可能是100%的反真。如果是这样,一个可能性的全新世界将被打开。我们可以改变人类目前能够在宇宙中创造的已知极限。几年后,我们将会通过最简单的实验来了解这个答案:将反原子置于重力场中,并观察其下落的方向。

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