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 atua 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 no 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 foi que tínhamos 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.
Buraco de minhoca hipotético no espaço-tempo
NO física Teórica, é o conceito de uma substância hipotética cuja massa tem o valor oposto da massa matéria normal(assim como uma carga elétrica pode ser positiva e negativa). Por exemplo, -2 kg. Tal substância, se existisse, perturbaria um ou mais, e exibiria alguma propriedades estranhas. De acordo com algumas teorias especulativas, a matéria de massa negativa pode ser usada para criar ( buracos de minhoca) no espaço-tempo.
Parece ficção absoluta, mas agora um grupo de físicos da Universidade de Washington, Universidade de Washington, Universidade OIST (Okinawa, Japão) e Universidade de Xangai, que exibe algumas das propriedades de um material hipotético com massa negativa. Por exemplo, se você empurrar essa substância, ela acelerará não na direção da aplicação da força, mas na direção oposta. Ou seja, acelera na direção oposta.
Para criar uma substância com as propriedades de uma massa negativa, os cientistas prepararam um condensado de Bose-Einstein resfriando átomos de rubídio até quase zero absoluto. Nesse estado, as partículas se movem extremamente lentamente e efeitos quânticos começam a aparecer no nível macroscópico. Ou seja, de acordo com os princípios da mecânica quântica, as partículas começam a se comportar como ondas. Por exemplo, eles se sincronizam e fluem pelos capilares sem atrito, ou seja, sem perder energia - efeito da chamada superfluidez.
No laboratório da Universidade de Washington, foram criadas condições para a formação de um condensado de Bose-Einstein em volume inferior a 0,001 mm³. As partículas foram desaceleradas por um laser e esperaram que a mais energética delas deixasse o volume, o que resfriava ainda mais o material. Nesta fase, o fluido supercrítico ainda tinha uma massa positiva. Se a hermeticidade do vaso fosse rompida, os átomos de rubídio se espalhariam em lados diferentes, uma vez que os átomos centrais empurrariam os átomos extremos para fora, e eles acelerariam na direção da aplicação da força.
Para criar uma massa efetiva negativa, os físicos usaram um conjunto diferente de lasers que mudaram o spin de alguns átomos. Como a simulação prevê, em algumas áreas do vaso, as partículas devem adquirir uma massa negativa. Isso é claramente visto no aumento acentuado da densidade da matéria em função do tempo nas simulações (no diagrama inferior).
Figura 1. Expansão anisotrópica de um condensado de Bose-Einstein com coeficientes diferentes forças de adesão. Resultados reais os experimentos estão em vermelho, os resultados de previsão na simulação estão em preto
O diagrama inferior é uma seção ampliada do quadro do meio na linha inferior da Figura 1.
O diagrama inferior mostra uma simulação 1D da densidade total versus tempo na região onde a instabilidade dinâmica apareceu pela primeira vez. As linhas pontilhadas separam três grupos de átomos com velocidades
em um quase momento
Onde está a massa efetiva
começa a ficar negativo (linha superior). Mostrado é o ponto de massa efetiva negativa mínima (meio) e o ponto onde a massa retorna a valores positivos(linha inferior). Os pontos vermelhos indicam os locais onde o quase-momento local se encontra na região da massa efetiva negativa.
A primeira linha de gráficos mostra que durante experimento físico a matéria se comportou exatamente como simulada, o que prevê o aparecimento de partículas com massa efetiva negativa.
Em um condensado de Bose-Einstein, as partículas se comportam como ondas e, portanto, se propagam em uma direção diferente da que as partículas normais de massa efetiva positiva deveriam se propagar.
Para ser justo, deve-se dizer que os físicos registraram repetidamente durante os experimentos, mas esses experimentos podem ser interpretados de maneiras diferentes. Agora, a incerteza é amplamente eliminada.
Artigo científico 10 de abril de 2017 na revista Cartas de Revisão Física(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, disponível por assinatura). Uma cópia do artigo antes de enviar à revista em 13 de dezembro de 2016 em acesso livre em arXiv.org (arXiv:1612.04055).
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"Técnica-juventude", 1990, nº 10, p. 16-18.
Digitalizado por Igor StepikinTribuna de hipóteses ousadas
Ponkrat BORISOV, engenheiro
Massa Negativa: Voo Livre para o Infinito
Buraco de minhoca hipotético no espaço-tempo
No laboratório da Universidade de Washington, foram criadas condições para a formação de um condensado de Bose-Einstein em volume inferior a 0,001 mm³. As partículas foram desaceleradas por um laser e esperaram que a mais energética delas deixasse o volume, o que resfriava ainda mais o material. Nesta fase, o fluido supercrítico ainda tinha uma massa positiva. No caso de um vazamento no vaso, os átomos de rubídio se espalhariam em diferentes direções, já que os átomos centrais empurrariam os átomos extremos para fora, e eles acelerariam na direção da aplicação da força.
Para criar uma massa efetiva negativa, os físicos usaram um conjunto diferente de lasers que mudaram o spin de alguns átomos. Como a simulação prevê, em algumas áreas do vaso, as partículas devem adquirir uma massa negativa. Isso é claramente visto no aumento acentuado da densidade da matéria em função do tempo nas simulações (no diagrama inferior).
Figura 1. Expansão anisotrópica de um condensado de Bose-Einstein com diferentes coeficientes de força coesiva. Os resultados reais do experimento estão em vermelho, os resultados da previsão na simulação estão em preto
O diagrama inferior é uma seção ampliada do quadro do meio na linha inferior da Figura 1.
O diagrama inferior mostra uma simulação 1D da densidade total versus tempo na região onde a instabilidade dinâmica apareceu pela primeira vez. As linhas pontilhadas separam três grupos de átomos com velocidades no quase-momento, onde a massa efetiva começa a se tornar negativa (linha superior). O ponto de massa efetiva negativa mínima é mostrado (meio) e o ponto onde a massa volta a valores positivos (linha inferior). Os pontos vermelhos indicam os locais onde o quase-momento local se encontra na região da massa efetiva negativa.
A primeira linha de gráficos mostra que durante o experimento de física, a matéria se comportou exatamente como simulado, o que prevê o aparecimento de partículas com massa efetiva negativa.
Em um condensado de Bose-Einstein, as partículas se comportam como ondas e, portanto, se propagam em uma direção diferente da que as partículas normais de massa efetiva positiva deveriam se propagar.
Para ser justo, deve-se dizer que os físicos registraram repetidamente os resultados durante os experimentos quando as propriedades da matéria de massa negativa se manifestaram, mas esses experimentos podem ser interpretados de maneiras diferentes. Agora, a incerteza é amplamente eliminada.
Artigo científico publicado em 10 de abril de 2017 na revista Cartas de Revisão Física(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, disponível por assinatura). Uma cópia do artigo antes da submissão à revista foi colocada em 13 de dezembro de 2016 em domínio público em arXiv.org (arXiv:1612.04055).
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", espirrou 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 este 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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