Vedci z University of Washington (USA) dosiahli z atómov rubídia správanie látky s negatívnou účinnou hmotnosťou. To znamená, že tieto atómy pod vonkajším vplyvom neleteli v smere vektora tohto vplyvu. V experimentálnych podmienkach sa správali, ako keby narazili na neviditeľnú stenu zakaždým, keď sa priblížili k hraniciam oblasti s veľmi malým objemom. Zodpovedajúci je uverejnený v Fyzické kontrolné listy. Experiment bol médiami nesprávne interpretovaný ako „vytváranie hmoty s negatívnou hmotnosťou“ (teoreticky umožňuje vytvárať červie diery pre vzdialené cestovanie vesmírom). V skutočnosti je získanie látky so zápornou hmotnosťou, ak je to možné, ďaleko za tým, čo je možné dosiahnuť moderná veda a technológie.

Atómy rubídia boli nútené pohybovať sa v smere opačnom k ​​vektoru sily, ktorá na ne pôsobí. Médiá to nesprávne interpretovali ako vytvorenie látky s „negatívnou masou“

Autori práce spomalili atómy rubídia laserom (pokles rýchlosti častice znamená jej ochladzovanie). V druhej fáze ochladzovania sa nechali atómy s najväčšou energiou opustiť chladený objem. To ho ochladilo ešte viac, podobne ako vyparovanie atómov chladiva ochladzuje obsah domácej chladničky. V tretej etape bola použitá iná sada laserov, ktorých impulzy menili rotáciu (zjednodušene smer rotácie okolo vlastnej osi) časti atómov.

Keďže niektoré atómy v chladenom objeme mali naďalej normálny spin, zatiaľ čo iné dostali opačný, ich vzájomná interakcia nadobudla nezvyčajný charakter. Pri normálnom správaní by sa zrážané atómy rubídia rozleteli rôzne strany. Centrálne atómy by tlačili tie vonkajšie smerom von, čím by ich zrýchľovali v smere pôsobenia sily (vektor pohybu prvého atómu). Kvôli nejednotnosti spinov sa v praxi atómy rubídia ochladené na malé zlomky kelvina po zrážkach nerozleteli a zostali v počiatočnom objeme, ktorý sa rovnal asi tisícine kubického milimetra. Zvonku to vyzeralo, že narazili na neviditeľnú stenu.

Veľmi vzdialená analógia pre skupinu atómov s rôznymi spinmi - zrážka dvoch alebo viacerých futbalové lopty, bočný náraz vopred skrútený pred rotáciou okolo svojej osi v rôznych smeroch. Je jasné, že smery a rýchlosti ich pohybu po zrážke sa budú výrazne líšiť od rovnakých výsledkov pre bežné lopty. To však neznamená, že lopty zmenili svoje fyzická hmotnosť. Zmenila sa len povaha ich vzájomnej interakcie. Aj v experimente sa hmotnosť atómov nestala zápornou. V gravitačnom poli by stále klesali. Čo sa skutočne zmenilo, bolo len to, kde sa po zrážkach s inými podobnými atómami pohybovali, ale „rotovali“ okolo svojej osi v opačnom smere.

Správanie sa atómov rubídia v experimente zodpovedá definícii negatívnej efektívnej hmotnosti vo fyzike. Používa sa napríklad pri opise správania sa elektrónu v kryštálová mriežka. Formálna hmotnosť pre neho závisí od smeru pohybu vzhľadom na osi kryštálu. Pohybom v jednom smere ukáže jeden rozptyl (rozptyl), v druhom - iný. Pojem efektívna hmotnosť bol pre nich zavedený preto, lebo inak by pri opise ich rozptylu vzorcami začala hmotnosť závisieť od energie, čo nie je príliš vhodné na výpočty. Príkladom negatívnej efektívnej hmoty je správanie sa dier v polovodičoch, s ktorými sa musí vysporiadať každý používateľ modernej elektroniky.

Väčšina médií, vrátane ruských, interpretovala experiment ako vytvorenie látky s negatívnou hmotnosťou. Teoreticky by sa hmota s podobnými vlastnosťami mohla použiť na udržiavanie červích dier v prevádzkovom stave, čo by umožnilo cestovanie na veľké vzdialenosti v priestore a čase v čase blízkom nule. Praktická možnosť vytvorenia takejto hmoty, ako aj samotných červích dier, zatiaľ nebola preukázaná. Aj keď je to možné, je nereálne získať ho s modernými technickými možnosťami ľudstva.

Odporúča sa pozerať v rozlíšení 1280 x 800

"Technika-mládež", 1990, č. 10, s. 16-18.

Skenoval Igor Stepikin

Tribúna odvážnych hypotéz

Ponkrat BORISOV, inžinier
Negatívna hmotnosť: voľný let do nekonečna

Články na túto tému sa z času na čas objavujú v zahraničných a sovietskych fyzikálnych časopisoch už viac ako 30 rokov. Ale napodiv sa stále nezdá, že by pritiahli pozornosť popularizátorov. Ale problém negatívna hmotnosť a dokonca prísne vedecké prostredie- skvelý darček pre milovníkov paradoxov modernej fyziky a spisovateľov sci-fi. Ale taká je vlastnosť špeciálna literatúra: senzácia v nej môže zostať skrytá desiatky rokov...

takze rozprávame sa o hypotetickej forme hmoty, ktorej hmotnosť je v znamienku opačná ako tá obyčajná. Okamžite vyvstáva otázka: čo to vlastne znamená? A hneď je jasné: nie je také ľahké správne definovať pojem negatívnej hmoty.

Nepochybne musí mať vlastnosť gravitačného odpudzovania. Ukazuje sa však, že toto samo o sebe nestačí. AT moderná fyzika Striktne sa rozlišujú štyri druhy hmoty:

gravitačná aktívna – tá, ktorá priťahuje (ak je kladná, samozrejme);

gravitačný pasívny - ten, ktorý je priťahovaný;

inertný, ktorý získava určité zrýchlenie pôsobením aplikovanej sily (a \u003d F / m);

nakoniec Einsteinova pokojová hmotnosť, ktorá určuje celkovú energiu telesa (E = mC 2).

V rámci všeobecne uznávaných teórií sú všetky rovnako veľké. Je však potrebné medzi nimi rozlišovať a to sa ukáže práve pri pokuse o určenie negatívnej hmotnosti. Faktom je, že bude úplne opačný ako zvyčajný, iba ak sa všetky štyri jeho typy stanú negatívnymi.

Na základe tohto prístupu, v úplne prvom článku na túto tému, publikovanom už v roku 1957, anglický fyzik X. Bondy rigoróznymi dôkazmi určil základné vlastnosti „mínusovej hmotnosti“.

Zopakovať ich tu nemusí byť ani veľmi ťažké, pretože sú založené len na newtonovskej mechanike. Ale tým sa náš príbeh zamotá a potom je tu veľa fyzikálnych a matematických „jemností“. Preto poďme rovno k výsledkom, najmä preto, že sú celkom jasné.

Po prvé, „mínusová hmota“ musí gravitačne odpudzovať akékoľvek iné telesá, teda nielen zápornú, ale aj kladnú hmotu (zatiaľ čo bežná hmota, naopak, vždy priťahuje hmotu oboch typov). Ďalej, pri pôsobení akejkoľvek sily, až do sily zotrvačnosti, sa musí pohybovať v smere opačný vektor túto silu. A nakoniec, jeho celková Einsteinova energia musí byť tiež negatívna.

Preto, mimochodom, treba zdôrazniť, že náš úžasná záležitosť- nie antihmota, ktorej hmotnosť sa stále považuje za pozitívnu. Napríklad tým moderné nápady, "Anti-Zem" z antihmoty by sa otáčala okolo Slnka na presne rovnakej dráhe ako naša domovská planéta.

To všetko je takmer zrejmé. Potom však začína neuveriteľné.

Zoberme si rovnakú gravitáciu. Ak sa dve obyčajné telesá priťahujú a približujú a dve antihmoty sa odpudzujú a rozptyľujú, čo sa potom stane v gravitačnej interakcii hmôt rôznych znakov?

Nechaj to tak najjednoduchší prípad: teleso (povedzme guľa) z hmoty s negatívnou hmotnosťou -M je za objektom (nazvime to "raketa" - teraz zistíme prečo) s rovnakou kladnou hmotnosťou +M. Je jasné, že gravitačné pole loptičky raketu odpudzuje, pričom ona sama loptičku priťahuje. Z toho však vyplýva (toto je opäť dôsledne dokázané), že celý systém sa bude pohybovať po priamke spájajúcej stredy dvoch hmôt, pričom konštantné zrýchlenieúmerné sile gravitačnej interakcie medzi nimi!

Samozrejme, na prvý pohľad tento obraz spontánneho, bezpríčinného pohybu „dokazuje“ len jedno: antimasa s vlastnosťami, ktoré sme jej pripisovali v definícii od začiatku, jednoducho nemôže existovať. Napokon, zdalo by sa, že sme dostali celý rad porušení tých najnezmeniteľnejších zákonov.

No neporušuje sa tu úplne otvorene napríklad zákon zachovania hybnosti? Obe telá sa bez akéhokoľvek dôvodu ponáhľajú rovnakým smerom, zatiaľ čo sa nič nepohybuje opačným smerom. Pamätajte však, že jedna z más je negatívna! To však znamená, že jeho impulz, bez ohľadu na rýchlosť, má znamienko mínus: (-M) V a potom celkový impulz systém dvoch telies je stále nulový!

To isté platí pre celkovú kinetickú energiu systému. Kým sú telá v pokoji, rovná sa nule. Ale bez ohľadu na to, ako rýchlo sa pohybujú, nič sa nemení: záporná hmotnosť lopty, v úplnom súlade so vzorcom (-M)V 2 /2, akumuluje zápornú hmotnosť. Kinetická energia, čo presne kompenzuje nárast pozitívnej energie rakety.

Ak sa to všetko zdá absurdné, možno „vyrazíme klin klinom“ - skúsme potvrdiť jednu absurditu druhou? Od šiesteho ročníka vieme, že stred rovnakých bodových hmôt (samozrejme kladný) je v strede medzi nimi. Takže – ako by sa vám páčil nasledujúci výstup? Stred rovnakých bodových hmôt RÔZNEHO ZNAMIENKA leží síce na priamke, ktorá nimi prechádza, ale nie vo vnútri, ale MIMO úsečky, ktorá ich spája, v bode ±Ґ ?!

No, je to jednoduchšie?

Mimochodom, tento záver je už celkom elementárny a každý si ho môže zopakovať, ak chce, vlastniť fyziku na úrovni tej istej šiestej triedy.

Každý, kto neverí ani jednému slovu a chce sa uistiť, že všetky výpočty sú správne, sa môže odvolať na jeden z najnovšie publikácie na túto tému - článok americký fyzik R. Forward „Raketový motor na látke negatívnej hmoty“, uverejnený v prekladovom časopise „ Letecké inžinierstvo»Číslo 4 pre rok 1990.

Ale možno si sofistikovaný čitateľ myslí, že aj bez akýchkoľvek výpočtov pochopil, kde mu tá „lipa“ podsunula? Vskutku: vo všetkých týchto elegantných argumentoch je otázka zamlčaná: odkiaľ sa vzala taká úžasná masa? Koniec koncov, bez ohľadu na jeho pôvod, bude potrebovať energiu na „ťaženie“, „výrobu“ alebo povedzme dodanie na miesto konania, čo znamená ...

Bohužiaľ, sofistikovaný čitateľ! Energia, samozrejme, bude potrebná, ale opäť negatívna. Nedá sa nič robiť: v Einsteinovom vzorci pre celkovú energiu tela E = Ms 2 má naša úžasná hmotnosť rovnaké znamienko mínus. To znamená, že „výroba“ dvojice telies s ROVNAKÝMI hmotnosťami RÔZNYCH znamienok bude vyžadovať NULOVÚ celkovú energiu. To isté platí pre doručenie a akékoľvek iné manipulácie.

Nie – bez ohľadu na to, aké paradoxné sú všetky tieto výsledky, striktné závery uvádzajú, že prítomnosť antihmoty nie je v rozpore nielen s newtonovskou mechanikou, ale aj všeobecná teória relativity. Nebolo možné nájsť žiadne logické zákazy jej existencie.

Nuž – ak teória „dovoľuje“, tak sa zamyslime napríklad – čo sa kedy môže stať fyzický kontakt dve rovnaké častice hmoty s plusovou a mínusovou hmotnosťou? S "obyčajnou" antihmotou je všetko jasné: k anihilácii dôjde s uvoľnením celkovej energie oboch telies. Ale ak je jedna z dvoch rovnakých hmotností záporná, ich celková energia, ako sme práve pochopili, je nulová. Ale ČO s nimi bude v skutočnosti - to je už otázka, ktorá presahuje teóriu.

Výsledok takejto udalosti môže byť známy empiricky. Nedá sa to „vypočítať“ – koniec koncov nemáme ani potuchy o „mechanizme pôsobenia“ negatívnej masy, jej „ vnútorné usporiadanie“(keďže to o hmotnosti obyčajnej nevieme). Teoreticky je jedna vec jasná: v každom prípade celková energia systému zostane nulová. Máme právo predložiť iba HYPOTÉZU, ako to robí ten istý Forward. Podľa jeho predpokladu, fyzická interakcia tu nevedie k anihilácii, ale k takzvanej „nulizácii“, teda „tichej“ vzájomnej anihilácii častíc, ich zániku bez akéhokoľvek uvoľnenia energie.

Ale opakujeme, iba experiment mohol potvrdiť alebo vyvrátiť túto hypotézu.

Z rovnakých dôvodov nevieme nič o tom, ako „vyrobiť“ negatívnu hmotu (ak je to vôbec možné). Teória to len tvrdí rovnakú hmotnosť opačné znamenie v zásade môžu vzniknúť bez akýchkoľvek nákladov na energiu. A len čo sa takáto dvojica telies objaví, bude letieť, zrýchľovať, po priamke do nekonečna...

R. Forward vo svojom článku už „navrhol“ negatívny hromadný motor, ktorý nás môže dostať do akéhokoľvek bodu vo vesmíre pri akomkoľvek zrýchlení, ktoré nastavíme. Ukazuje sa, že všetko, čo je k tomu potrebné, je ... pár dobrých pružín (všetky interakcie „mínusovej hmoty“ s obvyklou prostredníctvom elastických síl sú, samozrejme, tiež podrobne vypočítané).

Položme teda našu úžasnú hmotu, ktorá sa veľkosťou rovná hmotnosti rakety, do stredu jej „motorového priestoru“. Ak potrebujete letieť dopredu, natiahnite pružinu zo zadnej steny a zaháknite jej negatívne hromadné telo. Okamžite kvôli ich „zvrátenosti“ inerciálne vlastnosti nebude sa ponáhľať tam, kam ho ťahajú, ale rovno vpred opačný smer, ťahanie rakety spolu so zrýchlením úmerným sile napätia pružiny.

Ak chcete zastaviť zrýchlenie, stačí odopnúť pružinu. A na spomalenie a zastavenie lode musíte použiť druhú pružinu pripevnenú k prednej stene motorového priestoru.

A predsa je tu čiastočné vyvrátenie „voľného motora“! Pravda, prichádza z úplne nečakanej strany. Ale o tom viac na konci.

Zatiaľ hľadajme miesta, kde by mohlo byť veľké množstvo negatívnej hmoty. Takéto miesta naznačujú obrovské dutiny nachádzajúce sa na veľkých trojrozmerných mapách rozmiestnenia galaxií vo vesmíre - najzaujímavejších javoch samých o sebe. Ako je možné vidieť na obr. 2 sú rozmery týchto dutín, ktoré sa tiež jednoducho nazývajú "bubliny", približne 100 miliónov svetelných rokov (zatiaľ čo rozmery našej Galaxie sú približne 0,06 milióna svetelných rokov). Vesmír má teda v najväčšom meradle „penovú“ štruktúru.

Hranice bublín sú jasne označené zhlukami Vysoké číslo galaxie. Vo vnútri nie sú prakticky žiadne bubliny, a ak sa tam nájdu, ide o veľmi neobvyklé predmety. Vyznačujú sa spektrami silného vysokofrekvenčného žiarenia. Teraz sa verí, že bubliny obsahujú „neúspešné“ galaxie alebo plynové oblaky obyčajného vodíka.

Je však možné predpokladať, že „penová“ štruktúra Vesmíru je výsledkom jeho formovania z rovnakého počtu častíc zápornej a kladnej hmotnosti? Mimochodom, z takéhoto vysvetlenia vyplýva veľmi atraktívny dôsledok: celková hmotnosť Vesmíru vždy bola a zostáva nula. Potom sú bubliny prírodné miesta pre mínusovú hmotnosť, ktorej častice majú tendenciu sa rozptýliť čo najďalej od seba. A kladná hmota sa vytláča na povrch bublín, kde vplyvom gravitačných síl vytvára galaxie a hviezdy. Tu si môžeme pripomenúť článok A. A. Baranova, ktorý vyšiel v roku 1971 v čísle 11 časopisu Izvestija Vuzov. Fyzika". Uvažuje o kozmologickom modeli vesmíru s časticami s hmotnosťou oboch znakov. Pomocou tohto modelu autor vysvetľuje experimentálne odhady kozmologickej konštanty a Hubbleovho červeného posunu, ako aj niektoré anomálne javy pozorované v interagujúcich galaxiách.

Ďalšie možné znamenie veľké množstvá negatívna hmotnosť – prítomnosť veľmi rýchlych „prúdov“ vo veľkorozmerných štruktúrach Vesmíru. Nadkopa obsahujúca našu Galaxiu teda „tečie“ rýchlosťou 600 km/s vzhľadom na pokojné pozadie. reliktné žiarenie. Takáto rýchlosť nezapadá do rámca teórií vzniku galaxií zo studenej temnej hmoty. R. Forward navrhuje pokúsiť sa vysvetliť tento jav s prihliadnutím na kolektívne odpudzovanie superklastrov z bublín obsahujúcich negatívnu hmotu.

Takže negatívna hmota sa môže len rozptýliť. Ukazuje sa však, že toto je čiastočné vyvrátenie mnohých záverov, o ktorých sa diskutovalo. Vlastnosť gravitačného odpudzovania častíc hmoty, bez ohľadu na ich povahu, totiž nevyhnutne vedie k tomu, že tieto častice sa vplyvom gravitačných síl nedokážu spojiť. Navyše, keďže sa častica so zápornou hmotnosťou pri pôsobení akejkoľvek sily pohybuje v smere opačnom k ​​vektoru tejto sily, bežné medziatómové interakcie nemôžu viazať takéto častice do „normálnych“ telies.

Dúfame však, že čitateľ napriek tomu dostal potešenie zo všetkých týchto argumentov ...

Fyzici z Washingtonskej univerzity vytvorili kvapalinu so zápornou hmotnosťou. Zatlačte naň a na rozdiel od všetkých fyzických objektov na svete, ktoré poznáme, nezrýchľuje v smere stláčania. Zrýchľuje do opačná strana. Tento jav sa zriedkavo vytvára v laboratóriu a možno ho použiť na skúmanie niektorých zložitejších konceptov o vesmíre, hovorí Michael Forbes, docent, fyzik a astronóm na University of Washington. Štúdia sa objavila v časopise Physical Review Letters.

Hypoteticky môže mať hmota zápornú hmotnosť v rovnakom zmysle ako nabíjačka môžu byť negatívne aj pozitívne. Ľudia o tom len zriedka premýšľajú a náš každodenný svet ukazuje iba pozitívne aspekty druhého pohybového zákona Isaaca Newtona, podľa ktorého sa sila pôsobiaca na teleso rovná súčinu hmotnosti telesa a zrýchlenia, ktoré táto sila udeľuje. alebo F = ma.

Inými slovami, ak stlačíte predmet, zrýchli sa v smere vášho zatlačenia. Hmota ho zrýchli v smere sily.

„Sme zvyknutí na tento stav,“ hovorí Forbes a očakáva prekvapenie. "S negatívnou hmotnosťou, ak niečo stlačíte, zrýchli sa to smerom k vám."

Podmienky pre zápornú hmotnosť

Spolu s kolegami vytvoril podmienky pre zápornú hmotnosť ochladením atómov rubídia na takmer stav absolútna nula a tým vzniká Bose-Einsteinov kondenzát. V tomto stave, ktorý predpovedali Shatyendranath Bose a Albert Einstein, sa častice pohybujú veľmi pomaly a podľa princípov kvantová mechanika správať sa ako vlny. Tiež sa synchronizujú a pohybujú v súzvuku ako supratekutina, ktorá prúdi bez straty energie.

Vedci na šiestom poschodí Webster Hall pod vedením Petera Engelsa, profesora fyziky a astronómie na Washingtonskej univerzite, vytvorili tieto podmienky pomocou laserov na spomalenie častíc, čím sa ochladili a umožnili horúcim časticiam s vysokou energiou uniknúť parou, čím sa materiál ešte viac ochladzuje.

Lasery zachytili atómy, ako keby boli v miske s veľkosťou menšou ako sto mikrónov. V tomto štádiu malo supratekuté rubídium obvyklú hmotnosť. Roztrhnutie misky umožnilo rubídiu uniknúť a expandovať, keď bolo rubídium v ​​strede vytlačené von.

Na vytvorenie negatívnej hmoty vedci použili druhú sadu laserov, ktoré tlačili atómy tam a späť a menili ich rotáciu. Teraz, keď sa rubídium minie dostatočne rýchlo, správa sa, akoby malo zápornú hmotnosť. „Zatlačte na to a zrýchli sa opačný smer Forbes hovorí. "Je to ako keď rubídium narazí na neviditeľnú stenu."

Odstránenie hlavných defektov

Metóda, ktorú použili vedci z Washingtonskej univerzity, sa vyhla niektorým z hlavných nedostatkov zistených v predchádzajúcich pokusoch o pochopenie negatívnej masy.

„Prvá vec, ktorú sme si uvedomili, je, že máme prísnu kontrolu nad povahou tejto negatívnej masy bez akýchkoľvek ďalších komplikácií,“ hovorí Forbes. Ich štúdia vysvetľuje už z pozície negatívnej masy podobné správanie v iných systémoch. Zvýšená kontrola dáva výskumníkom nový nástroj vyvinúť experimenty na štúdium podobnej fyziky v astrofyzike pomocou príkladu neutrónové hviezdy a kozmologické javy ako čierne diery a temná energia, kde experimenty jednoducho nie sú možné.

Vedci zo Spojených štátov tvrdia, že v laboratóriu vytvorili látku s negatívnou hmotnosťou. Táto látka je kvapalina s veľmi nezvyčajné vlastnosti. Napríklad, ak stlačíte túto tekutinu, dostane negatívne zrýchlenie, to znamená dozadu, nie dopredu. Takáto zvláštnosť by vedcom mohla povedať veľa o tom, čo sa deje vo vnútri zvláštne predmety ako sú čierne diery a neutrónové hviezdy.
Môže však mať niečo zápornú hmotnosť? Je to možné?

Teoreticky môže mať hmota zápornú hmotnosť rovnakým spôsobom, ako môže mať elektrický náboj zápornú alebo kladnú hodnotu.

Na papieri to funguje, no vo svete vedy prebieha búrlivá diskusia o tom, či už samotný predpoklad existencie niečoho so zápornou hmotnosťou neporušuje základné fyzikálne zákony. Pre nás, Obyčajní ľudia Zdá sa, že tento koncept je príliš komplikovaný na pochopenie.

diferenciálneho zákona mechanický pohyb alebo, jednoduchšie, druhý Newtonov zákon je vyjadrený vzorcom A=F/M. To znamená, že zrýchlenie telesa sa rovná pomeru sily, ktorá naň pôsobí, k hmotnosti telesa. Ak nastavíte negatívny význam hmoty, potom telo celkom logicky dostane negatívne zrýchlenie. Len si predstavte, že odpálite loptu a tá sa vám kotúľa po nohe.

Avšak to, čo sa nám zdá cudzie, nemusí byť nemožné a vyššie uvedené teoretické cvičenia sú najlepším spôsobom, ako dokázať, že negatívna hmotnosť môže existovať v našom vesmíre bez porušenia všeobecnej teórie relativity.

Túžba pochopiť toto všetko viedla k aktívnym pokusom výskumníkov znovu vytvoriť negatívnu hmotu v laboratóriu, ako vidíme, dokonca aj s určitým úspechom.

Vedci z Washingtonskej univerzity uviedli, že sa im podarilo získať kvapalinu, ktorá sa správa presne tak, ako by sa malo správať teleso so zápornou hmotnosťou. A ich objav môže byť konečne použitý na štúdium niektorých zvláštne javy v hlbinách vesmíru.

Na vytvorenie tejto podivnej kvapaliny vedci použili lasery na ochladenie atómov rubídia takmer na absolútnu nulu, čím sa vytvorilo to, čo sa nazýva Bose-Einsteinov kondenzát.

V tomto stave sa častice pohybujú neuveriteľne pomaly a čudne, podľa zvláštnych princípov kvantovej mechaniky klasickej fyziky, to znamená, že sa začnú správať ako vlny.

Častice sa tiež synchronizujú a pohybujú jednotne, čím vytvárajú supratekutú látku, ktorá sa môže pohybovať bez straty energie trením.
Vedci použili lasery na vytvorenie supratekutiny nízke teploty, ako aj na umiestnenie do miskovitého poľa s priemerom menším ako 100 mikrónov.

Pokiaľ zostala superhmota umiestnená v tomto priestore, mala obyčajnú hmotnosť a bola celkom v súlade s koncepciou Bose-Einsteinovho kondenzátu. Až kým nebol nútený presťahovať sa.

Pomocou druhej sady laserov vedci prinútili atómy pohybovať sa tam a späť, v dôsledku čoho sa ich rotácia zmenila a rubídium, ktoré prekonalo bariéru "misky", rýchlo vystreklo. Akoby to však malo negatívnu hmotnosť. Podľa vedcov bol dojem taký, že kvapalina narazila na neviditeľnú bariéru a odrazila sa od nej.

Vedci teda potvrdili domnienky o existencii negatívnej hmoty, no toto je len úplný začiatok cesty. Zostáva zistiť, či je správanie tekutiny v laboratórnych podmienkach opakovateľné a dostatočne spoľahlivé na testovanie niektorých predpokladov o záporných hmotnostiach. Netešte sa teda dopredu, ostatné tímy si musia výsledky zopakovať sami.

Jedno je isté, fyzika je čoraz zaujímavejšia a stojí za to sa o ňu zaujímať.

1. Prečo čas plynie len dopredu. Fyzici vysvetľujú „Čas je to, čo bráni tomu, aby sa všetko stalo naraz,“ napísal Ray Cummings vo svojom sci-fi románe z roku 1922...
2. Červí diera, Červí diera a cestovanie v čase Červí diera je teoretický prechod časopriestorom, ktorý môže výrazne obmedziť cestovanie na dlhé vzdialenosti vesmírom vytvorením skratiek...

Navrhol to britský astrofyzik Jamie Farnes kozmologický model, v ktorom sa záporná hmotnosť vyrába s konštantná rýchlosť počas celého vývoja vesmíru. Tento model je v rozpore so všeobecne akceptovaným názorom na povahu hmoty, dobre však vysvetľuje väčšinu účinkov, ktoré sa zvyčajne pripisujú temnej hmote a temnej energii, najmä expanziu vesmíru, formovanie rozsiahlej štruktúry vesmíru a galaktické halo, rotačné krivky galaxií a pozorované spektrum kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia. Článok uverejnený v Astronómia a astrofyzika, predtlač diela je k dispozícii na arXiv.org.

V súčasnosti väčšina kozmológov verí, že vývoj vesmíru je opísaný pomocou modelu ΛCDM. Podľa tohto modelu asi 70 percent hmoty vesmíru tvorí temná energia, 25 percent studená temná hmota (teda hmota, ktorej častice sa pohybujú pomaly) a iba zvyšných 5 percent je nám známa baryonická hmota. Vedci určili tieto pomery analýzou harmonických v pozadí žiarenia. Viac o meraní „zloženia“ vesmíru si môžete prečítať v článkoch Borisa Sterna o satelitoch WMAP a Planck, ktoré k tejto práci prispeli hlavne.

Bohužiaľ, vedci len slabo chápu, čo je temná hmota a temná energia. Žiadny z ultrapresných experimentov na hľadanie častíc tmavej hmoty predpovedal množstvo teoretické modely(napr. SUSY) nikdy neboli pozitívne testované. V súčasnosti je prierez rozptylu pre bežné častice a „tmavé“ častice s hmotnosťou od 6 do 200 megaelektrónvoltov rádovo 10 −47 štvorcových centimetrov, ktorý prakticky eliminuje častice v tomto hmotnostnom rozsahu a núti fyzikov rozvíjať sa alternatívne teórie. Temná hmota sa však stále prejavuje cez gravitačná interakcia, ktorá upravuje rotačné krivky galaxií a obrázok, ale pretože vedci z tejto hypotézy.

Tmavá energia je ešte horšia. Jediným pozorovaním, ktoré priamo potvrdzuje jej existenciu, bez ohľadu na analýzu žiarenia pozadia, je zrýchlená expanzia vesmíru meraná (nepriamo je tmavá energia potvrdená pomerom chemické prvky v pozorovateľnom vesmíre). Fyzici navyše zle chápu, čo je temná energia na Zemi. základnej úrovni . určite, kvalitatívne možno ju opísať pomocou kozmologickej konštanty (lambda termín) v , ale táto metóda neprináša nové poznatky a neumožňuje zistiť, či z čoho pozostáva temná energia. Einstein vysvetlil takéto prísady pomocou častíc so zápornou hmotnosťou - pri tomto prístupe sa pohybové rovnice stávajú symetrickými, ako rovnice elektrodynamiky, a člen lambda sa javí ako integračná konštanta, ktorá nemá fyzikálny význam.

Hmota so zápornou hmotnosťou je hmota, ktorá sa zrýchľuje v opačnom smere ako sila. Častica so zápornou hmotnosťou odpudzuje častice s kladnou a zápornou hmotnosťou, zatiaľ čo „pozitívne“ častice priťahujú „negatívne“. Bohužiaľ, v rámci modelu ΛCDM je tento spôsob popisu temnej energie očividne odsúdený na neúspech. Faktom je, že počas expanzie vesmíru sa hustota rôznych zložiek mení podľa rôznych zákonov: hustota studenej hmoty klesá, zatiaľ čo hustota tmavej energie zostáva konštantná. Preto je nemožné stotožniť hmotu s negatívnou hmotnosťou a temnou energiou.

Interakcia častíc so zápornou hmotnosťou: čierne šípky označujú sily, červené šípky označujú zrýchlenie

Jamie Farnes / Astronómia a astrofyzika

Interakcia častíc s kladnou a zápornou hmotnosťou: čierne šípky označujú sily, červené šípky označujú zrýchlenie

Jamie Farnes / Astronómia a astrofyzika

Interakcia častíc s kladnou hmotnosťou: čierne šípky označujú sily, červené šípky označujú zrýchlenia

Jamie Farnes / Astronómia a astrofyzika

Astrofyzik Jamie Farnes však tvrdí, že dokázal spojiť Einsteinov nápad s pozorovacími údajmi. Aby to urobil, skombinoval myšlienku negatívnej hmoty s ďalšou kontraintuitívnou myšlienkou o nepretržitej a rovnomernej produkcii hmoty v objeme vesmíru. Táto myšlienka nie je ani zďaleka nová, prvýkrát bola navrhnutá už v 40. rokoch minulého storočia.

Teoreticky môžu takéto procesy skutočne prebiehať na pozadí silného gravitačné pole(napríklad na úkor). Vzhľadom na takéto pridania k štandardnému tenzoru energie-hybnosti pre kladné hmoty fyzik napísal a vyriešil Friedmannovu rovnicu a potom vypočítal, podľa akého zákona sa vesmír v tomto modeli rozpína. Vedci nebrali do úvahy príspevky bežnej temnej hmoty a temnej energie. V dôsledku toho sa ukázalo, že slávne zákony sa reprodukujú, ak sa záporná hmotnosť vytvára konštantnou rýchlosťou Γ = −3 H, kde H je Hubbleova konštanta. V tomto prípade negatívna hustota hmoty zostane počas expanzie konštantná a bude efektívne modelovať kozmologickú konštantu. V tomto prípade je rýchlosť expanzie a životnosť vesmíru rovnaká ako v modeli ΛCDM.

Astrofyzik potom vypočítal, ako sa negatívna hmotnosť prejaví na menších mierkach. Na tento účel modeloval v rámci svojho modelu interakciu veľkého počtu častíc pozitívnej a negatívnej hmotnosti. Keďže všetky existujúce astrofyzikálne balíky neberú do úvahy takéto nezvyčajné úpravy, Farnes musel vyvinúť vlastný program. Aby sa zabránilo akýmkoľvek aproximáciám v priebehu výpočtov, výskumník vypočítal súradnice a rýchlosti každej častice v každom časovom okamihu - to umožnilo zvýšiť spoľahlivosť predpovedí, hoci nároky programu na výpočtové zdroje rástli so štvorcom počet častíc. Najmä kvôli tomu sa vedec musel obmedziť na modelovanie 50 tisíc častíc.

Pomocou vyvinutého programu Farnes videl niekoľko efektov, ktoré sa tradične pripisujú temnej hmote. Najprv namodeloval vývoj hustej skupiny častíc s kladnou hmotnosťou ponorených do „mora“ častíc so zápornou hmotnosťou. Takýto systém by mal kvalitatívne popisovať vývoj galaxií na neskoré štádiá expanzie Vesmíru, kedy „negatívne“ častice výrazne prevažujú nad „pozitívnymi“. V tomto probléme si vedec zvolil počet „pozitívnych“ častíc N+= 5000, počet záporných čísel N− = 45000. V dôsledku toho získal rozdelenie hustoty, ktoré je v dobrej zhode s údajmi z pozorovania – hustota častíc sa pomaly zvyšuje, keď sa blížia k stredu galaxie a zhodujú sa s Burkertovým profilom. Toto rieši "problém s vlnitým halo", ktorý sa vyskytuje v modeli ΛCDM.

Evolúcia „galaxie“ pozitívnej hmoty ponorenej do „mora“ negatívna záležitosť

Jamie Farnes / Astronómia a astrofyzika

Hmotnostný profil galaxie vypočítaný spoločnosťou Farnes (modrá) a pozorovaný v praxi (ružová bodkovaná čiara)

Jamie Farnes / Astronómia a astrofyzika

Po druhé, s rovnakými počiatočnými údajmi vedec vypočítal rotačnú krivku galaxie a zistil, že sa tiež dobre zhoduje s pozorovacími údajmi. Kým v modeli s čisto „pozitívnymi“ časticami sa hmota na okraji galaxie pohybuje pomalšie ako v strede, v modeli s prevahou „negatívnych“ častíc je rýchlosť približne konštantná.

Rotačná krivka galaxie ponorenej do „more“ negatívnej hmoty (červená) a „voľnej“ galaxie (čierna)

Jamie Farnes / Astronómia a astrofyzika

Po tretie, Farnes to ukázal vo svojom modeli prirodzene vzniká vláknitá veľkorozmerná štruktúra vesmíru: galaxie sa spájajú do zhlukov, zhluky do superkopy a superkopy do reťazcov a stien. Aby to urobil, vypočítal vývoj systému, ktorý obsahuje rovnaké číslo„pozitívne“ a „negatívne“ častice. Kvôli obmedzeniam dostupného výpočtového výkonu vedec stanovil počet oboch druhov častíc N + = N− = 25 000. Rovnako ako v predchádzajúcom prípade „negatívne“ častice obklopili častice bežnej hmoty a vytvorili halo, ale tentoraz sa výskumníkovi podarilo rozpoznať vzory vo väčších mierkach, ktoré sa podobali štruktúre pozorovateľného vesmíru.

Homogénna štruktúra Vesmír na začiatku simulácie

Jamie Farnes / Astronómia a astrofyzika

Zaregistrujte sa na cvičenie. Bohužiaľ, nebol schopný vidieť tento efekt v simuláciách s 50 000 časticami. Vedec však dúfa, že pri väčších simuláciách s miliónom častíc je možné si takéto procesy všimnúť a zároveň naznačuje, že nám umožnia potvrdiť alebo vyvrátiť novú teóriu.

Nakoniec vedec skontroloval, do akej miery by navrhovaná úprava modelu ΛCDM skreslila skutočne pozorované efekty – expanziu Vesmíru, meranú štandardnými sviečkami, reliktné pozadie a pozorovania zlučovania kôp galaxií. Vo všetkých týchto prípadoch astrofyzik zistil, že jeho hypotéza nie je v rozpore s pozorovanými údajmi. Stále však zostáva otvorených niekoľko otázok - najmä nie je jasné, ako prepojiť takúto hypotézu so štandardným modelom (môže Higgsov mechanizmus generovať záporné hmotnosti?), ako experimentálne detegovať častice so zápornou hmotnosťou a ako vysvetliť rozpory medzi odpudzovaním „negatívnych“ častíc a teóriou. Vedec však verí, že všetky tieto problémy je možné vyriešiť v rámci nového modelu.

Model s neustálou produkciou negatívnej hmoty teda vysvetľuje nielen pozorovanú expanziu vesmíru, ale aj formovanie jeho veľkorozmernej štruktúry, halo temnej hmoty okolo galaxií a rotačné krivky – väčšinu efektov, ktoré sa zvyčajne pripisujú tme. energie a temnej hmoty. Napodiv, také intuitívne neprirodzené hypotéza, ktorá je v rozpore so všeobecne uznávaným pohľadom na hmotu, je celkom konzistentné s pozorovacími údajmi. Navyše ponúka, že im to vysvetlí viac jednoduchým spôsobom, ktorá zahŕňa menej subjektov. Ako sám autor v závere píše: „Hoci tento návrh je odpadlícky a kacírsky, [článok] naznačil, že záporné hodnoty tieto parametre môžu v zásade vysvetliť údaje kozmologických pozorovaní, ktoré boli vždy interpretované v rámci rozumného predpokladu kladnej hmotnosti.“

Niekedy fyzici hovoria pekne nezvyčajné nápady vysvetliť pozorované rozpory medzi teóriou a experimentom. Napríklad v novembri minulého roka predstavil americký teoretický fyzik Hooman Davoudiasl novú silu, ktorú nesie ultraľahká skalárna častica a odpudzuje tmavú hmotu zo Zeme. Tento predpoklad dobre vysvetľuje neúspechy všetkých pozemských experimentov pri hľadaní tmavej hmoty – ak takáto sila skutočne existuje, detektory v zásade nemohli nič zaregistrovať. Bohužiaľ, toto tvrdenie je možné overiť pomocou súčasná úroveň vývoj technológie nie je možný.

Dmitrij Trunin