Los físicos han observado la interacción gravitacional de la antimateria con la materia o la antimateria . [1] Como era el consenso entre los físicos anteriormente, se confirmó experimentalmente que la gravedad atrae tanto la materia como la antimateria a la misma velocidad dentro del error experimental.
La rareza de la antimateria y su tendencia a aniquilarse cuando se pone en contacto con la materia hace que su estudio sea una tarea técnicamente exigente. Además, la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas fundamentales , por razones que aún interesan a los físicos, lo que complica los esfuerzos para estudiar la gravedad en sistemas lo suficientemente pequeños como para ser creados de manera factible en el laboratorio, incluidos los sistemas de antimateria. La mayoría de los métodos para la creación de antimateria (especialmente antihidrógeno ) dan como resultado partículas y átomos de alta energía cinética, que no son adecuados para el estudio relacionado con la gravedad . [2]
La antimateria es atraída gravitacionalmente por la materia. La magnitud de la fuerza gravitacional también es la misma. Esto lo predicen argumentos teóricos como la equivalencia gravitacional de energía y materia , y ha sido verificado experimentalmente para el antihidrógeno. Sin embargo, la equivalencia de la aceleración gravitacional de materia a materia versus antimateria a materia tiene un margen de error de aproximadamente el 20% ( [1] tabla 3). Las dificultades para crear modelos de gravedad cuántica han llevado a la idea de que la antimateria puede reaccionar con una magnitud ligeramente diferente. [3]
Cuando la antimateria se descubrió por primera vez en 1932, los físicos se preguntaron cómo reaccionaría ante la gravedad. El análisis inicial se centró en si la antimateria debería reaccionar igual que la materia o reaccionar de manera opuesta. Surgieron varios argumentos teóricos que convencieron a los físicos de que la antimateria reaccionaría igual que la materia normal. Infirieron que la repulsión gravitacional entre materia y antimateria era inverosímil ya que violaría la invariancia de CPT , la conservación de energía , daría como resultado inestabilidad del vacío y violaría CP . [ cita requerida ] También se teorizó que sería inconsistente con los resultados de la prueba de Eötvös del principio de equivalencia débil . Muchas de estas primeras objeciones teóricas fueron posteriormente revocadas. [4]
El principio de equivalencia predice que la masa y la energía reaccionan de la misma manera con la gravedad, por lo tanto, la materia y la antimateria serían aceleradas de manera idéntica por un campo gravitacional. Desde este punto de vista, la repulsión gravitacional materia-antimateria es poco probable.
En numerosas pruebas astronómicas ( desplazamiento al rojo gravitacional y lentes gravitacionales , por ejemplo) se ha observado que los fotones , que son sus propias antipartículas en el marco del modelo estándar , interactúan con el campo gravitacional de la materia ordinaria exactamente como lo predice el estudio general. teoría de la relatividad . Ésta es una característica que cualquier teoría que prediga que la materia y la antimateria se repelen debe explicar. [ cita necesaria ]
El teorema CPT implica que la diferencia entre las propiedades de una partícula de materia y las de su contraparte de antimateria se describe completamente mediante inversión de C. Dado que esta inversión de C no afecta la masa gravitacional, el teorema CPT predice que la masa gravitacional de la antimateria es la misma que la de la materia ordinaria. [5] Entonces se excluye una gravedad repulsiva, ya que eso implicaría una diferencia de signo entre la masa gravitacional observable de materia y antimateria. [ cita necesaria ]
En 1958, Philip Morrison argumentó que la antigravedad violaría la conservación de la energía . Si la materia y la antimateria respondieran de manera opuesta a un campo gravitacional, entonces no se necesitaría energía para cambiar la altura de un par partícula-antipartícula. Sin embargo, cuando se mueve a través de un potencial gravitacional, la frecuencia y la energía de la luz cambian. Morrison argumentó que la energía se crearía produciendo materia y antimateria a una altura y luego aniquilándolas más arriba, ya que los fotones utilizados en la producción tendrían menos energía que los fotones producidos por la aniquilación. [6]
Más tarde, en 1958, L. Schiff utilizó la teoría cuántica de campos para argumentar que la antigravedad sería inconsistente con los resultados del experimento de Eötvös . [7] Sin embargo, la técnica de renormalización utilizada en el análisis de Schiff es fuertemente criticada y su trabajo se considera no concluyente. [4] En 2014, Marcoen Cabbolet rehizo el argumento y concluyó, sin embargo, que simplemente demuestra la incompatibilidad del modelo estándar y la repulsión gravitacional. [8]
En 1961, Myron L. Good argumentó que la antigravedad daría como resultado la observación de una cantidad inaceptablemente alta de violación de CP en la regeneración anómala de kaones . [9] En ese momento, aún no se había observado una violación del CP. Sin embargo, el argumento de Good es criticado por expresarse en términos de potenciales absolutos. Al reformular el argumento en términos de potenciales relativos, Gabriel Chardin descubrió que daba como resultado una cantidad de regeneración de kaones que concuerda con la observación. [10] Argumentó que la antigravedad es una explicación potencial para la violación de CP basándose en sus modelos sobre mesones K. Sus resultados datan de 1992. Sin embargo, desde entonces, los estudios sobre los mecanismos de violación de CP en los sistemas de mesones B han invalidado fundamentalmente estas explicaciones. [ cita necesaria ]
Según Gerard 't Hooft , todo físico reconoce inmediatamente lo que está mal en la idea de repulsión gravitacional: si se lanza una pelota a gran altura en el aire para que caiga hacia atrás, entonces su movimiento es simétrico en inversión del tiempo; y por lo tanto la pelota cae también en la dirección opuesta del tiempo. [11] Dado que una partícula de materia en dirección temporal opuesta es una antipartícula, esto demuestra, según 't Hooft, que la antimateria cae a la Tierra igual que la materia "normal". Sin embargo, Cabbolet respondió que el argumento de 't Hooft es falso y sólo prueba que una antibola cae sobre una antitierra, lo cual no se discute. [12]
Dado que la gravedad repulsiva no ha sido refutada experimentalmente, es posible especular sobre los principios físicos que provocarían tal repulsión. Hasta ahora se han publicado tres teorías radicalmente diferentes.
La primera teoría de la gravedad repulsiva fue una teoría cuántica publicada por Mark Kowitt. [13] En esta teoría de Dirac modificada, Kowitt postuló que el positrón no es un agujero en el mar de electrones con energía negativa como en la teoría habitual de los agujeros de Dirac , sino que es un agujero en el mar de electrones con energía negativa. -energía-y-masa-gravitacional-positiva: esto produce una inversión C modificada, por la cual el positrón tiene energía positiva pero masa gravitacional negativa. Luego , la gravedad repulsiva se describe agregando términos adicionales ( mg Φ g y mg Ag ) a la ecuación de onda . La idea es que la función de onda de un positrón que se mueve en el campo gravitacional de una partícula de materia evoluciona de tal manera que con el tiempo se vuelve más probable encontrar el positrón más lejos de la partícula de materia. [ cita necesaria ]
Ruggero Santilli y Massimo Villata han publicado teorías clásicas sobre la gravedad repulsiva . [14] [15] [16] [17] Ambas teorías son extensiones de la relatividad general y son experimentalmente indistinguibles. La idea general sigue siendo que la gravedad es la desviación de la trayectoria continua de una partícula debido a la curvatura del espacio-tiempo, pero las antipartículas "viven" en un espacio-tiempo invertido. La ecuación de movimiento de las antipartículas se obtiene luego a partir de la ecuación de movimiento de las partículas ordinarias aplicando los operadores C, P y T (Villata) o aplicando mapas isoduales (Santilli), lo que equivale a lo mismo: la ecuación de movimiento para las antipartículas predice entonces una repulsión de materia y antimateria. Hay que considerar que las trayectorias observadas de las antipartículas son proyecciones en nuestro espacio-tiempo de las trayectorias verdaderas en el espacio-tiempo invertido. Sin embargo, se ha argumentado por motivos metodológicos y ontológicos que el área de aplicación de la teoría de Villata no puede ampliarse para incluir el microcosmos. [18] Estas objeciones fueron posteriormente desestimadas por Villata. [19]
Marcoen Cabbolet ha publicado los primeros principios físicos no clásicos y no cuánticos que subyacen a la repulsión gravitacional materia-antimateria. [5] [20] Introduce la Teoría de Procesos Elementales, que utiliza un nuevo lenguaje para la física, es decir, un nuevo formalismo matemático y nuevos conceptos físicos, y que es incompatible tanto con la mecánica cuántica como con la relatividad general. La idea central es que las partículas con masa en reposo distinta de cero, como electrones, protones, neutrones y sus contrapartes de antimateria, exhiben un movimiento gradual a medida que alternan entre un estado de reposo similar a una partícula y un estado de movimiento similar a una onda. La gravitación se produce entonces en un estado ondulatorio y la teoría permite, por ejemplo, que los estados ondulatorios de los protones y antiprotones interactúen de forma diferente con el campo gravitatorio terrestre. [ cita necesaria ]
Otros autores [21] [22] [23] han utilizado una repulsión gravitacional materia-antimateria para explicar las observaciones cosmológicas, pero estas publicaciones no abordan los principios físicos de la repulsión gravitacional.
Una fuente de evidencia experimental a favor de la gravedad normal fue la observación de neutrinos de la Supernova 1987A . En 1987, tres detectores de neutrinos en todo el mundo observaron simultáneamente una cascada de neutrinos emanando de una supernova en la Gran Nube de Magallanes . Aunque la supernova ocurrió a unos 164.000 años luz de distancia, tanto neutrinos como antineutrinos parecen haber sido detectados prácticamente simultáneamente. [ se necesita aclaración ] Si ambos fueran realmente observados, entonces cualquier diferencia en la interacción gravitacional tendría que ser muy pequeña. Sin embargo, los detectores de neutrinos no pueden distinguir perfectamente entre neutrinos y antineutrinos. Algunos físicos estiman de manera conservadora que hay menos de un 10% de posibilidades de que no se haya observado ningún neutrino regular. Otros estiman probabilidades aún menores, algunas tan bajas como el 1%. [24] Desafortunadamente, es poco probable que esta precisión mejore duplicando el experimento en el corto plazo. La última supernova conocida que se produjo a una distancia tan cercana antes de la Supernova 1987A fue alrededor de 1867. [25]
Desde 2010, la producción de antihidrógeno frío es posible en el Antiproton Decelerator del CERN . El antihidrógeno, que es eléctricamente neutro, debería permitir medir directamente la atracción gravitacional de las partículas de antimateria hacia la materia de la Tierra. [ cita necesaria ]
Los átomos de antihidrógeno han quedado atrapados en el CERN , primero ALPHA [26] [27] y luego ATRAP ; [28] en 2012, ALPHA utilizó tales átomos para establecer los primeros límites sueltos de caída libre en la interacción gravitacional de la antimateria con la materia, medida dentro de ±7500% de la gravedad ordinaria, [29] [ cita necesaria ] no es suficiente para una conclusión científica clara. afirmación sobre el signo de la gravedad que actúa sobre la antimateria. Es necesario realizar experimentos futuros con mayor precisión, ya sea con haces de antihidrógeno ( AEgIS ) o con antihidrógeno atrapado ( ALFA o GBAR ). [ cita necesaria ]
En 2013, experimentos con átomos de antihidrógeno liberados de la trampa ALPHA establecieron límites aproximados directos, es decir, de caída libre, a la gravedad de la antimateria. [29] Estos límites eran aproximados, con una precisión relativa de ±100%, por lo que estaban lejos de ser una declaración clara incluso para el signo de la gravedad que actúa sobre la antimateria. Los experimentos futuros en el CERN con haces de antihidrógeno, como AEgIS, o con antihidrógeno atrapado, como ALPHA y GBAR, deben mejorar la sensibilidad para hacer una declaración científica clara sobre la gravedad sobre la antimateria. [30]