Исследователи из Университета штата Вашингтон (США) добились от атомов рубидия поведения вещества с отрицательной эффективной массой . Это значит, что данные атомы при внешнем воздействии не летели в сторону вектора этого воздействия. В условиях эксперимента они вели себя так, будто налетали на невидимую стену каждый раз, когда приближались к границам области с очень малым объёмом. Соответствующая опубликована в Physical Review Letters. Опыт был неверно истолкован СМИ как "создание вещества с отрицательной массой" (в теории оно позволяет создавать червоточины для дальних космических путешествий). На деле получение вещества с отрицательной массой если и возможно, то лежит далеко за пределами достижимого для современных науки и технологий.

Атомы рубидия заставили двигаться в сторону, противоположную вектору прикладываемой к ним силы. СМИ ошибочно восприняли это как создание вещества с "отрицательной массой"

Авторы работы замедлили лазером атомы рубидия (уменьшение скорости частицы означает её охлаждение). На втором этапе охлаждения наиболее энергичным атомам дали покинуть охлаждаемый объём. Это ещё больше охладило его, как испарение атомов хладагента охлаждает содержимое бытового холодильника. На третьем этапе использовался другой набор лазеров, импульсы которых меняли спин (упрощённо - направление вращения вокруг собственной оси) части атомов.

Поскольку одни атомы в охлаждаемом объёме продолжали иметь нормальный спин, а другие получили обратный, их взаимодействие между собой получило необычный характер. При нормальном поведении атомы рубидия, сталкиваясь, разлетались бы в разные стороны. Центральные атомы выталкивали бы крайние наружу, ускоряя их в направлении приложения силы (вектора движения первого атома). Из-за разнобоя в спинах на практике атомы рубидия, охлаждённые до малых долей кельвина, после столкновений не разлетались, оставаясь в исходном объёме, равном примерно тысячной кубического миллиметра. Со стороны это выглядело так, как будто они налетали на невидимую стену.

Очень отдалённая аналогия для группы атомов с разными спинами - столкновение двух и более футбольных мячей, боковым ударом предварительно закрученных до вращения вокруг своей оси в разные стороны. Понятно, что направления и скорости их движения после соударения будут существенно отличаться от тех же результатов у обычных мячей. Но это не значит, что мячи изменили свою физическую массу. Поменялся лишь характер их взаимодействия между собой. Также и в эксперименте масса атомов не стала отрицательной. В гравитационном поле они по-прежнему опускались бы вниз. По настоящему изменилось лишь то, куда они двигались после соударений с другими такими же атомами, но "вращавшимися" вокруг своей оси в другую сторону.

То, как вели себя в опыте атомы рубидия, соответствует определению отрицательной эффективной массы в физике. Им пользуются, например, при описании поведения электрона в кристаллической решётке. Для него формальная масса зависит от направления движения относительно осей кристалла. Двигаясь в одном направлении, он покажет одну дисперсию (рассеивание), в другом - иную. Понятие эффективной массы для них ввели потому, что иначе при описании их рассеивания формулами масса начинала бы зависеть от энергии, что не слишком удобно для вычислений. Примером отрицательной эффективной массы можно назвать поведение дырок в полупроводниках, с которыми имеет дело каждый пользователь современной электроники.

Большинство СМИ, включая российские, интерпретировали эксперимент как создание вещества с отрицательной массой. В теории материя с подобными свойствами может быть использована для удержания в рабочем состоянии червоточин, позволяющих дальние перемещения в пространстве и времени за околонулевое время. Практическая возможность создания такого вещества, как и самих червоточин, пока не доказана. Даже если оно возможно, его получение при современных технических возможностях человечества малореально.

В теоретической физике, отрицательная масса - это концепция о гипотетическом веществе, масса которого имеет противоположное значение массе нормального вещества (также как электрический заряд бывает положительный и отрицательный). Например, −2 кг. Такое вещество, если бы оно существовало, нарушало бы одно или несколько энергетических условий и проявляло бы некоторые странные свойства. По некоторым спекулятивным теориям, вещество с отрицательной массой можно использовать для создания червоточин (кротовых нор) в пространстве-времени.

Звучит как абсолютная фантастика, но...

Физики из Вашингтонского университета (University of Washington) впервые в истории науки воссоздали условия, при котором материя, определенный вид жидкости, демонстрирует свойства "отрицательной массы". Поведение этой жидкости полностью соответствует понятию отрицательной массы, при приложении к ней вектора силы, действующей в определенном направлении, эта жидкость начинает двигаться с ускорением в противоположном направлении. Такое эффект трудно получить даже в лабораторных условиях, "но его можно использовать для изучения и объяснения некоторых ранее необъяснимых астрофизических явлений" - объясняет Майкл Форбс (Michael Forbes), профессор физики и астрономии из Вашингтонского университета.

С гипотетической точки зрения материя может иметь отрицательную массу точно так же, как электрические заряды имеют положительную или отрицательную полярность. Люди очень редко задумываются об этом аспекте, ведь в окружающем нас мире проявляется только "положительная" сторона массы. Согласно второму закону Ньютона, если вы приложите к какому-нибудь объекту постоянную силу, он начнет двигаться с постоянным ускорением в направлении действия этой силы.

"На основе Второго закона Ньютона действует почти все, что мы видим вокруг себя" - рассказывает Майкл Форбс, - "Однако, материя с отрицательной массой реагирует на приложенную к ней силу абсолютно противоположным образом, она начинает двигаться в сторону приложенной к ней силы".

Рисунок 1. Анизотропное расширение конденсата Бозе - Эйнштейна с разными коэффициентами силы сцепления. Реальные результаты эксперимента обозначены красным, результаты предсказания в симуляции - чёрным

Нижняя диаграмма - это увеличенный фрагмент среднего кадра в нижнем ряду рисунка 1. На нижней диаграмме показана одномерная симуляция общей плотности как функции от времени в регионе, где впервые проявилась динамическая нестабильность.

В качестве жидкости с отрицательной массой выступал так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, облако из атомов рубидия, охлажденных практически до температуры абсолютного нуля. В таких условиях тепловое движение частиц практически останавливается и, благодаря выдвижению на первый план законов квантовой механики, это облако атомов приобретает волновую функцию и ведет себя как один большой цельный атом. Кроме этого, конденсат Бозе-Эйнштейна за счет синхронного движения атомов обладает свойствами супержидкости, сверхтекучей жидкости, коэффициент вязкости которой равен нулю.

При помощи света лазеров с определенными параметрами ученые замедлили практически до полной остановки атомы рубидия, а те "горячие" атомы, которые не удалось замедлить, были изгнаны из пространства ловушки при помощи того же лазерного света. Ловушка, в которую был "загнан" конденсат Бозе-Эйнштейна, имела сферическую форму и размер всего в 100 микрон. В этот момент у конденсата еще имелась обычная "положительная" масса, но намеренное нарушение целостности ловушки привело к нарушению идеальной сферической формы конденсата и атомы рубидия устремились наружу ловушки.

И в этот момент началось все самое интересное. Ученые использовали набор дополнительных лазеров, которые изменили направление вращения атомов рубидия. И после такой "обработки" супержидкость конденсата обрела свойства отрицательной массы. "Как только атомы доходят до границы перехода массы из положительной в отрицательную область, они резко ускоряются в обратном направлении" - рассказывает Майкл Форбс, - "Это похоже на то, что атомы рубидия словно отражаются от невидимой стены".

Вышеописанная методика получения материи с "отрицательной" массой позволила ученым избежать некоторых проблем и неприятностей, с которыми сталкивались ученые во время предыдущих подобных попыток. "Благодаря полному и точному контролю всех параметров эксперимента, нам удалось воссоздать условия, при которых в экспериментальной области возникает четкая граница "смены полярности" массы материи" - рассказывает Майкл Форбс, - "Нечто подобное может происходить и в недрах экзотических астрономических объектов, таких, как нейтронные звезды, черные дыры и плотные скопления темной материи. Теперь мы имеем возможность экспериментировать и моделировать в лабораторных условиях фундаментальные явления, которые происходят только в очень специфической окружающей среде вышеуказанных космических объектов"

Для того, чтобы быть в курсе новых постов в этом блоге есть канал Telegram . Подписывайтесь, там будет интересная информация, которой нет в блоге!

А вот нам уже обещают, что скоро Самотекущая жидкость потечет в краны сама и сейчас у нас идет Шестое вымирание . Не так давно был Выращен искусственный мозг и Впервые успешно заморозили и разморозили органы

Сохранено

Гипотетическая червоточина в пространстве-времени

В лаборатории Университета штата Вашингтон были созданы условия для образования конденсата Бозе - Эйнштейна в объёме менее 0,001 мм³. Частицы замедлили лазером и дождались, когда наиболее энергичные из них покинули объём, что ещё больше охладило материал. На этом этапе сверхкритическая жидкость ещё имела положительную массу. При нарушении герметичности сосуда атомы рубидия разлетелись бы в разные стороны, поскольку центральные атомы выталкивали бы крайние атомы наружу, а те ускорялись бы в направлении приложения силы.

Для создания отрицательной эффективной массы физики применили другой набор лазеров, который изменял спин части атомов. Как предсказывает симуляция, в отдельных районах сосуда частицы должны приобрести отрицательную массу. Это хорошо видно по резкому увеличению плотности вещества как функции от времени в симуляциях (на нижней диаграмме).

Рисунок 1. Анизотропное расширение конденсата Бозе - Эйнштейна с разными коэффициентами силы сцепления. Реальные результаты эксперимента обозначены красным, результаты предсказания в симуляции - чёрным

Нижняя диаграмма - это увеличенный фрагмент среднего кадра в нижнем ряду рисунка 1.

На нижней диаграмме показана одномерная симуляция общей плотности как функции от времени в регионе, где впервые проявилась динамическая нестабильность. Пунктирами разделены три группы атомов со скоростями в квазимомент , где эффективная масса начинает становиться отрицательной (верхняя линия). Показана точка минимальной отрицательной эффективной массы (посередине) и точка, где масса возвращается к положительным значениям (нижняя линия). Красные точки обозначают места, где локальный квазимомент лежит в районе отрицательной эффективной массы.

На самом первом ряду графиков видно, что во время физического эксперимента вещество вело себя в точном соответствии с результатами симуляции, которая предсказывает появление частиц с отрицательной эффективной массой.

В конденсате Бозе - Эйнштейна частицы ведут себя как волны и поэтому распространяются не в том направлении, в каком должны распространяться нормальные частицы положительной эффективной массы.

Справедливости ради нужно сказать, что неоднократно физики регистрировали во время экспериментов результаты, когда проявлялись свойства вещества отрицательной массы , но те эксперименты можно было интерпретировать по-разному. Сейчас же неопределённость в большей мере устранена.

Научная статья опубликована 10 апреля 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, доступно по подписке). Копия статьи перед отправкой в журнал размещена 13 декабря 2016 года в свободном доступе на сайте arXiv.org (arXiv:1612.04055).

Желательно смотреть с разрешением 1280 Х 800

"Техника-молодежи", 1990, №10, с. 16-18.

Трибуна смелых гипотез

Понкрат БОРИСОВ, инженер
Отрицательная масса: бесплатный полет в бесконечность

), даже если эти материалы созданы и относительно хорошо изучены.

Так ещё могут называть материал, созданный из некоторых видов экзотических атомов, в которых роль ядра (положительно заряженной частицы) выполняет позитрон (позитроний) или положительный мюон (мюоний). Имеются также атомы с отрицательным мюоном вместо одного из электронов (мюонный атом).

Отрицательная масса

Видно, что объект с отрицательной инертной массой будет ускоряться в направлении, противоположном тому, в котором его толкнули, что, возможно, покажется странным.

Если изучать инертную массу , пассивную гравитационную массу и активную гравитационную массу отдельно, то закон всемирного тяготения Ньютона примет такой вид:

Таким образом, объекты с отрицательной гравитационной массой (и пассивной, и активной), но с положительной инертной массой, будут отталкиваться положительными активными массами и притягиваться отрицательными активными массами.

Анализ Форварда

Хотя неизвестны частицы с отрицательной массой, физики (первоначально Г. Бонди и Роберт Л. Форвард (англ.) русск. ) смогли описать некоторые из ожидаемых свойств, которыми могут обладать такие частицы. Предполагая, что все три вида масс равны, можно построить систему, где отрицательные массы притягиваются к положительным массам, в то же время положительные массы отталкиваются от отрицательных масс. В то же время отрицательные массы будут создавать силу притяжения друг к другу, но будут при этом отталкиваться из-за своих отрицательных инерциальных масс.

При отрицательном значении и положительном значении , сила будет отрицательной (отталкивающей). На первый взгляд это выглядит так, как будто отрицательная масса будет ускоряться в сторону от положительной массы, но поскольку такой объект будет также обладать отрицательной инерциальной массой, он будет ускоряться в направлении, противоположном . Более того, Бонди показал, что если обе массы равны по абсолютной величине, но отличаются знаком, то общая система положительных и отрицательных частиц будет ускоряться бесконечно без какого-либо дополнительного влияния на систему снаружи.

Это поведение странно в том, что оно абсолютно не сочетается с нашим представлением об «обычной вселенной» из работы с положительными массами. Но оно полностью математически состоятельно и не вводит каких-либо противоречий.

Может сложиться впечатление, что такое представление нарушает закон сохранения импульса и/или энергии , но у нас массы равны по абсолютной величине, одна при этом положительна, а другая отрицательна, а значит, импульс системы равен нулю, если они обе двигаются вместе и ускоряются вместе, независимо от скорости:

И такое же уравнение может быть вычислено для кинетической энергии :

Форвард расширил исследования Бонди на дополнительные случаи и показал, что даже если две массы и не равны по абсолютной величине, то уравнения всё равно остаются непротиворечивыми.

Некоторые свойства, которые вводятся этими предположениями, выглядят необычно, например, в смеси газа из положительной материи и газа из отрицательной материи положительная часть будет увеличивать свою температуру бесконечно. Однако, в таком случае отрицательная часть смеси будет охлаждаться с той же скоростью, тем самым выравнивая баланс. Джеффри А. Лэндис (англ.) русск. отметил другие приложения анализа Форварда , включая указания на то, что хотя частицы с отрицательной массой и будут отталкиваться друг от друга гравитационно, но электрические силы, например, заряды будут притягиваться друг к другу (в отличие от частиц с положительной массой, где такие частицы отталкиваются). В результате для частиц с отрицательной массой это означает, что гравитационные и электростатические силы поменяются местами.

Форвард предложил дизайн для двигателя космических кораблей с использованием отрицательной массы, который не требует притока энергии и рабочего тела , чтобы получить сколь угодно большое ускорение, хотя, конечно, основным препятствием является то, что отрицательная масса остаётся полностью гипотетической. См. diametric drive .

Форвард также ввёл термин «нуллификация» для описания того, что происходит, когда встречаются обычная и отрицательна материя. Ожидается, что они могут взаимно уничтожиться или «обнулить» существование друг друга, причём после этого не останется никакой энергии. Однако легко показать, что некоторый импульс может остаться (его не останется, если они движутся в одном направлении, как описано выше, но им нужно двигаться навстречу друг другу, чтобы встретиться и взаимно обнулиться). Это может, в свою очередь, объяснить, почему равные количества обычной и отрицательной материи не появляются внезапно из ниоткуда (противоположность нуллификации): в этом событии не будет сохранён импульс у каждой из них.

Экзотическая материя в общей теории относительности

В какую сторону падает антиматерия?

Основная статья: Гравитационное взаимодействие антиматерии

Большинство современных физиков полагает, что антиматерия обладает положительной гравитационной массой и должна падать вниз, как и обычная материя. При этом, однако, некоторые исследователи считают, что к настоящему времени нет убедительных экспериментальных подтверждений этому факту . Это связано с трудностью непосредственного исследования гравитационных сил на уровне частиц. На таких малых расстояниях электрические силы берут верх над гораздо более слабым гравитационным взаимодействием. Более того, античастицы должны храниться отдельно от их обычных аналогов, иначе они быстро аннигилируют . Очевидно, что это делает трудным прямое измерение пассивной гравитационной массы антиматерии. Эксперименты над антиматерией ATHENA (англ. ATHENA ) и ATRAP (англ. ATRAP ) могут скоро дать ответы.

Ответы для инерционной массы, впрочем, давно известны из экспериментов с пузырьковой камерой . Они убедительно показывают, что античастицы имеют положительную инертную массу, равную массе «обычных» частиц, но противоположный электрический заряд. В этих экспериментах камера подвергается воздействию постоянного магнитного поля, что заставляет частицы двигаться по винтовой линии . Радиус и направление этого движения соответствуют отношению электрического заряда к инертной массе. Пары частица-античастица двигаются по винтовым линиям в противоположных направлениях, но с одинаковыми радиусами. Из этого наблюдения делается вывод о том, что их отношения электрического заряда к инертной массе отличаются только по знаку.

Примечания