Что такое отрицательная масса
Создано вещество со свойствами отрицательной массы
Гипотетическая червоточина в пространстве-времени
В теоретической физике, отрицательная масса — это концепция о гипотетическом веществе, масса которого имеет противоположное значение массе нормального вещества (также как электрический заряд бывает положительный и отрицательный). Например, −2 кг. Такое вещество, если бы оно существовало, нарушало бы одно или несколько энергетических условий и проявляло бы некоторые странные свойства. По некоторым спекулятивным теориям, вещество с отрицательной массой можно использовать для создания червоточин (кротовых нор) в пространстве-времени.
Звучит как абсолютная фантастика, но сейчас группе физиков из Университета штата Вашингтон, Вашингтонского университета, Университета OIST (Окинава, Япония) и Шанхайского университета удалось получить вещество, которое проявляет некоторые свойства гипотетического материала с отрицательной массой. Например, если толкнуть это вещество, то оно ускорится не в направлении приложения силы, а в обратном направлении. То есть оно ускоряется в обратную сторону.
Для создания вещества со свойствами отрицательной массы учёные подготовили конденсат Бозе — Эйнштейна, охладив атомы рубидия почти до абсолютного нуля. В этом состоянии частицы двигаются исключительно медленно, а квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. То есть в соответствии с принципами квантовой механики частицы начинают вести себя как волны. Например, они синхронизируются между собой и протекают через капилляры без трения, то есть не теряя энергии — эффект так называемой сверхтекучести.
В лаборатории Университета штата Вашингтон были созданы условия для образования конденсата Бозе — Эйнштейна в объёме менее 0,001 мм³. Частицы замедлили лазером и дождались, когда наиболее энергичные из них покинули объём, что ещё больше охладило материал. На этом этапе сверхкритическая жидкость ещё имела положительную массу. При нарушении герметичности сосуда атомы рубидия разлетелись бы в разные стороны, поскольку центральные атомы выталкивали бы крайние атомы наружу, а те ускорялись бы в направлении приложения силы.
Для создания отрицательной эффективной массы физики применили другой набор лазеров, который изменял спин части атомов. Как предсказывает симуляция, в отдельных районах сосуда частицы должны приобрести отрицательную массу. Это хорошо видно по резкому увеличению плотности вещества как функции от времени в симуляциях (на нижней диаграмме).
Рисунок 1. Анизотропное расширение конденсата Бозе — Эйнштейна с разными коэффициентами силы сцепления. Реальные результаты эксперимента обозначены красным, результаты предсказания в симуляции — чёрным
Нижняя диаграмма — это увеличенный фрагмент среднего кадра в нижнем ряду рисунка 1.
На нижней диаграмме показана одномерная симуляция общей плотности как функции от времени в регионе, где впервые проявилась динамическая нестабильность. Пунктирами разделены три группы атомов со скоростями 
в квазимомент 
, где эффективная масса 
начинает становиться отрицательной (верхняя линия). Показана точка минимальной отрицательной эффективной массы (посередине) и точка, где масса возвращается к положительным значениям (нижняя линия). Красные точки обозначают места, где локальный квазимомент лежит в районе отрицательной эффективной массы.
На самом первом ряду графиков видно, что во время физического эксперимента вещество вело себя в точном соответствии с результатами симуляции, которая предсказывает появление частиц с отрицательной эффективной массой.
В конденсате Бозе — Эйнштейна частицы ведут себя как волны и поэтому распространяются не в том направлении, в каком должны распространяться нормальные частицы положительной эффективной массы.
Справедливости ради нужно сказать, что неоднократно физики регистрировали во время экспериментов результаты, когда проявлялись свойства вещества отрицательной массы, но те эксперименты можно было интерпретировать по-разному. Сейчас же неопределённость в большей мере устранена.
Может ли масса быть отрицательной?
В теоретической физике, отрицательная масса — это концепция о гипотетическом веществе, масса которого имеет противоположное значение массе нормального вещества (также как электрический заряд бывает положительный и отрицательный). Например, −2 кг. Такое вещество, если бы оно существовало, нарушало бы одно или несколько энергетических условий и проявляло бы некоторые странные свойства. По некоторым спекулятивным теориям, вещество с отрицательной массой можно использовать для создания червоточин (кротовых нор) в пространстве-времени.
Звучит как абсолютная фантастика, но …
Физики из Вашингтонского университета (University of Washington) впервые в истории науки воссоздали условия, при котором материя, определенный вид жидкости, демонстрирует свойства «отрицательной массы». Поведение этой жидкости полностью соответствует понятию отрицательной массы, при приложении к ней вектора силы, действующей в определенном направлении, эта жидкость начинает двигаться с ускорением в противоположном направлении. Такое эффект трудно получить даже в лабораторных условиях, «но его можно использовать для изучения и объяснения некоторых ранее необъяснимых астрофизических явлений» — объясняет Майкл Форбс (Michael Forbes), профессор физики и астрономии из Вашингтонского университета.
С гипотетической точки зрения материя может иметь отрицательную массу точно так же, как электрические заряды имеют положительную или отрицательную полярность. Люди очень редко задумываются об этом аспекте, ведь в окружающем нас мире проявляется только «положительная» сторона массы. Согласно второму закону Ньютона, если вы приложите к какому-нибудь объекту постоянную силу, он начнет двигаться с постоянным ускорением в направлении действия этой силы.
«На основе Второго закона Ньютона действует почти все, что мы видим вокруг себя» — рассказывает Майкл Форбс, — «Однако, материя с отрицательной массой реагирует на приложенную к ней силу абсолютно противоположным образом, она начинает двигаться в сторону приложенной к ней силы».
Рисунок 1. Анизотропное расширение конденсата Бозе — Эйнштейна с разными коэффициентами силы сцепления. Реальные результаты эксперимента обозначены красным, результаты предсказания в симуляции — чёрным
Нижняя диаграмма — это увеличенный фрагмент среднего кадра в нижнем ряду рисунка 1. На нижней диаграмме показана одномерная симуляция общей плотности как функции от времени в регионе, где впервые проявилась динамическая нестабильность.
В качестве жидкости с отрицательной массой выступал так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, облако из атомов рубидия, охлажденных практически до температуры абсолютного нуля. В таких условиях тепловое движение частиц практически останавливается и, благодаря выдвижению на первый план законов квантовой механики, это облако атомов приобретает волновую функцию и ведет себя как один большой цельный атом. Кроме этого, конденсат Бозе-Эйнштейна за счет синхронного движения атомов обладает свойствами супержидкости, сверхтекучей жидкости, коэффициент вязкости которой равен нулю.
При помощи света лазеров с определенными параметрами ученые замедлили практически до полной остановки атомы рубидия, а те «горячие» атомы, которые не удалось замедлить, были изгнаны из пространства ловушки при помощи того же лазерного света. Ловушка, в которую был «загнан» конденсат Бозе-Эйнштейна, имела сферическую форму и размер всего в 100 микрон. В этот момент у конденсата еще имелась обычная «положительная» масса, но намеренное нарушение целостности ловушки привело к нарушению идеальной сферической формы конденсата и атомы рубидия устремились наружу ловушки.
И в этот момент началось все самое интересное. Ученые использовали набор дополнительных лазеров, которые изменили направление вращения атомов рубидия. И после такой «обработки» супержидкость конденсата обрела свойства отрицательной массы. «Как только атомы доходят до границы перехода массы из положительной в отрицательную область, они резко ускоряются в обратном направлении» — рассказывает Майкл Форбс, — «Это похоже на то, что атомы рубидия словно отражаются от невидимой стены».
Вышеописанная методика получения материи с «отрицательной» массой позволила ученым избежать некоторых проблем и неприятностей, с которыми сталкивались ученые во время предыдущих подобных попыток. «Благодаря полному и точному контролю всех параметров эксперимента, нам удалось воссоздать условия, при которых в экспериментальной области возникает четкая граница «смены полярности» массы материи» — рассказывает Майкл Форбс, — «Нечто подобное может происходить и в недрах экзотических астрономических объектов, таких, как нейтронные звезды, черные дыры и плотные скопления темной материи. Теперь мы имеем возможность экспериментировать и моделировать в лабораторных условиях фундаментальные явления, которые происходят только в очень специфической окружающей среде вышеуказанных космических объектов»
Физики создали вещество с отрицательной массой
Ученые из Университета штата Вашингтон, как сообщается на его сайте, получили вещество, которое ведет себя так, словно его масса отрицательна. Если приложить к нему силу, то оно начнет двигаться не в направлении действия силы, а в обратном. Ученые говорят, что масса, как и электрический заряд, тоже может быть отрицательной.
Читайте «Хайтек» в
Феномен отрицательной массы возможно продемонстрировать исключительно в лабораторных условиях. Ученые охладили атомы рубидия практически до абсолютного нуля. Это позволило создать так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. В этом состоянии, по теоретическим выкладкам Альберта Эйнштейна и индийского физика Шатьендраната Бозе (в его честь названа элементарная частица бозон), частицы вещества начинают двигаться настолько медленно, что, согласно принципам квантовой механики, их поведение больше похоже на поведение волн. При этом частицы синхронизируются и движутся в унисон. Из-за этого не происходит потерь энергии. Такую жидкость называют сверхтекучей. Она и демонстрирует феномен отрицательной массы.
Ученым впервые удалось получить такой материал. Нужные условия были созданы с помощью лазеров. Ими ученые замедляли частицы, делая их более холодными. Частицы с высокой энергией покидали вещество, как пар, что также охлаждало систему. На этом этапе вещество все еще имело положительную массу. Чтобы это исправить, физики использовали другой набор лазеров. Эти лазеры «пинали» атомы, меняя их спин. И после таких «пинков», атомы рубидия начинали вести себя как вещество с отрицательной массой — они летели не в сторону, куда был направлен вектор «пинка», а в противоположную.
Астрономы сфотографировали черную дыру
Такое поведение материи совсем не совпадает с традиционным представлением о движении частиц. Фундаментальный закон динамики, известный как Второй закон Ньютона (F=ma, сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение, при этом вектор направления силы должен совпадать с вектором ускорения тела), перестает работать.
Ранее также были попытки получить эффект отрицательной массы, но над ним не было такого контроля, как в этом эксперименте. Сейчас удалось зафиксировать отрицательную массу без всяких осложнений и неопределенностей. Физики говорят, что этот успех позволит изучать более сложные концепции отрицательной массы в космологии.
Физики создали прибор, извлекающий воду из сухого воздуха
В последнее время ученые с завидной периодичностью делают что-то «невозможное». Так недавно исследователям IBM Research удалось синтезировать треугольную молекулу, которая считалась невозможной в традиционной химии. В Гарварде водород смогли превратить в металл. А физики Висконсинского университета в Мадисоне посредством новейшего синтеза и компьютерного моделирования создали «невозможный» полярный металл.
Темную материю и темную энергию заменили отрицательной массой
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Британский астрофизик Джейми Фарнс предложил космологическую модель, в которой отрицательная масса производится с постоянной скоростью в течение всей эволюции Вселенной. Эта модель противоречит общепринятому взгляду на природу материи, однако она хорошо объясняет большинство эффектов, которые принято списывать на темную материю и темную энергию, — в частности, расширение Вселенной, образование крупномасштабной структуры Вселенной и галактического гало, кривые вращения галактик и наблюдаемый спектр реликтового излучения. Статья опубликована в Astronomy & Astrophysics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В настоящее время большинство космологов считает, что эволюция Вселенной описывается моделью ΛCDM. Согласно этой модели, около 70 процентов массы Вселенной приходится на темную энергию, 25 процентов — на холодную темную материю (то есть материю, частицы которой медленно движутся), и только оставшиеся 5 процентов — на привычную для нас барионную материю. Эти соотношения ученые определили с помощью анализа гармоник в картине реликтового излучения. Подробнее об измерении «состава» Вселенной можно прочитать в статьях Бориса Штерна про спутники WMAP и Planck, которые внесли основной вклад в эту работу.
К сожалению, ученые плохо понимают, что такое темная материя и темная энергия. Ни один из сверхточных экспериментов по поиску частиц темной материи, предсказанных целых рядом теоретических моделей (например, SUSY), так и не получил положительный результат. В настоящее время сечение рассеяния обычных частиц и «темных» частиц с массой от 6 до 200 мегаэлектронвольт ограничено величиной порядка 10 −47 квадратных сантиметров, что практически исключает частицы в этом диапазоне масс и заставляет физиков разрабатывать альтернативные теории. Впрочем, темная материя все-таки проявляет себя через гравитационное взаимодействие, модифицируя кривые вращения галактик и картину гравитационного линзирования, а потому ученые не хотят отказываться от этой гипотезы.
Материя с отрицательной массой — это материя, которая ускоряется в направлении, противоположном действию силы. Частица с отрицательной массой отталкивает частицы с положительной и отрицательной массой, тогда как «положительные» частицы притягивают «отрицательные». К сожалению, в рамках модели ΛCDM этот способ описания темной энергии заведомо обречен на провал. Дело в том, что в ходе расширения Вселенной плотность различных компонент меняется по разным законам: плотность холодной материи падает, а плотность темной энергии остается постоянной. Поэтому отождествить материю с отрицательной массой и темную энергию нельзя.
Взаимодействие частиц с отрицательной массой: черными стрелками отмечены силы, красными — ускорения
Отрицательная масса
В современной физике под массой понимают различные свойства физического объекта:
В современной физике под массой понимают различные свойства физического объекта:
Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что инертная масса должна быть равна пассивной гравитационной массе, а закон сохранения импульса требует, чтобы были равны активная и пассивная гравитационная масса. Все экспериментальные доказательства на настоящий момент свидетельствуют, что все они на самом деле всегда одинаковы. При рассмотрении гипотетических частиц с отрицательной массой важно предположить, какая из этих теорий массы неверна. Однако в большинстве случаев при анализе отрицательной массы предполагается, что принцип эквивалентности и закон сохранения импульса по-прежнему применимы.
В 1957 году Герман Бонди предположил в работе в журнале «Reviews of Modern Physics», что масса может быть как положительной, так и отрицательной. Он показал, что это не ведёт к логическому противоречию, если все три вида массы тоже будут отрицательными, но само принятие существования отрицательной массы вызывает не интуитивно-понятные виды движения.
Из второго закона Ньютона видно, что объект с отрицательной инертной массой будет ускоряться в направлении, противоположном тому, в котором его толкнули, что, возможно, покажется странным.
В 2010 году физики из Института Макса Борна (Берлин) сообщили, что электроны в полупроводниковом кристалле приобретают при ускорении сильным электрическим полем отрицательную массу. Если электрическое поле мало, то движение электрона в зоне проводимости в кристалле подчиняется законам Ньютона. В этом режиме масса кристаллического электрона составляет малую часть массы свободного электрона.
Таким образом, внутри кристалла электрон, в зависимости от электрического поля, проявляет свойства:
В экспериментах электроны в полупроводниковом кристалле арсенида галлия ускорялись экстремально коротким электрическим импульсом с напряженностью поля 30 МВ/м и длительностью 300 фемтосекунд. Скорость электрона как функция от времени измерялась с высокой точностью. Результаты находятся в согласии с вычислениями нобелевского лауреата Феликса Блоха, выполненными им более 80 лет назад. Немецкие учёные исследовали движение электронов в полупроводнике арсениде галлия при комнатной температуре. Они прикладывали к образцу импульс электрического поля длительностью 300 фемтосекунд и напряжённостью 30 миллионов вольт на метр. Измеряя отклик электронов с высокой точностью, физики обнаружили, что первые 100 фемтосекунд частицы, как и положено, ускорялись в «правильном» направлении, причём успевали набрать скорость 1111 километров в секунду. Но затем они резко тормозились за аналогичный период времени и даже начинали двигаться в обратном направлении, что можно интерпретировать только как отрицательное значение инерционной массы у электронов в данный момент.
Авторы эксперимента утверждают: полученные результаты согласуются с теоретическими расчётами, которые выполнил швейцарский физик, нобелевский лауреат Феликс Блох (Felix Bloch) более 80 лет назад. Учёные объясняют эффект как проявление частичной осцилляции Блоха и возникновение в кристалле нового режима переноса зарядов – когерентного их транспорта на ультракоротких временных отрезках. Исследователи считают, что данное явление можно будет использовать в электронике нового поколения, работающей в диапазоне единиц-десятков терагерц.
Если же говорить о больших телах с отрицательной массой, то само их существование представляется невозможным, с точки зрения обычной науки. Отрицательная материя может только разлетаться, в то время как, свойство гравитационного отталкивания у частиц вещества, какова бы ни была их природа, неизбежно приводит к тому, что эти частицы не могут собраться вместе под влиянием сил тяготения. К тому же, поскольку частица отрицательной массы под действием любой силы движется в направлении, противоположном вектору этой силы, то и обычные межатомные взаимодействия не могут связать такие частицы в «нормальные» тела.