Der britische Astrophysiker Jamie Farnes hat ein kosmologisches Modell vorgeschlagen, in dem negative Masse erzeugt wird konstante Geschwindigkeit während der gesamten Evolution des Universums. Dieses Modell widerspricht der allgemein akzeptierten Sichtweise der Natur der Materie, erklärt jedoch gut die meisten Effekte, die normalerweise dunkler Materie und dunkler Energie zugeschrieben werden, insbesondere die Expansion des Universums, die Bildung einer großräumigen Struktur des Universums und des galaktischen Halo, die Rotationskurven von Galaxien und das beobachtete Spektrum Relikte Strahlung. Artikel erschienen in Astronomie & Astrophysik, ein Preprint der Arbeit ist unter arXiv.org verfügbar.

Derzeit glauben die meisten Kosmologen, dass die Entwicklung des Universums durch das ΛCDM-Modell beschrieben wird. Nach diesem Modell sind etwa 70 Prozent der Masse des Universums dunkle Energie, 25 Prozent kalte dunkle Materie (also Materie, deren Teilchen sich langsam bewegen) und nur die restlichen 5 Prozent uns bekannte baryonische Materie. Wissenschaftler haben diese Verhältnisse bestimmt, indem sie Harmonische im Hintergrundstrahlungsmuster analysierten. Mehr über die Messung der „Zusammensetzung“ des Universums können Sie in Boris Sterns Artikeln über die Satelliten WMAP und Planck lesen, die den Hauptbeitrag zu dieser Arbeit geleistet haben.

Leider haben Wissenschaftler ein schlechtes Verständnis davon, was dunkle Materie und dunkle Energie sind. Keines der ultrapräzisen Experimente zur Suche nach Dunkle-Materie-Teilchen wurde von einer Reihe vorhergesagt theoretische Modelle(zB SUSY) nie positiv getestet. Derzeit liegt der Streuquerschnitt für gewöhnliche Teilchen und "dunkle" Teilchen mit Massen von 6 bis 200 Megaelektronenvolt in der Größenordnung von 10 −47 Quadratzentimeter, das Teilchen in diesem Massenbereich praktisch eliminiert und die Physiker zur Entwicklung zwingt alternative Theorien. Dunkle Materie manifestiert sich jedoch immer noch durch Gravitationswechselwirkung, modifiziert die Rotationskurven von Galaxien und das Bild, und daher Wissenschaftler von dieser Hypothese.

Dunkle Energie ist noch schlimmer. Die einzige Beobachtung, die ihre Existenz unabhängig von der Analyse der Hintergrundstrahlung direkt bestätigt, ist die beschleunigte Expansion des Universums, gemessen durch (indirekt wird dunkle Energie durch das Verhältnis bestätigt chemische Elemente im beobachtbaren Universum). Darüber hinaus haben Physiker ein schlechtes Verständnis dafür, was dunkle Energie auf der Erde ist. grundlegende Ebene . Na sicher, qualitativ es kann mit der kosmologischen Konstante (Lambda-Term) in beschrieben werden, aber diese Methode liefert keine neuen Erkenntnisse und erlaubt es nicht festzustellen, ob woraus besteht es dunkle Energie. Einstein erklärte solche Zusätze mit Hilfe von Teilchen mit negativer Masse – bei diesem Ansatz werden die Bewegungsgleichungen symmetrisch, wie die Gleichungen der Elektrodynamik, und der Lambda-Term erscheint als Integrationskonstante, die keine physikalische Bedeutung hat.

Materie mit negativer Masse ist Materie, die entgegen der Kraft beschleunigt. Ein Teilchen mit negativer Masse stößt Teilchen mit positiver und negativer Masse ab, während „positive“ Teilchen „negative“ anziehen. Leider ist diese Art der Beschreibung dunkler Energie im Rahmen des ΛCDM-Modells offensichtlich zum Scheitern verurteilt. Tatsache ist, dass sich während der Expansion des Universums die Dichte verschiedener Bestandteile nach unterschiedlichen Gesetzen ändert: Die Dichte kalter Materie sinkt, während die Dichte dunkler Energie konstant bleibt. Daher ist es unmöglich, Materie mit negativer Masse und dunkler Energie zu identifizieren.

Wechselwirkung von Teilchen mit negativer Masse: Schwarze Pfeile zeigen Kräfte an, rote Pfeile zeigen Beschleunigungen an

Jamie Farnes / Astronomie und Astrophysik

Wechselwirkung von Teilchen mit positiver und negativer Masse: Schwarze Pfeile zeigen Kräfte an, rote Pfeile zeigen Beschleunigungen an

Jamie Farnes / Astronomie und Astrophysik

Wechselwirkung von Teilchen mit positiver Masse: Schwarze Pfeile zeigen Kräfte an, rote Pfeile zeigen Beschleunigungen an

Jamie Farnes / Astronomie und Astrophysik

Der Astrophysiker Jamie Farnes behauptet jedoch, er sei in der Lage gewesen, Einsteins Idee mit Beobachtungsdaten zu verknüpfen. Dazu kombinierte er die Idee der negativen Masse mit einer anderen kontraintuitiven Idee über die kontinuierliche und gleichmäßige Produktion von Masse im Volumen des Universums. Diese Idee ist auch alles andere als neu, sie wurde erstmals in den 40er Jahren des letzten Jahrhunderts vorgeschlagen.

Theoretisch können solche Prozesse durchaus vor dem Hintergrund einer starken ablaufen Schwerkraftfeld(zum Beispiel auf Kosten von). In Anbetracht solcher Ergänzungen des Standard-Energie-Impuls-Tensors für positive Massen schrieb und löste der Physiker die Friedmann-Gleichung und berechnete dann, nach welchem ​​Gesetz sich das Universum in diesem Modell ausdehnt. Die Beiträge der üblichen Dunklen Materie und Dunklen Energie haben die Wissenschaftler nicht berücksichtigt. Im Ergebnis stellte sich heraus, dass berühmte Gesetze werden reproduziert, wenn die negative Masse mit einer konstanten Geschwindigkeit Γ = −3 erzeugt wird H, wo H ist die Hubble-Konstante. In diesem Fall bleibt die negative Massendichte während der Expansion konstant und modelliert effektiv die kosmologische Konstante. In diesem Fall sind die Expansionsrate und die Lebensdauer des Universums dieselben wie im ΛCDM-Modell.

Der Astrophysiker berechnete dann, wie sich die negative Masse auf kleineren Skalen zeigen würde. Dazu modellierte er innerhalb seines Modells die Interaktion eine große Anzahl Teilchen positiver und negativer Masse. Da alle existierenden astrophysikalischen Pakete solche ungewöhnlichen Modifikationen nicht berücksichtigen, musste Farnes ein eigenes Programm entwickeln. Um im Laufe der Berechnungen keine Annäherungen zu machen, berechnete der Forscher die Koordinaten und Geschwindigkeiten jedes Teilchens zu jedem Zeitpunkt - dies ermöglichte es, die Zuverlässigkeit der Vorhersagen zu erhöhen, obwohl die Anforderungen des Programms an Rechenressourcen mit dem Quadrat der wuchsen Anzahl der Partikel. Insbesondere aus diesem Grund musste sich der Wissenschaftler auf die Modellierung von 50.000 Partikeln beschränken.

Mit dem entwickelten Programm sah Farnes mehrere Effekte, die traditionell dunkler Materie zugeschrieben werden. Zuerst modellierte er die Entwicklung einer dichten Gruppe von Teilchen mit positiver Masse, die in ein „Meer“ von Teilchen mit negativer Masse eingetaucht waren. Ein solches System soll die Entwicklung von Galaxien qualitativ weiter beschreiben späten Stadien Expansion des Universums, wenn die "negativen" Teilchen die "positiven" deutlich überwiegen. Bei diesem Problem wählte der Wissenschaftler die Anzahl der "positiven" Teilchen N+= 5000, die Zahl der negativen N− = 45000. Als Ergebnis erhielt er eine Dichteverteilung, die gut mit den Beobachtungsdaten übereinstimmt – die Teilchendichte nimmt langsam zu, wenn man sich dem Zentrum der Galaxie nähert, und stimmt mit dem Burkert-Profil überein. Dies löst das "Cuspy-Halo-Problem", das im ΛCDM-Modell auftritt.

Entwicklung einer "Galaxie" aus positiver Materie, eingetaucht in ein "Meer" aus negativer Materie

Jamie Farnes / Astronomie und Astrophysik

Galaxienmassenprofil, berechnet von Farnes (blau) und in der Praxis beobachtet (rosa gepunktete Linie)

Jamie Farnes / Astronomie und Astrophysik

Zweitens berechnete der Wissenschaftler mit den gleichen Ausgangsdaten die Rotationskurve der Galaxie und stellte fest, dass sie ebenfalls gut mit den Beobachtungsdaten übereinstimmt. Während sich im Modell mit rein „positiven“ Teilchen die Materie am Rand der Galaxie langsamer bewegt als im Zentrum, ist die Geschwindigkeit im Modell mit überwiegend „negativen“ Teilchen annähernd konstant.

Rotationskurve einer Galaxie, eingetaucht in ein „Meer“ aus negativer Materie (rot) und einer „freien“ Galaxie (schwarz)

Jamie Farnes / Astronomie und Astrophysik

Drittens hat Farnes das in seinem Modell gezeigt natürlich es entsteht eine fadenförmige großräumige Struktur des Universums: Galaxien vereinigen sich zu Haufen, Haufen zu Superhaufen und Superhaufen zu Ketten und Mauern. Dazu berechnete er die Evolution eines Systems, das enthält die gleiche Nummer"positive" und "negative" Teilchen. Aufgrund der begrenzten verfügbaren Rechenleistung hat der Wissenschaftler die Anzahl beider Teilchenarten angegeben N + = N− = 25000. Wie im vorherigen Fall umgaben „negative“ Teilchen Teilchen gewöhnlicher Materie und bildeten einen Halo, aber dieses Mal war der Forscher in der Lage, Muster in größeren Maßstäben zu erkennen, die der Struktur des beobachtbaren Universums ähnelten.

Homogene Struktur Universum zu Beginn der Simulation

Jamie Farnes / Astronomie und Astrophysik

Zum Üben anmelden. Leider konnte er diesen Effekt in Simulationen mit 50.000 Teilchen nicht sehen. Der Wissenschaftler hofft jedoch, dass solche Prozesse in größeren Simulationen mit einer Million Teilchen beobachtet werden können, und deutet auch an, dass sie es uns ermöglichen, eine neue Theorie zu bestätigen oder zu widerlegen.

Schließlich überprüfte der Wissenschaftler, wie sehr die vorgeschlagene Modifikation des ΛCDM-Modells die tatsächlich beobachteten Effekte verzerren würde – die Expansion des Universums, gemessen mit Standardkerzen, der Relikthintergrund und Beobachtungen von Verschmelzungen von Galaxienhaufen. In all diesen Fällen stellte der Astrophysiker fest, dass seine Hypothese den beobachteten Daten nicht widersprach. Allerdings bleiben noch einige Fragen offen – insbesondere ist nicht klar, wie man eine solche Hypothese mit dem Standardmodell (kann der Higgs-Mechanismus negative Massen erzeugen?) verknüpfen, wie man Teilchen mit negativer Masse experimentell nachweisen kann und wie die Widersprüche zwischen der Abstoßung "negativer" Teilchen und der Theorie erklären. Der Wissenschaftler glaubt jedoch, dass all diese Probleme im Rahmen des neuen Modells gelöst werden können.

Somit erklärt das Modell mit konstanter Produktion negativer Masse nicht nur die beobachtete Expansion des Universums, sondern auch die Bildung seiner großräumigen Struktur, Halos aus dunkler Materie um Galaxien und Rotationskurven – die meisten Effekte, die normalerweise der Dunkelheit zugeschrieben werden Energie und dunkle Materie. Seltsamerweise, wie intuitiv unnatürlich Hypothese, die der allgemein akzeptierten Sichtweise der Materie widerspricht, ist recht konsistent mit Beobachtungsdaten. Außerdem bietet sie an, sie näher zu erklären auf einfache Weise, an der weniger Entitäten beteiligt sind. Wie der Autor selbst in der Schlussfolgerung schreibt: „Während dieser Vorschlag abtrünnig und ketzerisch ist, deutet [der Artikel] darauf hin negative Werte Diese Parameter können im Prinzip die Daten kosmologischer Beobachtungen erklären, die immer im Rahmen einer vernünftigen Annahme einer positiven Masse interpretiert wurden.“

Manchmal sagen Physiker hübsch ungewöhnliche Ideen um die beobachteten Widersprüche zwischen Theorie und Experiment zu erklären. So stellte beispielsweise im November vergangenen Jahres der amerikanische theoretische Physiker Hooman Davoudiasl vor neue Kraft, das von einem ultraleichten Skalarteilchen getragen wird und dunkle Materie von der Erde abstößt. Diese Annahme erklärt gut das Scheitern aller terrestrischen Experimente bei der Suche nach dunkler Materie - wenn eine solche Kraft wirklich existiert, könnten die Detektoren im Prinzip nichts registrieren. Leider lässt sich diese Behauptung mit verifizieren Aktuelles Level Technologieentwicklung ist nicht möglich.

Dmitri Trunin

Wissenschaftler aus den USA behaupten, im Labor eine Substanz mit negativer Masse hergestellt zu haben. Diese Substanz ist eine Flüssigkeit mit einem sehr ungewöhnliche Eigenschaften. Wenn Sie beispielsweise diese Flüssigkeit drücken, erhält sie eine negative Beschleunigung, dh rückwärts, nicht vorwärts. Eine solche Kuriosität könnte Wissenschaftlern zumindest viel darüber verraten, was im Inneren vor sich geht seltsame Objekte wie Schwarze Löcher und Neutronensterne.
Kann etwas jedoch negative Masse haben? Ist es möglich?

Theoretisch kann Materie genauso negative Masse haben wie elektrische Ladung kann negativ oder positiv sein.

Auf dem Papier funktioniert das, aber es gibt eine hitzige Debatte in der Welt der Wissenschaft darüber, ob die bloße Annahme der Existenz von etwas mit negativer Masse gegen die Grundgesetze der Physik verstößt. Für uns, gewöhnliche Menschen, scheint dieses Konzept zu kompliziert zu sein, um es zu verstehen.

Differentialgesetz mechanische Bewegung oder einfacher gesagt, das zweite Newtonsche Gesetz wird durch die Formel A=F/M ausgedrückt. Das heißt, die Beschleunigung eines Körpers ist gleich dem Verhältnis der auf ihn wirkenden Kraft zur Masse des Körpers. Wenn Sie einstellen negative Bedeutung Masse, dann erhält der Körper logischerweise eine negative Beschleunigung. Stellen Sie sich vor, Sie schlagen den Ball und er rollt auf Ihr Bein.

Was uns jedoch fremd erscheint, muss nicht unmöglich sein, und die obigen theoretischen Übungen sind der beste Weg, um zu beweisen, dass negative Masse in unserem Universum existieren kann, ohne zu verletzen Allgemeine Theorie Relativität.

Der Wunsch, all dies zu verstehen, führte zu aktiven Versuchen von Forschern, die negative Masse im Labor nachzubilden, wie wir sehen, sogar mit einigem Erfolg.

Wissenschaftler der University of Washington sagten, es sei ihnen gelungen, eine Flüssigkeit zu erhalten, die sich genau so verhält, wie sich ein Körper mit negativer Masse verhalten sollte. Und ihre Entdeckung könnte schließlich genutzt werden, um einige zu studieren seltsame Phänomene in den Tiefen des Universums.

Um diese seltsame Flüssigkeit herzustellen, kühlten die Wissenschaftler die Rubidium-Atome mit Lasern fast auf den Punkt Absoluter Nullpunkt, wodurch ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat entsteht.

In diesem Zustand bewegen sich die Teilchen unglaublich langsam und seltsam und folgen ziemlich seltsamen Prinzipien. Quantenmechanik, und nicht klassische Physik, das heißt, sie fangen an, sich wie Wellen zu verhalten.

Die Partikel synchronisieren und bewegen sich auch im Einklang und bilden eine superflüssige Substanz, die sich bewegen kann, ohne Energie durch Reibung zu verlieren.
Wissenschaftler haben Laser verwendet, um ein Superfluid zu erzeugen niedrige Temperaturen, sowie um es in einem schalenförmigen Feld mit einem Durchmesser von weniger als 100 Mikrometern zu platzieren.

Solange die Supermaterie in diesem Raum platziert blieb, hatte sie eine gewöhnliche Masse und stimmte ziemlich mit dem Konzept eines Bose-Einstein-Kondensats überein. Bis er zum Umzug gezwungen wurde.

Mit einem zweiten Lasersatz zwangen die Wissenschaftler die Atome, sich hin und her zu bewegen, wodurch sich ihr Spin änderte und Rubidium, nachdem es die Barriere der "Schüssel" überwunden hatte, schnell herausspritzte. Allerdings so, als ob es eine negative Masse hätte. Laut Wissenschaftlern war der Eindruck so, dass die Flüssigkeit auf eine unsichtbare Barriere stolperte und von ihr abgestoßen wurde.

Damit bestätigten die Forscher die Annahmen über die Existenz negativer Masse, aber dies ist erst der Anfang der Reise. Es bleibt abzuwarten, ob das Flüssigkeitsverhalten unter Laborbedingungen wiederholbar und zuverlässig genug ist, um einige Annahmen über negative Massen zu testen. Freuen Sie sich also nicht vorzeitig, andere Teams müssen die Ergebnisse selbst wiederholen.

Eines ist sicher, die Physik wird immer interessanter und es lohnt sich, sich dafür zu interessieren.

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2. Wurmlöcher, Wurmlöcher und Zeitreisen Ein Wurmloch ist eine theoretische Passage durch die Raumzeit, die Fernreisen durch das Universum stark reduzieren kann, indem es Abkürzungen schafft ...

Hypothetisches Wurmloch in der Raumzeit

BEI theoretische Physik, ist der Begriff einer hypothetischen Substanz, deren Masse den entgegengesetzten Wert der Masse hat normale Sache(so wie eine elektrische Ladung positiv und negativ sein kann). Zum Beispiel -2 kg. Eine solche Substanz, wenn sie existierte, würde einen oder mehrere stören und einige zeigen seltsame Eigenschaften. Nach einigen spekulativen Theorien kann Materie mit negativer Masse verwendet werden, um ( Wurmlöcher) in der Raumzeit.

Klingt wie absolute Fiktion, aber jetzt eine Gruppe von Physikern der University of Washington, der University of Washington, der OIST University (Okinawa, Japan) und Universität Shanghai, das einige der Eigenschaften eines hypothetischen Materials mit negativer Masse aufweist. Wenn Sie beispielsweise diesen Stoff drücken, beschleunigt er nicht in Richtung der Krafteinwirkung, sondern hinein umgekehrte Richtung. Das heißt, es beschleunigt Rückseite.

Um eine Substanz mit negativen Masseneigenschaften herzustellen, stellten Wissenschaftler ein Bose-Einstein-Kondensat her, indem sie Rubidiumatome auf fast den absoluten Nullpunkt abkühlten. In diesem Zustand bewegen sich die Teilchen extrem langsam und Quanteneffekte beginnen auf makroskopischer Ebene zu erscheinen. Das heißt, gemäß den Prinzipien der Quantenmechanik beginnen sich Teilchen wie Wellen zu verhalten. Beispielsweise sind sie miteinander synchronisiert und fließen reibungsfrei, also ohne Energieverlust, durch die Kapillaren – der Effekt der sogenannten Suprafluidität.

Im Labor der University of Washington wurden Bedingungen für die Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats in einem Volumen von weniger als 0,001 mm³ geschaffen. Die Partikel wurden von einem Laser abgebremst und warteten darauf, dass die energiereichsten von ihnen das Volumen verließen, was das Material weiter abkühlte. Zu diesem Zeitpunkt hatte das überkritische Fluid noch eine positive Masse. Wenn die Hermetik des Gefäßes verletzt würde, würden die Rubidiumatome hineinstreuen verschiedene Seiten, da die zentralen Atome die äußersten Atome nach außen drücken würden und diese in Richtung der Krafteinwirkung beschleunigen würden.

Um eine negative effektive Masse zu erzeugen, verwendeten Physiker einen anderen Satz von Lasern, die den Spin einiger Atome veränderten. Wie die Simulation vorhersagt, sollten die Partikel in einigen Bereichen des Behälters eine negative Masse annehmen. Deutlich wird dies am starken Anstieg der Materiedichte als Funktion der Zeit in den Simulationen (im unteren Diagramm).

Abbildung 1. Anisotrope Expansion eines Bose-Einstein-Kondensats mit verschiedene Koeffizienten Adhäsionskräfte. Echte Ergebnisse Experimente sind rot, Vorhersageergebnisse in der Simulation sind schwarz

Das untere Diagramm ist ein vergrößerter Ausschnitt des mittleren Rahmens in der unteren Reihe von Abbildung 1.

Das untere Diagramm zeigt eine 1D-Simulation der Gesamtdichte über der Zeit in dem Bereich, in dem die dynamische Instabilität zuerst auftrat. Gepunktete Linien trennen drei Atomgruppen mit Geschwindigkeiten

in einem Quasi-Moment

Wo ist die wirksame Masse

beginnt negativ zu werden (obere Linie). Dargestellt ist der Punkt der minimalen negativen effektiven Masse (Mitte) und der Punkt, zu dem die Masse zurückkehrt positive Werte(Endeffekt). Die roten Punkte markieren die Stellen, an denen der lokale Quasi-Impuls im Bereich der negativen effektiven Masse liegt.

Die allererste Reihe von Grafiken zeigt dies während Physikalisches Experiment Materie verhielt sich genau wie simuliert, was Teilchen mit einem negativen vorhersagt wirksame Masse.

In einem Bose-Einstein-Kondensat verhalten sich Teilchen wie Wellen und breiten sich daher in eine andere Richtung aus, als sich normale Teilchen mit positiver effektiver Masse ausbreiten sollten.

Fairerweise muss gesagt werden, dass Physiker während der Experimente immer wieder aufgezeichnet haben, aber diese Experimente konnten auf unterschiedliche Weise interpretiert werden. Jetzt ist die Ungewissheit weitgehend beseitigt.

Wissenschaftlicher Artikel vom 10. April 2017 in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfung(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, im Abonnement erhältlich). Eine Kopie des Artikels vor dem Einreichen bei der Zeitschrift am 13. Dezember 2016 unter den freien Zugang auf arXiv.org (arXiv:1612.04055).

Es wird empfohlen, mit einer Auflösung von 1280 x 800 anzusehen

"Technik-Jugend", 1990, Nr. 10, p. 16-18.

Gescannt von Igor Stepikin

Tribüne der kühnen Hypothesen

Ponkrat BORISOV, Ingenieur
Negative Masse: Freier Flug in die Unendlichkeit

Artikel zu diesem Thema erscheinen seit mehr als 30 Jahren von Zeit zu Zeit in ausländischen und sowjetischen Physikzeitschriften. Aber seltsamerweise scheinen sie immer noch nicht die Aufmerksamkeit der Popularisierer auf sich gezogen zu haben. Aber das Problem der negativen Masse, und sogar in streng wissenschaftliche Einstellung- ein tolles Geschenk für Liebhaber der Paradoxien der modernen Physik und Science-Fiction-Autoren. Aber so ist das Eigentum spezielle Literatur: die Sensation darin kann jahrzehntelang verborgen bleiben ...

So, wir redenüber eine hypothetische Form von Materie, deren Masse im Vorzeichen der gewöhnlichen entgegengesetzt ist. Da stellt sich sofort die Frage: Was bedeutet das eigentlich? Und es wird sofort klar: Es ist gar nicht so einfach, den Begriff der negativen Masse richtig zu definieren.

Zweifellos muss es die Eigenschaft der Gravitationsabstoßung haben. Doch es stellt sich heraus, dass dies allein nicht ausreicht. BEI moderne Physik vier Arten von Masse werden streng unterschieden:

gravitationsaktiv - derjenige, der anzieht (wenn er natürlich positiv ist);

Gravitationspassiv - derjenige, der angezogen wird;

träge, die unter Einwirkung einer angelegten Kraft eine bestimmte Beschleunigung erhält (a \u003d F / m);

schließlich Einsteins Ruhemasse, die die Gesamtenergie des Körpers festlegt (E = mC 2).

Im Rahmen allgemein akzeptierter Theorien sind sie alle gleich groß. Aber es ist notwendig, zwischen ihnen zu unterscheiden, und das wird gerade klar, wenn man versucht, die negative Masse zu bestimmen. Tatsache ist, dass es dem üblichen nur dann völlig entgegengesetzt ist, wenn alle vier seiner Typen negativ werden.

Basierend auf diesem Ansatz wurde im allerersten Artikel zu diesem Thema, der bereits 1957 veröffentlicht wurde, Englischer Physiker X. Bondy hat die grundlegenden Eigenschaften von "Minusmasse" durch strenge Beweise bestimmt.

Es mag nicht einmal sehr schwierig sein, sie hier zu wiederholen, weil sie nur auf der Newtonschen Mechanik beruhen. Aber das wird unsere Geschichte unübersichtlich machen, und dann gibt es eine Menge physikalischer und mathematischer "Feinheiten". Kommen wir daher direkt zu den Ergebnissen, zumal diese recht eindeutig sind.

Erstens muss „Minus-Materie“ alle anderen Körper, also nicht nur mit negativer, sondern auch mit positiver Masse, gravitativ abstoßen (während gewöhnliche Materie dagegen immer Materie beider Arten anzieht). Außerdem muss es sich unter der Wirkung einer Kraft bis hin zur Trägheitskraft in die Richtung bewegen entgegengesetzter Vektor diese Stärke. Und schließlich muss auch seine gesamte Einstein-Energie negativ sein.

Daher sollte übrigens betont werden, dass unsere erstaunliche Angelegenheit- keine Antimaterie, deren Masse immer noch als positiv angesehen wird. Zum Beispiel durch moderne Ideen, „Anti-Erde“ aus Antimaterie würde die Sonne in genau der gleichen Umlaufbahn umkreisen wie unser Heimatplanet.

All dies ist fast offensichtlich. Doch dann beginnt das Unglaubliche.

Nehmen wir die gleiche Schwerkraft. Wenn zwei gewöhnliche Körper einander anziehen und sich nähern und zwei Antimassen einander abstoßen und zerstreuen, was passiert dann während der gravitativen Wechselwirkung von Massen unterschiedlicher Vorzeichen?

Kümmer dich nicht darum einfachster Fall: ein Körper (sagen wir ein Ball) aus Materie mit einer negativen Masse -M befindet sich hinter einem Objekt (nennen wir es eine "Rakete" - jetzt werden wir herausfinden warum) mit einer gleichen positiven Masse +M. Es ist klar, dass das Gravitationsfeld des Balls die Rakete abstößt, während es selbst den Ball anzieht. Aber daraus folgt (das ist wiederum streng bewiesen), dass sich das ganze System entlang einer geraden Linie bewegen wird, die die Mittelpunkte zweier Massen verbindet, mit konstante Beschleunigung, proportional zur Stärke Gravitationswechselwirkung zwischen ihnen!

Natürlich „beweist“ dieses Bild der spontanen, ursachenlosen Bewegung auf den ersten Blick nur eines: Antimasse mit den Eigenschaften, die wir ihr in der Definition von Anfang an zugeschrieben haben, kann es einfach nicht geben. Schließlich haben wir anscheinend eine ganze Reihe von Verstößen gegen die unveränderlichsten Gesetze erhalten.

Nun, wird hier nicht zum Beispiel das Gesetz der Impulserhaltung ganz offen verletzt? Beide Körper eilen grundlos in die gleiche Richtung, während sich nichts in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Aber denken Sie daran, dass eine der Massen negativ ist! Aber das bedeutet, dass sein Impuls, unabhängig von der Geschwindigkeit, ein Minuszeichen hat: (-M) V, und dann totaler Impuls Zwei-Körper-System ist immer noch Null!

Dasselbe gilt für die gesamte kinetische Energie des Systems. Während die Körper in Ruhe sind, ist sie gleich Null. Aber egal wie schnell sie sich bewegen, nichts ändert sich: Die negative Masse der Kugel, in voller Übereinstimmung mit der Formel (-M)V 2 /2, akkumuliert ein Negatives kinetische Energie, die die Zunahme der positiven Energie der Rakete genau kompensiert.

Wenn das alles absurd erscheint, werden wir vielleicht „einen Keil mit einem Keil ausschlagen“ - versuchen wir, eine Absurdität mit einer anderen zu bestätigen? Seit der sechsten Klasse wissen wir, dass der Mittelpunkt gleicher (natürlich positiver) Punktmassen in der Mitte zwischen ihnen liegt. Also - wie würde Ihnen die folgende Ausgabe gefallen? Der Mittelpunkt gleicher Punktmassen unterschiedlichen Vorzeichens liegt zwar auf einer durch sie hindurchgehenden Geraden, aber nicht innerhalb, sondern AUSSERHALB der sie verbindenden Strecke, im Punkt ±Ґ ?!

Nun, ist es einfacher?

Übrigens ist diese Schlussfolgerung bereits ziemlich elementar, und jeder kann sie wiederholen, wenn er möchte, und Physik auf dem Niveau derselben sechsten Klasse besitzen.

Wer an kein Wort glaubt und sich vergewissern möchte, dass alle Berechnungen stimmen, kann sich an eines wenden neueste Veröffentlichungen zu diesem Thema - Artikel US-amerikanischer Physiker R. Forward "Raketentriebwerk über die Substanz negativer Masse", veröffentlicht in der übersetzten Zeitschrift " Raumfahrttechnik» Nr. 4 für 1990.

Aber vielleicht denkt der anspruchsvolle Leser, dass er auch ohne Berechnung verstanden hat, wo ihm die "Linde" zugesteckt wurde? In der Tat: Bei all diesen eleganten Argumenten wird die Frage totgeschwiegen: Woher kommt eine so wunderbare Masse? Schließlich wird es unabhängig von seiner Herkunft Energie benötigen, um es zu „extrahieren“, zu „herstellen“ oder, sagen wir, an den Ort des Geschehens zu liefern, was bedeutet ...

Ach, anspruchsvoller Leser! Energie wird natürlich benötigt, aber wieder negativ. Da ist nichts zu machen: In Einsteins Formel für die Gesamtenergie des Körpers E = Ms 2 hat unsere wunderbare Masse das gleiche Minuszeichen. Das bedeutet, dass die „Herstellung“ eines Körperpaares mit GLEICHEN Massen UNTERSCHIEDLICHER Zeichen NULL Gesamtenergie erfordert. Gleiches gilt für die Zustellung und für sonstige Manipulationen.

Nein - so paradox all diese Ergebnisse auch sein mögen, strenge Schlussfolgerungen besagen, dass das Vorhandensein von Antimasse nicht nur der Newtonschen Mechanik, sondern auch der allgemeinen Relativitätstheorie widerspricht. Es konnten keine logischen Existenzverbote gefunden werden.

Naja - wenn die Theorie es "zulässt", dann überlegen wir uns zum Beispiel - was wann passieren kann Physischer Kontakt zwei identische Materieteilchen mit Plus- und Minusmasse? Bei "normaler" Antimaterie ist alles klar: Die Vernichtung erfolgt mit der Freisetzung der Gesamtenergie beider Körper. Aber wenn eine der beiden gleichen Massen negativ ist, dann ist ihre Gesamtenergie, wie wir gerade verstanden haben, Null. Aber WAS wird in Wirklichkeit mit ihnen passieren – das ist schon eine Frage, die über die Theorie hinausgeht.

Das Ergebnis eines solchen Ereignisses kann nur bekannt sein empirisch. Es ist unmöglich, es zu „berechnen“ - schließlich haben wir keine Ahnung vom „Wirkmechanismus“ der negativen Masse, ihrem „ interne Anordnung“(wie wir das aber bei der Masse des Üblichen nicht wissen). Theoretisch ist eines klar: In jedem Fall bleibt die Gesamtenergie des Systems Null. Wir haben das Recht, nur eine HYPOTHESE aufzustellen, wie es derselbe Forward tut. Nach seiner Vermutung körperliche Interaktion hier kommt es nicht zur Vernichtung, sondern zur sogenannten „Nullifikation“, also der „stillen“ gegenseitigen Vernichtung der Teilchen, ihrem Verschwinden ohne Energiefreisetzung.

Aber, wir wiederholen, nur ein Experiment könnte diese Hypothese bestätigen oder widerlegen.

Aus den gleichen Gründen wissen wir nichts darüber, wie man eine negative Masse "macht" (wenn überhaupt möglich). Das sagt nur die Theorie gleiche Masse entgegengesetztem Vorzeichen sie können im Prinzip ohne Energiekosten entstehen. Und sobald ein solches Körperpaar auftaucht, fliegt es beschleunigend in gerader Linie ins Unendliche ...

R. Forward hat in seinem Artikel bereits einen Motor mit negativer Masse „entworfen“, der uns mit jeder von uns eingestellten Beschleunigung an jeden Punkt im Universum bringen kann. Es stellt sich heraus, dass dazu nur ... ein Paar gute Federn benötigt werden (alle Wechselwirkungen der "Minus-Masse" mit der üblichen durch elastische Kräfte werden natürlich auch detailliert berechnet).

Platzieren wir also unsere wunderbare Masse, die so groß ist wie die Masse der Rakete, in der Mitte ihres "Motorraums". Wenn Sie vorwärts fliegen müssen, spannen Sie die Feder von der Rückwand und haken Sie ihren Körper mit negativer Masse ein. Sofort wegen ihrer "perversen" Trägheitseigenschaften es wird nicht dorthin eilen, wo es gezogen wird, sondern geradeaus entgegengesetzten Richtung, wobei die Rakete mit einer Beschleunigung proportional zur Kraft der Federspannung mitgerissen wird.

Um die Beschleunigung zu stoppen, genügt es, die Feder auszuhaken. Und um das Schiff zu verlangsamen und anzuhalten, müssen Sie eine zweite Feder verwenden, die an der Vorderwand des Motorraums befestigt ist.

Und doch gibt es eine teilweise Widerlegung des „freien Motors“! Es stimmt, es kommt von einer völlig unerwarteten Seite. Aber dazu am Ende mehr.

Lassen Sie uns in der Zwischenzeit nach Orten suchen, an denen große Mengen an negativer Masse vorhanden sein könnten. Solche Orte werden durch die riesigen Hohlräume nahegelegt, die auf großformatigen dreidimensionalen Karten der Verteilung von Galaxien im Universum gefunden werden – Phänomene, die an sich höchst interessant sind. Wie aus Abb. 2, die Abmessungen dieser Hohlräume, die auch einfach "Blasen" genannt werden, betragen etwa 100 Millionen Lichtjahre (während die Abmessungen unserer Galaxie etwa 0,06 Millionen Lichtjahre betragen). Somit hat das Universum im größten Maßstab eine "schaumige" Struktur.

Die Grenzen der Blasen sind deutlich durch Haufen einer großen Anzahl von Galaxien gekennzeichnet. Es gibt praktisch keine Blasen im Inneren, und wenn sie dort gefunden werden, handelt es sich um sehr ungewöhnliche Objekte. Sie zeichnen sich durch die Spektren starker Hochfrequenzstrahlung aus. Es wird nun angenommen, dass die Blasen "ausgefallene" Galaxien oder Gaswolken aus gewöhnlichem Wasserstoff enthalten.

Aber kann man annehmen, dass die "schaumige" Struktur des Universums das Ergebnis seiner Bildung aus der gleichen Anzahl von Teilchen mit negativer und positiver Masse ist? Übrigens folgt aus einer solchen Erklärung eine sehr attraktive Konsequenz: Die Gesamtmasse des Universums war und ist immer vorhanden Null. Dann sind die Blasen natürliche Orte für Minus-Masse, deren Teilchen dazu neigen, möglichst weit voneinander zu dispergieren. Und die positive Masse wird an die Oberfläche der Blasen gedrückt, wo sie unter dem Einfluss der Schwerkraft Galaxien und Sterne bildet. Hier können wir uns an den Artikel von A. A. Baranov erinnern, der bereits 1971 in Nr. 11 der Zeitschrift Izvestia Vuzov erschien. Physik". Es wird überlegt Kosmologisches Modell Universum mit Teilchen mit Massen beider Vorzeichen. Unter Verwendung dieses Modells erklärt der Autor die experimentellen Schätzungen der kosmologischen Konstante und der Hubble-Rotverschiebung sowie einige anomale Phänomene in wechselwirkenden Galaxien beobachtet.

Ein weiteres mögliches Zeichen große Mengen negative Masse - das Vorhandensein sehr schneller "Ströme" in großräumigen Strukturen des Universums. So „fließt“ der Superhaufen, der unsere Galaxie enthält, mit einer Geschwindigkeit von 600 km/s relativ zum ruhenden Hintergrund der Hintergrundstrahlung. Eine solche Geschwindigkeit passt nicht in den Rahmen von Theorien zur Entstehung von Galaxien aus kalter dunkler Materie. R. Forward schlägt vor, dieses Phänomen unter Berücksichtigung der kollektiven Abstoßung von Superhaufen von Blasen mit negativer Masse zu erklären.

So, negative Angelegenheit kann nur auseinander fliegen. Aber es stellt sich heraus, dass dies die teilweise Widerlegung vieler der diskutierten Schlussfolgerungen ist. Schließlich führt die Eigenschaft der gravitativen Abstoßung von Materieteilchen, gleich welcher Art, zwangsläufig dazu, dass diese Teilchen unter dem Einfluss von Gravitationskräften nicht zusammenkommen können. Da sich ein Teilchen mit negativer Masse unter der Wirkung einer Kraft in die entgegengesetzte Richtung zum Vektor dieser Kraft bewegt, können gewöhnliche interatomare Wechselwirkungen solche Teilchen nicht zu „normalen“ Körpern binden.

Aber wir hoffen, dass der Leser dennoch Freude an all diesen Argumenten hatte ...

Hypothetisches Wurmloch in der Raumzeit

Im Labor der University of Washington wurden Bedingungen für die Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats in einem Volumen von weniger als 0,001 mm³ geschaffen. Die Partikel wurden von einem Laser abgebremst und warteten darauf, dass die energiereichsten von ihnen das Volumen verließen, was das Material weiter abkühlte. Zu diesem Zeitpunkt hatte das überkritische Fluid noch eine positive Masse. Bei einem Leck im Gefäß würden die Rubidiumatome in unterschiedliche Richtungen streuen, da die zentralen Atome die äußersten Atome nach außen drücken würden und diese in Richtung der Krafteinwirkung beschleunigen würden.

Um eine negative effektive Masse zu erzeugen, verwendeten Physiker einen anderen Satz von Lasern, die den Spin einiger Atome veränderten. Wie die Simulation vorhersagt, sollten die Partikel in einigen Bereichen des Behälters eine negative Masse annehmen. Deutlich wird dies am starken Anstieg der Materiedichte als Funktion der Zeit in den Simulationen (im unteren Diagramm).

Abbildung 1. Anisotrope Expansion eines Bose-Einstein-Kondensats mit unterschiedlichen Kohäsionskraftkoeffizienten. Die realen Ergebnisse des Experiments sind rot markiert, die Ergebnisse der Vorhersage in der Simulation sind schwarz

Das untere Diagramm ist ein vergrößerter Ausschnitt des mittleren Rahmens in der unteren Reihe von Abbildung 1.

Das untere Diagramm zeigt eine 1D-Simulation der Gesamtdichte über der Zeit in dem Bereich, in dem die dynamische Instabilität zuerst auftrat. Gepunktete Linien trennen drei Atomgruppen mit Geschwindigkeiten beim Quasi-Impuls , wo die effektive Masse negativ zu werden beginnt (obere Linie). Der Punkt der minimalen negativen effektiven Masse wird angezeigt (Mitte) und der Punkt, an dem die Masse zu positiven Werten zurückkehrt (untere Zeile). Die roten Punkte markieren die Stellen, an denen der lokale Quasi-Impuls im Bereich der negativen effektiven Masse liegt.

Die allererste Reihe von Diagrammen zeigt, dass sich die Materie während des Physikexperiments genau wie simuliert verhielt, was das Auftreten von Teilchen mit einer negativen effektiven Masse vorhersagt.

In einem Bose-Einstein-Kondensat verhalten sich Teilchen wie Wellen und breiten sich daher in eine andere Richtung aus, als sich normale Teilchen mit positiver effektiver Masse ausbreiten sollten.

Fairerweise muss gesagt werden, dass Physiker wiederholt Ergebnisse während Experimenten aufgezeichnet haben, als sich die Eigenschaften von Materie mit negativer Masse manifestierten, aber diese Experimente konnten auf unterschiedliche Weise interpretiert werden. Jetzt ist die Ungewissheit weitgehend beseitigt.

Wissenschaftlicher Artikel veröffentlicht am 10. April 2017 in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfung(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, im Abonnement erhältlich). Eine Kopie des Artikels vor der Einreichung bei der Zeitschrift wurde am 13. Dezember 2016 öffentlich zugänglich auf arXiv.org (arXiv:1612.04055) gestellt.