ვაშინგტონის უნივერსიტეტის ფიზიკოსებმა სითხე შექმნეს უარყოფითი მასა. უბიძგეთ მას და განსხვავებით ყველა ფიზიკური ობიექტისგან მსოფლიოში, რომელიც ჩვენ ვიცით, ის არ აჩქარებს ბიძგის მიმართულებით. ის აჩქარებს საპირისპირო მხარეს. ეს ფენომენი იშვიათად იქმნება ლაბორატორიაში და შეიძლება გამოყენებულ იქნას კოსმოსის შესახებ უფრო რთული კონცეფციების შესასწავლად, ამბობს მაიკლ ფორბსი, ასოცირებული პროფესორი, ფიზიკოსი და ასტრონომი ვაშინგტონის უნივერსიტეტიდან. კვლევა გამოჩნდა Physical Review Letters-ში.
ჰიპოთეტურად, მატერიას შეიძლება ჰქონდეს უარყოფითი მასა იმავე გაგებით ელექტრული მუხტიშეიძლება იყოს როგორც უარყოფითი, ასევე დადებითი. ხალხი იშვიათად ფიქრობს ამაზე და ჩვენი ყოველდღიური სამყარო აჩვენებს მხოლოდ ისააკ ნიუტონის მოძრაობის მეორე კანონის დადებით ასპექტებს, რომლის მიხედვითაც სხეულზე მოქმედი ძალა უდრის სხეულის მასისა და ამ ძალის მიერ მიწოდებული აჩქარების ნამრავლს. , ან F = ma.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თუ ობიექტს უბიძგებთ, ის აჩქარდება თქვენი ბიძგის მიმართულებით. მასა დააჩქარებს მას ძალის მიმართულებით.
„ჩვენ შეჩვეულები ვართ ამ მდგომარეობას“, ამბობს Forbes და მოულოდნელობის მოლოდინშია. „ნეგატიური მასით, თუ რაიმეს უბიძგებ, ის შენკენ აჩქარდება“.
უარყოფითი მასის პირობები
კოლეგებთან ერთად მან შექმნა უარყოფითი მასის პირობები რუბიდიუმის ატომების თითქმის გაციებით აბსოლუტური ნულიდა ამგვარად იქმნება ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი. შატიენდრანათ ბოზის და ალბერტ აინშტაინის მიერ ნაწინასწარმეტყველები ამ მდგომარეობაში ნაწილაკები მოძრაობენ ძალიან ნელა და პრინციპების დაცვით. კვანტური მექანიკაიქცევა ტალღებივით. ისინი ასევე სინქრონიზდებიან და მოძრაობენ უნისონში, როგორც ზესთხევადი, რომელიც მიედინება ენერგიის დაკარგვის გარეშე.
ვაშინგტონის უნივერსიტეტის ფიზიკისა და ასტრონომიის პროფესორის პიტერ ენგელსის ხელმძღვანელობით, მეცნიერებმა Webster Hall-ის მეექვსე სართულზე შექმნეს ეს პირობები ლაზერების გამოყენებით ნაწილაკების შესანელებლად, მათ გაციების მიზნით და ცხელ, მაღალი ენერგიის ნაწილაკებს ორთქლის მსგავსად გაქცევის საშუალება მისცეს. , მასალის კიდევ უფრო გაგრილება.
ლაზერებმა ატომები ისე დაიჭირეს, თითქოს ისინი ას მიკრონიზე ნაკლები ზომის თასში იყვნენ. ამ ეტაპზე ზესთხევად რუბიდიუმს ჩვეულებრივი მასა ჰქონდა. თასის გახეთქვამ საშუალება მისცა რუბიდიუმს გაქცეულიყო, გაფართოვდა, რადგან ცენტრში მყოფი რუბიდიუმი იძულებული გახდა გარეთ გასულიყო.
უარყოფითი მასის შესაქმნელად მეცნიერებმა გამოიყენეს ლაზერების მეორე ნაკრები, რომლებიც უბიძგებდნენ ატომებს წინ და უკან, ცვლიდნენ მათ ბრუნვას. ახლა, როდესაც რუბიდიუმი საკმარისად სწრაფად ამოიწურება, ის იქცევა ისე, როგორც მას აქვს უარყოფითი მასა. „დააჭირე და ის აჩქარდება საპირისპირო მიმართულებაამბობს Forbes. "ეს ჰგავს რუბიდიუმის შეჯახებას უხილავ კედელს."
ძირითადი დეფექტების აღმოფხვრა
ვაშინგტონის უნივერსიტეტის მეცნიერების მიერ გამოყენებული მეთოდი თავიდან აიცილა უარყოფითი მასის გაგების წინა მცდელობებში აღმოჩენილი ზოგიერთი ძირითადი ხარვეზი.
„პირველი, რაც ჩვენ მივხვდით, არის ის, რომ ჩვენ გვაქვს მჭიდრო კონტროლი ამ ნეგატიური მასის ბუნებაზე ყოველგვარი გართულების გარეშე“, - ამბობს Forbes. მათი კვლევა უკვე უარყოფითი მასის პოზიციიდან ხსნის მსგავს ქცევას სხვა სისტემებში. გაზრდილი კონტროლი აძლევს მკვლევარებს ახალი ინსტრუმენტიასტროფიზიკაში მსგავსი ფიზიკის შესასწავლად ექსპერიმენტების შემუშავება მაგალითის გამოყენებით ნეიტრონული ვარსკვლავებიდა კოსმოლოგიური ფენომენები, როგორიცაა შავი ხვრელები და ბნელი ენერგია, სადაც ექსპერიმენტები უბრალოდ შეუძლებელია.
ჰიპოთეტური ჭიის ხვრელი სივრცეში
AT თეორიული ფიზიკა, არის ჰიპოთეტური ნივთიერების კონცეფცია, რომლის მასას აქვს მასის საპირისპირო მნიშვნელობა ნორმალური მატერია(ისევე, როგორც ელექტრული მუხტი შეიძლება იყოს დადებითი და უარყოფითი). მაგალითად, -2 კგ. ასეთი ნივთიერება, რომ არსებობდეს, არღვევს ერთს ან მეტს და გამოავლენს ზოგიერთს უცნაური თვისებები. ზოგიერთი სპეკულაციური თეორიის თანახმად, უარყოფითი მასის მატერია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ( ჭიის ხვრელები) სივრცე-დროში.
ჟღერს აბსოლუტური ფიქცია, მაგრამ ახლა ფიზიკოსთა ჯგუფი ვაშინგტონის უნივერსიტეტიდან, ვაშინგტონის უნივერსიტეტიდან, OIST უნივერსიტეტიდან (ოკინავა, იაპონია) და შანხაის უნივერსიტეტი, რომელიც ავლენს უარყოფითი მასის მქონე ჰიპოთეტური მასალის ზოგიერთ თვისებას. მაგალითად, თუ ამ ნივთიერებას უბიძგებთ, ის აჩქარდება არა ძალის გამოყენების მიმართულებით, არამედ საპირისპირო მიმართულებით. ანუ აჩქარებს საპირისპირო მიმართულებით.
უარყოფითი მასის თვისებების მქონე ნივთიერების შესაქმნელად, მეცნიერებმა მოამზადეს ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი რუბიდიუმის ატომების თითქმის აბსოლუტურ ნულამდე გაციებით. ამ მდგომარეობაში ნაწილაკები ძალიან ნელა მოძრაობენ და კვანტური ეფექტებიიწყებს გამოჩენა მაკროსკოპულ დონეზე. ანუ, კვანტური მექანიკის პრინციპების შესაბამისად, ნაწილაკები იწყებენ ტალღების მსგავსად ქცევას. მაგალითად, ისინი სინქრონიზდებიან ერთმანეთთან და კაპილარებში ხახუნის გარეშე მიედინება, ანუ ენერგიის დაკარგვის გარეშე - ე.წ.
ვაშინგტონის უნივერსიტეტის ლაბორატორიაში შეიქმნა პირობები ბოზე-აინშტაინის კონდენსატის წარმოქმნისთვის 0,001 მმ3-ზე ნაკლები მოცულობით. ნაწილაკები შეანელა ლაზერმა და დაელოდა მათგან ყველაზე ენერგიული მოცულობის დატოვებას, რაც კიდევ უფრო გაცივდა მასალას. ამ ეტაპზე სუპერკრიტიკულ სითხეს კვლავ დადებითი მასა ჰქონდა. თუ ჭურჭლის ჰერმეტულობა დაირღვა, რუბიდიუმის ატომები იფანტებოდნენ სხვადასხვა მხარე, ვინაიდან ცენტრალური ატომები უკიდურეს ატომებს გარედან უბიძგებენ და ისინი აჩქარდებიან ძალის გამოყენების მიმართულებით.
ნეგატიური ეფექტური მასის შესაქმნელად, ფიზიკოსებმა გამოიყენეს ლაზერების განსხვავებული ნაკრები, რომლებიც ცვლიდნენ ზოგიერთი ატომის ბრუნვას. როგორც სიმულაცია პროგნოზირებს, გემის ზოგიერთ უბანში ნაწილაკებმა უარყოფითი მასა უნდა შეიძინონ. ეს აშკარად ჩანს მატერიის სიმკვრივის მკვეთრ ზრდაში, როგორც დროის ფუნქცია სიმულაციებში (ქვედა დიაგრამაში).
სურათი 1. ბოზე-აინშტაინის კონდენსატის ანიზოტროპული გაფართოება სხვადასხვა კოეფიციენტებიადჰეზიის ძალები. რეალური შედეგებიექსპერიმენტები წითელია, პროგნოზის შედეგები სიმულაციაში არის შავი
ქვედა დიაგრამა არის შუა ჩარჩოს გაფართოებული მონაკვეთი სურათი 1-ის ქვედა რიგში.
ქვედა დიაგრამა აჩვენებს მთლიანი სიმკვრივის 1D სიმულაციას დროის მიმართ იმ რეგიონში, სადაც პირველად გამოჩნდა დინამიური არასტაბილურობა. წერტილოვანი ხაზები გამოყოფს ატომების სამ ჯგუფს სიჩქარით
კვაზი მომენტში
სად არის ეფექტური მასა
იწყება უარყოფითი (ზედა ხაზი). ნაჩვენებია მინიმალური უარყოფითი ეფექტური მასის წერტილი (შუა) და წერტილი, სადაც მასა ბრუნდება დადებითი ღირებულებები(ქვედა ხაზი). წითელი წერტილები მიუთითებს იმ ადგილებზე, სადაც ადგილობრივი კვაზი-იმპულსი დევს უარყოფითი ეფექტური მასის რეგიონში.
გრაფიკების პირველივე სტრიქონი აჩვენებს, რომ დროს ფიზიკური ექსპერიმენტიმატერია იქცეოდა ზუსტად ისე, როგორც იმიტირებულია, რაც პროგნოზირებს უარყოფითი ეფექტური მასის მქონე ნაწილაკების გამოჩენას.
ბოზე-აინშტაინის კონდენსატში ნაწილაკები ტალღების მსგავსად იქცევიან და ამიტომ მრავლდებიან სხვა მიმართულებით, ვიდრე ნორმალური ეფექტური მასის ნაწილაკები უნდა გავრცელდეს.
სამართლიანობისთვის, უნდა ითქვას, რომ ფიზიკოსებმა არაერთხელ ჩაწერეს ექსპერიმენტების დროს, მაგრამ ამ ექსპერიმენტების ინტერპრეტაცია შეიძლება სხვადასხვა გზით. ახლა გაურკვევლობა დიდწილად აღმოფხვრილია.
სამეცნიერო სტატია 2017 წლის 10 აპრილი ჟურნალში ფიზიკური მიმოხილვის წერილები(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, ხელმისაწვდომია გამოწერით). სტატიის ასლი ჟურნალში გაგზავნამდე, 2016 წლის 13 დეკემბერს, ქ უფასო წვდომა arXiv.org-ზე (arXiv:1612.04055).
რეკომენდირებულია ყურება 1280 x 800 გარჩევადობით
„ტექნიკა-ახალგაზრდობა“, 1990, No10, გვ. 16-18.
სკანირებულია იგორ სტეპიკინის მიერთამამი ჰიპოთეზების ტრიბუნა
პონკრატ ბორისოვი, ინჟინერი
უარყოფითი მასა: უფასო ფრენა უსასრულობისკენ
ჰიპოთეტური ჭიის ხვრელი სივრცეში
ვაშინგტონის უნივერსიტეტის ლაბორატორიაში შეიქმნა პირობები ბოზე-აინშტაინის კონდენსატის წარმოქმნისთვის 0,001 მმ3-ზე ნაკლები მოცულობით. ნაწილაკები შეანელა ლაზერმა და დაელოდა მათგან ყველაზე ენერგიულს მოცულობის დატოვებას, რაც კიდევ უფრო გაცივდა მასალას. ამ ეტაპზე სუპერკრიტიკულ სითხეს კვლავ დადებითი მასა ჰქონდა. ჭურჭელში გაჟონვის შემთხვევაში, რუბიდიუმის ატომები იფანტებიან სხვადასხვა მიმართულებით, რადგან ცენტრალური ატომები უკიდურეს ატომებს გარეთ უბიძგებენ და ისინი აჩქარდებიან ძალის გამოყენების მიმართულებით.
ნეგატიური ეფექტური მასის შესაქმნელად, ფიზიკოსებმა გამოიყენეს ლაზერების განსხვავებული ნაკრები, რომლებიც ცვლიდნენ ზოგიერთი ატომის ბრუნვას. როგორც სიმულაცია პროგნოზირებს, გემის ზოგიერთ უბანში ნაწილაკებმა უარყოფითი მასა უნდა შეიძინონ. ეს აშკარად ჩანს მატერიის სიმკვრივის მკვეთრ ზრდაში, როგორც დროის ფუნქცია სიმულაციებში (ქვედა დიაგრამაში).
სურათი 1. ბოზე-აინშტაინის კონდენსატის ანიზოტროპული გაფართოება შეკრული ძალის სხვადასხვა კოეფიციენტით. ექსპერიმენტის რეალური შედეგები წითლადაა, სიმულაციაში პროგნოზის შედეგები შავია
ქვედა დიაგრამა არის შუა ჩარჩოს გაფართოებული მონაკვეთი სურათი 1-ის ქვედა რიგში.
ქვედა დიაგრამა აჩვენებს მთლიანი სიმკვრივის 1D სიმულაციას დროის მიმართ იმ რეგიონში, სადაც პირველად გამოჩნდა დინამიური არასტაბილურობა. წერტილოვანი ხაზები გამოყოფს ატომების სამ ჯგუფს კვაზი იმპულსის სიჩქარით, სადაც ეფექტური მასა იწყება უარყოფითი (ზედა ხაზი). ნაჩვენებია მინიმალური უარყოფითი ეფექტური მასის წერტილი (შუა) და წერტილი, სადაც მასა უბრუნდება დადებით მნიშვნელობებს (ქვედა ხაზი). წითელი წერტილები მიუთითებს იმ ადგილებზე, სადაც ადგილობრივი კვაზი-იმპულსი დევს უარყოფითი ეფექტური მასის რეგიონში.
გრაფიკების პირველივე სტრიქონი აჩვენებს, რომ ფიზიკის ექსპერიმენტის დროს მატერია იქცეოდა ზუსტად ისე, როგორც იმიტირებულია, რაც წინასწარმეტყველებს უარყოფითი ეფექტური მასის მქონე ნაწილაკების გამოჩენას.
ბოზე-აინშტაინის კონდენსატში ნაწილაკები ტალღების მსგავსად იქცევიან და ამიტომ მრავლდებიან სხვა მიმართულებით, ვიდრე ნორმალური ეფექტური მასის ნაწილაკები უნდა გავრცელდეს.
სამართლიანობისთვის უნდა ითქვას, რომ ფიზიკოსებმა არაერთხელ ჩაწერეს შედეგები ექსპერიმენტების დროს, როდესაც ვლინდებოდა უარყოფითი მასის მატერიის თვისებები, მაგრამ ამ ექსპერიმენტების ინტერპრეტაცია შეიძლება სხვადასხვა გზით. ახლა გაურკვევლობა დიდწილად აღმოფხვრილია.
სამეცნიერო სტატია გამოქვეყნდა 2017 წლის 10 აპრილს ჟურნალში ფიზიკური მიმოხილვის წერილები(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, ხელმისაწვდომია გამოწერით). სტატიის ასლი ჟურნალში გაგზავნამდე განთავსდა 2016 წლის 13 დეკემბერს საჯარო დომენში arXiv.org (arXiv:1612.04055).
ამერიკელი მეცნიერები ამტკიცებენ, რომ ლაბორატორიაში უარყოფითი მასის მქონე ნივთიერება შექმნეს. ეს ნივთიერება არის თხევადი ძალიან უჩვეულო თვისებები. მაგალითად, თუ ამ სითხეს უბიძგებთ, მაშინ ის მიიღებს უარყოფით აჩქარებას, ანუ უკან და არა წინ. ასეთ უცნაურობას შეუძლია მეცნიერებს ბევრი რამ უთხრას იმის შესახებ, თუ რა ხდება შიგნით მაინც უცნაური ობიექტებიროგორიცაა შავი ხვრელები და ნეიტრონული ვარსკვლავები.
თუმცა შეიძლება რამეს ჰქონდეს უარყოფითი მასა? Შესაძლებელია?
თეორიულად, მატერიას შეიძლება ჰქონდეს უარყოფითი მასა ისევე, როგორც ელექტრულ მუხტს შეიძლება ჰქონდეს უარყოფითი ან დადებითი მნიშვნელობა.
ქაღალდზე ეს მუშაობს, მაგრამ მეცნიერების სამყაროში ცხარე კამათი მიმდინარეობს იმაზე, არღვევს თუ არა რაიმეს უარყოფითი მასის არსებობის დაშვება ფიზიკის ფუნდამენტურ კანონებს. Ჩვენთვის, ჩვეულებრივი ხალხი, ეს კონცეფცია ზედმეტად რთული გასაგებად გამოიყურება.
დიფერენციალური კანონი მექანიკური მოძრაობაან, უფრო მარტივად, ნიუტონის მეორე კანონი გამოიხატება ფორმულით A=F/M. ანუ სხეულის აჩქარება უდრის მასზე მიყენებული ძალის შეფარდებას სხეულის მასასთან. თუ დააყენე უარყოფითი მნიშვნელობამასა, მაშინ სხეული, სავსებით ლოგიკურად, მიიღებს უარყოფით აჩქარებას. წარმოიდგინე, ურტყამ ბურთს და ის ფეხზე გორვადება.
თუმცა, ის, რაც ჩვენთვის უცხოდ გვეჩვენება, არ უნდა იყოს შეუძლებელი და ზემოთ მოყვანილი თეორიული სავარჯიშოები საუკეთესო საშუალებაა იმის დასამტკიცებლად, რომ ნეგატიური მასა შეიძლება არსებობდეს ჩვენს სამყაროში ფარდობითობის ზოგადი თეორიის დარღვევის გარეშე.
ამ ყველაფრის გაგების სურვილმა დასაბამი მისცა მკვლევართა აქტიურ მცდელობებს, რომ ნეგატიური მასა ლაბორატორიაში აღედგინათ, როგორც ვხედავთ, თუნდაც გარკვეული წარმატებით.
ვაშინგტონის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა განაცხადეს, რომ მათ მიაღწიეს სითხის მიღებას, რომელიც ზუსტად ისე იქცევა, როგორც უარყოფითი მასის მქონე სხეული უნდა მოიქცეს. და მათი აღმოჩენა საბოლოოდ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ზოგიერთის შესასწავლად უცნაური ფენომენებისამყაროს სიღრმეში.
ამ უცნაური სითხის შესაქმნელად მეცნიერებმა ლაზერები გამოიყენეს რუბიდიუმის ატომების გასაგრილებლად აბსოლუტურ ნულამდე, შექმნას რასაც Bose-Einstein-ის კონდენსატი ეწოდება.
ამ მდგომარეობაში ნაწილაკები წარმოუდგენლად ნელა და უცნაურად მოძრაობენ, კვანტური მექანიკის უცნაური პრინციპების შესაბამისად კლასიკური ფიზიკა, ანუ იწყებენ ტალღებივით ქცევას.
ნაწილაკები ასევე სინქრონიზდებიან და მოძრაობენ უნისონში, ქმნიან ზესთხევად ნივთიერებას, რომელსაც შეუძლია გადაადგილება ხახუნის შედეგად ენერგიის დაკარგვის გარეშე.
მეცნიერები იყენებენ ლაზერებს ზესთხევადი სითხეების შესაქმნელად დაბალი ტემპერატურა, ასევე იმისათვის, რომ მოათავსოთ იგი თასის ფორმის ველში 100 მიკრონიზე ნაკლებ დიამეტრზე.
სანამ სუპერმატერია რჩებოდა ამ სივრცეში მოთავსებული, მას ჰქონდა ჩვეულებრივი მასა და საკმაოდ შეესაბამებოდა ბოზე-აინშტაინის კონდენსატის კონცეფციას. სანამ არ აიძულეს გადასულიყო.
ლაზერების მეორე ნაკრების გამოყენებით, მეცნიერებმა აიძულეს ატომები გადაადგილებულიყვნენ წინ და უკან, რის შედეგადაც მათი ტრიალი შეიცვალა და რუბიდიუმი, რომელმაც გადალახა "თასის" ბარიერი, სწრაფად ამოიფრქვევა. თუმცა თითქოს უარყოფითი მასა ჰქონდა. მეცნიერთა აზრით, შთაბეჭდილება ისეთი იყო, რომ სითხე უხილავ ბარიერს წააწყდა და მისგან მოიგერიეს.
ამრიგად, მკვლევარებმა დაადასტურეს ვარაუდები უარყოფითი მასის არსებობის შესახებ, მაგრამ ეს მხოლოდ მოგზაურობის დასაწყისია. ჯერ კიდევ გასარკვევია, არის თუ არა სითხის ქცევა ლაბორატორიულ პირობებში განმეორებადი და საკმარისად სანდო, რათა გამოსცადო ზოგიერთი ვარაუდი უარყოფითი მასების შესახებ. ასე რომ, დროზე ადრე ნუ გაიხარებთ, სხვა გუნდებმა უნდა გაიმეორონ შედეგები.
ერთი რამ ცხადია, ფიზიკა სულ უფრო და უფრო საინტერესო ხდება და ღირს დაინტერესება.
- რატომ მიდის დრო მხოლოდ წინ. ფიზიკოსები განმარტავენ: „დრო არის ის, რაც ხელს უშლის ყველაფერს ერთდროულად მოხდეს“, - წერდა რეი კამინგსი თავის 1922 წელს სამეცნიერო ფანტასტიკურ რომანში...
- ჭიის ხვრელები, ჭიის ხვრელები და დროში მოგზაურობა ჭიის ხვრელი არის თეორიული გავლა სივრცე-დროში, რომელსაც შეუძლია მნიშვნელოვნად შეამციროს შორ მანძილზე მოგზაურობა მთელ სამყაროში მალსახმობების შექმნით...
