Des chercheurs de l'Université de l'État de Washington (États-Unis) ont réussi à comprendre le comportement des atomes de rubidium comme une substance ayant une masse effective négative. Cela signifie que ces atomes, sous influence extérieure, n'ont pas volé vers le vecteur de cette influence. Dans les conditions expérimentales, ils se sont comportés comme s’ils se heurtaient à un mur invisible à chaque fois qu’ils s’approchaient des limites d’une zone de très petit volume. Celui correspondant a été publié dans Lettres d'examen physique. L'expérience a été interprétée à tort par les médias comme « la création de matière de masse négative » (en théorie, cela permet la création de trous de ver pour les voyages spatiaux sur de longues distances). En fait, obtenir une substance ayant une masse négative, si possible, va bien au-delà de ce qui est réalisable par la science et la technologie modernes.
Les atomes de rubidium étaient forcés de se déplacer dans la direction opposée au vecteur de force qui leur était appliqué. Les médias ont perçu à tort cela comme la création d'une substance à « masse négative ».
Les auteurs des travaux ont ralenti les atomes de rubidium avec un laser (une diminution de la vitesse de la particule entraîne son refroidissement). Lors de la deuxième étape de refroidissement, les atomes les plus énergétiques ont pu quitter le volume refroidi. Cela l'a refroidi encore plus, tout comme l'évaporation des atomes de réfrigérant refroidit le contenu d'un réfrigérateur domestique. À la troisième étape, un autre ensemble de lasers a été utilisé, dont les impulsions modifiaient le spin (en termes simplifiés - le sens de rotation autour de son propre axe) d'une partie des atomes.
Étant donné que certains atomes dans le volume refroidi ont continué à avoir un spin normal, tandis que d'autres ont reçu un spin opposé, leur interaction les uns avec les autres a acquis un caractère inhabituel. Dans des conditions normales, les atomes de rubidium entreraient en collision et se sépareraient dans des directions différentes. Les atomes centraux pousseraient les atomes externes vers l’extérieur, les accélérant dans la direction de la force appliquée (le vecteur de mouvement du premier atome). En raison de la divergence des spins, dans la pratique, les atomes de rubidium, refroidis à de petites fractions de kelvin, ne se sont pas séparés après des collisions, restant dans leur volume d'origine, égal à environ un millième de millimètre cube. De l’extérieur, c’était comme s’ils se heurtaient à un mur invisible.
Une analogie très lointaine pour un groupe d'atomes avec des spins différents est la collision de deux ou plusieurs ballons de football, qui étaient auparavant tordus par un impact latéral jusqu'à ce qu'ils tournent autour de leur axe dans des directions différentes. Il est clair que les directions et les vitesses de leur mouvement après la collision différeront considérablement des mêmes résultats pour les balles ordinaires. Mais cela ne veut pas dire que les boules ont modifié leur masse physique. Seule la nature de leurs interactions a changé. Également dans l’expérience, la masse des atomes n’est pas devenue négative. Dans un champ gravitationnel, ils tomberaient quand même. La seule chose qui a vraiment changé était l'endroit où ils se déplaçaient après des collisions avec d'autres atomes similaires, mais en « tournant » autour de leur axe dans l'autre sens.
La façon dont les atomes de rubidium se sont comportés expérimentalement correspond à la définition de la masse effective négative en physique. Il est utilisé, par exemple, pour décrire le comportement d’un électron dans un réseau cristallin. Pour lui, la masse formelle dépend de la direction du mouvement par rapport aux axes cristallins. En se déplaçant dans une direction, il montrera une dispersion (diffusion), dans l'autre - une autre. Le concept de masse effective a été introduit pour eux car sinon, en décrivant leur dispersion par des formules, la masse commencerait à dépendre de l'énergie, ce qui n'est pas très pratique pour les calculs. Un exemple de masse effective négative est le comportement des trous dans les semi-conducteurs, auquel est confronté tout utilisateur d’électronique moderne.
La plupart des médias, y compris russes, ont interprété l'expérience comme la création d'une substance de masse négative. En théorie, une matière ayant des propriétés similaires peut être utilisée pour maintenir les trous de ver en état de fonctionnement, permettant ainsi des voyages sur de longues distances dans l’espace et dans le temps en un temps proche de zéro. La possibilité pratique de créer une telle substance, ainsi que les trous de ver eux-mêmes, n'ont pas encore été prouvées. Même si cela est possible, il est irréaliste de l’obtenir avec les capacités techniques modernes de l’humanité.
Il est conseillé de regarder avec une résolution de 1280 X 800
"La technologie pour la jeunesse", 1990, n° 10, p. 16-18.
Scanné par Igor StepikinTribune des hypothèses audacieuses
Ponkrat BORISOV, ingénieur
Masse négative : un voyage gratuit vers l'infini
Des physiciens de l’Université de Washington ont créé un liquide de masse négative. Poussez-le, et contrairement à tous les objets physiques que nous connaissons dans le monde, il n’accélérera pas dans la direction de la poussée. Cela va s’accélérer dans la direction opposée. Le phénomène est rarement créé en laboratoire et pourrait être utilisé pour étudier certains des concepts les plus complexes concernant l'espace, explique Michael Forbes, professeur adjoint de physique et d'astronomie à l'Université de Washington. L’étude apparaît dans Physical Review Letters.
Hypothétiquement, une substance pourrait avoir une masse négative, de la même manière qu’une charge électrique pourrait être négative ou positive. Les gens y pensent rarement, et notre monde quotidien ne démontre que les aspects positifs de la deuxième loi du mouvement d'Isaac Newton, qui stipule que la force agissant sur un corps est égale au produit de la masse du corps et de l'accélération conférée par cette force. , ou F = ma.
En d’autres termes, si vous poussez un objet, il accélérera dans la direction de votre poussée. La masse va l’accélérer dans le sens de la force.
"Nous sommes habitués à cet état de choses", déclare Forbes, anticipant une surprise. "Avec une masse négative, si vous poussez quelque chose, cela accélérera vers vous."
Conditions pour une masse négative
Avec ses collègues, il a créé les conditions d'une masse négative en refroidissant les atomes de rubidium jusqu'à un niveau proche du zéro absolu, créant ainsi un condensat de Bose-Einstein. Dans cet état prédit par Shatyendranath Bose et Albert Einstein, les particules se déplacent très lentement et, selon les principes de la mécanique quantique, se comportent comme des ondes. Ils se synchronisent également et se déplacent à l’unisson comme un fluide superfluide qui s’écoule sans perte d’énergie.
Dirigés par Peter Engels, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Washington, des scientifiques du sixième étage du Webster Hall ont créé ces conditions en utilisant des lasers pour ralentir les particules, les rendant plus froides et permettant aux particules chaudes et à haute énergie de s'échapper comme vapeur, refroidissant davantage le matériau.
Les lasers capturaient les atomes comme s’ils se trouvaient dans un bol de moins d’une centaine de microns. A ce stade, le rubidium superfluide avait une masse normale. La rupture du bol a permis au rubidium de s'échapper, se dilatant à mesure que le rubidium du centre était poussé vers l'extérieur.
Pour créer une masse négative, les scientifiques ont utilisé un deuxième ensemble de lasers qui poussaient les atomes d’avant en arrière, modifiant ainsi leur rotation. Désormais, lorsque le rubidium s’épuise assez rapidement, il se comporte comme s’il avait une masse négative. "Poussez-le et il accélérera dans la direction opposée", explique Forbes. "C'est comme si le rubidium frappait un mur invisible."
Élimination des défauts majeurs
La méthode utilisée par les scientifiques de l’Université de Washington a évité certains des défauts majeurs découverts lors des tentatives précédentes visant à comprendre la masse négative.
"La première chose que nous avons réalisé, c'est que nous avions un contrôle minutieux sur la nature de cette masse négative, sans aucune autre complication", explique Forbes. Leurs recherches expliquent, déjà du point de vue de la masse négative, un comportement similaire dans d’autres systèmes. Ce contrôle accru donne aux chercheurs un nouvel outil pour concevoir des expériences visant à étudier une physique similaire en astrophysique, comme les étoiles à neutrons, et des phénomènes cosmologiques tels que les trous noirs et l'énergie noire, pour lesquels les expériences ne sont tout simplement pas possibles.
L'astrophysicien britannique Jamie Farnes a proposé un modèle cosmologique dans lequel une masse négative est produite à un rythme constant tout au long de l'évolution de l'Univers. Ce modèle contredit la vision généralement acceptée de la nature de la matière, mais il explique bien la plupart des effets habituellement attribués à la matière noire et à l'énergie noire, en particulier l'expansion de l'Univers, la formation de la structure à grande échelle de l'Univers et le halo galactique, les courbes de rotation des galaxies et le spectre observé du rayonnement de fond cosmique micro-onde. Article publié dans Astronomie et astrophysique, une prépublication de l'ouvrage est publiée sur arXiv.org.
Actuellement, la plupart des cosmologistes pensent que l’évolution de l’Univers est décrite par le modèle ΛCDM. Selon ce modèle, environ 70 pour cent de la masse de l'Univers provient de l'énergie sombre, 25 pour cent de la matière noire froide (c'est-à-dire de la matière dont les particules se déplacent lentement) et seulement les 5 pour cent restants de la matière baryonique familière. Les scientifiques ont déterminé ces relations en analysant les harmoniques du diagramme de rayonnement du fond diffus cosmologique. Vous pouvez en savoir plus sur la mesure de la « composition » de l’Univers dans les articles de Boris Stern sur les satellites WMAP et Planck, qui ont apporté la principale contribution à ces travaux.
Malheureusement, les scientifiques comprennent mal la matière noire et l’énergie noire. Aucune des expériences ultra-précises de recherche de particules de matière noire, prédites par un certain nombre de modèles théoriques (par exemple SUSY), n'a reçu de résultat positif. Actuellement, la section efficace de diffusion pour les particules ordinaires et les particules « sombres » avec des masses de 6 à 200 mégaélectronvolts est de l'ordre de 10 à 47 centimètres carrés, ce qui exclut pratiquement les particules dans cette plage de masse et oblige les physiciens à développer des théories alternatives. Cependant, la matière noire se manifeste toujours par interaction gravitationnelle, modifiant les courbes de rotation des galaxies et l'image, et les scientifiques rejettent donc cette hypothèse.
Avec l'énergie noire, c'est encore pire. La seule observation qui confirme directement son existence, indépendamment de l'analyse du rayonnement de fond cosmique micro-onde, est l'expansion accélérée de l'Univers, mesurée par (indirectement, l'énergie sombre est confirmée par le rapport des éléments chimiques dans l'Univers observable). De plus, les physiciens comprennent peu ce qu’est l’énergie noire. niveau fondamental . Certainement, qualitativement il peut être décrit à l'aide de la constante cosmologique (terme lambda) dans , mais cette méthode n'apporte pas de nouvelles connaissances et ne permet pas d'établir en quoi ça consisteénergie sombre. Einstein a expliqué ces ajouts en utilisant des particules de masse négative - dans cette approche, les équations du mouvement deviennent symétriques, comme les équations de l'électrodynamique, et le terme lambda apparaît comme une constante d'intégration qui ne contient aucune signification physique.
La matière de masse négative est une matière qui accélère dans le sens opposé à une force. Une particule de masse négative repousse les particules de masse positive et négative, tandis que les particules « positives » attirent les particules « négatives ». Malheureusement, dans le cadre du modèle ΛCDM, cette méthode de description de l’énergie noire est évidemment vouée à l’échec. Le fait est que lors de l'expansion de l'Univers, la densité des différents composants change selon différentes lois : la densité de la matière froide diminue et la densité de l'énergie noire reste constante. Par conséquent, il est impossible d’identifier une matière ayant une masse négative et une énergie sombre.
Interaction de particules de masse négative : les flèches noires indiquent les forces, les flèches rouges indiquent les accélérations
Jamie Farnes / Astronomie et Astrophysique
Interaction de particules de masse positive et négative : les flèches noires indiquent les forces, les flèches rouges indiquent les accélérations
Jamie Farnes / Astronomie et Astrophysique
Interaction de particules de masse positive : les flèches noires indiquent les forces, les flèches rouges indiquent les accélérations
Jamie Farnes / Astronomie et Astrophysique
Cependant, l'astrophysicien Jamie Farnes affirme avoir pu relier l'idée d'Einstein aux données d'observation. Pour ce faire, il a combiné l’idée de masse négative avec une autre idée contre-intuitive de production continue et uniforme de masse dans tout le volume de l’Univers. Cette idée est également loin d'être nouvelle ; elle a été proposée pour la première fois dans les années 40 du siècle dernier.
Théoriquement, de tels processus peuvent en effet se produire dans le contexte d'un fort champ gravitationnel (par exemple, dû à ). En considérant des ajouts similaires au tenseur énergie-impulsion standard pour les masses positives, le physicien a écrit et résolu l'équation de Friedmann, puis a calculé la loi selon laquelle l'Univers se développe dans ce modèle. Les scientifiques n’ont pas pris en compte les apports habituels de matière noire et d’énergie noire. En conséquence, il s'est avéré que les lois connues sont reproduites si la masse négative est produite à un taux constant Γ = −3 H, Où H est la constante de Hubble. Dans ce cas, la densité de masse négative restera constante pendant l’expansion et simulera efficacement la constante cosmologique. Dans ce cas, le taux d’expansion et la durée de vie de l’Univers sont les mêmes que dans le modèle ΛCDM.
L’astrophysicien a ensuite calculé comment la masse négative se manifesterait à des échelles plus petites. Pour ce faire, il a simulé dans le cadre de son modèle l'interaction d'un grand nombre de particules de masse positive et négative. Étant donné que tous les progiciels d'astrophysique existants ne prennent pas en compte ces modifications inhabituelles, Farnes a dû développer son propre programme. Pour éviter toute approximation lors des calculs, le chercheur a calculé les coordonnées et les vitesses de chaque particule à chaque instant - cela a permis d'augmenter la fiabilité des prédictions, bien que les exigences du programme en ressources informatiques aient augmenté à mesure que le carré du nombre de particules. En particulier, à cause de cela, le scientifique a dû se limiter à modéliser 50 000 particules.
À l’aide du programme développé, Farnes a constaté plusieurs effets traditionnellement attribués à la matière noire. Premièrement, il a modélisé l’évolution d’un groupe dense de particules de masse positive immergées dans une « mer » de particules de masse négative. Un tel système devrait décrire qualitativement l'évolution des galaxies aux derniers stades de l'expansion de l'Univers, lorsque les particules « négatives » prédominent de manière significative sur les particules « positives ». Dans ce problème, le scientifique a choisi le nombre de particules « positives » N+ = 5000, nombre de négatifs N− = 45 000. En conséquence, il a obtenu une distribution de densité qui concorde bien avec les données d'observation - la densité des particules augmente lentement à mesure que l'on s'approche du centre de la galaxie et coïncide avec le profil de Burkert. Cela résout le problème du halo cuspy qui se produit dans le modèle ΛCDM.
Evolution d’une « galaxie » de matière positive immergée dans une « mer » de matière négative
Jamie Farnes / Astronomie et Astrophysique
Profil de masse des galaxies calculé par Farnes (bleu) et observé en pratique (ligne pointillée rose)
Jamie Farnes / Astronomie et Astrophysique
Deuxièmement, avec les mêmes données initiales, le scientifique a calculé la courbe de rotation de la galaxie et a constaté qu'elle coïncide également bien avec les données d'observation. Alors que dans un modèle avec des particules purement « positives », la matière aux bords de la galaxie se déplace plus lentement qu'au centre, dans un modèle avec une prédominance de particules « négatives », la vitesse est approximativement constante.
Courbe de rotation d'une galaxie immergée dans une « mer » de matière négative (rouge) et une galaxie « libre » (noir)
Jamie Farnes / Astronomie et Astrophysique
Troisièmement, Farnes a montré que dans son modèle, la structure filamenteuse à grande échelle de l'Univers apparaît naturellement : les galaxies s'unissent en amas, les amas en superamas et les superamas en chaînes et parois. Pour ce faire, il a calculé l’évolution d’un système contenant le même nombre de particules « positives » et « négatives ». En raison des limitations de la puissance de calcul disponible, le scientifique a estimé le nombre de deux types de particules N + = N− = 25 000. Comme dans le cas précédent, des particules « négatives » entouraient des particules de matière ordinaire et formaient un halo, mais cette fois, le chercheur a pu discerner des motifs à plus grande échelle qui ressemblaient à la structure de l'Univers observable.
Structure homogène de l'Univers au début de la simulation
Jamie Farnes / Astronomie et Astrophysique
Inscrit en pratique. Malheureusement, il n’a pas pu constater cet effet dans des simulations comportant 50 000 particules. Cependant, le scientifique espère que dans des simulations à plus grande échelle avec un million de particules, de tels processus seront visibles et suggère également qu'ils confirmeront ou infirmeront la nouvelle théorie.
Enfin, le scientifique a vérifié dans quelle mesure la modification proposée du modèle ΛCDM fausserait les effets réellement observés - l'expansion de l'Univers mesurée par des bougies standards, le fond diffus cosmologique et les observations de fusions d'amas de galaxies. Dans tous ces cas, l’astrophysicien a constaté que son hypothèse était cohérente avec les données observées. Cependant, de nombreuses questions restent encore ouvertes - en particulier, on ne sait pas comment relier une telle hypothèse au modèle standard (le mécanisme de Higgs peut-il générer des masses négatives ?), comment détecter expérimentalement des particules de masse négative et comment expliquer les contradictions entre la répulsion des particules « négatives » et la théorie. Cependant, le scientifique estime que tous ces problèmes peuvent être résolus dans le cadre du nouveau modèle.
Ainsi, le modèle avec production constante de masse négative explique non seulement l'expansion observée de l'Univers, mais aussi la formation de sa structure à grande échelle, les halos de matière noire autour des galaxies et les courbes de rotation - la plupart des effets habituellement attribués à l'obscurité. l'énergie et la matière noire. Curieusement, tel intuitivement contre nature une hypothèse qui contredit la vision généralement acceptée de la matière est complètement est d'accord avec des données d’observation. De plus, elle propose de les expliquer de manière plus simple, impliquant moins d'entités. Comme l'auteur lui-même l'écrit dans la conclusion : « Bien que cette proposition soit apostate et hérétique, [l'article] suggère que les valeurs négatives de ces paramètres pourraient en principe expliquer les données d'observation cosmologiques, qui ont toujours été interprétées dans le cadre de l'hypothèse raisonnable de valeurs positives. masse."
Parfois, les physiciens proposent des idées plutôt inhabituelles pour expliquer les écarts observés entre la théorie et l’expérience. Par exemple, en novembre dernier, le physicien théoricien américain Hooman Davoudiasl a introduit une nouvelle force transportée par une particule scalaire ultralégère et qui éloigne la matière noire de la Terre. Cette hypothèse explique bien les échecs de toutes les expériences terrestres dans la recherche de matière noire - si une telle force existe réellement, les détecteurs, en principe, ne pourraient rien enregistrer. Malheureusement, il est impossible de vérifier cette affirmation au niveau actuel de développement technologique.
Dmitri Trunine
Trou de ver hypothétique dans l'espace-temps
En physique théorique, il s'agit du concept d'une substance hypothétique dont la masse a la valeur opposée à la masse d'une substance normale (tout comme une charge électrique peut être positive et négative). Par exemple, −2 kg. Une telle substance, si elle existait, en violerait un ou plusieurs et présenterait d’étranges propriétés. Selon certaines théories spéculatives, la matière de masse négative peut être utilisée pour créer des (trous de ver) dans l’espace-temps.
Cela ressemble à de la science-fiction absolue, mais un groupe de physiciens de l'Université de l'État de Washington, de l'Université de Washington, de l'Université OIST (Okinawa, Japon) et de l'Université de Shanghai montre certaines des propriétés d'un hypothétique matériau de masse négative. Par exemple, si vous poussez cette substance, elle n’accélérera pas dans le sens de la force appliquée, mais dans le sens opposé. Autrement dit, il accélère dans la direction opposée.
Pour créer une substance aux propriétés de masse négatives, les scientifiques ont préparé un condensat de Bose-Einstein en refroidissant les atomes de rubidium jusqu'à un zéro presque absolu. Dans cet état, les particules se déplacent extrêmement lentement et les effets quantiques commencent à apparaître au niveau macroscopique. Autrement dit, conformément aux principes de la mécanique quantique, les particules commencent à se comporter comme des ondes. Par exemple, ils se synchronisent les uns avec les autres et circulent dans les capillaires sans friction, c'est-à-dire sans perte d'énergie - effet de ce qu'on appelle la superfluidité.
Dans le laboratoire de l'Université de Washington, les conditions ont été créées pour la formation d'un condensat de Bose-Einstein dans un volume inférieur à 0,001 mm³. Les particules ont été ralenties par un laser et ont attendu que les plus énergétiques d'entre elles quittent le volume, ce qui a encore refroidi le matériau. A ce stade, le fluide supercritique avait encore une masse positive. Si le sceau du récipient était brisé, les atomes de rubidium se sépareraient dans des directions différentes, puisque les atomes centraux repousseraient les atomes les plus externes vers l'extérieur et ils accéléreraient dans la direction de la force appliquée.
Pour créer une masse efficace négative, les physiciens ont utilisé un autre ensemble de lasers qui ont modifié le spin de certains atomes. Comme le prédit la simulation, dans certaines zones du récipient, les particules devraient acquérir une masse négative. Cela se voit clairement à la forte augmentation de la densité de matière en fonction du temps dans les simulations (dans le diagramme du bas).
Figure 1. Expansion anisotrope d'un condensat de Bose-Einstein avec différents coefficients de force de cohésion. Les résultats expérimentaux réels sont affichés en rouge, les résultats de prédiction de simulation sont affichés en noir.
Le diagramme du bas est un gros plan du cadre du milieu dans la rangée inférieure de la figure 1.
Le diagramme du bas montre une simulation unidimensionnelle de la densité totale en fonction du temps dans la région où l'instabilité dynamique est apparue pour la première fois. Les lignes pointillées séparent trois groupes d'atomes avec des vitesses
à un quasi-instant
Où est la masse efficace
commence à devenir négatif (ligne du haut). Le point de masse effective négative minimale (milieu) et le point où la masse revient à des valeurs positives (ligne du bas) sont indiqués. Les points rouges indiquent les endroits où le quasi-couple local se situe dans la région de masse effective négative.
La toute première rangée de graphiques montre qu'au cours de l'expérience physique, la substance s'est comportée exactement conformément aux résultats de la simulation, qui prédit l'apparition de particules avec une masse effective négative.
Dans un condensat de Bose-Einstein, les particules se comportent comme des ondes et ne se propagent donc pas dans la direction dans laquelle devraient se propager les particules normales de masse effective positive.
En toute honnêteté, il faut dire que les physiciens ont enregistré à plusieurs reprises au cours d’expériences, mais ces expériences pourraient être interprétées de différentes manières. Aujourd’hui, l’incertitude a été largement éliminée.
Article scientifique du 10 avril 2017 dans la revue Lettres d'examen physique(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, disponible sur abonnement). Une copie de l'article avant sa soumission à la revue le 13 décembre 2016 est disponible gratuitement sur le site arXiv.org (arXiv:1612.04055).
