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A antigravidade é real? A ciência está prestes a descobrir

A deformação do espaço-tempo, no quadro da Relatividade Geral, por massas gravitacionais é o que causa a força gravitacional. Supõe-se, mas não é verificado experimentalmente, que as massas de antimatéria se comportarão da mesma forma que as massas de matéria em um campo gravitacional. (LIGO/T. PYLE)

Se a antimatéria cair em vez de cair, inúmeros sonhos de ficção científica se tornarão realidade científica.

Um dos fatos mais surpreendentes sobre a ciência é como as leis da natureza são universalmente aplicáveis. Cada partícula obedece às mesmas regras, experimenta as mesmas forças e vê as mesmas constantes fundamentais, não importa onde ou quando elas existam. Gravitacionalmente, cada entidade no Universo experimenta, dependendo de como você olha para ela, a mesma aceleração gravitacional ou a mesma curvatura do espaço-tempo, não importa quais propriedades ela possua.

Pelo menos, é assim que as coisas são na teoria. Na prática, algumas coisas são notoriamente difíceis de medir. Fótons e partículas normais e estáveis ​​caem como esperado em um campo gravitacional, com a Terra fazendo com que qualquer partícula massiva acelere em direção ao seu centro a 9,8 m/s². Apesar de nossos melhores esforços, porém, nunca medimos a aceleração gravitacional da antimatéria. Ele deve acelerar exatamente da mesma maneira, mas até que o medimos, não podemos saber. Um experimento está tentando decidir o assunto, de uma vez por todas. Dependendo do que encontrar, pode ser a chave para uma revolução científica e tecnológica.

Trajetórias de átomos de anti-hidrogênio do experimento ALPHA. Podemos mantê-los estáveis ​​por até 20 minutos de cada vez agora, e medir como eles se comportam em um campo gravitacional é o próximo passo lógico. (CHUKMAN SO/UNIVERSITY OF CALIFORNIA, BERKELEY)

Você pode não perceber, mas existem duas maneiras completamente diferentes de pensar sobre a massa. Por um lado, há a massa que acelera quando você aplica uma força a ela: o m na famosa equação de Newton, F = ma . Este é o mesmo que o m em Einstein E = mc² , que informa quanta energia você precisa para criar uma partícula (ou antipartícula) e quanta energia você obtém quando a aniquila.

Mas há outra massa lá fora: massa gravitacional. Esta é a massa, m , que aparece na equação do peso na superfície da Terra ( W = mg ), ou na lei gravitacional de Newton, F = GmM/r² . Para a matéria normal, sabemos que essas duas massas - massa inercial e massa gravitacional - devem ser iguais a algo como 1 parte em 100 bilhões, graças a restrições experimentais de uma configuração projetado há mais de 100 anos por Loránd Eötvös .

A lei da gravitação universal de Newton (L) e a lei de Coulomb para a eletrostática (R) têm formas quase idênticas. Se o 'm' na força gravitacional obtiver um sinal negativo para a antimatéria, os próximos experimentos devem revelá-lo. (DENNIS NILSSON / RJB1 / E. SIEGEL)

Para a antimatéria, porém, nunca conseguimos medir isso. Aplicamos forças não gravitacionais à antimatéria e a vimos acelerar, e também criamos e aniquilamos a antimatéria; temos certeza de como sua massa inercial se comporta, e é exatamente igual à massa inercial da matéria normal. Ambos F = ma e E = mc² funcionam da mesma forma para a antimatéria como para a matéria normal.

Mas se quisermos saber como a antimatéria se comporta gravitacionalmente, não podemos simplesmente sair do que teoricamente esperamos ; temos que medi-lo. Felizmente, há um experimento em execução agora que foi projetado para fazer exatamente isso: o experimento ALPHA no CERN .

A colaboração ALPHA chegou o mais próximo de qualquer experimento para medir o comportamento da antimatéria neutra em um campo gravitacional. Com o próximo detector ALPHA-g, podemos finalmente saber a resposta. (MAXIMILIEN BRICE/CERN)

Um dos grandes avanços que foram dados recentemente é a criação não apenas de partículas de antimatéria, mas de estados ligados neutros e estáveis ​​dela. Anti-prótons e pósitrons (anti-elétrons) podem ser criados, desacelerados e forçados a interagir uns com os outros, onde formam anti-hidrogênio neutro. Usando uma combinação de campos elétricos e magnéticos, podemos confinar esses antiátomos e mantê-los estáveis, longe da matéria que os faria aniquilar.

Conseguimos mantê-los estáveis ​​por cerca de 20 minutos de cada vez, excedendo em muito as escalas de tempo de microssegundos que as partículas instáveis ​​e fundamentais sobrevivem. Nós os atingimos com fótons, descobrindo que eles têm os mesmos espectros de emissão e absorção que os átomos. De todas as maneiras que importam, determinamos que as propriedades da antimatéria são exatamente como a física padrão prevê que sejam.

O detector ALPHA-g, construído nas instalações do acelerador de partículas do Canadá, TRIUMF, é o primeiro de seu tipo projetado para medir o efeito da gravidade na antimatéria. Quando orientado verticalmente, deve ser capaz de medir em qual direção a antimatéria cai e em que magnitude. (STU PASTOR / TRIUMF)

Exceto, é claro, gravitacionalmente. O novo detector ALPHA-g, construído nas instalações TRIUMF do Canadá e enviado para o CERN no início deste ano , deve melhorar os limites da aceleração gravitacional da antimatéria até o limite crítico. A antimatéria acelera, na presença do campo gravitacional na superfície da Terra, a +9,8 m/s² (para baixo), a -9,8 m/s² (para cima), a 0 m/s² (sem aceleração gravitacional), ou algum outro valor?

Tanto do ponto de vista teórico quanto de aplicação, qualquer resultado diferente dos esperados +9,8 m/s² seria absolutamente revolucionário.

Se houvesse algum tipo de matéria que tivesse carga gravitacional negativa, seria repelida pela matéria e energia que conhecemos. (MUU-KARHU DO WIKIMEDIA COMMONS)

A contraparte de antimatéria de cada partícula de matéria deve ter:

• a mesma massa,
• a mesma aceleração em um campo gravitacional,
• a carga elétrica oposta,
• o giro oposto,
• as mesmas propriedades magnéticas,
• devem se unir da mesma maneira em átomos, moléculas e estruturas maiores,
• e deve ter o mesmo espectro de transições de pósitrons nessas configurações variadas.

Alguns deles são medidos há muito tempo: a massa inercial da antimatéria, a carga elétrica, o spin e as propriedades magnéticas são bem conhecidas. Suas propriedades de ligação e transição foram medidas por outros detectores no experimento ALPHA e estão alinhadas com o que a física de partículas prevê.

Mas se a aceleração gravitacional voltar negativa em vez de positiva, literalmente viraria o mundo de cabeça para baixo.

A possibilidade de ter gravidade artificial é tentadora, mas se baseia na existência de massa gravitacional negativa. A antimatéria pode ser essa massa, mas ainda não sabemos, experimentalmente. (ROLF LANDUA / CERN)

Atualmente, não existe um condutor gravitacional. Em um condutor elétrico, cargas livres vivem na superfície e podem se mover, redistribuindo-se em resposta a quaisquer outras cargas que estejam ao redor. Se você tiver uma carga elétrica fora de um condutor elétrico, o interior do condutor será blindado dessa fonte elétrica.

Mas não há como se proteger da força gravitacional. Também não há como configurar um campo gravitacional uniforme em uma região do espaço, como você pode fazer entre as placas paralelas de um capacitor elétrico. A razão? Porque, ao contrário da força elétrica, que é gerada por cargas positivas e negativas, há apenas um tipo de carga gravitacional, que é massa e energia. A força gravitacional é sempre atrativa, e simplesmente não há como contornar isso.

Diagrama esquemático de um capacitor, onde duas placas condutoras paralelas possuem cargas iguais e opostas, criando um campo elétrico uniforme entre elas. Essa configuração é impossível para a gravidade, a menos que haja alguma forma de massa gravitacional negativa. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS PAPA NOVEMBRO)

Mas se você tem massa gravitacional negativa, tudo isso muda. Se a antimatéria realmente antigravita, caindo para cima em vez de para baixo, então a gravidade a vê como se fosse feita de antimassa ou antienergia. Sob as leis da física que entendemos atualmente, quantidades como antimassa ou antienergia não existem. Podemos imaginá-los e falar sobre como eles se comportariam, mas esperamos que a antimatéria tenha massa e energia normais quando se trata de gravidade.

Se a antimassa existir, porém, então uma série de grandes avanços tecnológicos, imaginados por escritores de ficção científica por gerações, de repente se tornariam fisicamente possíveis.

A ferramenta Virtual IronBird para o CAM (Módulo de Acomodação Centrífuga) é uma maneira de criar gravidade artificial, mas requer muita energia e permite apenas um tipo de força muito específico, de busca central. A verdadeira gravidade artificial exigiria que algo se comportasse com massa negativa. (NASA AMES)

Podemos construir um condutor gravitacional e nos proteger da força gravitacional.

Podemos montar um capacitor gravitacional no espaço, criando um campo de gravidade artificial uniforme.

Poderíamos até criar warp drive, pois ganharíamos a capacidade de deformar o espaço-tempo exatamente da maneira que uma solução matemática para a Relatividade Geral, descoberta por Miguel Alcubierre em 1994, exige.

A solução de Alcubierre para a Relatividade Geral, permitindo movimento semelhante ao warp drive. Essa solução requer massa gravitacional negativa, que pode ser exatamente o que a antimatéria pode fornecer. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS ALLENMCC)

É uma possibilidade incrível, considerada extremamente improvável por praticamente todos os físicos teóricos. Mas não importa quão selvagens ou mansas sejam suas teorias, você deve absolutamente confrontá-las com dados experimentais; somente medindo o Universo e colocando-o à prova você pode determinar com precisão como as leis da natureza funcionam.

Até medirmos a aceleração gravitacional da antimatéria com a precisão necessária para determinar se ela cai para cima ou para baixo, devemos nos manter abertos à possibilidade de que a natureza possa não se comportar como esperamos. O princípio da equivalência pode não ser verdadeiro para a antimatéria; pode, de fato, ser 100% anti-verdade. Mas se for esse o caso, um novo mundo de possibilidades será desbloqueado. Poderíamos mudar os limites atualmente conhecidos do que os humanos podem criar no Universo. E aprenderemos a resposta em apenas alguns anos através do mais simples de todos os experimentos: colocar um antiátomo em um campo gravitacional e observar para que lado ele cai.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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