Ahli astrofisika Inggris Jamie Farnes telah mengusulkan model kosmologis di mana massa negatif diproduksi kecepatan tetap sepanjang evolusi alam semesta. Model ini bertentangan dengan pandangan yang diterima secara umum tentang sifat materi, tetapi menjelaskan dengan baik sebagian besar efek yang biasanya dikaitkan dengan materi gelap dan energi gelap, khususnya, perluasan alam semesta, pembentukan struktur skala besar dari alam semesta dan halo galaksi, kurva rotasi galaksi dan spektrum yang diamati radiasi peninggalan. Artikel diterbitkan di Astronomi & Astrofisika, pracetak karya tersebut tersedia di arXiv.org.

Saat ini, sebagian besar kosmolog percaya bahwa evolusi alam semesta dijelaskan oleh model ΛCDM. Menurut model ini, sekitar 70 persen massa alam semesta adalah energi gelap, 25 persen adalah materi gelap dingin (yaitu, materi yang partikelnya bergerak lambat), dan hanya 5 persen sisanya yang kita kenal adalah materi barionik. Para ilmuwan telah menentukan rasio ini dengan menganalisis harmonik dalam pola radiasi latar belakang. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang mengukur "komposisi" Alam Semesta dalam artikel Boris Stern tentang satelit WMAP dan Planck, yang memberikan kontribusi utama untuk pekerjaan ini.

Sayangnya, para ilmuwan memiliki pemahaman yang buruk tentang apa itu materi gelap dan energi gelap. Tak satu pun dari eksperimen ultra-presisi untuk mencari partikel materi gelap yang diprediksi oleh sejumlah orang model teoretis(misalnya SUSY) tidak pernah dites positif. Saat ini, penampang hamburan untuk partikel biasa dan partikel "gelap" dengan massa dari 6 hingga 200 megaelektronvolt berada di urutan 10 −47 sentimeter persegi, yang secara virtual menghilangkan partikel dalam rentang massa ini dan memaksa fisikawan untuk berkembang teori alternatif. Namun, materi gelap masih memanifestasikan dirinya melalui interaksi gravitasi, memodifikasi kurva rotasi galaksi dan gambar, dan oleh karena itu para ilmuwan dari hipotesis ini.

Energi gelap bahkan lebih buruk. Satu-satunya pengamatan yang secara langsung menegaskan keberadaannya, terlepas dari analisis CMB, adalah perluasan alam semesta yang dipercepat, diukur dengan (secara tidak langsung, energi gelap dikonfirmasi oleh rasio unsur kimia di alam semesta yang dapat diamati). Selain itu, fisikawan memiliki pemahaman yang buruk tentang energi gelap yang ada di Bumi. tingkat dasar . Tentu, secara kualitatif itu dapat dijelaskan dengan menggunakan konstanta kosmologis (istilah lambda) di , tetapi metode ini tidak memberikan pengetahuan baru dan tidak memungkinkan seseorang untuk menetapkan apakah terdiri dari apa energi gelap. Einstein menjelaskan penambahan semacam itu dalam istilah partikel bermassa negatif - dalam pendekatan ini, persamaan gerak menjadi simetris, seperti persamaan elektrodinamika, dan istilah lambda muncul sebagai konstanta integrasi, yang tidak mengandung makna fisik.

Materi dengan massa negatif adalah materi yang dipercepat berlawanan arah dengan gaya. Partikel dengan massa negatif menolak partikel dengan massa positif dan negatif, sedangkan partikel "positif" menarik partikel "negatif". Sayangnya, dalam kerangka model ΛCDM, cara mendeskripsikan energi gelap ini jelas akan gagal. Faktanya adalah bahwa selama perluasan alam semesta, kerapatan berbagai komponen berubah menurut hukum yang berbeda: kerapatan materi dingin turun, sedangkan kerapatan energi gelap tetap konstan. Oleh karena itu, mustahil untuk mengidentifikasi materi dengan massa negatif dan energi gelap.

Interaksi partikel dengan massa negatif: panah hitam menunjukkan gaya, panah merah menunjukkan percepatan

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofisika

Interaksi partikel dengan massa positif dan negatif: panah hitam menunjukkan gaya, panah merah menunjukkan percepatan

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofisika

Interaksi partikel dengan massa positif: panah hitam menunjukkan gaya, panah merah menunjukkan percepatan

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofisika

Namun, astrofisikawan Jamie Farnes mengklaim dia mampu menghubungkan ide Einstein dengan data observasi. Untuk melakukan ini, dia menggabungkan gagasan massa negatif dengan gagasan lain yang berlawanan dengan intuisi tentang produksi massa yang berkelanjutan dan seragam dalam volume alam semesta. Ide ini juga jauh dari baru, pertama kali diusulkan pada tahun 40-an abad lalu.

Secara teoritis, proses seperti itu memang bisa terjadi dengan latar belakang yang kuat medan gravitasi(misalnya, dengan mengorbankan). Mempertimbangkan penambahan seperti itu pada tensor energi-momentum standar untuk massa positif, fisikawan menulis dan memecahkan persamaan Friedmann, dan kemudian menghitung dengan hukum apa alam semesta mengembang dalam model ini. Para ilmuwan tidak memperhitungkan kontribusi materi gelap dan energi gelap biasa. Alhasil, ternyata begitu hukum yang terkenal direproduksi jika massa negatif dihasilkan pada laju konstan Γ = −3 H, Di mana H adalah konstanta Hubble. Dalam hal ini, densitas massa negatif akan tetap konstan selama pemuaian, dan ini akan secara efektif memodelkan konstanta kosmologis. Dalam hal ini, laju pemuaian dan masa hidup Alam Semesta sama dengan model ΛCDM.

Ahli astrofisika kemudian menghitung bagaimana massa negatif akan muncul pada skala yang lebih kecil. Untuk melakukan ini, dia mencontohkan, dalam modelnya, interaksi jumlah yang besar partikel bermassa positif dan negatif. Karena semua paket astrofisika yang ada tidak memperhitungkan modifikasi yang tidak biasa tersebut, Farnes harus mengembangkan programnya sendiri. Untuk menghindari perkiraan apa pun selama perhitungan, peneliti menghitung koordinat dan kecepatan setiap partikel pada setiap saat - ini memungkinkan untuk meningkatkan keandalan prediksi, meskipun tuntutan program pada sumber daya komputasi meningkat seiring dengan kuadrat dari jumlah partikel. Secara khusus, karena itu, ilmuwan harus membatasi dirinya pada pemodelan 50 ribu partikel.

Menggunakan program yang dikembangkan, Farnes melihat beberapa efek yang secara tradisional dikaitkan dengan materi gelap. Pertama, dia memodelkan evolusi kelompok padat partikel bermassa positif yang tenggelam dalam "lautan" partikel bermassa negatif. Sistem seperti itu seharusnya menggambarkan evolusi galaksi secara kualitatif tahap akhir perluasan Semesta, ketika partikel "negatif" secara signifikan mendominasi partikel "positif". Dalam soal ini, ilmuwan memilih jumlah partikel "positif". N+= 5000, bilangan negatif N− = 45000. Hasilnya, ia memperoleh distribusi densitas yang sesuai dengan data pengamatan - densitas partikel perlahan meningkat saat mendekati pusat galaksi dan bertepatan dengan profil Burkert. Ini memecahkan "masalah halo cuspy" yang terjadi pada model ΛCDM.

Evolusi "galaksi" materi positif tenggelam dalam "lautan" materi negatif

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofisika

Profil massa galaksi dihitung dengan Farnes (biru) dan diamati dalam praktek (garis putus-putus merah muda)

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofisika

Kedua, dengan data awal yang sama, ilmuwan menghitung kurva rotasi galaksi dan menemukan bahwa itu juga sesuai dengan data pengamatan. Sementara pada model dengan partikel "positif" murni, materi di tepi galaksi bergerak lebih lambat daripada di tengah, pada model dengan dominasi partikel "negatif", kecepatannya kira-kira konstan.

Kurva rotasi galaksi tenggelam dalam "lautan" materi negatif (merah) dan galaksi "bebas" (hitam)

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofisika

Ketiga, Farnes menunjukkan hal itu dalam modelnya tentu saja struktur alam semesta skala besar berserabut muncul: galaksi bersatu menjadi gugus, gugus menjadi gugus super, dan gugus super menjadi rantai dan dinding. Untuk melakukan ini, dia menghitung evolusi sistem yang berisi nomor yang sama partikel "positif" dan "negatif". Karena keterbatasan daya komputasi yang tersedia, ilmuwan menghitung jumlah kedua jenis partikel tersebut N + = N− = 25000. Seperti pada kasus sebelumnya, partikel "negatif" mengelilingi partikel materi biasa dan membentuk lingkaran cahaya, tetapi kali ini peneliti dapat membedakan pola pada skala yang lebih besar yang menyerupai struktur Alam Semesta yang dapat diamati.

Struktur homogen Universe di awal simulasi

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofisika

Daftar untuk latihan. Sayangnya, dia tidak dapat melihat efek ini dalam simulasi dengan 50.000 partikel. Namun, ilmuwan berharap bahwa dalam simulasi yang lebih besar dengan sejuta partikel, proses seperti itu dapat diperhatikan, dan juga menyarankan agar mereka memungkinkan kita untuk mengkonfirmasi atau menyangkal teori baru.

Akhirnya, ilmuwan memeriksa seberapa besar modifikasi yang diusulkan dari model ΛCDM akan mendistorsi efek yang sebenarnya diamati - perluasan alam semesta, diukur dengan lilin standar, latar belakang peninggalan, dan pengamatan penggabungan gugus galaksi. Dalam semua kasus ini, ahli astrofisika menemukan bahwa hipotesisnya tidak bertentangan dengan data yang diamati. Namun, beberapa pertanyaan masih tetap terbuka - khususnya, tidak jelas bagaimana menghubungkan hipotesis semacam itu dengan Model Standar (dapatkah mekanisme Higgs menghasilkan massa negatif?), bagaimana cara mendeteksi partikel dengan massa negatif secara eksperimental, dan bagaimana caranya jelaskan kontradiksi antara tolakan partikel "negatif" dan teori. Namun, ilmuwan tersebut percaya bahwa semua masalah ini dapat diselesaikan dalam kerangka model baru.

Dengan demikian, model dengan produksi massa negatif yang konstan tidak hanya menjelaskan perluasan alam semesta yang teramati, tetapi juga pembentukan struktur berskala besar, halo materi gelap di sekitar galaksi, dan kurva rotasi - sebagian besar efek yang biasanya dikaitkan dengan gelap. energi dan materi gelap. Anehnya, seperti itu secara intuitif tidak wajar hipotesis, yang bertentangan dengan pandangan materi yang diterima secara umum, cukup konsisten dengan data observasi. Selain itu, dia menawarkan untuk menjelaskannya lebih lanjut dengan cara sederhana, melibatkan lebih sedikit entitas. Seperti yang penulis sendiri tulis dalam kesimpulannya, “Meskipun proposal ini murtad dan sesat, [artikel] menyarankan itu nilai negatif parameter ini pada prinsipnya dapat menjelaskan data pengamatan kosmologis, yang selalu ditafsirkan dalam kerangka asumsi yang masuk akal tentang massa positif.”

Terkadang fisikawan mengatakan cantik ide-ide yang tidak biasa untuk menjelaskan kontradiksi yang diamati antara teori dan eksperimen. Misalnya, pada November tahun lalu, fisikawan teoretis Amerika Hooman Davoudiasl memperkenalkan kekuatan baru, yang dibawa oleh partikel skalar ultralight dan mengusir materi gelap dari Bumi. Asumsi ini dengan baik menjelaskan kegagalan semua eksperimen terestrial untuk mencari materi gelap - jika gaya seperti itu benar-benar ada, detektor, pada prinsipnya, tidak dapat mencatat apa pun. Sayangnya, pernyataan ini dapat diverifikasi dengan level saat ini pengembangan teknologi tidak dapat dilakukan.

Dmitry Trunin

Ilmuwan dari Amerika Serikat mengklaim telah menciptakan zat dengan massa negatif di laboratorium. Zat ini adalah cairan dengan sangat sifat yang tidak biasa. Misalnya, jika Anda mendorong fluida ini, maka ia akan menerima percepatan negatif, yaitu mundur, bukan maju. Keanehan seperti itu setidaknya bisa memberi tahu para ilmuwan tentang apa yang terjadi di dalam benda-benda aneh seperti lubang hitam dan bintang neutron.
Namun, bisakah sesuatu memiliki massa negatif? Apa itu mungkin?

Secara teoritis, materi dapat memiliki massa negatif dengan cara yang sama seperti muatan listrik mungkin negatif atau positif.

Di atas kertas, ini berhasil, tetapi ada perdebatan sengit di dunia sains tentang apakah asumsi keberadaan sesuatu dengan massa negatif melanggar hukum dasar fisika. Untuk kita, orang biasa, konsep ini tampaknya terlalu rumit untuk dipahami.

hukum diferensial gerakan mekanis atau, lebih sederhananya, hukum kedua Newton dinyatakan dengan rumus A=F/M. Artinya, percepatan benda sama dengan rasio gaya yang diterapkan padanya dengan massa benda. Jika Anda mengatur makna negatif massa, maka benda secara logis akan menerima percepatan negatif. Bayangkan saja, Anda memukul bola, dan menggelinding di kaki Anda.

Namun, apa yang tampak asing bagi kita bukanlah hal yang mustahil, dan latihan teoretis di atas adalah cara terbaik untuk membuktikan bahwa massa negatif dapat ada di Semesta kita tanpa melanggar teori umum relativitas.

Keinginan untuk memahami semua ini memunculkan upaya aktif para peneliti untuk menciptakan kembali massa negatif di laboratorium, seperti yang kita lihat, bahkan dengan beberapa keberhasilan.

Ilmuwan dari University of Washington mengatakan mereka telah berhasil mendapatkan cairan yang berperilaku persis seperti yang seharusnya dilakukan oleh benda bermassa negatif. Dan penemuan mereka akhirnya dapat digunakan untuk mempelajari beberapa fenomena aneh di kedalaman alam semesta.

Untuk membuat cairan aneh ini, para ilmuwan menggunakan laser untuk mendinginkan atom rubidium hampir ke titik nol mutlak, menciptakan apa yang disebut kondensat Bose-Einstein.

Dalam keadaan ini, partikel bergerak sangat lambat dan aneh, mengikuti prinsip yang agak aneh. mekanika kuantum, tapi tidak fisika klasik, yaitu, mereka mulai berperilaku seperti ombak.

Partikel-partikel juga bersinkronisasi dan bergerak serempak, membentuk zat superfluida yang dapat bergerak tanpa kehilangan energi melalui gesekan.
Para ilmuwan telah menggunakan laser untuk membuat cairan super suhu rendah, serta untuk menempatkannya di bidang berbentuk mangkuk dengan diameter kurang dari 100 mikron.

Selama supermateri tetap ditempatkan di ruang ini, ia memiliki massa biasa dan cukup konsisten dengan konsep kondensat Bose-Einstein. Hingga ia terpaksa pindah.

Menggunakan set laser kedua, para ilmuwan memaksa atom untuk bergerak bolak-balik, akibatnya putarannya berubah dan rubidium, setelah mengatasi penghalang "mangkuk", dengan cepat terciprat. Namun, seolah-olah memiliki massa negatif. Menurut para ilmuwan, kesannya sedemikian rupa sehingga cairan itu menabrak penghalang tak terlihat dan menolaknya.

Dengan demikian, para peneliti mengkonfirmasi asumsi tentang keberadaan massa negatif, tetapi ini hanyalah awal dari perjalanan. Masih harus dilihat apakah perilaku fluida dalam kondisi laboratorium dapat diulang dan cukup andal untuk menguji beberapa asumsi tentang massa negatif. Jadi, jangan bersuka cita sebelumnya, tim lain perlu mengulang sendiri hasilnya.

Satu hal yang pasti, fisika semakin menarik dan layak untuk diminati.

1. Mengapa waktu hanya mengalir ke depan. Fisikawan Menjelaskan "Waktu adalah apa yang membuat segala sesuatu tidak terjadi sekaligus," tulis Ray Cummings dalam novel fiksi ilmiah tahun 1922...
2. Lubang Cacing, Lubang Cacing, dan Perjalanan Waktu Lubang cacing adalah jalur teoretis melalui ruang-waktu yang dapat sangat mengurangi perjalanan jarak jauh di seluruh alam semesta dengan membuat jalan pintas...

Lubang cacing hipotetis dalam ruangwaktu

DI DALAM fisika teoretis, adalah konsep zat hipotetis yang massanya memiliki nilai kebalikan dari massa soal biasa(seperti muatan listrik bisa positif dan negatif). Misalnya, -2 kg. Substansi seperti itu, jika ada, akan mengganggu satu atau lebih, dan akan menunjukkan beberapa sifat aneh. Menurut beberapa teori spekulatif, materi bermassa negatif dapat digunakan untuk menciptakan ( lubang cacing) dalam ruang-waktu.

Kedengarannya seperti fiksi mutlak, tetapi sekarang sekelompok fisikawan dari Universitas Washington, Universitas Washington, Universitas OIST (Okinawa, Jepang) dan Universitas Shanghai, yang menunjukkan beberapa sifat material hipotetis dengan massa negatif. Misalnya, jika Anda mendorong zat ini, maka ia akan berakselerasi bukan ke arah penerapan gaya, tetapi ke dalam arah sebaliknya. Artinya, itu mempercepat sisi sebaliknya.

Untuk membuat zat dengan sifat massa negatif, para ilmuwan menyiapkan kondensat Bose-Einstein dengan mendinginkan atom rubidium hingga hampir nol mutlak. Dalam keadaan ini, partikel bergerak sangat lambat, dan efek kuantum mulai terlihat pada tingkat makroskopis. Artinya, sesuai dengan prinsip mekanika kuantum, partikel mulai berperilaku seperti gelombang. Misalnya, mereka bersinkronisasi satu sama lain dan mengalir melalui kapiler tanpa gesekan, yaitu tanpa kehilangan energi - efek dari apa yang disebut superfluiditas.

Di laboratorium Universitas Washington, kondisi diciptakan untuk pembentukan kondensat Bose-Einstein dalam volume kurang dari 0,001 mm³. Partikel-partikel diperlambat oleh laser dan menunggu partikel yang paling energik meninggalkan volume, yang selanjutnya mendinginkan material. Pada tahap ini, fluida superkritis masih memiliki massa positif. Jika hermetisitas bejana dilanggar, atom rubidium akan berhamburan ke dalamnya sisi yang berbeda, karena atom pusat akan mendorong atom ekstrim ke luar, dan mereka akan berakselerasi ke arah penerapan gaya.

Untuk membuat massa efektif negatif, fisikawan menggunakan serangkaian laser berbeda yang mengubah putaran beberapa atom. Seperti yang diprediksi oleh simulasi, di beberapa area bejana, partikel harus memperoleh massa negatif. Hal ini jelas terlihat pada peningkatan tajam densitas materi sebagai fungsi waktu dalam simulasi (pada diagram bawah).

Gambar 1. Ekspansi anisotropik kondensat Bose-Einstein dengan koefisien yang berbeda kekuatan adhesi. Hasil Nyata eksperimen berwarna merah, hasil prediksi dalam simulasi berwarna hitam

Diagram bawah adalah bagian yang diperbesar dari bingkai tengah di baris bawah Gambar 1.

Diagram bawah menunjukkan simulasi 1D kepadatan total versus waktu di wilayah tempat ketidakstabilan dinamis pertama kali muncul. Garis putus-putus memisahkan tiga kelompok atom dengan kecepatan

pada saat semu

Dimana massa efektif

mulai menjadi negatif (garis atas). Ditampilkan adalah titik massa efektif negatif minimum (tengah) dan titik di mana massa kembali ke nilai-nilai positif(garis bawah). Titik merah menunjukkan tempat kuasi-momentum lokal terletak di wilayah massa efektif negatif.

Baris pertama grafik menunjukkan bahwa selama percobaan fisik materi berperilaku persis seperti yang disimulasikan, yang memprediksi partikel dengan negatif massa efektif.

Dalam kondensat Bose-Einstein, partikel berperilaku seperti gelombang dan karena itu merambat ke arah yang berbeda dari partikel normal dengan massa efektif positif yang seharusnya merambat.

Sejujurnya, harus dikatakan bahwa fisikawan berulang kali merekam selama percobaan, tetapi percobaan tersebut dapat ditafsirkan dengan cara yang berbeda. Sekarang ketidakpastian sebagian besar dihilangkan.

Artikel ilmiah 10 April 2017 di jurnal Surat Tinjauan Fisik(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, tersedia dengan berlangganan). Salinan artikel sebelum dikirimkan ke jurnal pada 13 Desember 2016 di akses gratis di arXiv.org (arXiv:1612.04055).

Direkomendasikan untuk menonton pada resolusi 1280 x 800

"Teknik-pemuda", 1990, No. 10, hal. 16-18.

Dipindai oleh Igor Stepikin

Tribun hipotesis berani

Ponkrat BORISOV, insinyur
Misa Negatif: Penerbangan Gratis ke Tak Terhingga

Artikel tentang topik ini telah muncul di jurnal fisika asing dan Soviet dari waktu ke waktu selama lebih dari 30 tahun. Namun anehnya, mereka sepertinya masih belum menarik perhatian para popularizer. Tapi masalah massa negatif, dan bahkan secara ketat pengaturan ilmiah- hadiah yang bagus untuk pecinta paradoks fisika modern, dan penulis fiksi ilmiah. Tapi begitulah propertinya literatur khusus: sensasi di dalamnya bisa tetap tersembunyi selama beberapa dekade ...

Jadi, kita sedang berbicara tentang bentuk materi hipotetis, yang massanya berlawanan tanda dengan yang biasa. Pertanyaan segera muncul: apa sebenarnya artinya ini? Dan segera menjadi jelas: tidak mudah untuk mendefinisikan dengan benar konsep massa negatif.

Tidak diragukan lagi, itu pasti memiliki sifat tolakan gravitasi. Namun ternyata ini saja tidak cukup. DI DALAM fisika modern empat jenis massa dibedakan secara ketat:

aktif gravitasi - yang menarik (jika positif, tentu saja);

pasif gravitasi - yang tertarik;

lembam, yang memperoleh percepatan tertentu di bawah aksi gaya yang diterapkan (a \u003d F / m);

terakhir, massa istirahat Einstein, yang menentukan energi total tubuh (E = mC 2).

Dalam kerangka teori yang diterima secara umum, semuanya sama besarnya. Tetapi perlu untuk membedakannya, dan ini menjadi jelas ketika mencoba menentukan massa negatif. Faktanya adalah bahwa itu akan sangat berlawanan dengan yang biasa hanya jika keempat jenisnya menjadi negatif.

Berdasarkan pendekatan ini, dalam artikel pertama tentang topik ini, yang diterbitkan pada tahun 1957, fisikawan Inggris X. Bondy menentukan sifat dasar "minus-massa" dengan bukti yang ketat.

Bahkan mungkin tidak terlalu sulit untuk mengulanginya di sini, karena hanya didasarkan pada mekanika Newton. Tapi ini akan mengacaukan cerita kita, dan kemudian ada banyak "kehalusan" fisik dan matematika. Oleh karena itu, mari langsung ke hasilnya, apalagi sudah cukup jelas.

Pertama, "materi minus" harus secara gravitasi menolak benda lain, yaitu, tidak hanya dengan massa negatif, tetapi juga dengan massa positif (sedangkan materi biasa, sebaliknya, selalu menarik materi dari kedua jenis). Selanjutnya, di bawah aksi gaya apa pun, hingga gaya inersia, ia harus bergerak ke arah tersebut vektor berlawanan kekuatan ini. Dan akhirnya, total energi Einstein juga harus negatif.

Oleh karena itu, omong-omong, harus ditekankan bahwa kami hal yang menakjubkan- bukan antimateri yang massanya masih dianggap positif. Misalnya, oleh gagasan modern, "Anti-Bumi" dari antimateri akan berputar mengelilingi Matahari dalam orbit yang persis sama dengan planet asal kita.

Semua ini hampir jelas. Tapi kemudian yang luar biasa dimulai.

Mari kita ambil gravitasi yang sama. Jika dua benda biasa menarik dan mendekati satu sama lain, dan dua antimassa saling tolak dan berpencar, lalu apa yang terjadi selama interaksi gravitasi massa dari tanda yang berbeda?

Biarlah kasus paling sederhana: sebuah benda (katakanlah, sebuah bola) yang terbuat dari materi dengan massa negatif -M berada di belakang sebuah benda (sebut saja "roket" - sekarang kita akan mencari tahu alasannya) dengan massa positif yang sama +M. Jelas bahwa medan gravitasi bola menolak roket, sementara itu sendiri menarik bola. Tetapi dari sini (ini sekali lagi dibuktikan dengan ketat) bahwa seluruh sistem akan bergerak sepanjang garis lurus yang menghubungkan pusat-pusat dua massa, dengan akselerasi konstan, sebanding dengan kekuatan interaksi gravitasi diantara mereka!

Tentu saja, pada pandangan pertama, gambar gerakan spontan tanpa sebab ini "membuktikan" hanya satu hal: antimassa dengan sifat-sifat yang kita kaitkan dengannya dalam definisi sejak awal tidak mungkin ada. Bagaimanapun, kami telah menerima, tampaknya, banyak sekali pelanggaran hukum yang paling tidak dapat diubah.

Nah, bukankah hukum kekekalan momentum, misalnya, dilanggar secara terbuka di sini? Kedua tubuh, tanpa alasan sama sekali, bergegas ke arah yang sama, sementara tidak ada yang bergerak ke arah yang berlawanan. Tapi ingat bahwa salah satu massa itu negatif! Tetapi ini berarti impulsnya, terlepas dari kecepatannya, memiliki tanda minus: (-M) V, lalu impuls total sistem dua tubuh masih nol!

Hal yang sama berlaku untuk energi kinetik total sistem. Saat tubuh dalam keadaan diam, itu sama dengan nol. Tetapi tidak peduli seberapa cepat mereka bergerak, tidak ada yang berubah: massa negatif bola, sesuai dengan rumus (-M)V 2 /2, mengumpulkan negatif energi kinetik, yang justru mengkompensasi peningkatan energi positif roket.

Jika semua ini tampak tidak masuk akal, maka mungkin kita akan "merobohkan baji dengan baji" - mari kita coba untuk mengkonfirmasi satu absurditas dengan yang lain? Sejak kelas enam, kita tahu bahwa pusat massa titik yang sama (tentunya positif) ada di tengah-tengahnya. Jadi - bagaimana Anda ingin keluaran berikut? Pusat massa titik yang sama dari TANDA BERBEDA terletak, meskipun pada garis lurus yang melewatinya, tetapi tidak di dalam, tetapi DI LUAR segmen yang menghubungkannya, pada titik ±Ґ ?!

Nah, apakah lebih mudah?

Ngomong-ngomong, kesimpulan ini sudah cukup mendasar, dan semua orang bisa mengulanginya jika mau, memiliki fisika di level kelas enam yang sama.

Siapa pun yang tidak percaya pada sepatah kata pun dan ingin memastikan bahwa semua perhitungan sudah benar dapat merujuk ke salah satunya publikasi terbaru tentang topik ini - artikel fisikawan Amerika R. Maju "Mesin roket pada substansi massa negatif", diterbitkan di majalah terjemahan " Teknik Dirgantara» No.4 untuk tahun 1990.

Tapi, mungkin, pembaca yang canggih berpikir bahwa dia, tanpa perhitungan apa pun, mengerti di mana "linden" itu diselipkan padanya? Memang: dalam semua argumen elegan ini, pertanyaannya dirahasiakan: dari mana datangnya massa yang begitu indah? Lagi pula, apa pun asalnya, akan dibutuhkan energi untuk "mengekstrak", "memproduksi", atau, katakanlah, mengirimkannya ke tempat aksi, yang berarti ...

Sayangnya, pembaca yang canggih! Energi, tentu saja, akan dibutuhkan, tetapi sekali lagi negatif. Tidak ada yang bisa dilakukan: dalam rumus Einstein untuk energi total tubuh E = Ms 2, massa kita yang luar biasa memiliki tanda minus yang sama. Artinya, "produksi" sepasang benda dengan massa SAMA dengan tanda BERBEDA akan membutuhkan energi total NOL. Hal yang sama berlaku untuk pengiriman, dan manipulasi lainnya.

Tidak - betapapun paradoksnya semua hasil ini, kesimpulan yang ketat menyatakan bahwa keberadaan antimassa tidak hanya bertentangan dengan mekanika Newton, tetapi juga teori relativitas umum. Tidak mungkin menemukan larangan logis atas keberadaannya.

Nah - jika teorinya "memungkinkan", mari kita pikirkan, misalnya, - apa yang bisa terjadi kapan kontak fisik dua partikel materi yang identik dengan massa plus dan minus? Dengan antimateri "biasa", semuanya menjadi jelas: pemusnahan akan terjadi dengan pelepasan energi total dari kedua benda. Tetapi jika salah satu dari dua massa yang sama itu negatif, maka energi totalnya, seperti yang baru saja kita pahami, adalah nol. Tapi APA yang akan terjadi pada mereka dalam kenyataan - ini sudah menjadi pertanyaan yang melampaui teori.

Hasil dari peristiwa semacam itu hanya bisa diketahui secara empiris. Tidak mungkin untuk "menghitungnya" - lagipula, kita tidak tahu tentang "mekanisme aksi" massa negatif, " pengaturan intern”(karena, bagaimanapun, kami tidak mengetahui ini tentang massa yang biasa). Secara teoritis, satu hal yang jelas: bagaimanapun juga, energi total sistem akan tetap nol. Kami hanya berhak mengajukan HIPOTESIS, seperti halnya Forward yang sama. Menurut asumsinya, interaksi fisik di sini itu tidak mengarah pada pemusnahan, tetapi pada apa yang disebut "pembatalan", yaitu, pemusnahan partikel yang "diam-diam", lenyap tanpa pelepasan energi apa pun.

Tapi, kami ulangi, hanya percobaan yang bisa mengkonfirmasi atau menyangkal hipotesis ini.

Untuk alasan yang sama, kami tidak tahu apa-apa tentang cara "membuat" massa negatif (jika memungkinkan). Teorinya hanya mengatakan itu massa yang sama tanda berlawanan pada prinsipnya, mereka dapat muncul tanpa biaya energi. Dan begitu sepasang benda itu muncul, ia akan terbang, berakselerasi, dalam garis lurus hingga tak terhingga...

R. Forward dalam artikelnya telah "merancang" mesin massa negatif yang dapat membawa kita ke titik mana pun di Semesta dengan akselerasi berapa pun yang kita tetapkan. Ternyata yang dibutuhkan untuk ini hanyalah ... sepasang pegas yang bagus (semua interaksi "minus-massa" dengan yang biasa melalui gaya elastis, tentu saja, juga dihitung secara detail).

Jadi, mari kita tempatkan massa kita yang luar biasa, ukurannya sama dengan massa roket, di tengah "kompartemen mesinnya". Jika Anda perlu terbang ke depan, regangkan pegas dari dinding belakang dan kaitkan benda bermassa negatifnya. Segera karena "sesat" mereka sifat inersia itu tidak akan terburu-buru ke tempat ditarik, tetapi lurus ke depan arah berlawanan, menyeret roket dengan percepatan sebanding dengan gaya tegangan pegas.

Untuk menghentikan akselerasi, cukup melepas pegas. Dan untuk memperlambat dan menghentikan kapal, Anda perlu menggunakan pegas kedua yang dipasang di dinding depan ruang mesin.

Namun ada sanggahan sebagian dari "mesin gratis"! Benar, itu datang dari sisi yang sama sekali tidak terduga. Tetapi lebih banyak tentang itu di bagian akhir.

Sementara itu, mari kita cari tempat-tempat yang mungkin memiliki massa negatif dalam jumlah besar. Tempat-tempat seperti itu disarankan oleh rongga raksasa yang ditemukan pada peta tiga dimensi skala besar dari distribusi galaksi di Semesta - fenomena yang paling menarik. Seperti dapat dilihat dari gambar. 2, dimensi rongga ini, yang juga disebut "gelembung", berukuran sekitar 100 juta tahun cahaya (sedangkan dimensi Galaksi kita sekitar 0,06 juta tahun cahaya). Jadi, dalam skala terbesar, alam semesta memiliki struktur "berbusa".

Batas-batas gelembung ditandai dengan jelas oleh gugusan sejumlah besar galaksi. Praktis tidak ada gelembung di dalamnya, dan jika ditemukan di sana, maka ini adalah benda yang sangat tidak biasa. Mereka dicirikan oleh spektrum radiasi frekuensi tinggi yang kuat. Sekarang diyakini bahwa gelembung-gelembung itu mengandung galaksi "gagal" atau awan gas hidrogen biasa.

Tetapi apakah mungkin untuk berasumsi bahwa struktur "berbuih" alam semesta adalah hasil pembentukannya dari jumlah partikel massa negatif dan positif yang sama? Omong-omong, konsekuensi yang sangat menarik mengikuti penjelasan seperti itu: massa total Semesta selalu ada dan tetap ada nol. Lalu gelembungnya tempat alami untuk massa minus, partikel-partikelnya cenderung menyebar sejauh mungkin satu sama lain. Dan massa positif didorong ke permukaan gelembung, di mana, di bawah pengaruh gaya gravitasi, ia membentuk galaksi dan bintang. Di sini kita dapat mengingat kembali artikel oleh A. A. Baranov, yang muncul pada tahun 1971 di No. 11 jurnal Izvestia Vuzov. Fisika". Ada dianggap model kosmologis Semesta dengan partikel yang memiliki massa dari kedua tanda. Dengan menggunakan model ini, penulis menjelaskan estimasi eksperimental konstanta kosmologis dan pergeseran merah Hubble, serta beberapa fenomena anomali diamati pada galaksi-galaksi yang berinteraksi.

Gejala lain yang mungkin jumlah besar massa negatif - adanya "arus" yang sangat cepat dalam struktur alam semesta berskala besar. Dengan demikian, gugus super yang berisi Galaksi kita "mengalir" dengan kecepatan 600 km/dtk relatif terhadap latar belakang radiasi latar yang diam. Kecepatan seperti itu tidak sesuai dengan kerangka teori pembentukan galaksi dari materi gelap dingin. R. Forward mengusulkan untuk mencoba menjelaskan fenomena ini dengan mempertimbangkan tolakan kolektif supergugus dari gelembung yang mengandung massa negatif.

Jadi, materi negatif hanya bisa terbang terpisah. Tapi ternyata ini adalah sebagian sanggahan dari banyak kesimpulan yang dibahas. Lagi pula, sifat tolakan gravitasi partikel materi, apa pun sifatnya, pasti mengarah pada fakta bahwa partikel-partikel ini tidak dapat bersatu di bawah pengaruh gaya gravitasi. Selain itu, karena partikel bermassa negatif di bawah pengaruh gaya apa pun bergerak ke arah yang berlawanan dengan vektor gaya ini, interaksi interatomik biasa tidak dapat mengikat partikel tersebut ke dalam benda "normal".

Tapi kami berharap pembaca tetap menerima kesenangan dari semua argumen ini ...

Lubang cacing hipotetis dalam ruangwaktu

Di laboratorium Universitas Washington, kondisi diciptakan untuk pembentukan kondensat Bose-Einstein dalam volume kurang dari 0,001 mm³. Partikel-partikel diperlambat oleh laser dan menunggu partikel yang paling energik meninggalkan volume, yang selanjutnya mendinginkan material. Pada tahap ini, fluida superkritis masih memiliki massa positif. Jika terjadi kebocoran di bejana, atom rubidium akan menyebar ke arah yang berbeda, karena atom pusat akan mendorong atom ekstrim ke luar, dan mereka akan berakselerasi ke arah penerapan gaya.

Untuk membuat massa efektif negatif, fisikawan menggunakan serangkaian laser berbeda yang mengubah putaran beberapa atom. Seperti yang diprediksi oleh simulasi, di beberapa area bejana, partikel harus memperoleh massa negatif. Hal ini jelas terlihat pada peningkatan tajam densitas materi sebagai fungsi waktu dalam simulasi (pada diagram bawah).

Gambar 1. Ekspansi anisotropik kondensat Bose-Einstein dengan koefisien gaya kohesif yang berbeda. Hasil nyata percobaan berwarna merah, hasil prediksi dalam simulasi berwarna hitam

Diagram bawah adalah bagian yang diperbesar dari bingkai tengah di baris bawah Gambar 1.

Diagram bawah menunjukkan simulasi 1D kepadatan total versus waktu di wilayah tempat ketidakstabilan dinamis pertama kali muncul. Garis putus-putus memisahkan tiga kelompok atom dengan kecepatan pada quasi-momentum, di mana massa efektif mulai menjadi negatif (garis atas). Titik massa efektif negatif minimum ditunjukkan (tengah) dan titik di mana massa kembali ke nilai positif (garis bawah). Titik merah menunjukkan tempat kuasi-momentum lokal terletak di wilayah massa efektif negatif.

Baris grafik paling pertama menunjukkan bahwa selama percobaan fisika, materi berperilaku persis seperti yang disimulasikan, yang memprediksi kemunculan partikel dengan massa efektif negatif.

Dalam kondensat Bose-Einstein, partikel berperilaku seperti gelombang dan karena itu merambat ke arah yang berbeda dari partikel normal dengan massa efektif positif yang seharusnya merambat.

Demi keadilan, harus dikatakan bahwa berulang kali, fisikawan mencatat hasil selama eksperimen ketika sifat materi bermassa negatif terwujud, tetapi eksperimen tersebut dapat ditafsirkan dengan cara yang berbeda. Sekarang ketidakpastian sebagian besar dihilangkan.

Artikel ilmiah diterbitkan pada 10 April 2017 di jurnal Surat Tinjauan Fisik(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, tersedia dengan berlangganan). Salinan artikel sebelum diserahkan ke jurnal ditempatkan pada 13 Desember 2016 di domain publik di arXiv.org (arXiv:1612.04055).