導入
反物質と物質、または反物質との重力相互作用は、結論が導き出せる条件下では物理学者によって観察されていません。物理学者の間では、物質が物質（および反物質）を引き付けるのと同じように、反物質は物質と反物質の両方を引き付けるという圧倒的なコンセンサスがあります。しかし、科学におけるコンセンサスは反証の可能性のある仮説にほかならないということで、実験的証拠を得たいという非常に強い欲求もあります。
反物質の希少性と、物質と接触すると消滅する傾向があるため、その研究は技術的に非常に困難です。反物質 (特に反水素) を作成するほとんどの方法では、重力の研究には適さない高エネルギー原子が生成されます。近年、 ATHENAと ATRAP コンソーシアムは低エネルギー水素を次々と生成していますが、これまでの観測は重力に関するデータがほとんど、またはまったく得られていない消滅現象に系統的に限定されています。
3つの理論
CPT定理は、物質が物質を引き付けるのと同じように、反物質は反物質を引き付けるはずであると述べています。ただし、反物質が通常の物質とどのように相互作用するかについては、いくつかの理論があります。
- 通常の重力: 標準理論では、反物質は通常の物質とまったく同じように落下すると述べています。
- 反重力: 初期の理論分析では、反物質が同じ大きさの反発力を持つことができるかどうかにも焦点が当てられました。これを、「反重力」とも呼ばれる他の多くの推測上の現象と混同しないでください。
反物質重力論争
1932 年に反物質が発見されたとき、物理学者は反物質が重力にどのように反応するのか疑問に思いました。初期の分析では、反物質の反応が物質の反応と同じになるか、それとも逆になるかに焦点が当てられました。いくつかの理論的議論が提唱され、反物質は通常の物質とまったく同じように反応するに違いないと物理学者を納得させました。彼らは、物質と反物質の間の重力反発は、CPT 不変性、エネルギー保存則に違反し、真空の不安定性を引き起こし、最終的には CP 違反を引き起こすため、ほとんどあり得ないと主張しました。理論的議論は、それが弱い等価原理に関するエトヴェシュのテストの結果とも矛盾することを示しました。これらの当初の理論的反対意見の多くは、後に回避されました。
モリソン氏の主張
1958 年、フィリップ モリソンは、反重力はエネルギー保存則に違反すると主張しました。物質と反物質が重力場に対して反対の反応をする場合、粒子と反粒子のペアの高さを変えるためにエネルギーを入力する必要はありません。ただし、重力ポテンシャルの中を移動すると、光の周波数とエネルギーがシフトします。モリソン氏は、生成に使用される光子は消滅に必要なエネルギーよりも少ないエネルギーを必要とするため、エネルギーは特定の高さから物質と反物質が生成され、その後さらに高い高さから消滅することによって生成されると主張した。しかし、反重力は熱力学の第 2 法則に違反しないことが後に判明しました。
等価原理
物質と反物質が互いに反発する理論を発明できたら、物質でも反物質でもないものについて何を予測できるでしょうか?光子はそれ自身の反粒子であり、あらゆる点で物質と反物質の粒子に対して正確に対称的に動作します。多くの研究室や天文学実験 (重力赤方偏移や重力レンズなど) では、一般相対性理論に従って光子が物質に引き寄せられることが観察されています。素粒子の内容は同じであるが、質量が異なる原子と原子核を見つけることができます。たとえば、エネルギー結合の違いにより、ヘリウム4 の重さは重水素粒子 2 個よりも少なくなります。観察された重力定数は、異なる物質のそれぞれについて、実験精度の限界まで同じままであり、光子と同様に物質と反物質の間に違いを生じない「結合エネルギー」が同じ重力を感じていることを示唆しています。物質としての力。これもまた、一般相対性理論と一致しており、物質と反物質が互いに反発するという理論と調和するのは困難です。
シフの主張
その後、1958 年に L. シフは場の量子理論を使用して、反重力はエトヴェシュの実験結果と両立しないと主張しました。ただし、シフの分析に使用された繰り込み技術は強く批判されており、彼の研究は決定的ではないと考えられています。
グッドの議論
1961年、マイロン・グッドは、反重力はカオン再生異常における異常に多数のCP違反の観察に起因するに違いないと主張した。当時、CP 違反は観察されていませんでしたが、グッドの議論は絶対的な可能性の観点から表現されているため、批判されています。ガブリエル・シャルダンは、相対ポテンシャルの観点から議論を再定式化することにより、これにより観測結果と一致する多数のカオン再生がもたらされることを示しました。彼は、反重力が実際には CP 違反の潜在的な説明であると主張しています。
