Medžiaga, turinti neigiamos masės savybių. Sukurta neigiamų masės savybių turinti medžiaga

Hipotetinė kirmgrauža erdvėlaikyje

Teorinėje fizikoje tai yra hipotetinės medžiagos samprata, kurios masė yra priešinga normalios medžiagos masei (kaip ir elektros krūvis gali būti teigiamas ir neigiamas). Pavyzdžiui, -2 kg. Tokia medžiaga, jei ji egzistuotų, pažeistų vieną ar daugiau ir pasižymėtų keistomis savybėmis. Remiantis kai kuriomis spekuliacinėmis teorijomis, neigiamos masės medžiaga gali būti naudojama erdvėlaikyje (kirmgraužėms) sukurti.

Tai skamba kaip absoliuti mokslinė fantastika, tačiau dabar grupė fizikų iš Vašingtono valstijos universiteto, Vašingtono universiteto, OIST universiteto (Okinava, Japonija) ir Šanchajaus universiteto demonstruoja kai kurias hipotetinės neigiamos masės medžiagos savybes. Pavyzdžiui, jei stumsite šią medžiagą, ji įsibėgės ne ta kryptimi, kuria veikiama jėga, o priešinga kryptimi. Tai yra, jis įsibėgėja priešinga kryptimi.

Norėdami sukurti neigiamų masės savybių turinčią medžiagą, mokslininkai paruošė Bose-Einstein kondensatą, atšaldydami rubidžio atomus iki beveik absoliutaus nulio. Šioje būsenoje dalelės juda itin lėtai, o kvantiniai efektai pradeda ryškėti makroskopiniame lygmenyje. Tai yra, pagal kvantinės mechanikos principus dalelės pradeda elgtis kaip bangos. Pavyzdžiui, jie sinchronizuojasi vienas su kitu ir teka kapiliarais be trinties, tai yra, neprarasdami energijos – vadinamojo supertakumo efekto.

Vašingtono universiteto laboratorijoje buvo sudarytos sąlygos susidaryti Bose-Einstein kondensatui, kurio tūris mažesnis nei 0,001 mm³. Dalelės buvo sulėtinamos lazeriu ir laukė, kol energingiausia iš jų paliks tūrį, o tai dar labiau aušino medžiagą. Šiame etape superkritinis skystis vis dar turėjo teigiamą masę. Jei indo sandariklis būtų pažeistas, rubidžio atomai praskristų skirtingomis kryptimis, nes centriniai atomai išstumtų atokiausius atomus ir jie pagreitėtų veikiančios jėgos kryptimi.

Norėdami sukurti neigiamą efektyvią masę, fizikai panaudojo kitą lazerių rinkinį, kuris pakeitė kai kurių atomų sukimąsi. Kaip numato modeliavimas, tam tikrose indo vietose dalelės turėtų įgyti neigiamą masę. Tai aiškiai matyti iš staigios medžiagos tankio padidėjimo kaip laiko funkcijos modeliavime (apačioje diagramoje).


1 pav. Anizotropinis Bose-Einšteino kondensato plėtimasis su skirtingais sanglaudos jėgos koeficientais. Tikri eksperimentiniai rezultatai rodomi raudonai, modeliavimo prognozavimo rezultatai rodomi juodai.

Apatinė diagrama yra stambaus plano vidurinis rėmas apatinėje 1 paveikslo eilutėje.

Apatinėje diagramoje parodytas vienmatis viso tankio modeliavimas kaip laiko funkcija regione, kuriame pirmą kartą atsirado dinaminis nestabilumas. Taškinės linijos atskiria tris atomų grupes su greičiu

beveik akimirką

Kur efektyvi masė

pradeda darytis neigiama (viršutinė eilutė). Rodomas minimalios neigiamos efektyvios masės taškas (viduris) ir taškas, kuriame masė grįžta į teigiamas vertes (apatinė linija). Raudoni taškai nurodo vietas, kur vietinis kvazi sukimo momentas yra neigiamos efektyvios masės srityje.

Pati pirmoji grafikų eilutė rodo, kad fizinio eksperimento metu medžiaga elgėsi tiksliai pagal modeliavimo rezultatus, kurie numato dalelių, turinčių neigiamą efektyviąją masę, atsiradimą.

Bose-Einšteino kondensate dalelės elgiasi kaip bangos, todėl nesklinda ta kryptimi, kuria turėtų sklisti normalios teigiamos efektyvios masės dalelės.

Teisybės dėlei reikia pasakyti, kad fizikai ne kartą fiksavo eksperimentų metu, tačiau tuos eksperimentus galima būtų interpretuoti įvairiai. Dabar netikrumas iš esmės pašalintas.

Mokslinis straipsnis 2017 04 10 žurnale Fizinės apžvalgos laiškai(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, galima užsiprenumeruoti). Straipsnio kopija prieš pateikiant žurnalui 2016 m. gruodžio 13 d. yra laisvai prieinama svetainėje arXiv.org (arXiv:1612.04055).

JAV mokslininkai teigia, kad laboratorinėmis sąlygomis sukūrė neigiamos masės medžiagą. Ši medžiaga yra labai neįprastų savybių skystis. Pavyzdžiui, jei stumsite šį skystį, jis gaus neigiamą pagreitį, tai yra atgal, o ne į priekį. Toks keistumas gali daug pasakyti mokslininkams apie tai, kas vyksta ne mažiau keistų objektų, tokių kaip juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės, viduje.
Tačiau ar kažkas gali turėti neigiamą masę? Ar tai įmanoma?

Teoriškai materija gali turėti neigiamą masę taip pat, kaip elektros krūvis gali turėti neigiamą arba teigiamą dydį.

Tai veikia popieriuje, tačiau mokslo pasaulyje vyksta karštos diskusijos apie tai, ar pati prielaida, kad egzistuoja kažkas, turinčio neigiamą masę, pažeidžia pagrindinius fizikos dėsnius. Mums, paprastiems žmonėms, ši sąvoka atrodo per sunkiai suprantama.

Diferencialinis mechaninio judėjimo dėsnis arba, paprasčiau tariant, antrasis Niutono dėsnis išreiškiamas formule A=F/M. Tai reiškia, kad kūno pagreitis yra lygus jį veikiančios jėgos ir kūno masės santykiui. Jei nustatysite neigiamą masės reikšmę, tada kūnas, logiškai mąstant, gaus neigiamą pagreitį. Įsivaizduokite, jūs pataikote į kamuolį ir jis užrieda ant jūsų kojos.

Tačiau tai, kas mums atrodo svetima, nebūtinai turi būti neįmanoma, o aukščiau pateikti teoriniai pratimai geriausiai įrodo, kad neigiama masė gali egzistuoti mūsų Visatoje nepažeidžiant bendrojo reliatyvumo.

Noras visa tai suprasti sukėlė aktyvius mokslininkų bandymus atkurti neigiamą masę laboratorijoje, kaip matome, net ir su tam tikra sėkme.

Vašingtono universiteto mokslininkai teigė, kad jiems pavyko gauti skysčio, kuris elgiasi tiksliai taip, kaip turėtų elgtis neigiamos masės kūnas. Ir jų atradimas pagaliau galėtų būti panaudotas kai kuriems keistiems reiškiniams Visatos gelmėse tirti.

Norėdami sukurti šį keistą skystį, mokslininkai lazeriais atvėsino rubidžio atomus iki beveik absoliutaus nulio, sukurdami vadinamąjį Bose-Einšteino kondensatą.

Šioje būsenoje dalelės juda neįtikėtinai lėtai ir neįprastai, vadovaudamosi keistais kvantinės mechanikos, o ne klasikinės fizikos principais, tai yra, jos pradeda elgtis kaip bangos.

Dalelės taip pat sinchronizuojasi ir juda vieningai, sudarydamos superskystę medžiagą, kuri gali judėti neprarasdama energijos dėl trinties.
Mokslininkai naudojo lazerius, kad sukurtų superskystį žemoje temperatūroje ir patalpintų jį į dubens formos lauką, kurio skersmuo mažesnis nei 100 mikronų.

Nors supermedžiaga liko šioje erdvėje, ji turėjo įprastą masę ir visiškai atitiko Bose-Einšteino kondensato koncepciją. Kol buvo priverstas kraustytis.

Naudodami antrąjį lazerių rinkinį, mokslininkai privertė atomus judėti pirmyn ir atgal, todėl jų sukimasis pasikeitė, o rubidis prasiskverbė pro „dubenėlio“ barjerą ir greitai išsiliejo. Tačiau jis tarsi turėjo neigiamą masę. Mokslininkų teigimu, susidarė įspūdis, kad skystis susidūrė su nematoma kliūtimi ir buvo nuo jos nustumtas.

Taigi mokslininkai patvirtino prielaidas apie neigiamos masės egzistavimą, tačiau tai tik pati kelionės pradžia. Belieka pastebėti, kad skysčių elgesys laboratorinėmis sąlygomis yra pakartojamas ir pakankamai patikimas, kad būtų galima patikrinti kai kurias prielaidas apie neigiamas mases. Taigi, nesidžiaukite anksčiau laiko, kitos komandos turi pakartoti rezultatus.

Viena aišku – fizika darosi vis įdomesnė ir verta domėtis.

  1. Kodėl laikas teka tik į priekį? Fizikai aiškina: „Laikas neleidžia viskam atsitikti iš karto“, – rašė Ray Cummingsas savo 1922 m. mokslinės fantastikos romane...
  2. Kirmgraužos, kirmgraužos ir kelionės laiku Kirmgraužos yra teorinis erdvės laiko perėjimas, kuris gali žymiai sutrumpinti tolimas keliones visoje visatoje, sukurdamas nuorodas...

Britų astrofizikas Jamie Farnesas pasiūlė kosmologinį modelį, pagal kurį neigiama masė susidaro pastoviu greičiu per visą Visatos evoliuciją. Šis modelis prieštarauja visuotinai priimtam požiūriui į materijos prigimtį, tačiau puikiai paaiškina daugumą poveikių, kurie paprastai priskiriami tamsiajai medžiagai ir tamsiajai energijai, ypač Visatos plėtimąsi, didelio masto struktūros formavimąsi. Visata ir galaktikos aureolė, galaktikų sukimosi kreivės ir stebimas kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės spektras. Straipsnis paskelbtas m Astronomija ir astrofizika, darbo išankstinis spaudinys paskelbtas arXiv.org.

Šiuo metu dauguma kosmologų mano, kad Visatos evoliucija aprašoma ΛCDM modeliu. Pagal šį modelį apie 70 procentų Visatos masės gaunama iš tamsiosios energijos, 25 procentus – iš šaltos tamsiosios medžiagos (tai yra medžiagos, kurios dalelės juda lėtai), ir tik likusieji 5 procentai – iš pažįstamos barioninės medžiagos. Mokslininkai šiuos ryšius nustatė analizuodami kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės modelio harmonikas. Plačiau apie Visatos „sudėtis“ matavimą galite perskaityti Boriso Sterno straipsniuose apie WMAP ir Plancko palydovus, kurie prisidėjo prie šio darbo.

Deja, mokslininkai menkai supranta tamsiąją materiją ir tamsiąją energiją. Nė vienas iš itin tikslių tamsiosios medžiagos dalelių paieškos eksperimentų, numatytų daugeliu teorinių modelių (pavyzdžiui, SUSY), negavo teigiamo rezultato. Šiuo metu įprastų dalelių ir „tamsiųjų“ dalelių, kurių masė yra nuo 6 iki 200 megaelektronvoltų, sklaidos skerspjūvis yra maždaug 10–47 kvadratinių centimetrų, o tai praktiškai neįtraukia šio masės diapazono dalelių ir verčia fizikus kurti alternatyvias teorijas. Tačiau tamsioji medžiaga vis dar pasireiškia per gravitacinę sąveiką, modifikuojant galaktikų sukimosi kreives ir vaizdą, todėl mokslininkai šią hipotezę atmeta.

Su tamsia energija dar blogiau. Vienintelis pastebėjimas, kuris tiesiogiai patvirtina jos egzistavimą, nepaisant kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės analizės, yra pagreitėjęs Visatos plėtimasis, matuojamas (netiesiogiai tamsiąją energiją patvirtina cheminių elementų santykis stebimoje Visatoje). Be to, fizikai mažai supranta, kas yra tamsioji energija pamatinis lygis . tikrai, kokybiškai jį galima apibūdinti naudojant kosmologinę konstantą (lambda terminą), tačiau šis metodas nesuteikia naujų žinių ir neleidžia nustatyti iš ko jis susideda tamsi energija. Einšteinas tokius papildymus paaiškino naudodamas neigiamos masės daleles – taikant šį metodą, judėjimo lygtys tampa simetriškos, kaip ir elektrodinamikos lygtys, o lambda terminas pasirodo kaip integracijos konstanta, neturinti jokios fizinės reikšmės.

Neigiama masė yra medžiaga, kuri greitėja priešinga jėgai kryptimi. Neigiama masės dalelė atstumia daleles, turinčias teigiamą ir neigiamą masę, o „teigiamos“ dalelės pritraukia „neigiamas“ daleles. Deja, ΛCDM modelio rėmuose šis tamsiosios energijos apibūdinimo metodas akivaizdžiai pasmerktas žlugti. Faktas yra tas, kad plečiantis Visatai įvairių komponentų tankis kinta pagal skirtingus dėsnius: šaltos medžiagos tankis krenta, o tamsiosios energijos tankis išlieka pastovus. Todėl neįmanoma tapatinti materijos su neigiama mase ir tamsiąja energija.


Dalelių su neigiama masė sąveika: juodos rodyklės rodo jėgas, raudonos rodyklės rodo pagreičius

Jamie Farnes / Astronomija ir astrofizika


Teigiama ir neigiama masės dalelių sąveika: juodos rodyklės rodo jėgas, raudonos rodyklės rodo pagreičius

Jamie Farnes / Astronomija ir astrofizika


Dalelių, turinčių teigiamą masę, sąveika: juodos rodyklės rodo jėgas, raudonos rodyklės rodo pagreičius

Jamie Farnes / Astronomija ir astrofizika

Tačiau astrofizikas Jamie Farnesas tvirtina, kad jam pavyko susieti Einšteino idėją su stebėjimų duomenimis. Norėdami tai padaryti, jis sujungė neigiamos masės idėją su kita priešinga idėja apie nuolatinį ir vienodą masės gamybą visame Visatos tūryje. Ši idėja taip pat toli gražu nėra nauja, ji pirmą kartą buvo pasiūlyta praėjusio amžiaus 40-aisiais.

Teoriškai tokie procesai iš tiesų gali vykti stipraus gravitacinio lauko fone (pavyzdžiui, dėl ). Atsižvelgdamas į panašius standartinio teigiamų masių energijos ir impulso tenzoriaus papildymus, fizikas surašė ir išsprendė Friedmanno lygtį, o tada apskaičiavo dėsnį, pagal kurį Visata plečiasi šiame modelyje. Mokslininkai neatsižvelgė į įprastos tamsiosios medžiagos ir tamsiosios energijos indėlį. Dėl to paaiškėjo, kad žinomi dėsniai atkuriami, jei neigiama masė susidaro pastoviu greičiu Γ = −3 H, Kur H yra Hablo konstanta. Šiuo atveju neigiamas masės tankis išliks pastovus plėtimosi metu ir efektyviai imituos kosmologinę konstantą. Šiuo atveju Visatos plėtimosi greitis ir gyvavimo trukmė yra tokie patys kaip ΛCDM modelyje.

Tada astrofizikas apskaičiavo, kaip neigiama masė pasireikš mažesnėmis mastelėmis. Norėdami tai padaryti, jis savo modelyje imitavo daugelio teigiamos ir neigiamos masės dalelių sąveiką. Kadangi visuose esamuose astrofizikos paketuose neatsižvelgiama į tokias neįprastas modifikacijas, Farnesas turėjo sukurti savo programą. Siekdamas išvengti bet kokių apytikslių skaičiavimų, tyrėjas apskaičiavo kiekvienos dalelės koordinates ir greičius kiekvienu laiko momentu – tai leido padidinti prognozių patikimumą, nors programos poreikiai skaičiavimo ištekliams augo, nes skaičiuojant skaičius kvadratas. dalelių. Visų pirma, dėl to mokslininkas turėjo apsiriboti 50 tūkstančių dalelių modeliavimu.

Naudodamas sukurtą programą Farnesas pamatė keletą efektų, kurie tradiciškai priskiriami tamsiajai medžiagai. Pirma, jis modeliavo tankios teigiamos masės dalelių grupės, panardintos į neigiamos masės dalelių „jūrą“, evoliuciją. Tokia sistema turėtų kokybiškai apibūdinti galaktikų evoliuciją vėlyvose Visatos plėtimosi stadijose, kai „neigiamos“ dalelės žymiai vyrauja prieš „teigiamus“. Šioje užduotyje mokslininkas pasirinko „teigiamų“ dalelių skaičių N+ = 5000, neigiamas skaičius N− = 45000. Dėl to jis gavo tankio pasiskirstymą, kuris gerai sutampa su stebėjimo duomenimis – dalelių tankis didėja lėtai artėjant prie galaktikos centro ir sutampa su Burkerto profiliu. Tai išsprendžia aštrią halo problemą, kuri atsiranda ΛCDM modelyje.


Teigiamos materijos „galaktikos“, panardintos į neigiamos materijos „jūrą“, evoliucija

Jamie Farnes / Astronomija ir astrofizika


„Farnes“ apskaičiuotas galaktikos masės profilis (mėlynas) ir stebimas praktiškai (rožinė punktyrinė linija)

Jamie Farnes / Astronomija ir astrofizika

Antra, turėdamas tuos pačius pradinius duomenis, mokslininkas apskaičiavo galaktikos sukimosi kreivę ir nustatė, kad ji taip pat gerai sutampa su stebėjimų duomenimis. Modelyje su grynai „teigiamomis“ dalelėmis galaktikos pakraštyje materija juda lėčiau nei centre, o modelyje, kuriame vyrauja „neigiamos“ dalelės, greitis yra maždaug pastovus.


Galaktikos, panardintos į neigiamos materijos „jūrą“ (raudona) ir „laisvą“ galaktiką (juodą), sukimosi kreivė

Jamie Farnes / Astronomija ir astrofizika

Trečia, Farnesas parodė, kad jo modelyje gijinė plataus masto Visatos struktūra atsiranda natūraliai: galaktikos susijungia į spiečius, spiečius į superspiečius, o superspiečius į grandines ir sienas. Norėdami tai padaryti, jis apskaičiavo sistemos, kurioje yra tiek pat „teigiamų“ ir „neigiamų“ dalelių, raidą. Dėl turimos skaičiavimo galios apribojimų mokslininkas nustatė abiejų tipų dalelių skaičių N + = N− = 25000. Kaip ir ankstesniu atveju, „neigiamos“ dalelės supo įprastos materijos daleles ir sudarė aureolę, tačiau šį kartą tyrėjui pavyko įžvelgti didesnių mastelių modelius, primenančius stebimos Visatos struktūrą.


Vienalytė Visatos struktūra modeliavimo pradžioje

Jamie Farnes / Astronomija ir astrofizika

Praktikoje registruotas. Deja, jis negalėjo pamatyti šio efekto modeliuojant su 50 000 dalelių. Tačiau mokslininkas tikisi, kad didesnio masto modeliavimuose su milijonu dalelių tokie procesai bus matomi, taip pat siūlo, kad jie patvirtins arba paneigs naująją teoriją.

Galiausiai mokslininkas patikrino, kaip stipriai siūloma ΛCDM modelio modifikacija iškraipys realiai pastebėtus efektus – standartinėmis žvakėmis išmatuotą Visatos plėtimąsi, kosminį mikrobangų foną ir galaktikų spiečių susijungimo stebėjimus. Visais šiais atvejais astrofizikas nustatė, kad jo hipotezė atitiko stebėtus duomenis. Tačiau vis dar lieka daug atvirų klausimų – ypač neaišku, kaip tokią hipotezę susieti su standartiniu modeliu (ar Higso mechanizmas gali generuoti neigiamas mases?), kaip eksperimentiškai aptikti neigiamos masės daleles ir kaip paaiškinti prieštaravimus tarp „neigiamų“ dalelių atstūmimo ir teorijos. Tačiau mokslininkas mano, kad visos šios problemos gali būti išspręstos naujojo modelio rėmuose.

Taigi modelis su nuolatine neigiamos masės gamyba paaiškina ne tik stebimą Visatos plėtimąsi, bet ir jos didelio masto struktūros formavimąsi, tamsiosios medžiagos aureoles aplink galaktikas ir sukimosi kreives – didžiąją dalį efektų, kurie dažniausiai priskiriami tamsai. energija ir tamsioji medžiaga. Kaip bebūtų keista, toks intuityviai nenatūralus hipotezė, prieštaraujanti visuotinai priimtam požiūriui į materiją, yra visiškai sutinka su stebėjimo duomenimis. Be to, ji siūlo juos paaiškinti paprasčiau, įtraukiant mažiau subjektų. Kaip pats autorius rašo išvadoje: „Nors šis pasiūlymas yra apostatinis ir eretiškas, [darbas] pasiūlė, kad neigiamos šių parametrų reikšmės iš esmės galėtų paaiškinti kosmologinius stebėjimo duomenis, kurie visada buvo interpretuojami remiantis pagrįstomis teigiamomis prielaidomis. masė“.

Kartais fizikai pateikia gana neįprastų idėjų, kaip paaiškinti pastebėtus teorijos ir eksperimento neatitikimus. Pavyzdžiui, pernai lapkritį amerikiečių fizikas teoretikas Hoomanas Davoudiaslas pristatė naują jėgą, kurią neša itin lengva skaliarinė dalelė ir stumia tamsiąją medžiagą nuo Žemės. Ši prielaida gerai paaiškina visų sausumos eksperimentų nesėkmes ieškant tamsiosios materijos – jei tokia jėga tikrai egzistuoja, detektoriai iš esmės nieko negalėtų registruoti. Deja, šio teiginio patikrinti dabartiniu technologijų išsivystymo lygiu neįmanoma.

Dmitrijus Truninas

Iliustracijos autorinės teisės MOKSLO FOTO BIBLIOTEKA Vaizdo antraštė Bose-Einšteino kondensatai jau seniai žinomi fizikai

Amerikiečių fizikai gavo skystį, turintį „neigiamą masę“, kuris pagreitintas juda priešinga kryptimi.

Mums pažįstamame pasaulyje, kai objektą veikia bet kokia jėga, jis pradeda judėti šios jėgos taikymo kryptimi. Šį reiškinį apibūdina antrasis Niutono dėsnis.

Teoriškai medžiaga gali turėti neigiamą masę ta pačia prasme, kaip ir elektros krūvis gali būti teigiamas arba neigiamas. Fizikai šį reiškinį vadina „egzotine materija“.

Vašingtono universiteto profesorius Peteris Engelsas ir jo kolegos sugebėjo atšaldyti rubidžio atomus iki beveik absoliutaus nulio (-273 laipsnių Celsijaus), sukurdami vadinamąjį Bose-Einstein kondensatą.

Tokioje stipriai atšalusioje būsenoje pakankamai daug atomų atsiduria minimaliose įmanomose kvantinėse būsenose, o kvantiniai efektai pradeda reikštis makroskopiniame lygmenyje. Atomai juda labai lėtai ir elgiasi kaip bangos.

Jie taip pat juda vieningai, sudarydami vadinamąjį superskystį, kuris teka neprarasdamas energijos.

Rubidžio atomai buvo aušinami lazeriu, o mėginys buvo laikomas tol, kol didelės energijos dalelės pajudėjo už lazerio gaudyklės. Šiame etape atomai vis dar elgėsi kaip dalelės, turinčios normalią teigiamą masę: nustojus veikti jėgai, laikančiai atomus kartu, išoriniai atomai, veikiami centrinių atomų, išsisklaidytų skirtingomis kryptimis.

Kad rubidžio atomai elgtųsi kaip neigiamos masės medžiaga, mokslininkai nukreipė į juos kitą lazerių rinkinį, kurį būtų galima panaudoti kai kurių atomų sukimuisi pakeisti.

Palyginę apskaičiuotus duomenis su eksperimentiniais duomenimis, fizikai priėjo prie išvados, kad bent dalis lazerinėje gaudyklėje esančių atomų pradėjo greitėti priešinga kryptimi, nei veikia centrinę vietą spąstuose užimančių atomų jėga – tačiau , tai atsitiko tik labai trumpą akimirką, po kurios atomai greitai grįžo į teigiamos masės dalelėms būdingą elgesį.

„Jei stumiate neigiamos masės medžiagą, ji įsibėgėja priešinga kryptimi, – aiškina vienas iš tyrėjų, profesorius Michaelas Forbesas, – tarsi rubidžio atomai susidurtų su nematoma siena.

Šio eksperimento rezultatai gali paaiškinti kai kurių stebimų astronominių objektų ir reiškinių – pavyzdžiui, neutroninių žvaigždžių, juodųjų skylių ir tamsiosios medžiagos – prigimtį.

Patartina žiūrėti su 1280 X 800 raiška


„Technologija jaunimui“, 1990, Nr. 10, p. 16-18.

Skenavo Igoris Stepikinas

Drąsių hipotezių tribūna

Ponkratas BORISOVAS, inžinierius
Neigiama masė: nemokamas važiavimas iki begalybės

  • Straipsniai šia tema kartkartėmis pasirodydavo užsienio ir sovietų fizikos žurnaluose daugiau nei 30 metų. Tačiau, kaip bebūtų keista, jie vis tiek, atrodo, nepatraukė populiarintojų dėmesio. Tačiau neigiamos masės problema, net ir griežtai moksliškai suformuluota, yra puiki dovana tiek šiuolaikinės fizikos paradoksų mėgėjams, tiek mokslinės fantastikos rašytojams. Bet tai yra specializuotos literatūros savybė: joje esantis pojūtis gali likti paslėptas dešimtmečius...
  • Taigi, mes kalbame apie hipotetinę materijos formą, kurios masė yra priešinga įprastai. Iš karto kyla klausimas: ką tai iš tikrųjų reiškia? Ir iš karto tampa aišku: teisingai apibrėžti neigiamos masės sąvoką nėra taip paprasta.
  • Be jokios abejonės, jis turi turėti gravitacinio atstūmimo savybę. Tačiau pasirodo, kad vien to neužtenka. Šiuolaikinėje fizikoje griežtai išskiriami keturi masės tipai:
  • gravitacinis aktyvus – tas, kuris traukia (jei teigiamas, žinoma);
  • gravitacinis pasyvus – tas, kurį traukia;
  • inertiška, kuri veikiant jėgai įgyja tam tikrą pagreitį (a = F/m);
  • galiausiai Einšteino ramybės masė, kuri nurodo bendrą kūno energiją (E = mC 2).
  • Pagal visuotinai priimtas teorijas jie visi yra vienodo dydžio. Bet juos atskirti būtina, ir tai paaiškėja būtent bandant nustatyti neigiamą masę. Faktas yra tas, kad jis bus visiškai priešingas įprastam tik tuo atveju, jei visi keturi jo tipai taps neigiami.
  • Remdamasis šiuo požiūriu, pačiame pirmame straipsnyje šia tema, paskelbtame dar 1957 m., anglų fizikas H. Bondi griežtais įrodymais nustatė pagrindines „minusinės masės“ savybes.
  • Čia juos pakartoti gali net nesunku, nes jie pagrįsti tik Niutono mechanika. Bet tai sujauks mūsų istoriją, o tada čia yra daug fizinių ir matematinių „subtilybių“. Todėl pereikime tiesiai prie rezultatų, ypač todėl, kad jie yra gana aiškūs.
  • Pirma, „minusinė medžiaga“ turi gravitaciniu būdu atstumti bet kokius kitus kūnus, tai yra ne tik su neigiama, bet ir su teigiama mase (o įprasta medžiaga, atvirkščiai, visada traukia abiejų tipų materiją). Be to, veikiama bet kokios jėgos, iki inercijos jėgos, ji turi judėti priešinga šios jėgos vektoriui kryptimi. Ir galiausiai, jo bendra Einšteino energija taip pat turi būti neigiama.
  • Todėl, beje, reikia pabrėžti, kad mūsų nuostabioji medžiaga nėra antimedžiaga, kurios masė vis dar laikoma teigiama. Pavyzdžiui, remiantis šiuolaikinėmis idėjomis, iš antimedžiagos sukurta „Anti-Žemė“ suktųsi aplink Saulę lygiai tokia pat orbita kaip ir mūsų gimtoji planeta.
  • Visa tai turbūt beveik akivaizdu. Bet tada prasideda neįtikėtina.
  • Paimkime tą pačią gravitaciją. Jei du paprasti kūnai traukia ir priartėja, o du antimasę atstumia ir išsisklaido, tai kas atsitiks skirtingų ženklų masių gravitacinės sąveikos metu?
  • Tebūnie tai paprasčiausias atvejis: kūnas (tarkime, rutulys), pagamintas iš materijos, turinčios neigiamą masę -M, yra už objekto (pavadinkime jį „raketa“ - sužinosime kodėl dabar), kurio teigiama masė yra lygi. +M. Akivaizdu, kad rutulio gravitacinis laukas atstumia raketą, o pati traukia kamuolį. Bet iš to išplaukia (tai dar kartą griežtai įrodyta), kad visa sistema judės tiesia linija, jungiančia dviejų masių centrus, su pastoviu pagreičiu, proporcingu gravitacinės sąveikos jėgai tarp jų!
  • Žinoma, iš pirmo žvilgsnio šis spontaniško, be priežasties judėjimo paveikslas „įrodo“ tik viena: antimasė su savybėmis, kurias mes jai priskyrėme apibrėžime nuo pat pradžių, tiesiog negali egzistuoti. Juk sulaukėme, regis, aibės nekintamiausių įstatymų pažeidimų.
  • Na, ar čia nėra visiškai atvirai pažeidžiamas, pavyzdžiui, impulso išsaugojimo dėsnis? Abu kūnai be jokios aiškios priežasties veržiasi viena kryptimi, bet niekas nejuda į priešingą pusę. Tačiau atminkite, kad viena iš masių yra neigiama! Bet tai reiškia, kad jo impulsas, nepriklausomai nuo greičio, turi minuso ženklą: (-M)V, o tada bendras dviejų kūnų sistemos impulsas vis tiek lieka lygus nuliui!
  • Tas pats pasakytina ir apie bendrą sistemos kinetinę energiją. Kol kūnai ilsisi, jis lygus nuliui. Bet kad ir kaip greitai jie judėtų, niekas nesikeičia: neigiama rutulio masė, visiškai pagal formulę (-M)V 2 /2, kaupia neigiamą kinetinę energiją, kuri tiksliai kompensuoja teigiamos rutulio energijos padidėjimą. raketa.
  • Jei visa tai atrodo absurdiška, tai gal „išmušime pleištu“ ir bandysime vieną absurdą patvirtinti kitu? Nuo šeštos klasės žinojome, kad vienodų taškų masių centras (žinoma, teigiamas) yra viduryje tarp jų. Taigi – kaip jums patinka kita išvada? SKIRTINGŲ ŽENKLŲ vienodų taškų masių centras yra, nors ir tiesėje, einančioje per juos, bet ne viduje, o UŽ juos jungiančios atkarpos, taške ±Ґ?!
  • Na, ar lengviau?
  • Beje, ši išvada jau gana elementari, ir bet kas, jei nori, gali ją pakartoti, išmanydamas fiziką tos pačios šeštos klasės lygiu.
  • Kiekvienas, kuris nesilaiko žodžio ir nori įsitikinti, kad visi skaičiavimai yra teisingi, gali atsiversti vieną iš naujausių publikacijų šia tema – paskelbtą amerikiečių fiziko R. Forwardo straipsnį „Raketos variklis apie neigiamą masę“. verstame žurnale „Aerospace Engineering“ Nr.4 1990 m.
  • Bet galbūt įmantriam skaitytojui atrodo, kad be jokių skaičiavimų jis suprato, kur jam buvo nuslinkta „liepa“? Iš tiesų, visuose šiuose elegantiškuose argumentuose tyli klausimas: iš kur atsirado tokia nuostabi masė? Juk kad ir kokia būtų jo kilmė, energiją teks eikvoti jo „išgavimui“, „gamybai“ ar, tarkime, pristatymui į veiksmo vietą, o tai reiškia...
  • Deja, patyręs skaitytojas! Energijos, žinoma, reikės, bet vėlgi neigiamos. Nieko nereikia daryti: Einšteino formulėje, skirtoje kūno bendrajai energijai E = Mc 2, mūsų nuostabioji masė vis dar turi tą patį minuso ženklą. Tai reiškia, kad „sudaryti“ kūnų porą su LYGIAI SKIRTINGŲ ženklų masėmis, reikės NULIS energijos. Tas pats pasakytina apie pristatymą ir bet kokias kitas manipuliacijas.
  • Ne – kad ir kokie paradoksalūs būtų visi šie rezultatai, griežtos išvados tvirtina, kad antimasės buvimas neprieštarauja ne tik Niutono mechanikai, bet ir bendrajai reliatyvumo teorijai. Nebuvo įmanoma rasti jokių logiškų jos egzistavimo draudimų.
  • Na, o jei teorija „leidžia“, tai pagalvokime, pavyzdžiui, kas gali nutikti dviejų vienodų pliusinės ir minusinės masės materijos dalelių fizinio kontakto metu? Su „įprasta“ antimedžiaga viskas aišku: sunaikinimas įvyks išlaisvinus visą abiejų kūnų energiją. Bet jei viena iš dviejų vienodų masių yra neigiama, tada jų bendra energija, kaip ką tik supratome, yra lygi nuliui. Tačiau KAS jiems nutiks realybėje – tai klausimas, peržengiantis teorijos ribas.
  • Tokio įvykio baigtį galima sužinoti tik iš patirties. Neįmanoma to „apskaičiuoti“ - juk mes neįsivaizduojame apie neigiamos masės „veikimo mechanizmą“, jos „vidinę struktūrą“ (kaip, beje, to nežinome apie įprastą masę). Teoriškai aišku viena: bet kokiu atveju bendra sistemos energija išliks lygi nuliui. Mes turime teisę pateikti tik HIPOTEzę, kaip tai daro tas pats Forvardas. Jo manymu, fizinė sąveika čia veda ne prie anihiliacijos, o prie vadinamojo „nuliuzinimo“, tai yra „tylaus“ abipusio dalelių sunaikinimo, jų išnykimo be jokios energijos išleidimo.
  • Tačiau kartojame, tik eksperimentas galėtų patvirtinti arba paneigti šią hipotezę.
  • Dėl tų pačių priežasčių mes nieko nežinome, kaip „padaryti“ neigiamą masę (jei tai net įmanoma). Teorija tik teigia, kad dvi vienodos priešingų ženklų masės iš esmės gali atsirasti be jokių energijos sąnaudų. Ir kai tik tokia kūnų pora atsiras, ji greitėdama skris tiesia linija į begalybę...
  • R. Forwardas savo straipsnyje jau „sukūrė“ neigiamos masės variklį, kuris gali nuvesti mus į bet kurį Visatos tašką bet kokiu mūsų nustatytu pagreičiu. Pasirodo, tam tereikia... poros gerų spyruoklių (visos „minusinės masės“ sąveikos su normalia per tamprumo jėgas, žinoma, taip pat detaliai paskaičiuotos).
  • Taigi, įdėkite savo nuostabią masę, lygią raketos masei, jos „variklio skyriaus“ viduryje. Jei reikia skristi į priekį, ištempkite spyruoklę nuo galinės sienelės ir prikabinkite prie neigiamos masės kūno. Iš karto dėl savo „iškrypusių“ inercinių savybių jis skubės ne ten, kur yra traukiamas, o visiškai priešinga kryptimi, tempdamas raketą kartu su savimi spyruoklės įtempimo jėgai proporcingu pagreičiu.
  • Norėdami sustabdyti įsibėgėjimą, tiesiog atkabinkite spyruoklę. O norint sulėtinti ir sustabdyti laivą, reikia panaudoti antrąją spyruoklę, pritvirtintą prie variklio skyriaus priekinės sienelės.
  • Ir vis dėlto yra dalinis „nemokamo variklio“ paneigimas! Tiesa, ji ateina iš visiškai netikėtos krypties. Bet daugiau apie tai pabaigoje.
  • Tuo tarpu ieškokime vietų, kur galėtų būti daug neigiamos masės. Tokias vietas siūlo milžiniškos tuštumos, aptiktos didelio masto trimačiuose galaktikų pasiskirstymo Visatoje žemėlapiuose – patys įdomiausi reiškiniai. Kaip matyti iš fig. 2, šių ertmių, kurios taip pat vadinamos tiesiog „burbuliukais“, matmenys yra apie 100 milijonų šviesmečių (o mūsų galaktikos matmenys yra apie 0,06 milijono šviesmečių). Taigi, didžiausiu mastu Visata turi „putotą“ struktūrą.
  • Burbulų ribas aiškiai žymi daugybės galaktikų spiečiai. Burbuliukų viduje jų praktiškai nėra, o jei jų ten ir atsiranda, vadinasi, tai labai neįprasti objektai. Jiems būdingi galingos aukšto dažnio spinduliuotės spektrai. Dabar manoma, kad burbuluose yra „nepavykusių“ galaktikų arba paprasto vandenilio dujų debesų.
  • Bet ar negalima manyti, kad „putotoji“ Visatos struktūra yra jos susidarymo iš to paties skaičiaus neigiamos ir teigiamos masės dalelių rezultatas? Iš šio paaiškinimo, beje, natūraliai išplaukia labai patraukli pasekmė: visa Visatos masė visada buvo ir išlieka lygi nuliui. Tuomet burbuliukai yra natūrali vieta minusinei masei, kurios dalelės linkusios judėti kuo toliau viena nuo kitos. O teigiama masė išstumiama į burbulų paviršių, kur, veikiama gravitacijos, formuoja galaktikas ir žvaigždes. Čia galima prisiminti A. A. Baranovo straipsnį, pasirodžiusį dar 1971 m. žurnalo „Izvestija of Universities. Fizika". Jame nagrinėjamas kosmologinis Visatos modelis su dalelėmis, turinčiomis abiejų ženklų masę. Naudodamas šį modelį, autorius paaiškina eksperimentinius kosmologinės konstantos ir Hablo raudonojo poslinkio įverčius, taip pat kai kuriuos nenormalius reiškinius, pastebėtus sąveikaujančiose galaktikose.
  • Kitas galimas didelio neigiamos masės požymis yra labai greitų „srovių“ buvimas didelio masto Visatos struktūrose. Taigi superspiečius, kuriame yra mūsų galaktika, „teka“ 600 km/s greičiu, palyginti su kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės poilsio fonu. Šis greitis netelpa į galaktikų susidarymo iš šaltos tamsiosios medžiagos teorijų rėmus. R. Forwardas siūlo bandyti paaiškinti šį reiškinį, atsižvelgiant į kolektyvinį superspiečių atstūmimą nuo burbulų, turinčių neigiamą masę.
  • Taigi neigiama materija gali tik skraidyti atskirai. Tačiau tai, pasirodo, yra dalinis daugelio aptartų išvadų paneigimas. Galų gale, gravitacinės medžiagos dalelių savybė, kad ir kokia būtų jų prigimtis, neišvengiamai lemia tai, kad šios dalelės negali susijungti veikiamos gravitacinių jėgų. Be to: kadangi neigiamos masės dalelė, veikiama bet kokios jėgos, juda priešinga šios jėgos vektoriui kryptimi, tai įprastos tarpatominės sąveikos negali susieti tokių dalelių į „normalius“ kūnus.
  • Tačiau tikimės, kad skaitytojas vis tiek džiaugiasi iš visų šių diskusijų...


  • Ar jums patiko straipsnis? Pasidalinkite su draugais!