¿La antimateria curva el espacio-tiempo en la dirección opuesta a la materia?

Question

Según la ecuación de Dirac, la antimateria es la solución de energía negativa a la siguiente relación:

$$E^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4.$$

Y según la relatividad general, el tensor de Einstein (que representa aproximadamente la curvatura del espacio-tiempo) es linealmente dependiente del tensor de energía-impulso (y asumo que tendría el mismo signo matemático que este):

$$G_{\mu \nu} = \frac{8 \pi G}{c^4}T_{\mu \nu}.$$

Para la antimateria, el signo del tensor de energía-impulso cambiaría, ya que cambia el signo de la energía. ¿Esto cambiaría el signo del tensor de Einstein, haciendo que el espacio-tiempo se curve en la dirección opuesta a como se curvaría si en su lugar estuviera materia normal con energía positiva? ¿O acaso agregar la constante cosmológica cambia las cosas aquí?

Answer 1

La antimateria tiene la misma masa que la materia normal, y según la Relatividad General y la Mecánica Cuántica, su interacción con la gravedad debería ser la misma.

Dicho esto, la antimateria solo se ha creado en cantidades muy pequeñas hasta ahora y solo se han realizado algunos experimentos para confirmar que no hay una nueva física involucrada.

La interacción gravitatoria de la antimateria con la materia o la antimateria no ha sido observada de manera concluyente por los físicos. Aunque el consenso abrumador entre los físicos es que la antimateria atraerá tanto a la materia como a la antimateria a la misma tasa que la materia atrae a la materia, existe un fuerte deseo de confirmar esto experimentalmente, ya que la hipótesis todavía está abierta a la falsificación.

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_interaction_of_antimatter

Answer 2

Ver también: ¿Qué es la antimateria?

Actualmente no hay razón para creer/ requerir que la antimateria tenga masa negativa. Por lo tanto, debería comportarse exactamente igual en un campo gravitatorio.

La distinción materia-antimateria es bastante arbitraria. Encontramos primero protones/neutrones/electrones, por lo que las partículas de las mismas familias que exhiben un comportamiento similar son "materia", y aquellas con ciertas propiedades (carga, número bariónico u otra cosa, dependiendo de la familia) opuestas serían antimateria. Podríamos llamar a los positrones como materia y a los electrones como antimateria y nada cambiaría excepto nuestra definición de número leptónico (y las etiquetas del muón/tau).

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Cuando Dirac lo llama una solución de energía negativa, está mirando el caso en el que tenemos un mar de materia en estado fundamental, y excitamos una. El "hueco" dejado por la partícula excitada se comporta como la partícula misma, pero puede recombinarse con una partícula excitada sin cambio neto de energía, por lo que se puede ver como teniendo una energía negativa.

En este caso, el hueco sí tiene masa negativa porque está en un "mar" de partículas de masa positiva, y al retirar estas lleva a un hueco con masa negativa. Y se comporta de manera similar desde el punto de vista de la gravedad.

En el caso general, una antipartícula tiene la misma energía que una partícula.

Answer 3

Aquí hay un argumento ingenuo para esperar que tanto la antimateria como la materia tengan propiedades "atractivas" bajo la gravedad. La relatividad general describe la gravedad en términos de un tensor de valencia 2 $g_{\mu\nu}$. Por lo tanto, al cuantizar uno esperaría una partícula de espín $2$. El propagador podría verse algo así

$$(g_{\mu\rho}g_{\nu\sigma}+g_{\mu\sigma}g_{\nu\rho})\frac{i}{q^2+i\epsilon}$$

lo cual en el límite no relativista produce un potencial universalmente atractivo al comparar el espalante a baja energía con la aproximación de Born de la MQ. Para más detalles ver la página 126 de Peskin y Schroeder.

Answer 4

El signo del tensor de energía-impulso no cambia para la antimateria. Existen varias condiciones de energía (ANEC, WEC, etc.) que estipulan varios límites en el tensor de energía-impulso, pero las únicas cosas que los violan son efectos cuánticos a pequeña escala como la fuerza de Casimir, el campo inflatón escalar y la energía oscura (que aún no sabemos qué es, pero podría ser, por ejemplo, la constante cosmológica).

El experimento ALPHA demuestra que la antimateria (en este caso, el anti hidrógeno) se comporta igual que la materia en un campo gravitatorio:

http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2787.html

Answer 5

La respuesta a tu pregunta actualmente no se conoce. Basado en la GR, se cree que la antimateria curvará el espacio de la misma manera que la materia ordinaria. Pero si la antimateria y la materia se repelen entre sí, entonces la GR no es correcta. Entonces los principios fundamentales son completamente diferentes, ver por ejemplo el documento de Cabbolet: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/andp.201000063/abstract Difícil de leer, pero la introducción es accesible. Entonces podrías entender que la antimateria curva el espacio-tiempo en dirección opuesta. Sergey