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Es real la anti-gravedad? La ciencia está a punto de descubrir

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Es real la anti-gravedad? La ciencia está a punto de descubrir Se supone, pero no comprobado experimentalmente, que las masas de antima

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Se supone, pero no comprobado experimentalmente, que las masas de antimateria se comportarán igual que las masas de materia en un campo gravitatorio.

Uno de los hechos más asombrosos sobre la ciencia es cuán universalmente aplicables son las leyes de la naturaleza. Cada partícula obedece a las mismas reglas, experimenta las mismas fuerzas y ve las mismas constantes fundamentales, sin importar dónde o cuándo existan. Gravitacionalmente, cada entidad en el Universo experimenta, dependiendo de cómo lo mires, ya sea la misma aceleración gravitatoria o la misma curvatura del espacio-tiempo, sin importar las propiedades que posea.

Al menos, así son las cosas en teoría. En la práctica, algunas cosas son notoriamente difíciles de medir. Tanto los fotones como las partículas normales y estables caen como se espera en un campo gravitatorio, y la Tierra hace que cualquier partícula masiva se acelere hacia su centro a 9.8 m / s 2 . Sin embargo, a pesar de nuestros mejores esfuerzos, nunca hemos medido la aceleración gravitatoria de la antimateria. Debería acelerar de la misma manera, pero hasta que lo medamos, no podemos saberlo. Un experimento es intentar decidir el asunto, de una vez por todas. Dependiendo de lo que encuentre, podría ser la clave de una revolución científica y tecnológica.

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Trayectorias de átomos de antihidrógeno del experimento ALPHA. Podemos mantenerlos estables por hasta 20 minutos seguidos, y el siguiente paso lógico es medir cómo se comportan en un campo gravitatorio. Chukman So / Universidad de California, Berkeley

Puede que no te des cuenta, pero hay dos maneras completamente diferentes de pensar acerca de la masa. Por un lado, está la masa que se acelera cuando le aplicas una fuerza: la  m en la famosa ecuación de Newton,  F = ma . Esto es lo mismo que la  m en Einstein  E = mc 2 , que le indica cuánta energía necesita para crear una partícula (o antipartícula) y cuánta energía obtiene cuando la aniquila.

Pero hay otra masa allá afuera: la masa gravitacional. Esta es la masa,  m , que aparece en la ecuación del peso en la superficie de la Tierra ( W = mg ), o en la ley gravitacional de Newton,  F = GmM / r 2. Para la materia normal, sabemos que estas dos masas, la masa inercial y la masa gravitatoria, deben ser iguales a aproximadamente 1 parte en 100 mil millones, gracias a las limitaciones experimentales de una configuración diseñada hace más de 100 años por Loránd Eötvös.

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La ley de Newton de la gravitación universal (L) y la ley de Coulomb para la electrostática (R) tienen formas casi idénticas. Si la ‘m’ en la fuerza gravitacional obtiene un signo negativo para la antimateria, los próximos experimentos deberían revelarlo. Dennis Nilsson / RJB1 / E. Siegel

Para la antimateria, sin embargo, nunca hemos podido medir esto en absoluto. Hemos aplicado fuerzas no gravitacionales a la antimateria y la hemos visto acelerar, y también hemos creado y aniquilado la antimateria; estamos seguros de cómo se comporta su masa inercial, y es exactamente lo mismo que la masa inercial de la materia normal. Tanto  F = ma como  E = mc 2funcionan igual para la antimateria que para la materia normal.

Pero si queremos saber cómo se comporta gravitacionalmente la antimateria, no podemos simplemente desviarnos de lo que teóricamente esperamos; Tenemos que medirlo. Afortunadamente, hay un experimento que se está ejecutando ahora y que fue diseñado para hacer exactamente eso: el experimento ALPHA en el CERN.

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La colaboración ALFA se ha acercado más a cualquier experimento para medir el comportamiento de la antimateria neutral en un campo gravitatorio. Con el próximo detector ALPHA-g, podríamos finalmente conocer la respuesta. Maximilien Brice / CERN

Uno de los grandes avances que se han tomado recientemente es la creación no solo de partículas de antimateria, sino también de estados neutros y estables. Los anti-protones y positrones (anti-electrones) pueden crearse, reducirse y forzarse a interactuar entre sí, donde forman un anti-hidrógeno neutro. Mediante el uso de una combinación de campos eléctricos y magnéticos, podemos limitar estos antiátomos y mantenerlos estables, lejos de la materia que los aniquilaría.

Los hemos mantenido estables con éxito durante unos 20 minutos seguidos, superando con creces los microsegundos de las escalas de tiempo en que sobreviven las partículas inestables y fundamentales. Los hemos golpeado con fotones, descubriendo que tienen los mismos espectros de emisión y absorción que los átomos. En todo lo que importa, hemos determinado que las propiedades de la antimateria son exactamente como la física estándar predice que son.

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El detector ALPHA-g, construido en la instalación del acelerador de partículas de Canadá, TRIUMF, es el primero de su tipo diseñado para medir el efecto de la gravedad en la antimateria. Cuando está orientado verticalmente, debería poder medir en qué dirección cae la antimateria y en qué magnitud. Stu Shepherd / TRIUMF

Excepto, por supuesto, gravitacionalmente. El nuevo detector ALPHA-g, construido en las instalaciones de TRIUMF de Canadá y enviado al CERN a principios de este año, debería mejorar los límites de la aceleración gravitacional de la antimateria hasta el umbral crítico. ¿Acelera la antimateria, en presencia del campo gravitatorio en la superficie de la Tierra, a +9.8 m / s 2 (abajo), a -9.8 m / s 2(arriba), a 0 m / s 2 (sin aceleración gravitacional a todo), o algún otro valor?

Desde una perspectiva tanto teórica como de aplicaciones, cualquier resultado que no sea el esperado +9.8 m / s 2 sería absolutamente revolucionario.

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Si hubiera algún tipo de materia que tuviera una carga gravitatoria negativa, sería rechazada por la materia y la energía que conocemos. Muu-karhu de Wikimedia Commons

La contraparte de antimateria de cada partícula de materia debe tener:

  • la misma masa,
  • La misma aceleración en un campo gravitatorio.
  • la carga eléctrica opuesta,
  • el giro opuesto,
  • las mismas propiedades magnéticas,
  • deben unirse de la misma manera en átomos, moléculas y estructuras más grandes,
  • y debe tener el mismo espectro de transiciones de positrones en esas configuraciones variadas.

Algunos de estos se han medido durante mucho tiempo: la masa inercial de la antimateria, la carga eléctrica, el espín y las propiedades magnéticas son bien conocidas. Sus propiedades de unión y transición han sido medidas por otros detectores en el experimento ALPHA, y se alinean con lo que predice la física de partículas.

Pero si la aceleración gravitatoria vuelve negativa en lugar de positiva, literalmente daría la vuelta al mundo.

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La posibilidad de tener gravedad artificial es tentadora, pero se basa en la existencia de una masa gravitatoria negativa. La antimateria puede ser esa masa, pero aún no lo sabemos, experimentalmente. Rolf Landua / CERN

Actualmente, no existe tal cosa como un conductor gravitacional. En un conductor eléctrico, las cargas libres viven en la superficie y pueden moverse, redistribuyéndose en respuesta a cualquier otra carga existente. Si tiene una carga eléctrica fuera de un conductor eléctrico, el interior del conductor estará protegido de esa fuente eléctrica.

Pero no hay forma de protegerse de la fuerza gravitatoria. Tampoco hay forma de establecer un campo gravitatorio uniforme en una región del espacio, como se puede hacer entre las placas paralelas de un condensador eléctrico. ¿La razón? Porque, a diferencia de la fuerza eléctrica, que se genera por cargas positivas y negativas, solo hay un tipo de “carga” gravitacional, y eso es masa y energía. La fuerza gravitatoria siempre es atractiva, y simplemente no hay forma de evitar eso.

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Diagrama esquemático de un capacitor, donde dos placas conductoras paralelas tienen cargas iguales y opuestas, creando un campo eléctrico uniforme entre ellas. Esta configuración es imposible para la gravedad, a menos que exista alguna forma de masa gravitacional negativa. Usuario de Wikimedia Commons Papa Noviembre

Pero si tienes una masa gravitatoria negativa, todo eso cambia. Si la antimateria realmente antigravita, cayendo en lugar de bajar, entonces la gravedad la ve como si estuviera hecha de anti-masa o anti-energía. Bajo las leyes de la física que entendemos actualmente, no existen cantidades como anti-masa o anti-energía. Podemos imaginarlos y hablar sobre cómo se comportarían, pero esperamos que la antimateria tenga masa normal y energía normal cuando se trata de la gravedad.

Sin embargo, si existe anti-masa, entonces una gran cantidad de grandes avances tecnológicos, imaginados por los escritores de ciencia ficción durante generaciones, de repente se volverían físicamente posibles.

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La herramienta Virtual IronBird para el CAM (Módulo de alojamiento de centrífuga) es una forma de crear gravedad artificial, pero requiere mucha energía y solo permite un tipo de fuerza muy específica que busca el centro. La verdadera gravedad artificial requeriría algo para comportarse con una masa negativa. NASA Ames

Podemos construir un conductor gravitatorio y protegernos de la fuerza gravitatoria.

Podemos configurar un condensador gravitacional en el espacio, creando un campo de gravedad artificial uniforme.

Incluso podríamos crear un motor Warp, ya que obtendríamos la capacidad de deformar el espacio-tiempo exactamente como lo requiere una solución matemática para la Relatividad General, descubierta por Miguel Alcubierre en 1994.

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La solución de Alcubierre para la Relatividad General, que permite un movimiento similar al de la unidad warp. Esta solución requiere una masa gravitatoria negativa, que podría ser exactamente lo que la antimateria podría proporcionar. Usuario de Wikimedia Commons AllenMcC

Es una posibilidad increíble, una que es considerada muy poco probable por prácticamente todos los físicos teóricos. Pero no importa cuán descabelladas o mansas sean tus teorías, debes confrontarlas absolutamente con datos experimentales; solo a través de la medición del Universo y de ponerlo a prueba puedes determinar con precisión cómo funcionan las leyes de la naturaleza.

Hasta que medamos la aceleración gravitatoria de la antimateria a la precisión necesaria para determinar si cae hacia arriba o hacia abajo, debemos mantenernos abiertos a la posibilidad de que la naturaleza no se comporte como esperamos. El principio de equivalencia puede no ser cierto para la antimateria; De hecho, puede ser 100% anti-verdadero. Pero si ese es el caso, se abrirá un nuevo mundo de posibilidades. Podríamos cambiar los límites actualmente conocidos de lo que los humanos pueden crear en el Universo. Y aprenderemos la respuesta en solo unos años a través del más simple de todos los experimentos: colocar un anti-átomo en un campo gravitatorio, y observar de qué manera cae.

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