L'esistenza della forza rotazionale indotta alla luce dell'interazione gravitazionale dell'antimateria e dell'ipotesi della gravità inversa.
L'esistenza della forza rotazionale indotta, intuita per primo dal Dott. Giuseppe Cotellessa e che supera i limiti della fisica di Newton ed Eistenin, alla luce dell'interazione gravitazionale dell'antimateria e dell'ipotesi della gravità inversa.
Per maggiori dettagli ed approfondimenti:
La legge di attrazione gravitazione universale di Newton è valida sostanzialmente per i corpi statici. Per quando riguarda i corpi in movimento egli ha associato il concetto di forza all'effetto di accelerazione di un corpo tramite l'esistenza di una costante di proporzionalità chiamata massa. L'effetto dell'accelerazione su un corpo dotato di massa è quello della generazione di un suo moto traslazionale rettilineo. A Newton è sfuggita l'osservazione che tutti i corpi celesti, dai pianeti ai satelliti ed alle stelle, ruotano intorno ad un proprio asse. Non prestando attenzione a questa legge generale ed universale, ovviamente Newton non si è posto neanche la domanda di quale fosse la vera causa. In qualche modo l'ostacolo è stato aggirato enunciando il principio di conservazione dell'energia totale meccanica, tra l’energia potenziale e quella cinetica. La domanda di base è la seguente: perchè tutti i corpi, sia quelli con grande massa e bassa velocità come quelli con piccola massa e grande velocità ruotano intorno al proprio asse? Per cercare di trovare la causa che spieghi questo fenomeno bisogna prima considerare le leggi del campo elettromagnetico. Le cariche elettriche nel mondo macroscopico possono essere separate in modo stabile tra di loro, quelle positive da quelle negative. Una caratteristica simile non si evince a livello macroscopico per i corpi dotati di massa. Dimostrata l'esistenza dell'antimateria, sperimentalmente a livello macroscopico risulta evidente che non è possibile tenere separate in modo stabile tra loro materia ed antimateria in regioni confinate e definite. Ciò non avviene per i corpi dotati di cariche elettriche, positive o negative. Sappiamo che questa caratteristica consente la realizzazione di circuiti elettrici costituiti da percorsi chiusi in cui scorre la corrente elettrica. E' noto che la corrente elettrica che percorre un filo elettrico genera un campo magnetico. Trasportando questi concetti dal campo elettromagnetico al campo gravitazionale rotazionale, basato sulla completa simmetria tra campo elettromagnetico e campo gravitazionale rotazionale, anche la spiegazione della causa della rotazione dei corpi intorno ai propri assi dotati di grande massa diventa semplice ed intuibile. L'analogo del campo magnetico “B” nel mondo meccanico è la velocità di rotazione angolare “ω”. Quindi la nuova visione del mondo consiste nell'ipotizzare l'esistenza nell'Universo di regioni confinate e separate tra loro di materia ed antimateria.
Ovviamente tra materia ed antimateria si sviluppano notevoli forze repulsive a lunga distanza. Questo implica lo spostamento di tutti i corpi celesti dotati di massa con allontanamento dalla regione dell'antimateria. In pratica lo spostamento dei corpi dotati di materia elevata può essere considerata come una corrente gravitazionale, che con perfetta simmetria con il campo elettromagnetico, genera un equivalente del campo magnetico, che è dunque la velocità di rotazione angolare “ω” intorno al proprio asse.
L'analogia è sul piano del formalismo:
Forza di Lorentz:
1) F = qvB
Forza di Coriolis:
2) F = mvω
Alla carica “q” del campo elettromagnetico corrisponde la massa “m” del campo gravitazionale rotazionale. Al campo magnetico “B” del campo elettromagnetico corrisponde la velocità angolare “ω” del campo gravitazionale rotazionale.
Nel mondo scientifico si ritiene possibile anche un'altra ipotesi: la gravità inversa. Secondo alcune teorie la quantità di materia e di antimateria prodotta all'origine dell'universo era perfettamente bilanciata, ma la materia e l'antimateria si sono presto allontanate a causa di una sorta di “repulsione gravitazionale”. Per spiegare questo fenomeno si può usare un esempio classico: la mela cade sulla Terra per attrazione gravitazionale reciproca (infatti anche la Terra è in minima parte attratta dalla mela), allo stesso modo un'ipotetica anti-mela cade su un'ipotetica anti-Terra per una reciproca attrazione che potremmo chiamare anti-gravitazionale (speculare a quella gravitazionale). A questo punto viene spontaneo chiedersi che cosa succederebbe se si ponesse un'anti-mela nei pressi della Terra o una mela nei pressi di un'anti-Terra: secondo questa teoria i due corpi subirebbero una forza repulsiva che li porterebbe ad un allontanamento. Per comprendere questo fenomeno possiamo prendere una formula di fisica classica ben nota: la legge della gravitazione universale di Newton
Se assumiamo che l'antimateria possieda una massa negativa e la materia una massa positiva si capisce come nel caso di gravitazione tra due corpi o due anti-corpi la forza gravitazionale risulti positiva, ossia attrattiva, ma quando si ha una gravitazione tra un corpo ed un anti-corpo il prodotto tra le due masse sarà negativo, e dunque la forza gravitazionale provocherà una repulsione reciproca.
Ciò che più è intrigante in questa teoria è che spiegherebbe senza ricorrere ad energia o materia oscura alcuni fenomeni gravitazionali inattesi, quale l'espansione accelerata dell'universo o il mistero dell'asimmetria CP, che non avrebbero bisogno di nuove leggi oscure: semplicemente l'antimateria sarebbe confinata in una porzione di universo separata dalla nostra e non si potrebbe avvicinare a causa della repulsione gravitazionale.
Alla dimostrazione di queste teorie lavora il progetto AEgIS all'opera al CERN di Ginevra (CH) gestito in collaborazione con l'IIF e il Politecnico di Milano.
Il Dr. John G. Cramer, del dipartimento di Fisica dell'Università di Washington Seattle, USA, e il Dr. Wilfred J. Bratihwaite dell'Università del Texas, Austin, hanno definito un metodo per rilevare e distinguere galassie e stelle di antimateria da quelle costituite di materia grazie all'elicità dei fotoni cosmici.
L'interazione gravitazionale dell'antimateria con la materia o l'antimateria non è stata conclusivamente osservata dai fisici. Mentre la stragrande maggioranza tra i fisici concorda sul fatto che l'antimateria attira sia la materia che l'antimateria nella stessa proporzione in cui la materia attrae la materia (e l'antimateria), c'è un forte desiderio di confermare questo sperimentalmente, dato che il consenso nella scienza non è altro che un'ipotesi aperta alla falsificazione.
La rarità dell'antimateria e la tendenza ad annichilare quando viene a contatto con la materia rende il suo studio un compito tecnicamente impegnativo. La maggior parte dei metodi per la creazione dell'antimateria (specificamente l'anti-idrogeno) deriva dagli atomi ad alta energia inutilizzabili per lo studio relativo alla gravità. In anni recenti, i consorzi ATHENA e ATRAP hanno creato con successo l'anti-idrogeno a bassa energia, ma le osservazioni sono state finora metodicamente limitate agli eventi di annichilazione che producono poco o niente riguardo ai dati gravitazionali.
Tre teorie
Il teorema CPT afferma che l'antimateria dovrebbe attirare l'antimateria allo stesso modo con il quale la materia attrae la materia. Tuttavia, ci sono diverse teorie su come l'antimateria interagisce gravitazionalmente con la materia normale:
- Gravità normale: la teoria standard afferma che l'antimateria dovrebbe cadere esattamente nello stesso modo della materia normale.
- Antigravità: la prima analisi teorica ugualmente focalizzata sulla questione se l'antimateria possa invece respingere con lo stesso ordine di grandezza. Questo non va confuso con molti altri fenomeni speculativi che possono allo stesso modo essere definiti 'antigravità'.
- Gravivettore e graviscalare: le difficoltà successive nel creare teorie sulla gravità quantistica hanno condotto all'idea che l'antimateria possa reagire con una grandezza leggermente diversa.
Esperimento
Supernova 1987A
Molti scienziati valutano come migliori prove sperimentali a favore della gravità normale quelle che provengono dalle osservazioni effettuate sui neutrini provenienti dalla Supernova 1987A. In questo esperimento basilare, tre rivelatori di neutrini in tutto il mondo hanno contemporaneamente osservato una cascata di neutrini provenienti da una supernova della Grande Nube di Magellano. Sebbene la supernova si verificasse a circa 164.000 anni luce distante, sia i neutrini e che gli antineutrini potevano essere rilevati quasi simultaneamente. Se entrambi siano stati effettivamente osservati, allora eventuali differenze nell'interazione gravitazionale avrebbero dovuto essere molto piccole. Tuttavia, i rivelatori di neutrini non riuscirono a distinguere perfettamente tra neutrini e antineutrini. Alcuni fisici prudenzialmente stimano che vi è meno del 10% di possibilità che i neutrini non regolari siano stati del tutto osservati. Altri valutano le probabilità ancora più bassa, alcuni di solo l'1%. Purtroppo, questa precisione è improbabile che possa essere migliorata duplicando l'esperimento abbastanza presto. L'ultima supernova conosciuta che si verificò a così breve distanza fu intorno al 1867.
Esperimenti di Fairbank
Il fisico William Fairbank ha tentato un esperimento di laboratorio per misurare direttamente l'accelerazione gravitazionale sia degli elettroni che dei positroni. Tuttavia, il loro rapporto carica-massa è così grande che gli effetti elettromagnetici stravolgono l'esperimento.
È difficile osservare direttamente le forze gravitazionali a livello di particella. A queste piccole distanze, le forze elettriche tendono a sopraffare l'interazione gravitazionale molto più debole. Inoltre, le antiparticelle devono essere tenute separate dalle loro equivalenti normali poiché in caso contrario rapidamente annichilirebbero. Peggio ancora, i metodi di produzione di antimateria in genere danno risultati molto energetici inadatti per le osservazioni. Comprensibilmente, questo ha reso difficile misurare direttamente la reazione gravitazionale dell'antimateria.
Esperimenti sull'idrogeno neutro freddo
In anni recenti, la produzione di anti-idrogeno freddo è diventata possibile grazie agli esperimenti ATHENA e ATRAP al CERN. L'anti-idrogeno, che è elettricamente neutro, dovrebbe permettere di misurare direttamente l'attrazione gravitazionale delle particelle di antimateria da parte della materia terrestre.
Dibattito sulla gravità dell'antimateria
Quando l'antimateria fu scoperta nel 1932, i fisici si chiedevano come avrebbe reagito alla gravità. Una prima analisi si veniva a focalizzare sulla questione se l'antimateria reagisse allo stesso modo della materia o in senso opposto. I vari problemi teorici che sorgevano convinsero i fisici che l'antimateria avrebbe reagito esattamente come la materia ordinaria, deducendo così che una repulsione gravitazionale tra materia e antimateria non sarebbe stata plausibile in quanto avrebbe violato l'invarianza CPT, la conservazione dell'energia, provocando l'instabilità nel vuoto e la violazione CP. Venne anche teorizzato che sarebbe stata incoerente con i risultati del test di Eötvös riguardo al principio di equivalenza debole. Molte di queste prime obiezioni teoriche furono successivamente rovesciate.
Ipotesi di Morrison
Nel 1958, Philip Morrison sosteneva che l'antigravità avrebbe violato la legge sulla conservazione dell'energia. Se materia e antimateria rispondevano in modo opposto a un campo gravitazionale, allora non ci vorrebbe nessuna energia per modificare l'altezza di una coppia particella-antiparticella. Tuttavia, quando ci si muove attraverso un potenziale gravitazionale, la frequenza e l'energia della luce vengono spostate. Morrison sosteneva che l'energia sarebbe stata creata tramite la produzione di materia e antimateria ad una altezza e annichilendola più in alto, dal momento che i fotoni utilizzati per la produzione avrebbero meno energia dei fotoni prodotti dall'annichilazione. Tuttavia, più tardi si scoprì che l'antigravità non violava la prima legge della termodinamica.
Il principio dell'equivalenza
Se si può inventare una teoria in cui materia e antimateria si respingono l'un l'altra, che cosa si prevede per le cose che non sono né materia né antimateria? I fotoni sono le loro stesse antiparticelle, e sotto tutti gli aspetti si comportano esattamente in modo simmetrico rispetto alle particelle di materia e di antimateria. In un gran numero di test di laboratorio e astronomici, (come per lo spostamento verso il rosso gravitazionale e le lenti gravitazionali) si osservano i fotoni attratti dalla materia, esattamente in accordo con la teoria della relatività generale. È possibile trovare atomi e nuclei il cui contenuto di particelle elementari è lo stesso, ma le cui masse sono diverse. Per esempio, 1 atomo di elio pesa meno di 2 atomi di deuterio a causa della differente energia che li lega. Si osserva che la costante della forza gravitazionale è la stessa, fino ai limiti della precisione sperimentale, per tutti questi diversi materiali, suggerendo che l'"energia di legame" — la quale, come per il fotone, non fa distinzione tra materia e antimateria — sperimenta la stessa forza gravitazionale della materia. Questo concorda di nuovo con la teoria della relatività generale e difficilmente si riconcilia con qualsiasi teoria che prevede che materia e antimateria si respingono.
Ipotesi di Schiff
Più tardi nel 1958, L. Schiff sfruttava la teoria quantistica dei campi per sostenere che l'antigravità sarebbe incoerente con i risultati dell'esperimento Eötvös. Tuttavia, la tecnica di rinormalizzazione utilizzata per l'analisi di Schiff è stata fortemente criticata e il suo lavoro è visto come inconcludente.
Ipotesi di Good
Nel 1961, Myron Good sosteneva che l'antigravità avrebbe comportato l'osservazione di una inaccettabile elevata quantità di violazione CP nella rigenerazione anomala di kaoni. Al momento, la violazione CP non era ancora stata osservata. Tuttavia, l'ipotesi di Good viene criticata per essere stata espressa in termini di potenziali assoluti. Con la riformulazione dell'argomento in termini di potenziali relativi, Gabriel Chardin trovò che esso si risolveva in una quantità di rigenerazione di Kaoni in accordo con l'osservazione. Good sostiene che l'antigravità è in realtà una spiegazione potenziale della violazione CP.
La disputa su E = mc²
In un certo senso questo è l'argomento più semplice e potente. I fisici osservano di routine che l'energia ordinaria come un fotone gamma adeguato può essere convertito in un elettrone e in un anti-elettrone, secondo la famosa equazione di Einstein ("produzione di coppia"). Essi hanno inoltre osservato che esattamente metà dell'energia ordinaria del fotone appare come l'elettrone, e, a causa della legge di conservazione dell'energia, l'altra metà dell'energia ordinaria del fotone deve diventare quella dell'anti-elettrone. Osservazioni analoghe valgono per tutte le altre particelle dell'antimateria. Questo significa che tutte le particelle di anti-materia devono essere costituite di energia ordinaria, implicando fortemente che la loro interazione gravitazionale debba essere proprio come quella delle particelle della materia ordinaria. È remotamente possibile che qualche altro aspetto delle anti-particelle, oltre al fatto di essere costituite di energia ordinaria, possa causare loro un comportamento diverso in un campo gravitazionale ordinario, ma ci sono pochissime candidate per quello che potrebbe essere quest'altro aspetto delle anti-particelle.
Motivazioni per l'antigravità
I fautori sostengono che l'antigravità dell'antimateria spiegherebbe alcune questioni importanti della fisica. Oltre alla già citata previsione della violazione di CP, essi sostengono che spiega due paradossi cosmologici. Il primo è l'apparente mancanza di antimateria locale: in teoria antimateria e materia si respingerebbero l'un l'altra gravitazionalmente, formando galassie separate di materia e antimateria, le quali per di più, tenderebbero a respingersi l'un l'altra, evitando perciò possibili collisioni e annichilazione.
Questa stessa repulsione galattica è anche sostenuta come una spiegazione potenziale per l'osservazione di un universo decisamente in accelerazione. Se la gravità è sempre attrattiva, ci si potrebbe aspettare che l'espansione dell'universo rallenti e alla fine si contragga in un big crunch. Utilizzando le osservazioni dello spostamento verso il rosso, gli astronomi e i fisici stimano che, invece, la dimensione dell'universo è in espansione e la velocità di espansione è in accelerazione ad un tasso grosso modo costante. Diverse teorie sono state proposte per spiegare questa osservazione nel contesto di una gravità sempre attrattiva. D'altra parte, i sostenitori dell'antigravità sostengono che se reciprocamente repulsive, quantità uguali di materia e antimateria compenserebbero precisamente qualsiasi attrazione.
Ecco lo spettro dell’antimateria
Ottenuta al CERN dall’esperimento ALPHA e pubblicata oggi su Nature, è la prima osservazione d’una riga spettrale di un atomo di antidrogeno. Grazie a essa è stato possibile confrontare per la prima volta lo spettro luminoso dell’antimateria con quello della materia
Come spesso accade per articoli scientifici che descrivono progressi straordinari, il titolo del paper pubblicato oggi, lunedì 19 dicembre 2016, su Nature è a dir poco sobrio: “Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen”. Ma a un occhio appena un poco attento la portata di questa scoperta balza subito agli occhi. La transizione 1S-2S alla quale si riferisce, è vero, altro non è se non il passaggio dallo stato fondamentale al secondo stato eccitato. Ma la novità, in questo caso, sta nel “soggetto”: il passaggio di che cosa? Ebbene, fino a oggi quella che veniva misurata era l’energia assorbita – o emessa – da un elettrone di un atomo. Ciò che sono riusciti ora a fare, al CERN, gli scienziati dell’esperimento ALPHA è la stessa misura ma relativa all’energia assorbita da un positrone (dunque, un anti-elettrone) di un “anti-atomo”. Per l’esattezza, un anti-idrogeno. Detto altrimenti: antimateria. E ciò che hanno visto, per la prima volta nella storia, è dunque la riga di uno spettro di antimateria: una “anti-riga” di un “anti-spettro”.
Un risultato inseguito per anni senza mai riuscire a raggiungerlo, fino a oggi. Un risultato eccezionale dal punto di vista tecnologico, come vedremo. Ma, soprattutto, un risultato che spalanca le porte a possibilità inedite per lo studio dell’antimateria, offrendoci per la prima volta la possibilità di mettere a confronto uno spettro con un “anti-spettro”. Confronto i cui risultati preliminari, mostrando come – entro i limiti sperimentali – vi sia consistenza fra le osservazioni condotte sugli atomi di anti–idrogeno e quelle sugli atomi di idrogeno, confermano quanto previsto dal Modello standard circa la perfetta simmetria fra materia e antimateria: ovvero, che il livelli energetici sono identici, come richiesto dalla cosiddetta simmetria CPT, dove ‘C’ sta per carica, ‘P’ per parità e ‘T’ per tempo.
Una conferma cruciale, questa: una differenza significativa fra spettro e “anti-spettro” implicherebbe infatti una revisione radicale di molti principi basilari della fisica. Ma potrebbe al tempo stesso offrire una spiegazione a quell’enigma ancora insoluto che è il disequilibrio che si registra nell’universo fra la quantità di materia e quella di antimateria: benché dovessero essere presenti in parti uguali all’epoca del big bang, sembrano oggi essere onnipresente la prima, pressoché introvabile la seconda.
«Spostare e intrappolare antiprotoni o positroni è facile, perché sono particelle cariche», spiega il portavoce della collaborazione ALPHA Jeffrey Hangst. «I problemi cominciano quando si combinano i due per ottenere un atomo di anti-idrogeno neutro, molto più difficile da intrappolare. Per riuscirci, abbiamo progettato una trappola magnetica molto speciale, sfruttando il fatto che antidrogeno è leggermente magnetico».Un grande risultato tecnologico, dicevamo, che giunge al termine d’un inseguimento durato vent’anni. La difficoltà più grande non è stata tanto quella di creare anti-atomi di anti-idrogeno, attività nella quale ALPHA eccelle, bensì di mantenerli intrappolati un tempo sufficiente a condurre l’esperimento, in questo caso l’illuminazione con un raggio laser.
Qualche cifra può aiutare a comprendere gli ostacoli che i ricercatori hanno dovuto superare. Ogni tentativo parte da un plasma contenente circa 90mila antiprotoni, dai quali si ottengono grosso modo 25mila anti-idrogeni. Da questi, fino a ieri, se ne riuscivano a intrappolare in media appena 1,2. Ebbene, con la nuova tecnica si è passati a 14 anti-atomi, mantenuti intrappolati in una camera a vuoto cilindrica – lunga 280 mm e con un diametro di 44 mm – per un intervallo sufficiente a essere illuminati dal laser e osservare la transizione 1S-2S. Facendoci così vedere per la prima volta una caratteristica, ampiamente prevista ma mai verificata sperimentalmente, del mondo “anti”.
Guarda il servizio video di INAF-TV:
Da:
https://it.wikipedia.org/wiki/Antimateria
http://www.media.inaf.it/2016/12/19/ecco-lo-spettro-dellantimateria/
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