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»
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»
