Pesquisadores da Universidade de Washington (EUA) conseguiram a partir de átomos de rubídio o comportamento de uma substância com massa efetiva negativa. Isso significa que esses átomos não voaram na direção do vetor dessa influência sob influência externa. Nas condições experimentais, eles se comportavam como se esbarrassem em uma parede invisível toda vez que se aproximavam dos limites de uma região com volume muito pequeno. O correspondente é publicado em Cartas de Revisão Física. O experimento foi mal interpretado pela mídia como "criando matéria com massa negativa" (em teoria, permite criar buracos de minhoca para distâncias viagem ao espaço). De fato, obter uma substância com massa negativa, se possível, está muito além do que é alcançável para Ciência moderna e tecnologias.

Os átomos de rubídio foram forçados a se mover na direção oposta ao vetor da força aplicada a eles. A mídia interpretou isso como a criação de uma substância com uma "massa negativa"

Os autores do trabalho desaceleraram os átomos de rubídio com um laser (uma diminuição na velocidade de uma partícula significa seu resfriamento). No segundo estágio de resfriamento, os átomos mais energéticos foram autorizados a deixar o volume resfriado. Isso o esfriou ainda mais, da mesma forma que a evaporação dos átomos de refrigerante esfria o conteúdo de uma geladeira doméstica. Na terceira etapa, um conjunto diferente de lasers foi usado, cujos pulsos mudaram o spin (simplificado, o sentido de rotação em torno de próprio eixo) partes de átomos.

Como alguns átomos no volume resfriado continuaram a ter um spin normal, enquanto outros receberam um spin inverso, a interação entre eles adquiriu um caráter incomum. Em comportamento normal, os átomos de rubídio colidindo se separariam em lados diferentes. Os átomos centrais empurrariam os externos para fora, acelerando-os na direção da aplicação da força (o vetor de movimento do primeiro átomo). Devido à inconsistência nos spins, na prática, os átomos de rubídio resfriados a pequenas frações de um kelvin não se separavam após as colisões, permanecendo no volume inicial, igual a cerca de um milésimo de milímetro cúbico. Do lado de fora, parecia que eles estavam batendo em uma parede invisível.

Uma analogia muito distante para um grupo de átomos com spins diferentes - uma colisão de dois ou mais Bolas de futebol, impacto lateral pré-torcido antes de girar em torno de seu eixo em diferentes direções. É claro que as direções e velocidades de seu movimento após a colisão diferirão significativamente dos mesmos resultados para bolas comuns. Mas isso não significa que as bolas mudaram de massa física. Apenas a natureza de sua interação um com o outro mudou. Também no experimento, a massa dos átomos não se tornou negativa. Em um campo gravitacional, eles ainda cairiam. O que realmente mudou foi apenas onde eles se moviam após colisões com outros átomos semelhantes, mas "rotavam" em torno de seu eixo na outra direção.

O comportamento dos átomos de rubídio no experimento corresponde à definição de massa efetiva negativa em física. É usado, por exemplo, para descrever o comportamento de um elétron em estrutura de cristal. Para ele, a massa formal depende da direção do movimento em relação aos eixos do cristal. Movendo-se em uma direção, ele mostrará uma variação (dispersão), na outra - outra. O conceito de massa efetiva foi introduzido para eles porque, caso contrário, ao descrever seu espalhamento por fórmulas, a massa passaria a depender da energia, o que não é muito conveniente para os cálculos. Um exemplo de massa efetiva negativa é o comportamento de buracos em semicondutores, com os quais todos os usuários de eletrônicos modernos precisam lidar.

A maioria da mídia, incluindo a russa, interpretou o experimento como a criação de uma substância com massa negativa. Em teoria, a matéria com propriedades semelhantes poderia ser usada para manter os buracos de minhoca em funcionamento, permitindo viagens de longa distância no espaço e no tempo em tempo próximo de zero. A possibilidade prática de criar tal substância, assim como os próprios buracos de minhoca, ainda não foi comprovada. Mesmo que seja possível, não é realista obtê-lo com as modernas capacidades técnicas da humanidade.

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"Técnica-juventude", 1990, nº 10, p. 16-18.

Digitalizado por Igor Stepikin

Tribuna de hipóteses ousadas

Ponkrat BORISOV, engenheiro
Massa Negativa: Voo Livre para o Infinito

Artigos sobre este tópico têm aparecido em revistas de física estrangeiras e soviéticas de tempos em tempos por mais de 30 anos. Mas, curiosamente, eles ainda não parecem ter atraído a atenção dos divulgadores. Mas o problema massa negativa, e mesmo estritamente cenário científico- um grande presente para os amantes dos paradoxos da física moderna e escritores de ficção científica. Mas tal é a propriedade literatura especial: a sensação nele pode permanecer escondida por décadas ...

Então, nós estamos falando sobre uma forma hipotética de matéria, cuja massa é de sinal oposto ao usual. A pergunta surge imediatamente: o que isso realmente significa? E imediatamente fica claro: não é tão fácil definir corretamente o conceito de massa negativa.

Sem dúvida, deve ter a propriedade de repulsão gravitacional. Mas acontece que isso por si só não é suficiente. NO física moderna quatro tipos de massa são estritamente distinguidos:

ativo gravitacional - aquele que atrai (se for positivo, claro);

passivo gravitacional - aquele que é atraído;

inerte, que adquire uma certa aceleração sob a ação de uma força aplicada (a \u003d F / m);

finalmente, a massa de repouso de Einstein, que define a energia total do corpo (E = mC 2).

No quadro das teorias geralmente aceitas, todas são iguais em magnitude. Mas é necessário distinguir entre eles, e isso fica claro apenas ao tentar determinar a massa negativa. O fato é que será completamente oposto ao usual apenas se todos os quatro tipos se tornarem negativos.

Com base nessa abordagem, no primeiro artigo sobre o tema, publicado em 1957, físico inglês X. Bondy determinou as propriedades básicas da "massa negativa" por meio de provas rigorosas.

Pode até não ser muito difícil repeti-los aqui, porque eles são baseados apenas na mecânica newtoniana. Mas isso vai atrapalhar nossa história, e então há muitas "sutilezas" físicas e matemáticas. Portanto, vamos direto aos resultados, principalmente porque eles são bastante claros.

Em primeiro lugar, a “matéria negativa” deve repelir gravitacionalmente quaisquer outros corpos, isto é, não apenas com massa negativa, mas também com massa positiva (enquanto a matéria comum, ao contrário, sempre atrai matéria de ambos os tipos). Além disso, sob a ação de qualquer força, até a força de inércia, ela deve se mover na direção vetor oposto esta força. E, finalmente, sua energia total de Einstein também deve ser negativa.

Portanto, a propósito, deve-se enfatizar que nossa matéria incrível- não antimatéria, cuja massa ainda é considerada positiva. Por exemplo, por ideias modernas, "Anti-Terra" da antimatéria giraria em torno do Sol exatamente na mesma órbita do nosso planeta natal.

Tudo isso é quase óbvio. Mas então o incrível começa.

Vamos pegar a mesma gravidade. Se dois corpos comuns se atraem e se aproximam, e duas antimassas se repelem e se espalham, então o que acontece durante a interação gravitacional de massas de sinais diferentes?

Deixe estar caso mais simples: um corpo (digamos, uma bola) feito de matéria com massa negativa -M está atrás de um objeto (vamos chamá-lo de "foguete" - agora vamos descobrir o porquê) com uma massa positiva igual +M. É claro que o campo gravitacional da bola repele o foguete, enquanto ele próprio atrai a bola. Mas segue-se disso (isto é novamente provado com rigor) que todo o sistema se moverá ao longo de uma linha reta conectando os centros de duas massas, com aceleração constante, proporcional à força da interação gravitacional entre eles!

É claro que, à primeira vista, essa imagem de movimento espontâneo e sem causa “prova” apenas uma coisa: a antimassa com as propriedades que atribuímos a ela na definição desde o início simplesmente não pode existir. Afinal, recebemos, ao que parece, um monte de violações das leis mais imutáveis.

Bem, a lei da conservação do momento, por exemplo, não está sendo completamente violada aqui? Ambos os corpos, sem razão alguma, correm na mesma direção, enquanto nada se move na direção oposta. Mas lembre-se que uma das massas é negativa! Mas isso significa que seu impulso, independentemente da velocidade, tem um sinal de menos: (-M) V, e então impulso total sistema de dois corpos ainda é zero!

O mesmo vale para a energia cinética total do sistema. Enquanto os corpos estão em repouso, é igual a zero. Mas não importa o quão rápido eles se movam, nada muda: a massa negativa da bola, em plena conformidade com a fórmula (-M)V 2 /2, acumula uma massa negativa energia cinética, o que compensa exatamente o aumento da energia positiva do foguete.

Se tudo isso parece absurdo, então talvez vamos “bater uma cunha com uma cunha” - vamos tentar confirmar um absurdo com outro? Desde a sexta série, sabemos que o centro de massas pontuais iguais (positivas, claro) está no meio entre elas. Então - como você gostaria da seguinte saída? O centro de massas pontuais iguais de SINAL DIFERENTE encontra-se, embora em uma linha reta passando por eles, mas não dentro, mas FORA do segmento que os conecta, no ponto ±Ґ ?!

Bem, é mais fácil?

A propósito, essa conclusão já é bastante elementar, e todos podem repeti-la se quiserem, possuindo física no nível da mesma sexta série.

Quem não acredita em uma palavra e quer ter certeza de que todos os cálculos estão corretos pode consultar um dos últimas publicações sobre este tópico - artigo físico americano R. Forward "Motor de foguete na substância de massa negativa", publicado na revista traduzida " Engenharia aeroespacial» Nº 4 para 1990.

Mas, talvez, o leitor sofisticado pense que mesmo sem nenhum cálculo ele entendeu onde a "tília" foi escorregada para ele? De fato: em todos esses argumentos elegantes, a pergunta é abafada: de onde veio uma missa tão maravilhosa? Afinal, seja qual for sua origem, será preciso energia para “extrair”, “fabricar” ou, digamos, entregá-lo ao cenário de ação, o que significa...

Ai, leitor sofisticado! Energia, é claro, será necessária, mas novamente negativa. Nada pode ser feito: na fórmula de Einstein para a energia total do corpo E = Ms 2, nossa maravilhosa massa tem o mesmo sinal de menos. Isso significa que a "produção" de um par de corpos com massas IGUAIS de sinais DIFERENTES exigirá ZERO energia total. O mesmo se aplica à entrega e a quaisquer outras manipulações.

Não - por mais paradoxais que sejam todos esses resultados, conclusões estritas afirmam que a presença de antimassa não contradiz não apenas a mecânica newtoniana, mas também teoria geral relatividade. Não foi possível encontrar quaisquer proibições lógicas sobre a sua existência.

Bem - se a teoria "permite", então vamos pensar, por exemplo, - o que pode acontecer quando contato físico duas partículas idênticas de matéria com massas positivas e negativas? Com a antimatéria "comum", tudo fica claro: a aniquilação ocorrerá com a liberação da energia total de ambos os corpos. Mas se uma das duas massas iguais for negativa, então sua energia total, como acabamos de entender, é zero. Mas o que vai acontecer com eles na realidade - esta já é uma questão que vai além da teoria.

O resultado de tal evento só pode ser conhecido empiricamente. É impossível “calcular” – afinal, não temos ideia do “mecanismo de ação” da massa negativa, seu “ arranjo interno”(como, no entanto, não sabemos isso sobre a massa do habitual). Teoricamente, uma coisa é clara: em qualquer caso, a energia total do sistema permanecerá zero. Temos o direito de apresentar apenas uma HIPÓTESE, como faz o mesmo Forward. Segundo sua suposição, interação física aqui não leva à aniquilação, mas à chamada "anulação", ou seja, a aniquilação mútua "silenciosa" das partículas, seu desaparecimento sem qualquer liberação de energia.

Mas, repetimos, apenas um experimento poderia confirmar ou refutar essa hipótese.

Pelas mesmas razões, não sabemos nada sobre como "fazer" massa negativa (se possível). A teoria apenas afirma que massa igual sinal oposto em princípio, podem surgir sem custos de energia. E assim que esse par de corpos aparecer, ele voará, acelerando, em linha reta até o infinito...

R. Forward em seu artigo já “projetou” um motor de massa negativa que pode nos levar a qualquer ponto do Universo em qualquer aceleração que definirmos. Acontece que tudo o que é necessário para isso é ... um par de boas molas (todas as interações da "massa negativa" com a usual através de forças elásticas, é claro, também são calculadas em detalhes).

Então, vamos colocar nossa massa maravilhosa, igual em tamanho à massa do foguete, no meio de seu "compartimento do motor". Se você precisar voar para a frente, estique a mola da parede traseira e prenda seu corpo de massa negativa. Imediatamente por causa de seus "pervertidos" propriedades inerciais ele vai correr não para onde está sendo puxado, mas para a frente direção oposta, arrastando o foguete com uma aceleração proporcional à força da tensão da mola.

Para parar a aceleração, basta soltar a mola. E para desacelerar e parar o navio, você precisa usar uma segunda mola presa à parede frontal do compartimento do motor.

E, no entanto, há uma refutação parcial do "motor livre"! É verdade que vem de um lado completamente inesperado. Mas mais sobre isso no final.

Enquanto isso, vamos procurar lugares onde possa haver grandes quantidades de massa negativa. Tais lugares são sugeridos pelos vazios gigantes encontrados em mapas tridimensionais de grande escala da distribuição de galáxias no Universo - fenômenos que são mais interessantes por si mesmos. Como pode ser visto a partir da fig. 2, as dimensões dessas cavidades, que também são chamadas simplesmente de "bolhas", são de cerca de 100 milhões de anos-luz (enquanto as dimensões de nossa galáxia são de cerca de 0,06 milhão de anos-luz). Assim, na maior escala, o Universo tem uma estrutura "espumosa".

Os limites das bolhas são claramente marcados por aglomerados um grande número galáxias. Praticamente não há bolhas no interior e, se forem encontradas lá, são objetos muito incomuns. Eles são caracterizados pelos espectros de poderosa radiação de alta frequência. Acredita-se agora que as bolhas contêm galáxias "falhadas" ou nuvens de gás de hidrogênio comum.

Mas é possível supor que a estrutura "espuma" do Universo seja o resultado de sua formação a partir do mesmo número de partículas de massa negativa e positiva? A propósito, uma consequência muito atraente decorre de tal explicação: a massa total do Universo sempre foi e permanece zero. Em seguida, as bolhas são lugares naturais para menos-massa, cujas partículas tendem a se dispersar o mais longe possível umas das outras. E a massa positiva é empurrada para a superfície das bolhas, onde, sob a influência das forças da gravidade, forma galáxias e estrelas. Aqui podemos lembrar o artigo de A. A. Baranov, que apareceu em 1971 no nº 11 da revista Izvestia Vuzov. Física". Considera o modelo cosmológico do Universo com partículas com massas de ambos os signos. Usando este modelo, o autor explica as estimativas experimentais da constante cosmológica e do redshift de Hubble, bem como algumas fenômenos anômalos observadas em galáxias em interação.

Outro possível sintoma grandes quantidades massa negativa - a presença de "correntes" muito rápidas em estruturas de grande escala do Universo. Assim, o superaglomerado que contém nossa Galáxia "flui" a uma velocidade de 600 km/s em relação ao fundo em repouso. radiação relíquia. Tal velocidade não se encaixa no quadro das teorias da formação de galáxias a partir de matéria escura fria. R. Forward propõe tentar explicar este fenômeno levando em conta a repulsão coletiva de superaglomerados de bolhas contendo massa negativa.

Assim, a matéria negativa só pode se espalhar. Mas isso, ao que parece, é a refutação parcial de muitas das conclusões que foram discutidas. Afinal, a propriedade de repulsão gravitacional das partículas da matéria, qualquer que seja sua natureza, inevitavelmente leva ao fato de que essas partículas não podem se unir sob a influência das forças gravitacionais. Além disso, como uma partícula de massa negativa sob a influência de qualquer força se move na direção oposta ao vetor dessa força, as interações interatômicas comuns não podem ligar essas partículas a corpos “normais”.

Mas esperamos que o leitor, no entanto, tenha gostado de todos esses argumentos ...

Físicos da Universidade de Washington criaram um líquido com massa negativa. Empurre-o e, ao contrário de todos os objetos físicos do mundo que conhecemos, ele não acelera na direção do empurrão. Ela acelera em lado reverso. Esse fenômeno raramente é criado em laboratório e pode ser usado para explorar alguns dos conceitos mais complexos sobre o cosmos, diz Michael Forbes, professor associado, físico e astrônomo da Universidade de Washington. O estudo apareceu em Physical Review Letters.

Hipoteticamente, a matéria pode ter massa negativa no mesmo sentido que carga elétrica pode ser tanto negativo quanto positivo. As pessoas raramente pensam nisso, e nosso mundo cotidiano mostra apenas os aspectos positivos da Segunda Lei do Movimento de Isaac Newton, segundo a qual a força que age sobre um corpo é igual ao produto da massa do corpo e a aceleração transmitida por essa força. , ou F = ma.

Em outras palavras, se você empurrar um objeto, ele acelerará na direção do seu empurrão. A massa irá acelerá-lo na direção da força.

“Estamos acostumados com esse estado de coisas”, diz Forbes, antecipando uma surpresa. "Com massa negativa, se você empurrar algo, ele irá acelerar em sua direção."

Condições para massa negativa

Juntamente com colegas, ele criou as condições para a massa negativa resfriando os átomos de rubídio a um estado de quase zero absoluto e assim criando um condensado de Bose-Einstein. Nesse estado, previsto por Shatyendranath Bose e Albert Einstein, as partículas se movem muito lentamente e, seguindo os princípios mecânica quântica comportam-se como ondas. Eles também sincronizam e se movem em uníssono como um superfluido que flui sem perda de energia.

Liderados por Peter Engels, professor de física e astronomia da Universidade de Washington, cientistas do sexto andar do Webster Hall criaram essas condições usando lasers para desacelerar as partículas, tornando-as mais frias e permitindo que partículas quentes e de alta energia escapassem como vapor. , resfriando ainda mais o material.

Os lasers capturaram os átomos como se estivessem em uma tigela com menos de cem mícrons de tamanho. Nesta fase, o rubídio superfluido tinha a massa usual. A ruptura da tigela permitiu que o rubídio escapasse, expandindo-se à medida que o rubídio no centro era forçado para fora.

Para criar a massa negativa, os cientistas usaram um segundo conjunto de lasers que empurravam os átomos para frente e para trás, alterando sua rotação. Agora, quando o rubídio acaba rápido o suficiente, ele se comporta como se tivesse uma massa negativa. "Empurre-o e ele vai acelerar em direção oposta diz Forbes. "É como o rubídio atingindo uma parede invisível."

Eliminação dos principais defeitos

O método usado pelos cientistas da Universidade de Washington evitou algumas das principais falhas encontradas em tentativas anteriores de entender a massa negativa.

“A primeira coisa que percebemos é que temos um controle rígido sobre a natureza dessa massa negativa sem outras complicações”, diz Forbes. O estudo deles explica, já a partir da posição de massa negativa, comportamento semelhante em outros sistemas. O aumento do controle dá aos pesquisadores nova ferramenta desenvolver experimentos para estudar física semelhante em astrofísica, usando o exemplo estrelas de nêutrons, e fenômenos cosmológicos como buracos negros e energia escura, onde experimentos simplesmente não são possíveis.

Cientistas dos Estados Unidos afirmam ter criado uma substância com massa negativa em laboratório. Esta substância é um líquido com uma propriedades incomuns. Por exemplo, se você empurrar esse fluido, ele receberá uma aceleração negativa, ou seja, para trás, não para frente. Essa estranheza poderia dizer muito aos cientistas sobre o que está acontecendo dentro de pelo menos objetos estranhos como buracos negros e estrelas de nêutrons.
No entanto, algo pode ter massa negativa? É possível?

Teoricamente, a matéria pode ter uma massa negativa da mesma forma que uma carga elétrica pode ter um valor negativo ou positivo.

No papel, isso funciona, mas há um debate acalorado no mundo da ciência sobre se a própria suposição da existência de algo com massa negativa viola as leis fundamentais da física. Para nós, pessoas comuns, esse conceito parece muito complicado de entender.

lei diferencial movimento mecânico ou, mais simplesmente, a segunda lei de Newton é expressa pela fórmula A=F/M. Ou seja, a aceleração de um corpo é igual à razão entre a força aplicada a ele e a massa do corpo. Se você definir significado negativo massa, então o corpo, logicamente, receberá uma aceleração negativa. Imagine, você bate na bola e ela rola na sua perna.

No entanto, o que nos parece estranho não precisa ser impossível, e os exercícios teóricos acima são a melhor maneira de provar que a massa negativa pode existir em nosso Universo sem violar a teoria geral da relatividade.

O desejo de entender tudo isso deu origem a tentativas ativas dos pesquisadores de recriar a massa negativa em laboratório, como vemos, mesmo com algum sucesso.

Cientistas da Universidade de Washington disseram ter conseguido obter um líquido que se comporta exatamente como um corpo com massa negativa deveria se comportar. E sua descoberta pode finalmente ser usada para estudar alguns fenômenos estranhos nas profundezas do universo.

Para criar esse líquido estranho, os cientistas usaram lasers para resfriar os átomos de rubídio até quase zero absoluto, criando o que é chamado de condensado de Bose-Einstein.

Nesse estado, as partículas se movem incrivelmente lenta e estranhamente, seguindo os estranhos princípios da mecânica quântica em vez de física clássica, ou seja, começam a se comportar como ondas.

As partículas também se sincronizam e se movem em uníssono, formando uma substância superfluida que pode se mover sem perder energia por atrito.
Cientistas usaram lasers para criar um superfluido Baixas temperaturas, bem como para colocá-lo em um campo em forma de tigela com menos de 100 mícrons de diâmetro.

Enquanto a supermatéria permaneceu neste espaço, ela tinha uma massa comum e era bastante consistente com o conceito de um condensado de Bose-Einstein. Até que ele foi forçado a se mudar.

Usando um segundo conjunto de lasers, os cientistas forçaram os átomos a se moverem para frente e para trás, o que fez com que seu spin mudasse e o rubídio, tendo superado a barreira da "tigela", espirrasse rapidamente. No entanto, como se tivesse uma massa negativa. Segundo os cientistas, a impressão foi tal que o líquido tropeçou em uma barreira invisível e se repeliu.

Assim, os pesquisadores confirmaram as suposições sobre a existência de massa negativa, mas isso é apenas o começo da jornada. Resta saber se o comportamento do fluido em condições de laboratório é repetível e confiável o suficiente para testar algumas suposições sobre massas negativas. Portanto, não se alegre antes do tempo, outras equipes precisam repetir os resultados por conta própria.

Uma coisa é certa, a física está ficando cada vez mais interessante e vale a pena se interessar.

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O astrofísico britânico Jamie Farnes propôs modelo cosmológico, em que a massa negativa é produzida com velocidade constante ao longo da evolução do universo. Este modelo contradiz a visão geralmente aceita da natureza da matéria, no entanto, explica bem a maioria dos efeitos que geralmente são atribuídos à matéria escura e à energia escura, em particular, a expansão do Universo, a formação de uma estrutura em grande escala do Universo e do halo galáctico, as curvas de rotação das galáxias e o espectro observado da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Artigo publicado em Astronomia e Astrofísica, uma pré-impressão do trabalho está disponível em arXiv.org.

Atualmente, a maioria dos cosmólogos acredita que a evolução do Universo é descrita pelo modelo ΛCDM. De acordo com esse modelo, cerca de 70% da massa do universo é energia escura, 25% é matéria escura fria (isto é, matéria cujas partículas se movem lentamente) e apenas os 5% restantes são matéria bariônica familiar para nós. Os cientistas determinaram essas proporções analisando harmônicos no padrão de radiação de fundo. Você pode ler mais sobre a medição da "composição" do Universo nos artigos de Boris Stern sobre os satélites WMAP e Planck, que foram a principal contribuição para este trabalho.

Infelizmente, os cientistas têm uma compreensão pobre do que são a matéria escura e a energia escura. Nenhum dos experimentos ultraprecisos para procurar partículas de matéria escura previstos por uma série de modelos teóricos(por exemplo, SUSY) nunca testou positivo. Atualmente, a seção transversal de espalhamento para partículas comuns e partículas "escuras" com massas de 6 a 200 megaelétronvolts é da ordem de 10-47 centímetros quadrados, que praticamente elimina partículas nessa faixa de massa e força os físicos a desenvolver teorias alternativas. No entanto, a matéria escura ainda se manifesta através de interação gravitacional, modificando as curvas de rotação das galáxias e a imagem, mas porque os cientistas partiram dessa hipótese.

A energia escura é ainda pior. A única observação que confirma diretamente sua existência, independentemente da análise do CMB, é a expansão acelerada do Universo, medida por (indiretamente, a energia escura é confirmada pela razão elementos químicos no universo observável). Além disso, os físicos têm uma compreensão pobre do que é a energia escura na Terra. nível fundamental . É claro, qualitativamente pode ser descrito usando a constante cosmológica (termo lambda) em , mas este método não fornece novos conhecimentos e não permite estabelecer se em que consiste energia escura. Einstein explicou tais adições em termos de partículas com massa negativa - nesta abordagem, as equações de movimento tornam-se simétricas, como as equações da eletrodinâmica, e o termo lambda aparece como uma constante de integração, que não contém um significado físico.

Matéria com massa negativa é matéria que acelera na direção oposta à força. Uma partícula com massa negativa repele partículas com massa positiva e negativa, enquanto partículas "positivas" atraem as "negativas". Infelizmente, dentro da estrutura do modelo ΛCDM, essa maneira de descrever a energia escura está obviamente fadada ao fracasso. O fato é que durante a expansão do Universo, a densidade de vários componentes muda de acordo com diferentes leis: a densidade da matéria fria cai, enquanto a densidade da energia escura permanece constante. Portanto, é impossível identificar a matéria com massa negativa e energia escura.

Interação de partículas com massa negativa: setas pretas indicam forças, setas vermelhas indicam acelerações

Jamie Farnes / Astronomia e Astrofísica

Interação de partículas com massa positiva e negativa: setas pretas indicam forças, setas vermelhas indicam acelerações

Jamie Farnes / Astronomia e Astrofísica

Interação de partículas com massa positiva: setas pretas indicam forças, setas vermelhas indicam acelerações

Jamie Farnes / Astronomia e Astrofísica

No entanto, o astrofísico Jamie Farnes afirma que foi capaz de vincular a ideia de Einstein a dados observacionais. Para fazer isso, ele combinou a ideia de massa negativa com outra ideia contraintuitiva sobre a produção contínua e uniforme de massa no volume do universo. Essa ideia também está longe de ser nova, foi proposta pela primeira vez nos anos 40 do século passado.

Teoricamente, tais processos podem de fato ocorrer contra o pano de fundo de uma forte campo gravitacional(por exemplo, à custa de). Considerando tais adições ao tensor energia-momento padrão para massas positivas, o físico escreveu e resolveu a equação de Friedmann e, em seguida, calculou por qual lei o Universo se expande neste modelo. Os cientistas não levaram em conta as contribuições da matéria escura e da energia escura usuais. Como resultado, descobriu-se que leis famosas são reproduzidos se a massa negativa é produzida a uma taxa constante Γ = −3 H, Onde Hé a constante de Hubble. Nesse caso, a densidade de massa negativa permanecerá constante durante a expansão e modelará efetivamente a constante cosmológica. Neste caso, a taxa de expansão e o tempo de vida do Universo são os mesmos do modelo ΛCDM.

O astrofísico então calculou como a massa negativa apareceria em escalas menores. Para fazer isso, ele modelou, dentro da estrutura de seu modelo, a interação de um grande número de partículas de massa positiva e negativa. Como todos os pacotes astrofísicos existentes não levam em conta essas modificações incomuns, Farnes teve que desenvolver seu próprio programa. Para evitar aproximações no decorrer dos cálculos, o pesquisador calculou as coordenadas e velocidades de cada partícula em cada momento do tempo - isso possibilitou aumentar a confiabilidade das previsões, embora as demandas do programa em recursos computacionais crescessem à medida que o quadrado do número de partículas. Em particular, por causa disso, o cientista teve que se limitar a modelar 50 mil partículas.

Usando o programa desenvolvido, Farnes viu vários efeitos tradicionalmente atribuídos à matéria escura. Primeiro, ele modelou a evolução de um grupo denso de partículas de massa positiva imersas em um "mar" de partículas de massa negativa. Tal sistema deve descrever qualitativamente a evolução das galáxias em estágios finais expansão do Universo, quando as partículas "negativas" prevalecem significativamente sobre as "positivas". Neste problema, o cientista escolheu o número de partículas "positivas" N+= 5000, o número de negativos N− = 45000. Como resultado, ele obteve uma distribuição de densidade que está de acordo com os dados observacionais - a densidade de partículas aumenta lentamente ao se aproximar do centro da galáxia e coincide com o perfil de Burkert. Isso resolve o "problema do halo cúspide" que ocorre no modelo ΛCDM.

A evolução de uma "galáxia" de matéria positiva imersa no "mar" matéria negativa

Jamie Farnes / Astronomia e Astrofísica

Perfil de massa da galáxia calculado por Farnes (azul) e observado na prática (linha pontilhada rosa)

Jamie Farnes / Astronomia e Astrofísica

Em segundo lugar, com os mesmos dados iniciais, o cientista calculou a curva de rotação da galáxia e descobriu que ela também coincide bem com os dados observacionais. Enquanto no modelo com partículas puramente "positivas", a matéria na borda da galáxia se move mais lentamente do que no centro, no modelo com predominância de partículas "negativas", a velocidade é aproximadamente constante.

Curva de rotação de uma galáxia imersa em um "mar" de matéria negativa (vermelho) e uma galáxia "livre" (preto)

Jamie Farnes / Astronomia e Astrofísica

Terceiro, Farnes mostrou que em seu modelo naturalmente surge uma estrutura filamentosa em grande escala do Universo: galáxias se unem em aglomerados, aglomerados em superaglomerados e superaglomerados em cadeias e paredes. Para isso, calculou a evolução de um sistema que contém o mesmo número partículas "positivas" e "negativas". Devido a limitações no poder de computação disponível, o cientista colocou o número de ambos os tipos de partículas N + = N− = 25000. Como no caso anterior, partículas "negativas" cercaram partículas de matéria comum e formaram um halo, mas desta vez o pesquisador foi capaz de discernir padrões em escalas maiores que se assemelhavam à estrutura do Universo observável.

Estrutura homogênea Universo no início da simulação

Jamie Farnes / Astronomia e Astrofísica

Registre-se para praticar. Infelizmente, ele não conseguiu ver esse efeito em simulações com 50.000 partículas. No entanto, o cientista espera que em simulações maiores com um milhão de partículas tais processos possam ser percebidos, e também sugere que eles nos permitirão confirmar ou refutar a nova teoria.

Por fim, o cientista verificou o quanto a proposta de modificação do modelo ΛCDM distorceria os efeitos efetivamente observados – a expansão do Universo, medida por velas padrão, o fundo relíquia e observações de fusões de aglomerados de galáxias. Em todos esses casos, o astrofísico descobriu que sua hipótese não contradizia os dados observados. No entanto, algumas questões ainda permanecem em aberto - em particular, não está claro como vincular tal hipótese com o Modelo Padrão (o mecanismo de Higgs pode gerar massas negativas?), como detectar experimentalmente partículas com massa negativa e como explicar as contradições entre a repulsão de partículas "negativas" e a teoria. No entanto, o cientista acredita que todos esses problemas podem ser resolvidos no âmbito do novo modelo.

Assim, o modelo com produção constante de massa negativa explica não só a expansão observada do Universo, mas também a formação de sua estrutura em grande escala, halos de matéria escura ao redor de galáxias e curvas de rotação - a maioria dos efeitos que geralmente são atribuídos ao escuro. energia e matéria escura. Curiosamente, tal intuitivamente antinatural hipótese, que é contrária à visão geralmente aceita da matéria, é bastante consistente com dados observacionais. Além disso, ela se oferece para explicá-los mais de uma maneira simples, envolvendo menos entidades. Como o próprio autor escreve na conclusão: “Embora esta proposta seja apóstata e herética, [o artigo] sugeriu que valores negativos esses parâmetros podem, em princípio, explicar os dados das observações cosmológicas, que sempre foram interpretadas dentro da estrutura de uma suposição razoável de uma massa positiva”.

Às vezes os físicos dizem bonito ideias incomuns explicar as contradições observadas entre teoria e experiência. Por exemplo, em novembro do ano passado, o físico teórico americano Hooman Davoudiasl apresentou nova força, que é transportada por uma partícula escalar ultraleve e repele a matéria escura da Terra. Essa suposição explica bem as falhas de todos os experimentos terrestres em busca de matéria escura - se tal força realmente existe, os detectores, em princípio, não poderiam registrar nada. Infelizmente, esta afirmação pode ser verificada com nível atual desenvolvimento de tecnologia não é possível.

Dmitry Trunin