هل “تسقط” المادة المضادة؟

عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.

في عام 1971، وقف رائد الفضاء ديفيد سكوت على سطح القمر، يحمل مطرقة وريشة، وفي الفراغ القمر، سمح لهم بالذهاب. لقد ضربوا الغبار الرمادي في نفس الوقت بالضبط. لقد كانت إشارة شعرية إلى غاليليو، الذي دحض قبل قرون الفكرة الأرسطية القائلة بأن الأجسام الثقيلة “تريد” أن تكون على الأرض أكثر من الأجسام الخفيفة.

لم تكن هذه مجرد خدعة للكاميرات؛ لقد كان دليلاً على مبدأ التكافؤ الضعيف، وهو حجر الأساس لمبدأ gعام صالنسبية. تنص على أن جميع الأجسام، بغض النظر عن كتلتها أو تركيبها الداخلي، تسقط بنفس المعدل في مجال الجاذبية. متى أينشتاين كان يبني نظريته الرائعة، ولم يحاول تفسير سبب حدوث ذلك. لقد افترض ببساطة أنها قاعدة أساسية واستمر في ذلك.

ولكن ماذا لو كان هناك مخلوق فيزيائي فلكي يرفض اللعب وفقًا للقواعد؟ ماذا لو أسقطنا شيئًا غريبًا جدًا، لم يكن حتى على رادار أينشتاين؟ نحن بحاجة للحديث عن المادة المضادة.

لكي نفهم جاذبية المادة المضادة المتساقطة، علينا أن ننظر إلى تاريخ اكتشافها. في عشرينيات القرن العشرين، كان الفيزيائي بول ديراك يحاول فرض عالمين مختلفين تمامًا: ميكانيكا الكم (قواعد الصغر جدًا) وميكانيكا الكم (قواعد الصغر جدًا) خاص صالنسبية (قواعد السريع جدًا) – للعب معًا.

لقد وجد ديراك معادلة ناجحة، لكنها كانت بها غرابة. وكما أن الجذر التربيعي لـ 4 يمكن أن يكون 2 و-2، فقد قدمت معادلته حلين لطاقة الجسيم: أحدهما موجب والآخر سالب. كانت هذه مشكلة. الطاقة الإيجابية لها “طابق أرضي” عند الصفر، أما الطاقة السلبية فهي طابق سفلي من طابق سفلي لا قاع له.

وكان الحل الذي قدمه ديراك هو ما أصبح يعرف باسم “بحر ديراك”. لقد تصور الفضاء الخارجي ليس باعتباره فراغًا فارغًا، بل باعتباره “محيطًا” مملوءًا بحالات الطاقة السلبية. إذا ركلت إحدى هذه الجسيمات غير المرئية إلى العالم الإيجابي، فإنك تترك وراءك فجوة. يتصرف هذا الثقب كجسيم عادي ولكن بشحنة معاكسة. وكانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها التنبؤ بوجود جسيم من خلال الرياضيات البحتة قبل رؤيته في المختبر. نحن نسميها المادة المضادة.

لماذا التركيز على المادة المضادة للاختبار جاذبية؟ لأن المادة المضادة هي الجسر إلى أعظم فجوة في الفيزياء. من المعروف أن النسبية العامة (الجاذبية) وميكانيكا الكم (كل شيء آخر) لا تتفقان. يتحدثون لغات مختلفة ويعيشون في أحياء مختلفة. ولأن المادة المضادة هي نتاج خالص لعالم الكم، فهي المرشح المثالي لاختبار نظرية الجاذبية لأينشتاين.

لكن هذا كابوس لثلاثة أسباب:

1. عندما تتلامس المادة مع المادة المضادة، فإنهما تفنيان في ومضة من الطاقة النقية.

2. الطبيعة لا تزودنا بالمادة المضادة فحسب؛ وعلينا أن نبنيه في مختبرات متقدمة.

للتغلب على هذه العقبات، كان على العلماء في تجربة ALPHA-g في CERN أن يكونوا مبدعين. أولاً، قاموا بتصنيع هيدروجين مضاد محايد عن طريق مزاوجة البروتونات المضادة مع البوزيترونات (الإلكترونات المضادة). ونظرًا لأن هذه الذرات المضادة محايدة، فلا يتم دفعها بالكهرباء.

أمسك الفريق بحوالي مائة من هذه الذرات المضادة في مصيدة Penning، وهي عبارة عن زجاجة مغناطيسية تثبتها في مكانها، لأنها على الرغم من حيادها، إلا أنها لا تزال تعمل كقضبان مغناطيسية صغيرة. ثم، باستخدام الليزر، قام الباحثون بتبريد المادة الذرات إلى ما يقرب من الصفر المطلق لمنعهم من الهزهزة.

ثم جاءت لحظة الحقيقة: لقد رفضوا المجال المغناطيسي ببطء.

إذا تجاهلت المادة المضادة مبدأ التكافؤ الضعيف، فربما انجرفت الذرات إلى الأعلى، وطردتها الأرض. إذا كان أينشتاين على حق، فيجب أن ينهاروا إلى الأسفل. وانتظر الباحثون وميض الإبادة عندما أفلتت الذرات المضادة من الفخ واصطدمت بجدران الحاوية. بعد أن قاموا بتصفية ضجيج الضالة الأشعة الكونية، ال نتائج كانت واضحة: ما يقرب من 80% من الذرات المضادة سقطت عبر قاع المصيدة.

المادة المضادة تسقط. انها مكافحة-النتيجة المناخية (ها ها) بأفضل طريقة ممكنة. وهذا يعني أن مبدأ التكافؤ الضعيف يظل ثابتًا وأن رؤية أينشتاين لاستجابة الجاذبية العالمية لا تشوبها شائبة.

ومع ذلك، فإن القضية ليست مغلقة تماما. بينما نعلم سقوط المادة المضادة تحت، لا نعرف حتى الآن ما إذا كان سيقع في نفس المستوى بالضبط تسريع كما تفعل المادة العادية. إذا كان هناك اختلاف ولو بنسبة 1% في سرعة السقوط، فإن ذلك سيشير إلى ثورة كاملة في الفيزياء، وهي علامة على أن الجاذبية تتعامل مع المادة المرآة بشكل مختلف. لكن في الوقت الحالي، يظل الكون مكانًا تتسابق فيه المطارق والريش والهيدروجين المضاد على الأرض بنفس السرعة.