ידענים: פיסיקה קוונטית

מאת 5 במאי 2013 98 תגובות

מחקר ב-CERN ינסה לבחון עדויות ישירות לדרך שבה אטומים של אנטי חומר מתקשרים הדדית עם כוח המשיכה

חתך ניסוי האנטי חומר במתקן אלפא בסרן. איור: CERN

חתך ניסוי האנטי חומר במתקן אלפא בסרן. איור: CERN

האטומים המרכיבים את החומר הרגיל נופלים למטה. האם אטומי אנטי חומר יפלו למעלה? האם הם חווים את כוח המשיכה (כוח הכובד) באותה הדרך שבה עושים האטומים הרגילים או שיש גם משהו שנקרא אנטי כבידה?

שאלות אלה סיקרנו את הפיסיקאים זה זמן רב, אומר ג'ואל פאג'אנס (Fajans) מהמעבדות הלאומיות לורנס ברקלי של משרד האנרגיה האמריקני. לדבריו הדובר נובע מכך ש"מדובר באירוע לא סביר. כדי שאנטי חומר יפול למעלה אנוו נידרש לשינוי בסיסי של נקודת המבט שלנו על הפיסיקה ולחשוב מחדש כיצד היקום שלנו פועל."

עד כה, כל העדויות שהאנטי חומר נוהג בכל הקשור לכבידה בדיוק כמו החומר הרגיל, הן עדויות עקיפות, לפיכך פאג'אנס ועמיתו ג'ונתן ורטל (Wurtele) שניהם חברי סגל במאיץ שבמעבדות ברקלי וחטיבת מחקרי ההיתוך, ופרופסורים לפיסיקה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי – וכן חברים בניסוי אלפא בסרן, החליטו להשתמש במחקרי האנטי מימן השופטים שהם עורכים כדי להתמודד עם השאלה באופן ישיר. אם התגובה הדדית של הכבידה עם אנטי אטומים תהיה חזקה באופן בלתי צפוי, הם מעריכים כי האנומליה תהיה ניתנת לבחינה בנתונים הקיימים כבר באלפא אודות 434 אנטי אטומים שנלכדו בחיישני מאיץ החלקיקים בסרן.

התוצאות הראשונות שמדדו את היחס בין המסה הכבידתית אלה ידועה של האנטי מימן לבין מסת האינרציה שלו הידועה, לא פתרה את השאלה. רחוק מכך. אם אטום אנטי מימן נופל למטה, המסה הכבידתית שלו תהיה גדולה עד פי 110 ממסת האינרציה שלו. אם הוא נופל למעלה, המסה הכבידתית שלו צריכה להיות גדולה לכל היותר פי 65 ממסת האינרציה שלו.

מה שהמחקר כן הראה הוא שמדידת מסת אנטי חומר אפשרית, תוך שימוש בשיטה נסיונית שתאפשר דיוק רב יותר בעתיד. הם הציגו את השיטות בהם עבדו במהדורת 30 באפריל 2013 של כתב הת נייצ'ר.

כיצד מודדים נפילה של אנטי אטום?

ניסוי אלפא יוצר אטומי אנטי מימן באמצעות חיבור אנטי פרוטון אחד עם פוזיטרון (או אנטי אלקטרון) אחד, במלכודת מגנטית חזקה. כאשר מכבים את המגנט, האנטי אטומים נוגעים במהרה באטומים הרגילים שמהם עשויות קירות המלכודת ומתאיינים בהבזק אנרגיה ובכך מצביעים על המקום והזמן בו פגעו בקיר. בעקרון, אם הנסיינים היו יודעים את מיקומו ומהירותו המדויקים של האנטי אטום ברגע כיבוי המלכודת, כל מה שהם היו צריכים לעשות הוא למדוד כמה זמן לוקח לו ליפול אל הקיר.

ואולם השדה המגנטי של אלפא לא נכבה מיידית. כמעט 30 אלפיות השניה חולפות לפני שהשדה דועך לכמעט אפס. בינתיים מתרחשים הזקים לכל אורך קירות המלכודת בזמנים ומקומות התלויים בפרטי האנטי אטומים אך בלא אפשרות לדעת את המיקומים, המהירויות והאנרגיות הראשוניות שלהם.

מסביר וורטל: "חלקיקים המאחרים להימלט הם אלו שהיו בעלי האנרגיה הנמוכה ביותר, כך שהשפעת הכבידה ניכרת יותר עליהם, אך היו רק מעט כאלה, 23 מתוך 343 מהאנטי אטומים נמלטו לאחר שהדה נכבה למשך 20 אלפיות השניה."

פאג'אנס וורטל המשיכו והסתייעו בעמיתיהם באלפא ובברקלי כדי להשוות סימולציות עם הנתונים שלהם ולהפריד את השפעות הכבידה מאלו של עוצמת השדה המגנטי ואנרגית החלקיק. ואולם עדיין נותרה אי ודאות סטטיסטית.

"אם יש דבר כמו אנטי כבידה?? בהתבסס על ניסויי הנפילה החופשית שנערכו עד כה, אי אפשר לומר כן או לא" אומר פאג'אנס. "זו המילה הראשונה, ובוודאי לא האחרונה."

 

האם אנטי חומר נופל למעלה? ניסוי ב-CERN עשוי לענות על השאלה.  (Credit: Illustration by Chukman So), פורסם באתר ניסוי אלפא בסרן http://alpha.web.cern.ch/


האם אנטי חומר נופל למעלה? ניסוי ב-CERN עשוי לענות על השאלה. (Credit: Illustration by Chukman So), פורסם באתר ניסוי אלפא בסרן http://alpha.web.cern.ch/

ניסוי אלפא עובר כעת שידרוג לאלפא-2 ובדיקות הדיוק עשויות להיות אפשריות בתוך שנה עד חמש שנים. האנטי אטומים יקוררו בלייזר כדי להפחית את האנרגיה שלהם בעודם במלכודת, והשדה המגנטי ידעך לאט יותר כאשר המלכודת תכובה, וכך ניתן יהיה להגדיל את מספרם של האירועים בעלי האנרגיה הנמוכה.

השאלות שהפיסיקאים ואלו שאינם פיסיקאים תוהים לגביהם במשך למעלה מ-50 שנה יהיו מושא לבדיקה שתהיה לא רק ישירה אלא גם מוחלטת.

למאמר בנייצ'ר

98 תגובות ל “האם אנטי חומר נופל למעלה או למטה? מדעני סרן ינסו לענות על השאלה”

  1. עמנואל

    אם אנטי חומר הוא מסה שלילית אזיי הוא צריך ליפול למעלה כי כך הנוסחה של הכבידה אומרת
    ואם הוא לא ידחה אזיי זה לא אנטי חומר זה משהוא אחר

  2. אורטי

    מ'
    ראה תגובתך מה 10.5
    "ברור ש"רוח רפאים" אינו שם של אדם במדינה כלשהי.
    זה כינוי שמזדהים בו מתחזים שאינם מעזים לדבר בשם עצמם."
    כמו שאמרת, בצדק, "השפן הקטן" הוא כינויי נחמד ביותר, ואני לא חושב שתאשים שפן קטן בהתחזות 🙂 ואם רוח רפאים מאמין באלוהים או לא, נדמה לי שאין לזה רלוונטיות.
    ושלא תחשוב שאני מצדיק שימוש בניקים משתנים וכתובות IP שונות. אבל סליחה שהסתתי את הנושא המעניין שעסקתם בו. אנא, המשיכו.

  3. יובל חייקין

    תודה אהוד וישראל. וזו האמת במערומיה: אנו עדיין לא יודעים מה גורם למכלול התופעות הקשורות במסה. הכי קרוב שהגענו זו ההגדרה המעגלית מסה=אנרגיה=מסה=אנרגיה=…

  4. אהוד

    לא יודע מה הוא אמר בהרצאה. אני לא הייתי שם. אני יכול רק
    לנחש שהוא דבר על תאוריית גרביטציה קוונטית שכיום אין כזו.

  5. ישראל שפירא

    אהוד.

    לפני כשנה נוכחתי בהרצאה של EDMUND BERTSCHINGER, ראש מחלקת פיזיקה בMIT שאחד מהנושאים בה היו כהגדרתו:

    Scientists do not know the cause of nature most obvious phenomena – gravity.

    כיצד זה מסתדר עם גרביטציה קונפורמית, MOND ויתר תאוריות הגרביטציה?

  6. אהוד

    גרביטציה קונפורמית היא הרחבה של תורת היחסות הכללית המבוססת על ההנחה שהסימטריה
    הבסיסית היא סימטריה קונפורמית של המטריקה. הרעיון המקורי הוא של וויל אבל מנהיים פיתח
    אותו ב-25 השנה האחרונים. התאוריה היא תאוריה המבוססת על נגזרות מסדר רביעי (להבדיל
    מסדר שני ביחסות כללית). לאחרונה הצליחו מנהיים ואובריין להתאים את מהירות הסיבוב של
    141 גלקסיות ללא חומר אפל. בנוסף גרבטציה קונפורמית גם מטפלת בבעיית הקבוע הקוסמולוגי
    מתוך הסמטריה של התאוריה הקבוע הקוסמולוגי צריך להתאפס זהותי.

  7. יובל חייקין

    תודה אהוד (בהסתייגות קלה מן ההאשמה 🙂 )
    התוכל לספר/להביא קישור על גרביטציה קונפורמית?

  8. אהוד

    יובל

    אם תקרא את תשובתי לצבי ואת התשובה שכתבתי לך ולצבי בעיון תראה
    שאני לאו דווקא תומך בMOND אני טוען כי יש בעיות בתאוריה הנוכחית
    הכוללת חומר אפל. האזכור של MOND היה בהקשר של סקלת התאוצה
    האופיינית המופיעה בתאוריה שמצביעה על כך שיש סקלות אופייניות
    המופיעות בגלקסיות שונות ומצביעות על כך שיש אולי מנגנון בסיסי היכול
    להסביר את כל התוצאות.
    אם אתה כבר דוחק אותי לפינה ומבקש ממני לבחור תאוריה מסוימת
    שאני תומך בה הייתי מצביע על גרביטציה קונפורמית.

  9. מיכאל רוטשילד

    לא אפרט כאן את הסתייגויותיי ממסקנותיו של אהוד כי עשיתי זאת פעמים רבות בעבר.
    לטעמי החומר האפל הוא הסבר מצוין לתופעות הנצפות ולמעשה היחיד מכל המודלים שאי פעם עלו על השולחן שמסתדר אתן.
    לגבי שאלתו של SAFKAN :
    כפי שכתבתי כבר פעמים רבות בעבר, יש לאי בריוניותו של החומר האפל מספר אישושים שאחד הטובים שבהם מתקבל מן התצפיות בצביר הקלע ( Bullet cluster )

  10. יובל חייקין

    אהוד,
    ראשית, תודה לך על הזמן שהשקעת. לא נעים לי לענות לך בקצרה, אך אני מעריך בכנות את רצינותך.
    שני דברים:
    1. MOND אינו מסביר את התופעה של עידוש כבידתי.
    2. התיקון שמציע מילגרום בא לתת הסבר אד-הוק, ומן הבחינה הזו הוא כמו הנחת החומר האפל.

  11. אהוד

    צבי ויובל

    אני מצטער התשובה שלי נחסמה לעת עתה אקווה שבהמשך
    תשוחרר.

  12. אהוד

    צבי ויובל
    אנסח כמה טענות כלליות מדוע אני סבור כי יש בעיה עם החומר האפל ואשמח לפרט לגבי כל
    אחת מהן.
    ראשית החומר האפל נועד לאפשר לנו להמשיך להחזיק בתפיסה הסטנדרטית של גרביטציה
    הכוללת את תורת היחסות ואת הקרוב שלה לפיסיקה ניוטונית. מבחינה תיאורטית אנחנו יודעים
    כי יחסות כללית אינה משתלבת עם תורת הקוונטים ולכן סביר להניח כי אחת מהתאוריות תשתנה או
    תוחלף ולטעמי הדבר כבר מראה על בעיה מסוימת ביחסות כללית (אמנם הבעיה היא בתחום אנרגטי גבוה).
    להבדיל הבעיה עם אנרגיה אפלה ניתנת לפתרון ללא ויתור על יחסות כללית אלא בהצגת קבוע קוסמולוגי שאם
    ערכו אנחנו יכולים לטעון שיש בעיה (אם ניתן לקרוא לאי-התאמה של 60 סדרי גודל בעיה).
    החומר האפל נועד אם כן לאפשר לנו להאמין ביחסות כללית אבל האם החומר האפל הוא אכן תאוריה מדעית
    או רק המצאה דמוית האתר שמאפשרת לנו להמשיך ולהחזיק בתפיסה מסוימת?
    1. אין עדות ישירה לחומר האפל, החלקיקים המרכיבים אותו לא נצפו במעבדה.
    2. אין מוטיבציה תיאורטית בסיסית לחומר האפל, כל קיומו נועד להסביר אי-התאמות
    בתצפיות.
    3. אין לתאוריית החומר האפל תחזיות. התאמת כמות החומר האפל נעשית באופן ספציפי לכל
    גלקסיה קרי כיוונון עדין (fine tuning).
    4. לא ברור מהו הקריטריון היכול לשלול את קיומו של החומר האפל זאת בניגוד לדרישה של
    פופר.
    לגבי עדויות תצפיתיות המראות שיש להעדיף כנראה תאוריה אחרת במקום המודל הגרביטציוני הסטנדרטי בשילוב חומר אפל ואנרגיה אפלה.
    1. יש קורלציות בתצפיות לדוגמא יחס טולי-פישר שאיתם קשה למודל של חומר אפל להתמודד.
    2. ישנה סקלת תאוצה אופיינית המופיעה בהקשר של מהירויות סיבוב בגלקסיות וכן כסקלה קוסמולוגית.
    זאת סקלת התאוצה האופיינית של MOND שניתן לקבלה גם מהכפלת קבוע האבל במהירות האור.
    בנוסף לכל זאת ישנן בעיות לקבל מודל סביר של תצפיות אסטרונומיות באמצעות חומר אפל. הכוונה היא שמודל היווצרות גלקסיות בהשפעת חומר אפל לא מתאים לתצפיות.

  13. יובל חייקין

    "אין לנו כרגע מודל המסביר את התצפיות והתחום נמצא בבעיה". אבל התצפיות הן מובהקות ואִיתן אי-אפשר להתווכח. ואם "הבעיה שבה נמצא התחום" נובעת מחסרונו של מודל, אז בונים כזה.

  14. SAFKAN

    צבי

    מדבריך משתמע כאילו הוכח שהחומר האפל אינו חומר בריוני בטמפרטורה נמוכה (נאמר למשל הליום שאופף את הגלקסיות). האם יש הוכחה *ישירה* לטענה השוללת חומר בריוני בטמפרטורה נמוכה בתור "החומר האפל" ?

    טענה שזה לא חומר בריוני בטמפרטורה נמוכה כי זה סותר מודלים קוסמולוגיים מקובלים אינה הוכחה ישירה (אלא הוכחה מעגלית). התקיפה של אהוד (אם אני מבין) היא על אמינות המודלים הללו בכללם.

  15. צבי

    אהוד,

    אני באמת ובתמים לא מבין מדוע אתה אומר את הדברים הללו והייתי רוצה שתסביר.
    עד כמה שאני יודע ההנחה בדבר קיומו של חומר אפל היא בגדר common knowledge בקוסמולוגיה ולכן בהנתן ששנינו איננו מבינים מספיק בנושא, נראה לי נכון לאמץ את הדעה הרווחת וזו להבנתי בבירור ההשערה בדבר קיומו של חומר אפל. חשוב לציין כי כאשר יש דבר בלתי ברור באמת, דוגמת האנרגיה האפילה, ישנה אמירה ברורה מאד של הקהילה המדעית כי הידע הקיים רחוק מלספק.
    למען הגילוי הנאות אומר כי אינני מגיע מהתחום של חלקיקים אלמנטריים וייתכן שאתה יודע על קיומן של בעיות תיאורטיות להסביר קיומו חומר אפל מכיוון המגרש הזה – אם כן אשמח בכנות לשמוע.

    הערה קטנה נוספת:
    הטענה כי כבר יותר מ-40 שנה מחפשים את חלקיק החומר האפל שגויה ומטעה היות ומשך שנים רבות כלל לא היה ברור שחומר זה אינו פשוט חומר בריוני בטמפ' נמוכה, ניסויים אמיתיים למציאת החומר האפל חדשים בהרבה.

  16. מיכאל רוטשילד

    אורטי:
    חשבתי לא להגיב אבל בכל זאת: הדבר שאותו אתה מתאר כ"זה מה שהיה" אינו מה שהיה באמת.
    בכלל לא תקפו את הניק ניים של מישהו.
    הסיבה בגללה חשבתי לא להגיב היא שאני די בטוח שידעת זאת כשכתבת את תגובתך.

  17. יובל חייקין

    אהוד! האם הנך כופר באמיתות הממצאים שהביאו להנחת קיומה של מסה נסתרת? ואם הם מקובלים עליך, האם יש לך כינוי אחר עבורם?

  18. אהוד

    צבי

    אנסה לכתוב יותר בהמשך מדוע אני סבור כי ש בעיה רצינית עם הנחת החומר האפל, אבל הנימוק שאין
    מודל אחר שיכול להסביר את התצפיות אינו מדד לנכונות החומר האפל.
    "שאדם בעל הגיון בריא אשר לא עוסק בתחום אך ניחן בספקנות בלתי קונספירטיבית בריאה, יעדיף את הנחת קיומו של חומר אפל. בוודאי כאשר האופציה השנייה היא של שדות טנזוריים ובי-סקלאריים, בינתיים נטולי אינטואיציה פיסיקאלית, הסותרים הנחות הגיוניות בהרבה כדוגמת ההומוגניות היסודית של המרחב."
    לטעמי אדם עם הגיון בריא יבין שאין לנו כרגע מודל המסביר את התצפיות והתחום נמצא בבעיה ולא
    כיון שאין אלטרנטיבה מספקת לחומר האפל הוא בהכרח נכון.
    יותר מארבעים שנה מחפשים את החלקיק שיכול להוות את החלקיק המהווה את החומר האפל ללא
    הצלחה (בנוסף לעובדה שהניסויים האחרונים בצרן כנראה שוללים את קיומה של סופר-סימטריה).

  19. יובל חייקין

    צבי, אנא אל תשים אותי בכפיפה אחת עם שוללי החומר האפל. לא זו בלבד שאני משוכנע בקיומו אלא גם חזיתי את התופעות שלו לפני זמן רב. החומר האפל מתנהג בדיוק כמו במודל שבניתי לפני 35 שנה.

  20. צבי

    אהוד ויובל,

    התייחסותכם אל החומר האפל כאל מן רעיון מופרע של מדענים אינה רצינית ומתאימה יותר לכותבים אחרים באתר.

    נכון להיום, אין באמת הסבר מתחרה טוב ללקיומו של חומר אפל:
    תורת גרוויטציה מתוקנת (Mond)' נותרה בשוליים ומתקשה להסביר תוצאות חדשות. הגרסה היחסותית שלה, TeVeS בעייתית מאד ואינה מקיימת שימור תנע (כל זה בשביל Flat rotation curves!)
    http://en.wikipedia.org/wiki/Tensor%E2%80%93vector%E2%80%93scalar_gravity

    לעומת הסברים מפולפלים כאלו, שניתקלים באינספור בעיות וחוסר התאמות עם תצפיתיות יש את רעיון החומר האפל – הרעיון פשוט:
    ידוע שיש חומר שאינו משתתף באינטרקציה החזקה – מה אם יש חומר שאינו משתתף גם באינטרקציה האלקטרומגנטית – החומר הזה יהיה בדיוק החומר האפל עליו מדברים הקוסמולוגים ומרגע שמניחים כזה דבר מקבלים הסברים מצויינים להרבה מאד תופעות, כולל תופעות שנצפו רק אחרי שניתנו פרדיקציות תיאורטיות.

    ברור שאין בכך הוכחה לקיומו וטוב שיש אנשים שמנסים לבדוק גם אופציות חלופיות, אבל עד שיוכח אחרת, נכון יהיה שאדם בעל הגיון בריא אשר לא עוסק בתחום אך ניחן בספקנות בלתי קונספירטיבית בריאה, יעדיף את הנחת קיומו של חומר אפל. בוודאי כאשר האופציה השנייה היא של שדות טנזוריים ובי-סקלאריים, בינתיים נטולי אינטואיציה פיסיקאלית, הסותרים הנחות הגיוניות בהרבה כדוגמת ההומוגניות היסודית של המרחב.

    ולגבי אישוש ניסיוני – כבר נמצאו רמזים לקיומו – זה עדיין לא חמישה סיגמא אבל תנו לזה זמן.

  21. יובל חייקין

    בקשר לאלהים:
    למעשה, הויכוח הנטוש בין המחייבים והשוללים הוא לא אם יש בורא לעולם, היות שמוסכם כמעט על הכל שהעולם קיים, אלא אם הבורא הוא תבוני או לא. היום הויכוח המרכזי על המטפיסיקה של היקום הוא בין שתי גישות בסיסיות: בין אלה הגורסים כי היקום החל ממשהו פשוט ובין אלה הגורסים כי היקום החל מבורא תבוני. אמנם קשה להסביר איך יקום מורכב נוצר מאליו מגרעין פשוט – משום דבר, למעשה – אך קשה הרבה יותר להסביר איך נוצרה ישות מורכבת כמו בורא תבוני. אף על פי שאיננו מבינים, נכון לעכשיו, כיצד נוצר היקום, ברור כמעט לחלוטין כי ההנחה שזה נוצר בידי בורא תבוני אינה פותרת דבר אלא רק מסבכת. במהלך הצטברות הידע המדעי בידי האנושות, והקלת הנגישות אליו, הולך וגדל שיעור השוללים את גרסת הבורא התבוני. רוב הדתות הקיימות היום מעוגנות באמונה בבורא תבוני, ועם ערעור כוחו של הבורא התבוני עלול להתערער גם כוחן של הדתות האלה. אולם האנושות והדת חיות בסימביוזה, ויותר משהאדם מחזיק דת הדת מחזקת אותו. בנסיבות האלה אני צופה היווצרות של דתות "מדעיות" נטולות אלהים (ואינני מדבר על בודהיזם, כי שם יש אמונה בגלגול נשמות שהיא מסובכת אף יותר).

  22. יובל חייקין

    על אנטי-חומר ועל חומר אפל:

    השם "אנטי-חומר" איננו מינוח טוב, היות שאנטי-חומר הוא למעשה חומר לכל דבר. מינוח יותר מדויק הוא "אנטי-חלקיק". החומר ביקום מסתדר באופנים שונים המתבטאים, בין היתר, בחלקיקים. אם שני חלקיקים שונים מאיינים זה את זה אז הם אנטי זה לזה. מסיבות שרירותיות אנחנו מחליטים לסווג חלקיקים המוכרים לנו כחומר ולכנות את החלקיקים המתאיינים איתם אנטי-חומר. למשל, בזוג אלקטרון-פוזיטרון אנו מתייחסים אל הפוזיטרון כאל אנטי-אלקטרון אך לא נוהגים לכנות את האלקטרון אנטי-פוזיטרון.

    לא כן הדבר עם החומר האפל. היום איננו יודעים עליו מספיק כדי לקבוע איך הוא מסודר (אהוד בכלל לא מאמין בקיומו. אהוד! אודה לך אם תביא נימוק מסודר לאנטי-אמונתך ☺ ). לא ידוע לנו על מבנים חלקיקיים של חומר אפל ומשום כך קיומם של אנטי-חלקיקי-חומר אפל, נכון לעכשיו, הוא רק פנטסיה – מקסימום מדע בדיוני.

  23. אורטי

    מיכאל, אתה צודק. ראויי שאנשים יוכלו להתבטא באופן אנונימי. האם יש סיבה לרדת לרמה כל כך נמוכה של תקיפת ה"ניק-ניים" שמישהו בחר? זה כל מה שאמרתי. בנוסף, חבל שדיונים רציניים מסתכמים באמירות כמו "הפרכתי אותך, אתה נבוך?" כמו שראינו. זה ילדותי באופן משווע!

הוספת תגובה

  • (will not be published)