Cercetătorii de la Universitatea din Washington (SUA) au obținut din atomii de rubidiu comportamentul unei substanțe cu o masă efectivă negativă. Aceasta înseamnă că acești atomi nu au zburat în direcția vectorului acestei influențe sub influență externă. În condițiile experimentale, aceștia s-au comportat ca și cum s-ar fi lovit de un zid invizibil de fiecare dată când s-au apropiat de limitele unei regiuni cu un volum foarte mic. Cea corespunzătoare este publicată în Scrisori de revizuire fizică. Experimentul a fost interpretat greșit de mass-media ca „creând materie cu masă negativă” (teoretic, vă permite să creați găuri de vierme pentru distanțe calatoria in spatiu). De fapt, obținerea unei substanțe cu o masă negativă, dacă este posibil, este cu mult peste ceea ce este realizabil stiinta moderna si tehnologii.

Atomii de rubidiu au fost forțați să se miște în direcția opusă vectorului forței aplicate lor. Mass-media a interpretat greșit acest lucru ca fiind crearea unei substanțe cu o „masă negativă”

Autorii lucrării au încetinit atomii de rubidiu cu un laser (o scădere a vitezei unei particule înseamnă răcirea acesteia). La a doua etapă de răcire, cei mai energici atomi au fost lăsați să părăsească volumul răcit. Acest lucru l-a răcit și mai mult, felul în care evaporarea atomilor de agent frigorific răcește conținutul unui frigider de uz casnic. La a treia etapă, a fost folosit un set diferit de lasere, ale căror impulsuri au schimbat spinul (simplificat, direcția de rotație în jurul axa proprie) părți ale atomilor.

Deoarece unii atomi din volumul răcit au continuat să aibă un spin normal, în timp ce alții au primit unul invers, interacțiunea lor între ei a căpătat un caracter neobișnuit. În comportament normal, atomii de rubidiu care se ciocnesc ar zbura în afară laturi diferite. Atomii centrali i-ar împinge pe cei exteriori spre exterior, accelerându-i în direcția aplicării forței (vectorul de mișcare al primului atom). Datorită inconsecvenței în rotații, în practică, atomii de rubidiu răciți la fracțiuni mici de kelvin nu s-au separat după ciocniri, rămânând în volumul inițial, egal cu aproximativ o miime de milimetru cub. Din exterior, părea că se lovesc de un perete invizibil.

O analogie foarte îndepărtată pentru un grup de atomi cu rotații diferite - o coliziune a doi sau mai mulți mingi de fotbal, impact lateral pre-răsucit înainte de a se roti în jurul axei sale în direcții diferite. Este clar că direcțiile și vitezele mișcării lor după ciocnire vor diferi semnificativ de aceleași rezultate pentru bilele obișnuite. Dar asta nu înseamnă că mingile și-au schimbat masa fizica. Doar natura interacțiunii lor unul cu celălalt s-a schimbat. De asemenea, în experiment, masa atomilor nu a devenit negativă. Într-un câmp gravitațional, ei ar continua să coboare. Ceea ce s-a schimbat cu adevărat a fost doar locul în care s-au deplasat după ciocniri cu alți atomi similari, dar „rotindu-se” în jurul axei lor în cealaltă direcție.

Comportarea atomilor de rubidiu în experiment corespunde definiției masei efective negative în fizică. Este folosit, de exemplu, pentru a descrie comportamentul unui electron în rețea cristalină. Pentru el, masa formală depinde de direcția mișcării față de axele cristalului. Mișcându-se într-o direcție, va afișa o variație (împrăștiere), în cealaltă - alta. Conceptul de masă efectivă a fost introdus pentru ei, deoarece altfel, atunci când se descriu împrăștierea lor prin formule, masa ar începe să depindă de energie, ceea ce nu este foarte convenabil pentru calcule. Un exemplu de masă efectivă negativă este comportamentul găurilor din semiconductori, cu care trebuie să se confrunte fiecare utilizator de electronice moderne.

Majoritatea mass-media, inclusiv cele rusești, au interpretat experimentul ca creând o substanță cu o masă negativă. În teorie, materia cu proprietăți similare ar putea fi folosită pentru a menține găurile de vierme în stare de funcționare, permițând călătorii pe distanțe lungi în spațiu și timp în timp aproape de zero. Posibilitatea practică de a crea o astfel de substanță, precum și găurile de vierme în sine, nu a fost încă dovedită. Chiar dacă este posibil, este nerealist să-l obții cu capabilitățile tehnice moderne ale omenirii.

LA fizica teoretica, masa negativă este conceptul unei substanțe ipotetice a cărei masă are valoarea opusă a masei materie normală(la fel cum o sarcină electrică poate fi pozitivă și negativă). De exemplu, -2 kg. O astfel de materie, dacă ar exista, ar încălca una sau mai multe condiții energetice și ar prezenta unele proprietăți ciudate. Potrivit unor teorii speculative, materia de masă negativă poate fi folosită pentru a crea găuri de vierme ( găuri de vierme) în spațiu-timp.

Sună a fantezie absolută, dar...

Pentru prima dată în istoria științei, fizicienii de la Universitatea din Washington au recreat condițiile în care materia, un anumit tip de lichid, prezintă proprietățile „masei negative”. Comportarea acestui fluid este pe deplin în concordanță cu conceptul de masă negativă, atunci când i se aplică un vector forță care acționează într-o anumită direcție, acest fluid începe să se miște cu accelerație în direcția opusă. Un astfel de efect este greu de obținut chiar și în laborator, „dar poate fi folosit pentru a studia și explica unele fenomene astrofizice inexplicabile anterior”, explică Michael Forbes, profesor de fizică și astronomie la Universitatea din Washington.

Din punct de vedere ipotetic, materia poate avea masă negativă în același mod în care sarcinile electrice au polaritate pozitivă sau negativă. Oamenii se gândesc foarte rar la acest aspect, pentru că în lumea din jurul nostru se manifestă doar latura „pozitivă” a masei. Conform celei de-a doua legi a lui Newton, dacă aplicați o forță constantă unui obiect, acesta se va mișca cu accelerație constantăîn direcţia acestei forţe.

„Pe baza celei de-a doua legi a lui Newton, aproape tot ceea ce vedem în jurul nostru funcționează”, spune Michael Forbes, „Cu toate acestea, materia cu masă negativă reacționează la forța aplicată acesteia într-un mod absolut opus, începe să se miște în direcția a forței aplicate acestuia.”

Figura 1. Expansiunea anizotropă a unui condensat Bose-Einstein cu coeficienți diferiți forte de aderenta. Rezultate reale experimentele sunt în roșu, rezultatele predicției în simulare sunt în negru

Diagrama de jos este o secțiune mărită a cadrului din mijloc din rândul de jos al figurii 1. Diagrama de jos arată o simulare 1D a densității totale în funcție de timp în regiunea în care a apărut pentru prima dată instabilitatea dinamică.

Așa-numitul condensat Bose-Einstein, un nor de atomi de rubidiu s-a răcit aproape la o temperatură zero absolut. În astfel de condiții, mișcarea termică a particulelor se oprește practic și, datorită prim-planului legilor mecanica cuantică, acest nor de atomi capătă funcția de undăși se comportă ca un atom solid mare. În plus, condensatul Bose-Einstein, datorită mișcării sincrone a atomilor, are proprietățile unui superfluid, un lichid superfluid, al cărui coeficient de vâscozitate este zero.

Cu ajutorul luminii laser cu anumiți parametri, oamenii de știință au încetinit atomii de rubidiu aproape până la o oprire completă, iar acei atomi „fierbinți” care nu puteau fi încetiniți au fost expulzați din spațiul capcanei folosind aceeași lumină laser. Capcana în care a fost „condus” condensatul Bose-Einstein avea o formă sferică și o dimensiune de numai 100 de microni. În acest moment, condensatul avea încă masa „pozitivă” obișnuită, dar încălcarea intenționată a integrității capcanei a dus la încălcarea formei sferice ideale a condensatului, iar atomii de rubidiu au ieșit din capcană.

Și în acel moment a început cel mai interesant. Oamenii de știință au folosit un set de lasere suplimentare care au schimbat direcția de rotație a atomilor de rubidiu. Și după un astfel de „tratament” superfluidul de condensat a dobândit proprietățile unei mase negative. „De îndată ce atomii ating limita tranziției de masă de la regiunea pozitivă la cea negativă, ei accelerează brusc în direcție inversă"- spune Michael Forbes, - "Este ca și cum atomii de rubidio sunt reflectați de un perete invizibil."

Tehnica de mai sus pentru obținerea materiei cu o masă „negativă” a permis oamenilor de știință să evite unele dintre problemele și necazurile pe care oamenii de știință le-au întâlnit în timpul încercărilor similare anterioare. „Datorită controlului complet și precis al tuturor parametrilor experimentului, am reușit să recreăm condițiile în care apare o limită clară a „inversarii de polaritate” a masei de materie în zona experimentală”, spune Michael Forbes. , „Ceva similar poate apărea în adâncurile obiectelor astronomice exotice, cum ar fi stelele neutronice, găurile negre și grupurile dense. materie întunecată. Acum avem ocazia să experimentăm și să simulăm în laborator fenomene fundamentale care apar doar într-un mod foarte specific mediu inconjurator obiectele spațiale de mai sus”

Pentru a fi la curent cu noile postări de pe acest blog există un canal Telegram. Aboneaza-te, vor fi informatii interesante care nu sunt in blog!

Dar ni se promite deja că în curând lichidul care curge singur va curge în robinete, iar acum avem a șasea extincție. Nu cu mult timp în urmă, un creier artificial a fost crescut și, pentru prima dată, organele au fost înghețate și dezghețate cu succes.

Salvat

Ipotetică gaură de vierme în spațiu-timp

În laboratorul Universității din Washington s-au creat condițiile pentru formarea unui condensat Bose-Einstein într-un volum mai mic de 0,001 mm³. Particulele au fost încetinite de un laser și au așteptat ca cei mai energici dintre ele să părăsească volumul, ceea ce a răcit și mai mult materialul. În această etapă, fluidul supercritic avea încă o masă pozitivă. În cazul unei scurgeri în vas, atomii de rubidiu s-ar împrăștia în direcții diferite, deoarece atomii centrali ar împinge atomii extremi spre exterior, iar aceștia ar accelera în direcția aplicării forței.

Pentru a crea o masă efectivă negativă, fizicienii au folosit un set diferit de lasere care au schimbat rotația unor atomi. După cum prezice simularea, în unele zone ale vasului, particulele ar trebui să dobândească o masă negativă. Acest lucru se vede clar în creșterea bruscă a densității materiei în funcție de timp în simulări (în diagrama de jos).

Figura 1. Expansiunea anizotropă a unui condensat Bose-Einstein cu diferiți coeficienți de forță de coeziune. Rezultatele reale ale experimentului sunt în roșu, rezultatele predicției din simulare sunt în negru

Diagrama de jos este o secțiune mărită a cadrului din mijloc din rândul de jos al figurii 1.

Diagrama de jos arată o simulare 1D a densității totale în funcție de timp în regiunea în care a apărut pentru prima dată instabilitatea dinamică. Liniile punctate separă trei grupuri de atomi cu viteze la cvasi-impuls, unde masa efectivă începe să devină negativă (linia superioară). Este afișat punctul de masă efectivă negativă minimă (în mijloc) și punctul în care masa revine la valori pozitive (linia de jos). Punctele roșii indică locurile în care se află cvasi-impulsul local în regiunea masei efective negative.

Primul rând de grafice arată că în timpul experiment fizic materia s-a comportat exact ca simulat, ceea ce prezice apariția particulelor cu o masă efectivă negativă.

Într-un condensat Bose-Einstein, particulele se comportă ca undele și, prin urmare, se propagă într-o direcție diferită decât ar trebui să se propage particulele normale cu masă efectivă pozitivă.

Pentru dreptate, trebuie spus că în mod repetat, fizicienii au înregistrat rezultate în timpul experimentelor când s-au manifestat proprietățile materiei cu masă negativă, dar acele experimente puteau fi interpretate în moduri diferite. Acum incertitudinea este în mare parte eliminată.

Articol științific publicat pe 10 aprilie 2017 în jurnal Scrisori de revizuire fizică(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, disponibil prin abonament). O copie a articolului înainte de a-l trimite revistei a fost postată pe 13 decembrie 2016 la acces liber la arXiv.org (arXiv:1612.04055).

Se recomandă vizionarea la rezoluție de 1280 x 800

„Tehnica-tineret”, 1990, nr. 10, p. 16-18.

Tribună de ipoteze îndrăznețe

Ponkrat BORISOV, inginer
Masă negativă: Zbor liber către infinit

), chiar dacă aceste materiale sunt create și relativ bine studiate.

Acesta poate fi numit și un material creat din anumite tipuri de atomi exotici, în care rolul nucleului (particulă încărcată pozitiv) este îndeplinit de un pozitron (pozitroniu) sau un muon pozitiv (muonium). Există și atomi cu un muon negativ în loc de unul dintre electroni (atomul muonic).

masa negativă

Se poate observa că un obiect cu o masă inerțială negativă va accelera în direcția opusă celei în care a fost împins, ceea ce poate părea ciudat.

Dacă studiem separat masa inerțială, masa gravitațională pasivă și masa gravitațională activă, atunci legea gravitației universale a lui Newton va lua următoarea formă:

Astfel, obiectele cu masă gravitațională negativă (atât pasiva, cât și activă), dar cu masă inerțială pozitivă, vor fi respinse de mase active pozitive și atrase de mase active negative.

Analiză în avans

Deși particulele cu masă negativă sunt necunoscute, fizicienii (inițial G. Bondi și Robert L. Forward (Engleză) Rusă ) au putut descrie unele dintre proprietățile așteptate pe care le-ar putea avea astfel de particule. Presupunând că toate cele trei tipuri de mase sunt egale, este posibil să se construiască un sistem în care masele negative sunt atrase de masele pozitive, în timp ce masele pozitive sunt respinse de masele negative. În același timp, masele negative vor crea o forță de atracție unele față de altele, dar vor fi respinse datorită maselor lor inerțiale negative.

La valoare negativăși valoare pozitivă, forța va fi negativă (repulsivă). La prima vedere, se pare că masa negativă s-ar accelera departe de masa pozitivă, dar întrucât un astfel de obiect ar avea și o masă inerțială negativă, ar accelera în direcția opusă. Mai mult, Bondy a arătat că dacă ambele mase sunt egale în valoare absolută, dar diferă în semn, atunci sistem general particulele pozitive și negative se vor accelera la nesfârșit fără nicio influență suplimentară asupra sistemului din exterior.

Acest comportament este ciudat prin faptul că este complet incompatibil cu ideea noastră despre " univers obișnuit din munca cu mase pozitive. Dar este complet consistent din punct de vedere matematic și nu introduce nicio contradicție.

Poate părea că o astfel de reprezentare încalcă legea conservării impulsului și/sau energiei, dar avem că masele sunt egale în valoare absolută, una este pozitivă și cealaltă este negativă, ceea ce înseamnă că impulsul sistemului este zero dacă amândoi se mișcă împreună și accelerează împreună, indiferent de viteză:

Și aceeași ecuație poate fi calculată pentru energia cinetică:

Forward a extins cercetarea lui Bondi la cazuri suplimentare și a arătat că, chiar dacă două mase și nu sunt egale în valoare absolută, ecuațiile rămân în continuare consistente.

Unele proprietăți care sunt introduse de aceste ipoteze par neobișnuite, de exemplu, într-un amestec de gaz din materie pozitivă și gaz din materie negativă partea pozitivă își va crește temperatura la nesfârșit. Cu toate acestea, într-un astfel de caz partea negativă amestecul se va raci in aceeasi viteza, egaland astfel echilibrul. Geoffrey A. Landis (Engleză) Rusă a notat alte aplicații ale analizei lui Forward, inclusiv indicii că, deși particulele cu masă negativă se vor respinge reciproc gravitațional, dar forte electrice, de exemplu, sarcinile se vor atrage reciproc (spre deosebire de particulele cu masă pozitivă, unde astfel de particule se resping reciproc). Ca rezultat, pentru particulele cu masă negativă, aceasta înseamnă că forțele gravitaționale și electrostatice sunt inversate.

Forward a propus un design pentru motor nave spațiale folosind masa negativă, care nu necesită un aflux de energie și un fluid de lucru pentru a obține o accelerație arbitrar de mare, deși, desigur, principalul obstacol este că masa negativă rămâne complet ipotetică. Vezi unitatea diametrală.

Forward a inventat, de asemenea, termenul „anulare” pentru a descrie ceea ce se întâmplă atunci când materia normală și cea negativă se întâlnesc. Se așteaptă ca ei să se poată anihila sau „anuliza” reciproc existența unul altuia, iar după aceea nu va mai rămâne energie. Cu toate acestea, este ușor să arăți că poate rămâne un anumit impuls (nu va rămâne dacă se mișcă în aceeași direcție, așa cum este descris mai sus, dar trebuie să se îndrepte unul spre celălalt pentru a se întâlni și a se anula reciproc). Acest lucru poate explica, la rândul său, de ce sume egale materia obișnuită și negativă nu apar dintr-o dată din senin (opusul anulării): în acest caz, impulsul fiecăruia dintre ele nu se va conserva.

Materia exotică în relativitatea generală

În ce direcție cade antimateria?

Articolul principal: Interacțiunea gravitațională a antimateriei

Majoritate fizicienilor moderni consideră că antimateria are o masă gravitațională pozitivă și ar trebui să cadă ca materia obișnuită. În același timp, însă, unii cercetători cred că până acum nu există convingătoare dovezi experimentale Acest lucru. Acest lucru se datorează dificultății cercetare directă forte gravitationale la nivelul particulelor. La distanțe atât de mici, forțele electrice au prioritate față de una mult mai slabă interacțiune gravitațională. Mai mult, antiparticulele trebuie păstrate separate de omologii lor convenționali, altfel se vor anihila rapid. Evident, asta face dificilă măsurare directă pasiv masa gravitationala antimaterie. Experimente pe antimaterie ATHENA ATENA ) și ATRAP (ing. O CAPCANA ) poate oferi în curând răspunsuri.

Cu toate acestea, răspunsurile pentru masa inerțială sunt cunoscute de mult din experimentele cu o cameră cu bule. Ele arată în mod convingător că antiparticulele au o masă inerțială pozitivă, egal cu masa particule „obișnuite”, dar sarcina electrică opusă. În aceste experimente, camera este expusă constantă camp magnetic, ceea ce face ca particulele să se miște într-o spirală. Raza și direcția acestei mișcări corespund raportului incarcare electrica la masa inertă. Perechile particule-antiparticule se deplasează de-a lungul liniilor elicoidale în interior directii opuse, dar cu aceleași raze. Din această observație, se concluzionează că raporturile lor între sarcina electrică și masa inerțială diferă doar în semn.

Note