المادة المضادة تستجيب للجاذبية مثل المادة العادية

خلال الـ 95 عامًا التي عرفناها عن المادة المضادة، لم يختبر الفيزيائيون كيف يتأثر العكس المراوغ للمادة العادية بالجاذبية، وهي القوة التي تسحب الكتل إلى الأرض ويبدو أنها تؤثر على كل الأشياء في العالم الكلاسيكي.

الآن، قام مجموعة من الفيزيائيين بذلك. لاحظ أعضاء جهاز فيزياء الليزر المضاد للهيدروجين (ALPHA) في CERN بشكل مباشر أن الهيدروجين المضاد – رقائق المادة المضادة للهيدروجين – يسقط حرًا في حاوية. وتؤكد الملاحظات مبدأ التكافؤ الضعيف الذي وضعه أينشتاين في نظريته النسبية العامة، والذي يرى أن جميع الكتل تتفاعل بنفس الطريقة مع الجاذبية، بغض النظر عن تركيبها. وكان بحث الفريق نشرت اليوم في طبيعة.

قال جوناثان ورتيلي، عضو تعاون ALPHA وعالم فيزياء البلازما في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، في NSF: “تشير العديد من القياسات غير المباشرة إلى أن الجاذبية تتفاعل مع المادة المضادة كما هو متوقع”. يطلق“ولكن حتى النتيجة اليوم، لم يقم أحد فعليًا بإجراء ملاحظة مباشرة يمكن أن تستبعد، على سبيل المثال، تحرك الهيدروجين المضاد للأعلى بدلاً من التحرك للأسفل في مجال الجاذبية.”

المادة المضادة ليست مربكة كما قد يبدو. أولاً، لديها كتلة، ولكنها أيضًا نادرة جدًا مقارنة بوفرة المادة العادية في الكون. كما أوضح Gizmodo في عام 2021:

المادة المضادة هي نوع من مرآة المادة؛ نفس الجزيئات لكن بشحنات متعاكسة. تمتلك إلكترونات المادة العادية شحنة سالبة؛ بوزيترونات المادة المضادة مشحونة بشكل إيجابي. ثم لديك بروتونات موجبة الشحنة وبروتونات مضادة سالبة الشحنة، وهكذا. المادة المضادة والمادة تفنيان بعضهما البعض عندما تتلامسان، ولكن لحسن الحظ فإن الكميات الضئيلة التي يتم إنتاجها في CERN لا تشكل أي تهديد لنا.

“في الفيزياء الحديثة، يتم ترميز كتلة القصور الذاتي في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، في حين يتم التعامل مع كتلة الجاذبية في نظرية النسبية العامة لأينشتاين”، كتبت آنا سوتر، عالمة الفيزياء في ETH زيورخ، في مقال مصاحب لها. مقالة الأخبار والآراء. “إن التكافؤ المفترض لكتلة القصور الذاتي وكتلة الجاذبية مدمج في مبدأ التكافؤ الضعيف، وهو حجر الزاوية في النسبية العامة—لكن لم ينجح أي مقترح حتى الآن في توحيد النظريات».

تم وضع خطط لاختبار قوة الجاذبية على المادة المضادة لأول مرة بحلول عام 2018 ذكرت جيزمودو في ذلك الوقت، عندما قام تعاون ALPHA ببناء ALPHA-g، وهو مصيدة مغناطيسية لذرات الهيدروجين المضاد. يتم تعليق جزيئات المادة المضادة ثم إسقاطها داخل الفخ، في ما يعادل قصة القرن الحادي والعشرين التي قام فيها جاليليو جاليلي بإسقاط أشياء من برج بيزا المائل.

يتم تبريد جسيمات المادة المضادة من أجل إبطاء حركتها، مما يمنح الفيزيائيين وقتًا ثمينًا لمراقبتها وقياسها. في عام 2021، أعلن تعاون ALPHA أنهم تمكنوا من ذلك تبريد الهيدروجين المضاد إلى الصفر المطلق تقريبًا. “إن إبطاء حركة الذرات المضادة يسمح لنا بإجراء قياسات أكثر دقة لخصائصها. في الحياة اليومية، يمكنك أن تتخيل أن رؤية الأشياء التي تتحرك بسرعة أصعب من رؤية الأشياء التي تتحرك ببطء.» ماكوتو فوجيوارا، عالم فيزياء الجسيمات في كندا انتصار صرح بذلك فريق مسرع الجسيمات لموقع Gizmodo في ذلك الوقت. “يحدث الشيء نفسه في فيزياء الكم…. كلما زاد الوقت المتاح لك لمراقبة خاصية معينة، أصبح قياسك أكثر دقة.

عندما أفلت الهيدروجين المضاد المبرد من المصيدة المغناطيسية، دخلت الجسيمات إلى حجرة فراغ عمودية؛ إذا لامست الجسيمات جوانب الغرفة أو أطرافها (أي المادة العادية) فإنها تُباد. تلاعب الباحثون بقوة المجال المغناطيسي، لكنهم وجدوا أنه عندما تمت موازنة الحقول على جانبي الحجرة، تم تدمير حوالي 80% من جزيئات المادة المضادة باتجاه قاع المصيدة. وهذا يعني أن الجاذبية أوصلتهم إلى هناك.

من الجيد أن تؤثر الجاذبية على المادة بنفس الطريقة التي تؤثر بها على الأشياء العادية، وإذا لم يحدث ذلك، فهذا يعني أن الفيزيائيين كانوا يفتقدون شيئًا أساسيًا جدًا في النموذج القياسي. ليس من الواضح بعد ما إذا كانت المادة المضادة قد تأثرت بالجاذبية بنفس الطريقة التي تتأثر بها المادة العادية، ولكن حقيقة تأثرها تؤكد كلا من آينشتاين والنموذج القياسي.

لكن الألغاز لا تزال قائمة. لم يتم قياس حجم تسارع الجاذبية على الهيدروجين المضاد بدقة، ولكنه وضع الأسس لمثل هذه التجارب المستقبلية. ويمكن فعل ذلك باستخدام ذرات أكثر برودة، وبالتالي فهم مبدأ التكافؤ الضعيف بشكل أفضل. ووراء – أي أدناه – كتل أصغر الجسيمات، هناك عالم الكم، الذي يبدو أنه خارج تأثير الجاذبية، على الأقل كما نعرفه.

إذا وضعنا الأمر في الاعتبار، يبدو أن هذا التأكيد لشيء كان مشكوكًا فيه منذ فترة طويلة هو مجرد خطوة صغيرة في فهم الفيزيائيين لقوى الطبيعة وفيزياء الجسيمات. لكن الخطوات الصغيرة هي أهم الخطوات التي يجب اتخاذها.

أكثر: يقول الفيزيائيون إن المادة المضادة يمكنها السفر عبر مجرتنا بسهولة