اثبات دوباره نظریه گرانش اینشتین؛ پادماده مثل ماده سقوط می‌کند

فیزیکدانان می‌دانند که برای هر ذره بنیادی در طبیعت یک پادذره وجود دارد؛ دوقلویی خبیث با جرم یکسان، اما خواص مخالف و برابر مانند بار و اسپین. به‌عنوان مثال، پادذره‌ی الکترون، ذره‌ای با بار مثبت به نام پوزیترون است. وقتی این دوقلوها با هم ملاقات می‌کنند، یکدیگر را ناپدید و در هنگام تماس، بارقه‌ای از انرژی آزاد می‌کنند.

در داستان‌های علمی تخیلی، پادذرات قدرت مورد نیاز برای ساخت ماشین وارپ یا تاب‌پیمایی را فراهم می‌کنند. به‌لطف این فناوری سفر در مسافت‌های پهناور فضا با سرعت فراتر از نور امکان‌پذیر می‌شود. برخی فیزیکدانان گمان می‌کردند که پادذرات به‌وسیله‌ی گرانش دفع می‌شوند یا حتی در زمان به عقب حرکت می‌کنند.

اما اکنون در اولین آزمایش از نوع خود، دانشمندان با رهاسازی اتم‌های پادهیدروژن و تماشای سقوط آن‌ها، نشان دادند که گرانش به‌جای دفع پادماده، آن را به سمت زمین می‌کشاند. این مطالعه یکی از ستون‌های نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین به نام اصل هم‌ارزی ضعیف را تأیید می‌کند. براساس این اصل، گرانش هر جسم را صرف‌نظر از اینکه از چه چیز ساخته شده باشد، به یک شکل می‌کشد.

به‌گفته‌ی گروه پژوهشی، پادماده نه‌تنها همان‌طور که انتظار می‌رفت سقوط کرد، بلکه تقریباً با همان شتاب ماده معمولی، یعنی درحدود ۹٫۷ متر بر ثانیه پایین افتاد.

نتایج آزمایش که چهارشنبه‌ی گذشته در نشریه نیچر منتشر شد، کنترل رو به افزایش دانشمندان بر پادماده و به‌ویژه پادهیدروژن را نشان می‌دهد. پادماده ماده‌ای گریزان محسوب می‌شود که کار با آن دشوار است. اگر پادماده با هرچیز ساخته‌شده از ماده مثل دیواره‌های ظرف ذخیره‌سازی یا مولکول‌های هوا تماس برقرار کند، به سرعت از بین می‌رود. به‌گفته‌ی هانگست، اندازه‌گیری اثر گرانش بر پادماده، دهه‌ها به طول انجامید.

در سال ۱۹۲۸، در یکی از شگفت‌انگیزترین نمونه‌های نمایانگر پیروی طبیعت از ریاضیات، پل دیراک، فیزیکدان برجسته‌ی بریتانیایی دریافت که معادله‌ی مکانیک کوانتومی که الکترون را توصیف می‌کند، دو راه‌حل دارد. در یکی، الکترون بار منفی دارد؛ یعنی همان ذره بنیادی موجود در پدیده‌های فیزیکی شناخته‌شده مثل الکتریسیته است. اما در راه‌حل دوم، ذره بار مثبت دارد.

آن ذره چه بود؟ دیراک فکر کرد که ذره‌ی دارای بار مثبت پروتون است؛ اما رابرت اوپنهایمر که بعدها به‌خاطر رهبری برنامه‌ی ساخت بمب اتم مشهور شد، پیشنهاد کرد که با ذره‌ای کاملاً جدید مواجه شده‌ایم: پوزیترون یا پادالکترون که از نظر جرم با الکترون یکسان اما دارای بار مثبت است. دو سال بعد، کارل اندرسون از مؤسسه فناوری کالیفرنیا، پوزیترون‌ها را در بارش پرتوهای کیهانی کشف کرد و به پاس آن، جایزه نوبل فیزیک را به‌دست آورد.

بدین ترتیب، پادماده‌ی فریبنده متولد شد. پروتون‌های دارای بار مثبت که بر هسته‌های اتمی تسلط دارند، با پادپروتون‌های دارای بار منفی مطابقت دارند. پادالکترون‌ها را پوزیترون می‌نامند. نوترون‌های موجود در هسته‌های اتم نیز پادنوترون نام دارند و کوارک‌هایی که پروتون‌ها را تشکیل می‌دهند، دارای پادکوارک هستند.

از نظر تئوری این امکان وجود دارد که پادجهان‌های کاملی وجود داشته باشد که پادموجودات ساکن آن‌ها هستند. طرفداران این ایده به شوخی می‌گویند اگر ضد خود را ملاقات کردید و آن شخص دست چپ خود را برای فشردن دست شما دراز کرد، بهتر است از دست‌دادن اجتناب کنید؛ وگرنه هر دو منفجر می‌شوید. اما برای دانشمندان، مطالعه‌ی اتم‌های پادهیدروژن اولین گام برای آزمایش برخی از عمیق‌ترین فرضیه‌ها در مورد طبیعت بوده است که می‌گوید پادماده باید شبیه به ماده معمولی رفتار کند.

در آزمایش اخیر که در آزمایشگاه اروپایی سرن در نزدیکی ژنو سوئیس انجام شد، دانشمندان اتم‌های پادهیدروژن را با میدان‌های مغناطیسی قدرتمند به دام انداختند. آن اتم‌های پادهیدروژن از ترکیب پادپروتون‌های ایجادشده در سرن با پوزیترون‌های برآمده از منبعی رادیواکتیو ساخته شده بودند.

سپس پژوهشگران پادهیدروژن را از قفس مغناطیسی آن آزاد کردند و تعداد اتم‌هایی را که به جای سقوط به پایین، به بالا رفتند، شمردند. اگر گرانش با پادماده و ماده به‌طور مساوی رفتار کند، بیشتر اتم‌ها باید به سمت پایین بیفتند و تعداد کمی از آن‌ها دراثر حرکات اصطکاکی اولیه‌ی اتم‌ها به سمت بالا پرواز کنند. این دقیقاً همان چیزی است که پژوهشگران دریافتند.

آزمایش‌های قبلی نشان داده بود که گرانش با ماده و پادماده یکسان رفتار می‌کند. در سال ۲۰۲۲، آزمایش BASE در سرن گزارش داد که نوسانات پادپروتون‌های محدود به‌طور غیرمستقیم تأیید می‌کند که ماده و پادماده همان کشش گرانشی را تجربه می‌کنند. بااین‌حال، آزمایش آلفا اولین آزمونی است که به‌طور مستقیم سقوط ذرات پادماده را مشاهده می‌کند.

این ایده که انواع مختلف اجسام با شتاب یکسان سقوط می‌کنند، قدمتی بسیار بیشتر از اینشتین دارد. براساس روایت تاریخ، در قرن شانزدهم گالیله برای نشان‌دادن این اثر، اجسام مختلفی را از برج کج پیزا رها کرد. از آن زمان، دانشمندان این آزمایش را در موقعیت‌های مختلف روی زمین و فراتر از جو سیاره، حتی روی ماه انجام داده‌اند. اما آن‌ها هرگز اثر گرانش را بر پادماده آزمایش نکرده بودند.

هرچند فیزیکدانان انتظار نداشتند که پادماده رو به بالا سقوط کند، برخی از پژوهشگران پیشنهاد داده‌اند که پادماده ممکن است با شتابی اندکی متفاوت از ماده معمولی سقوط کند. روگرو کاراویتا، فیزیکدان از مؤسسه ملی فیزیک هسته‌ای در ترنتو ایتالیا می‌گوید: «اگر حتی کوچک‌ترین تفاوتی [در شتاب سقوط] پیدا کنیم، نشانه‌ای از وقوع اتفاقی جدید خواهد بود.

با وجود دستاورد مهم اخیر، آزمایش کنونی به اندازه‌ی کافی دقیق نیست تا آن تفاوت‌های ظریف را بررسی کند؛ اما تکنیک‌های جدید مانند خنک‌سازی اتم‌های پادهیدروژن با لیزر، می‌تواند آزمایش‌های آینده را دقیق‌تر کند؛ آنگاه دانشمندان می‌توانند دریابند که وقتی صحبت از ماده و پادماده به میان می‌آید، آیا اثر گرانش روی آن‌ها واقعاً یکسان است یا خیر.