Ученые из США утверждают, что создали в лабораторных условиях вещество с отрицательной массой. Вещество это является жидкостью с очень необычными свойствами. Например, если толкнуть эту жидкость, то она получит отрицательное ускорение, то есть назад, а не вперед. Такая странность может многое рассказать ученым о том, что происходит внутри не менее странных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды.
Однако может ли что-то иметь отрицательную массу? Возможно ли это?
Теоретически, материя в состоянии иметь отрицательную массу таким же образом, как электрический заряд может иметь отрицательную или положительную величину.
На бумаге это работает, но в мире науки идут жаркие споры о том, не нарушает ли основополагающих законов физики само предположение о существовании чего-либо с отрицательной массой. Для нас же, простых людей, это понятие кажется слишком сложным для восприятия.
Дифференциальный закон механического движения или, проще говоря, второй закон Ньютона выражается формулой A=F/M. То есть ускорение тела равно отношению приложенной к нему силы к массе тела. Если задать отрицательное значение массы, то тело, совершенно логично, получит отрицательное ускорение. Только представьте себе, бьете мяч, а он катится на вашу ногу.
Однако то, что кажется нам чуждым, необязательно должно быть невозможным, и вышеизложенные теоретические упражнения как нельзя лучше доказывают, что отрицательная масса может существовать в нашей Вселенной, не нарушая общей теории относительности.
Желание разобраться во всем этом породило активные попытки исследователей воссоздать отрицательную массу в лаборатории, как видим, даже с некоторым успехом.
Ученые из университета штата Вашингтон заявили, что им удалось получить жидкость, которая ведет себя именно так, как должно вести себя тело с отрицательной массой. И их открытие может, наконец, быть использовано для изучения некоторых странных явлений в глубинах Вселенной.
Для создания этой странной жидкости, ученые использовали лазеры, чтобы охладить атомы рубидия практически до точки абсолютного нуля, создав то, что называется конденсатом Бозе-Эйнштейна.
В этом состоянии частицы движутся невероятно медленно и непривычно, следуя скорее странным принципам квантовой механики, а не классической физики, то есть начинают вести себя как волны.
Частицы также синхронизируются и двигаются в унисон, образуя вещество со сверхтекучестью, которое может двигаться без потерь энергии на трение.
Ученые использовали лазеры для создания сверхтекучей жидкости при низких температурах, а также для того чтобы поместить ее в чашеобразное поле размером менее 100 мкм в поперечнике.
Пока супервещество оставалось помещенным в это пространство, оно имело обычную массу и вполне соответствовало понятию конденсата Бозе-Эйнштейна. До тех пор пока его не заставили двигаться.
Используя второй набор лазеров, ученые заставили атомы двигаться туда-сюда, в результате чего изменился их спин и рубидий, преодолев барьер «чаши», стремительно выплеснулся наружу. Однако так, как будто бы имел отрицательную массу. По словам ученых, впечатление создалось такое, что жидкость наткнулась на невидимую преграду и оттолкнулась от нее.
Таким образом, исследователи подтвердили предположения о существоввании отрицательной массы, но это лишь самое начало пути. Еще предстоит убедиться в том, что поведение жидкости в лабораторных условиях повторимо и достаточно надежно для того, чтобы проверить некоторые предположения об отрицательных массах. Так что, не стоит радоваться раньше времени, другим командам нужно повторить результаты самостоятельно.
Одно можно сказать наверняка, физика становится все более интересной и стоит того, чтобы ею интересоваться.
- Почему время течет только вперед. Физики объясняют “Время-это то, что не дает всему сразу произойти одновременно”, — писал Рэй Каммингс в 1922 году в своей научно-фантастической повести...
- «Кротовые норы», червоточины и путешествия во времени Червоточина это теоретический проход через пространство-время, который может значительно сокращать дальние путешествия по всей вселенной за счет создания кратчайших путей...
Исследователи из Университета штата Вашингтон (США) добились от атомов рубидия поведения вещества с отрицательной эффективной массой . Это значит, что данные атомы при внешнем воздействии не летели в сторону вектора этого воздействия. В условиях эксперимента они вели себя так, будто налетали на невидимую стену каждый раз, когда приближались к границам области с очень малым объёмом. Соответствующая опубликована в Physical Review Letters. Опыт был неверно истолкован СМИ как "создание вещества с отрицательной массой" (в теории оно позволяет создавать червоточины для дальних космических путешествий). На деле получение вещества с отрицательной массой если и возможно, то лежит далеко за пределами достижимого для современных науки и технологий.
Атомы рубидия заставили двигаться в сторону, противоположную вектору прикладываемой к ним силы. СМИ ошибочно восприняли это как создание вещества с "отрицательной массой"
Авторы работы замедлили лазером атомы рубидия (уменьшение скорости частицы означает её охлаждение). На втором этапе охлаждения наиболее энергичным атомам дали покинуть охлаждаемый объём. Это ещё больше охладило его, как испарение атомов хладагента охлаждает содержимое бытового холодильника. На третьем этапе использовался другой набор лазеров, импульсы которых меняли спин (упрощённо - направление вращения вокруг собственной оси) части атомов.
Поскольку одни атомы в охлаждаемом объёме продолжали иметь нормальный спин, а другие получили обратный, их взаимодействие между собой получило необычный характер. При нормальном поведении атомы рубидия, сталкиваясь, разлетались бы в разные стороны. Центральные атомы выталкивали бы крайние наружу, ускоряя их в направлении приложения силы (вектора движения первого атома). Из-за разнобоя в спинах на практике атомы рубидия, охлаждённые до малых долей кельвина, после столкновений не разлетались, оставаясь в исходном объёме, равном примерно тысячной кубического миллиметра. Со стороны это выглядело так, как будто они налетали на невидимую стену.
Очень отдалённая аналогия для группы атомов с разными спинами - столкновение двух и более футбольных мячей, боковым ударом предварительно закрученных до вращения вокруг своей оси в разные стороны. Понятно, что направления и скорости их движения после соударения будут существенно отличаться от тех же результатов у обычных мячей. Но это не значит, что мячи изменили свою физическую массу. Поменялся лишь характер их взаимодействия между собой. Также и в эксперименте масса атомов не стала отрицательной. В гравитационном поле они по-прежнему опускались бы вниз. По настоящему изменилось лишь то, куда они двигались после соударений с другими такими же атомами, но "вращавшимися" вокруг своей оси в другую сторону.
То, как вели себя в опыте атомы рубидия, соответствует определению отрицательной эффективной массы в физике. Им пользуются, например, при описании поведения электрона в кристаллической решётке. Для него формальная масса зависит от направления движения относительно осей кристалла. Двигаясь в одном направлении, он покажет одну дисперсию (рассеивание), в другом - иную. Понятие эффективной массы для них ввели потому, что иначе при описании их рассеивания формулами масса начинала бы зависеть от энергии, что не слишком удобно для вычислений. Примером отрицательной эффективной массы можно назвать поведение дырок в полупроводниках, с которыми имеет дело каждый пользователь современной электроники.
Большинство СМИ, включая российские, интерпретировали эксперимент как создание вещества с отрицательной массой. В теории материя с подобными свойствами может быть использована для удержания в рабочем состоянии червоточин, позволяющих дальние перемещения в пространстве и времени за околонулевое время. Практическая возможность создания такого вещества, как и самих червоточин, пока не доказана. Даже если оно возможно, его получение при современных технических возможностях человечества малореально.
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 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 , а потому ученые от этой гипотезы.
С темной энергией все еще хуже. Единственное наблюдение, которое напрямую подтверждает ее существование независимо от анализа реликтового излучения - это ускоренное расширение Вселенной , измеренное по (косвенно темную энергию подтверждает соотношение химических элементов в наблюдаемой Вселенной). Более того, физики плохо понимают, что представляет собой темная энергия на фундаментальном уровне . Конечно, качественно ее можно описать с помощью космологической постоянной (лямбда-члена) в , однако этот способ не дает новых знаний и не позволяет установить, из чего состоит темная энергия. Эйнштейн объяснял такие добавки с помощью частиц с отрицательной массой - в этом подходе уравнения движения становятся симметричными, как уравнения электродинамики, а лямбда-член возникает в качестве постоянной интегрирования, которая не заключает в себе физического смысла.
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
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Взаимодействие частиц с положительной и отрицательной массой: черными стрелками отмечены силы, красными - ускорения
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Взаимодействие частиц с положительной массой: черными стрелками отмечены силы, красными - ускорения
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Тем не менее, астрофизик Джейми Фарнс (Jamie Farnes) утверждает, что ему удалось увязать идею Эйнштейна с данными наблюдений. Для этого он объединил идею отрицательной массы с другой контринтуитивной идеей о непрерывном и однородном производстве массы в объеме Вселенной. Эта мысль тоже далеко не нова, впервые ее предложили еще в 40-х годах прошлого века.
Теоретически, такие процессы действительно могут идти на фоне сильного гравитационного поля (например, за счет ). Рассматривая подобные добавки к стандартному тензору энергии-импульса для положительных масс, физик выписал и решил уравнение Фридмана , а затем рассчитал, по какому закону расширяется Вселенная в этой модели. Вклады привычной темной материи и темной энергии ученые не учитывал. В результате оказалось, что известные законы воспроизводятся, если отрицательная масса будет производиться с постоянной скоростью Γ = −3H , где H - это постоянная Хаббла . В этом случае плотность отрицательной массы будет оставаться постоянной во время расширения, и она будет эффективно моделировать космологическую постоянную. При этом скорость расширения и время жизни Вселенной получается такими же, как в модели ΛCDM.
Затем астрофизик рассчитал, как отрицательная масса будет проявляться на более мелких масштабах. Для этого он смоделировал в рамках своей модели взаимодействие большого числа частиц положительной и отрицательной массы. Поскольку все существующие астрофизические пакеты не учитывают такие необычные модификации, Фарнсу пришлось разрабатывать свою собственную программу. Чтобы избежать каких-либо приближений в ходе расчетов, исследователь вычислял координаты и скорости каждой частицы в каждый момент времени - это позволяло повысить надежность предсказаний, хотя требовательность программы к вычислительным ресурсам росла как квадрат числа частиц. В частности, из-за этого ученому пришлось ограничиться моделированием 50 тысяч частиц.
Используя разработанную программу, Фарнс увидел несколько эффектов, которые традиционно приписывают темной материи. Во-первых, он смоделировал эволюцию плотной группы частиц с положительной массой, погруженных в «море» из частиц отрицательной массы. Такая система должна качественно описывать эволюцию галактик на поздних стадиях расширения Вселенной, когда «отрицательные» частицы значительно преобладает над «положительными». В этой задаче ученый выбрал число «положительных» частиц N + = 5000, число отрицательных N − = 45000. В результате он получил распределение плотности, которое хорошо совпадает с данными наблюдений - плотность частиц медленно растет при приближении к центру галактики и совпадает с профилем Буркерта . Это решает проблему «острого гало» (cuspy halo problem), которая возникает в модели ΛCDM.
Эволюция «галактики» положительной материи, погруженной в «море» отрицательной материи
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Профиль массы галактики, рассчитанный Фарнсом (синий) и наблюдаемый на практике (розовый пунктир)
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Во-вторых, при тех же начальных данных ученый рассчитал кривую вращения галактики и обнаружил, что он тоже хорошо совпадает с данными наблюдений . В то время как в модели с чисто «положительными» частицами материя на краю галактики движется медленнее, чем в центре, в модели с преобладанием «отрицательных» частиц скорость получается примерно постоянной.
Кривая вращения галактики, погруженной в «море» отрицательной материи (красный), и «свободной» галактики (черный)
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
В-третьих, Фарнс показал, что в его модели естественным путем возникает нитевидная крупномасштабная структура Вселенной : галактики объединяются в скопления, скопления - в сверхскопления, а сверхскопления - в цепочки и стены. Для этого он рассчитал эволюцию системы, которая содержит одинаковое число «положительных» и «отрицательных» частиц. Из-за ограничений на доступную вычислительную мощность ученый положил число обоих видов частиц N + = N − = 25000. Как и в предыдущем случае, «отрицательные» частицы окружали частицы обычной материи и формировали гало, однако на этот раз исследователю удалось разглядеть закономерности на более крупных масштабах, которые напоминали структуру наблюдаемой Вселенной.
Однородная структура Вселенной в начале симуляции
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Регистрируются на практике. К сожалению, ему не удалось увидеть этот эффект в симуляциях с 50000 частиц. Тем не менее, ученый надеется, что в более масштабных симуляциях с миллионом частиц такие процессы удастся заметить, а также предполагает, что они позволят подтвердить или опровергнуть новую теорию.
Наконец, ученый проверил, как сильно предложенная модификация модели ΛCDM исказит реально наблюдаемые эффекты - расширение Вселенной, измеренное по стандартным свечам, реликтовый фоне и наблюдения за слияниями скоплений галактик. Во всех этих случаях астрофизик обнаружил, что его гипотеза не противоречит наблюдаемым данным. Впрочем, довольно много вопросов все еще остаются открытыми - в частности, не понятно, как увязать такую гипотезу со Стандартной моделью (может ли механизм Хиггса генерировать отрицательные массы?), как экспериментально зарегистрировать частицы с отрицательной массой и как объяснить противоречия между отталкиванием «отрицательных» частиц и теорией . Тем не менее, ученый считает, что все эти проблемы можно решить в рамках новой модели.
Таким образом, модель с постоянным производством отрицательной массы объясняет не только наблюдаемое расширение Вселенной, но и образование ее крупномасштабной структуры, гало темной материи вокруг галактик и кривые вращения - большинство эффектов, которые принято списывать на темную энергию и темную материю. Как ни странно, такая интуитивно неестественная гипотеза, которая противоречит общепринятому взгляду на материю, вполне согласуется с данными наблюдений. Более того, она предлагает объяснить их более простым способом, привлекая меньше сущностей . Как пишет в заключении сам автор, «Хотя это предложение является отступническим и еретическим, [в статье] было предположено, что негативные значения этих параметров в принципе могут объяснить данные космологических наблюдений, которые всегда интерпретировались в рамках разумного предположения о положительности массы».
Иногда физики высказывают довольно необычные идеи, чтобы объяснить наблюдаемые противоречия между теорией и экспериментом. Например, в ноябре прошлого года американский физик-теоретик Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl) ввести новую силу, которая переносится сверхлегкой скалярной частицей и отталкивает темную материю от Земли. Это предположение хорошо объясняет неудачи всех земных экспериментов по поиску темной материи - если такая сила действительно существует, детекторы в принципе не могли ничего зарегистрировать. К сожалению, проверить это утверждение при текущем уровне развития техники невозможно.
Дмитрий Трунин
Гипотетическая червоточина в пространстве-времени
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.
Научная статья опубликована 10 апреля 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, доступно по подписке). Копия статьи перед отправкой в журнал размещена 13 декабря 2016 года в свободном доступе на сайте arXiv.org (arXiv:1612.04055).
Правообладатель иллюстрации SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption Конденсаты Бозе-Эйнштейна уже давно известны физикам
Американские физики получили жидкость с "отрицательной массой", которая при придании ей ускорения движется в обратном направлении.
В привычном нам мире при воздействии на объект какой-либо силы он начинает двигаться в направлении приложения этой силы. Это явление описывается вторым законом Ньютона.
Теоретически материя может обладать отрицательной массой - в том же смысле, в каком электрический заряд может быть положительным или отрицательным. Физики называют это явление "экзотической материей".
Профессор Питер Энгельс из Университета штата Вашингтон и его коллеги сумели охладить атомы рубидия почти до температуры абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия), создав так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна.
В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Атомы движутся чрезвычайно медленно и ведут себя, как волны.
Они также движутся синхронно, образуя так называемую супержидкость, которая течет, не теряя при этом энергии.
Атомы рубидия охладили лазером и удерживали образец до тех пор, пока частицы высоких энергий не переместились за пределы лазерной ловушки. На этом этапе атомы еще вели себя как частицы с нормальной, положительной массой: если бы сила, удерживавшая атомы вместе, прекратила действовать, крайние атомы рассыпались бы в разные стороны под давлением центральных атомов.
Чтобы заставить атомы рубидия вести себя как вещество с отрицательной массой, учёные направили на них другой набор лазеров, с помощью которых можно было изменять спин некоторых атомов.
Сравнив расчётные данные с экспериментальными, физики пришли к выводу, что по крайней мере некоторые из атомов в лазерной ловушке стали ускоряться в направлении, обратном приложению силы атомов, занимавших центральное положение в ловушке - правда, это происходило только на очень короткий момент, после чего атомы быстро возвращались к поведению, характерному для частиц с положительной массой.
"Если вы толкаете вещество с отрицательной массой, оно получает ускорение в обратном направлении, - объясняет один из исследователей профессор Майкл Форбс. - Это напоминает столкновение атомов рубидия с невидимой стеной".
Результаты этого эксперимента могут прояснить природу некоторых наблюдаемых астрономических объектов и явлений - например, нейтронных звезд, черных дыр и темной материи.