Сөрөг масстай бөөмсийг хаанаас олох вэ. Сөрөг массын шинж чанартай бодис бий болсон

1280 X 800 нарийвчлалтай үзэхийг зөвлөж байна

"Залуучуудын технологи", 1990, No10, х. 16-18.

Игорь Степикин сканнердсан

Зоригтой таамаглалын трибун

Понкрат БОРИСОВ, инженер
Сөрөг масс: хязгааргүйд хүрэх үнэгүй аялал

Энэ сэдвээр нийтлэлүүд 30 гаруй жилийн турш гадаадын болон Зөвлөлтийн физикийн сэтгүүлд үе үе гарч ирсэн. Гэхдээ хачирхалтай нь тэд одоог хүртэл алдартай хүмүүсийн анхаарлыг татаагүй бололтой. Гэхдээ сөрөг массын асуудал, тэр ч байтугай шинжлэх ухааны хатуу томъёолол нь орчин үеийн физикийн парадоксыг хайрлагчид болон шинжлэх ухааны зөгнөлт зохиолчдын хувьд маш сайн бэлэг юм. Гэхдээ энэ бол тусгай уран зохиолын өмч юм: түүний доторх мэдрэмж хэдэн арван жилийн турш нуугдмал хэвээр үлддэг ...

Тиймээс бид масс нь ердийнхөөс эсрэг байдаг таамаглалын хэлбэрийн тухай ярьж байна. Тэр даруй асуулт гарч ирнэ: энэ нь юу гэсэн үг вэ? Тэгээд тэр даруй тодорхой болно: сөрөг массын тухай ойлголтыг зөв тодорхойлох нь тийм ч хялбар биш юм.

Энэ нь таталцлын түлхэлтийн шинж чанартай байх ёстой нь эргэлзээгүй. Гэхдээ энэ нь дангаараа хангалтгүй гэдэг нь харагдаж байна. Орчин үеийн физикт дөрвөн төрлийн массыг хатуу ялгадаг.

таталцлын идэвхтэй - татдаг (мэдээж эерэг байвал);

таталцлын идэвхгүй - татагдаж байгаа нэг;

идэвхгүй, хэрэглэсэн хүчний үйлчлэлээр тодорхой хурдатгал олж авдаг (a = F/m);

эцэст нь биеийн нийт энергийг тодорхойлдог Эйнштейний амрах масс (E = mC 2).

Нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн онолын дагуу тэд бүгд ижил хэмжээтэй байдаг. Гэхдээ тэдгээрийг хооронд нь ялгах шаардлагатай бөгөөд энэ нь сөрөг массыг тодорхойлохыг оролдоход тодорхой болно. Баримт нь түүний дөрвөн төрөл нь бүгд сөрөг болсон тохиолдолд энэ нь ердийнхөөс бүрэн эсрэг байх болно.

Энэ аргад тулгуурлан Английн физикч Х.Бонди 1957 онд хэвлэгдсэн энэ сэдвээр хамгийн анхны нийтлэлдээ хатуу нотолгоогоор “хасах масс”-ын үндсэн шинж чанарыг тодорхойлсон байдаг.

Эдгээр нь зөвхөн Ньютоны механик дээр үндэслэсэн тул энд давтах нь тийм ч хэцүү биш байж магадгүй юм. Гэхдээ энэ нь бидний түүхийг эмх замбараагүй болгох бөгөөд дараа нь энд физик, математикийн олон "нарийн" байдаг. Тиймээс, үр дүн нь маш тодорхой байгаа тул шууд явцгаая.

Нэгдүгээрт, "хасах матери" нь бусад аливаа биеийг таталцлын хүчээр түлхэх ёстой, өөрөөр хэлбэл зөвхөн сөрөг төдийгүй эерэг масстай (энгийн бодис нь эсрэгээрээ хоёр төрлийн бодисыг үргэлж татдаг). Цаашилбал, аливаа хүчний нөлөөн дор инерцийн хүч хүртэл энэ хүчний векторын эсрэг чиглэлд шилжих ёстой. Эцэст нь, Эйнштейний нийт энерги нь сөрөг байх ёстой.

Тиймээс, дашрамд хэлэхэд, бидний гайхалтай матери бол эсрэг бодис биш бөгөөд масс нь эерэг гэж тооцогддог. Жишээлбэл, орчин үеийн санаагаар бол эсрэг бодисоор бүтээгдсэн “Эсрэг дэлхий” нь манай гарагтай яг ижил тойрог замд нарыг тойрон эргэдэг.

Энэ бүхэн бараг ойлгомжтой байх. Гэхдээ дараа нь гайхалтай зүйл эхэлдэг.

Үүнтэй ижил таталцлыг авч үзье. Хэрэв хоёр энгийн бие татагдаж, ойртож, хоёр массын эсрэг түлхэж, тараагдах юм бол өөр өөр тэмдгийн массуудын таталцлын харилцан үйлчлэлийн үед юу болох вэ?

Үүнийг хамгийн энгийн тохиолдол гэж үзье: сөрөг масстай матераас бүтсэн бие (бөмбөг гэж бодъё) -М объектын ард (үүнийг "пуужин" гэж нэрлэе - яагаад гэдгийг одоо олж мэдэх болно) тэнцүү эерэг масстай. +М. Бөмбөгний таталцлын талбар нь пуужинг түлхэж, харин өөрөө бөмбөгийг татдаг нь тодорхой байна. Гэхдээ эндээс (энэ нь дахин баттай нотлогдсон) бүхэл бүтэн систем нь хоёр массын төвүүдийг холбосон шулуун шугамын дагуу хөдөлж, тэдгээрийн хоорондын таталцлын харилцан үйлчлэлийн хүчтэй пропорциональ тогтмол хурдатгалтай байх болно!

Мэдээжийн хэрэг, аяндаа, шалтгаангүй хөдөлгөөний энэ дүр зургийг анх харахад зөвхөн нэг л зүйлийг "нотолж байна": бидний анхнаасаа тодорхойлолтонд заасан шинж чанартай антимасс нь зүгээр л оршин тогтнох боломжгүй юм. Эцсийн эцэст бид хамгийн хувиршгүй хуулиудыг бүхэлд нь зөрчсөн мэт санагдаж байсан зүйлийг хүлээн авсан.

За, энд жишээлбэл, импульс хадгалагдах хуулийг илт зөрчиж байгаа юм биш үү? Хоёр бие хоёулаа тодорхой шалтгаангүйгээр нэг чиглэлд яаран гүйдэг боловч эсрэг чиглэлд юу ч хөдөлдөггүй. Гэхдээ массын нэг нь сөрөг гэдгийг санаарай! Гэхдээ энэ нь хурдаас үл хамааран түүний импульс нь хасах тэмдэгтэй байна гэсэн үг юм: (-M)V, дараа нь хоёр биеийн системийн нийт импульс тэг хэвээр байна!

Системийн нийт кинетик энергийн хувьд ч мөн адил. Бие махбодь амарч байх үед энэ нь тэгтэй тэнцүү байна. Гэхдээ тэд хичнээн хурдан хөдөлсөн ч юу ч өөрчлөгдөхгүй: (-M)V 2/2 томъёоны дагуу бөмбөгний сөрөг масс нь сөрөг кинетик энергийг хуримтлуулдаг бөгөөд энэ нь эерэг энергийн өсөлтийг яг нөхдөг. пуужин.

Хэрэв энэ бүхэн утгагүй мэт санагдаж байвал бид үүнийг "шаантагтай хамт цохиж" магадгүй - нэг утгагүй зүйлийг нөгөөгөөр нь батлахыг хичээцгээе? Зургаадугаар ангиасаа бид тэнцүү цэгийн массын төв (мэдээж эерэг) тэдгээрийн дунд байрладаг гэдгийг мэддэг болсон. Тэгэхээр - дараагийн дүгнэлт танд хэр таалагдаж байна вэ? ӨӨР ТЭМГЭЭтэй тэнцүү цэгийн массын төв нь тэдгээрийг дайран өнгөрдөг шулуун шугам дээр байгаа боловч дотор нь биш, харин тэдгээрийг холбосон сегментийн ГАДНА ±Ґ цэгт оршдог?!

За, энэ нь илүү хялбар болов уу?

Дашрамд хэлэхэд, энэ дүгнэлт нь аль хэдийн нэлээд энгийн бөгөөд хэрэв хүсвэл хэн ч үүнийг давтаж болно, физикийн хичээлийг зургадугаар ангийн түвшинд мэддэг.

Түүний үгийг хүлээж авдаггүй бөгөөд бүх тооцоо зөв эсэхийг шалгахыг хүссэн хэн бүхэн энэ сэдвээр хамгийн сүүлийн үеийн хэвлэлүүдийн нэг болох Америкийн физикч Р.Форвардын хэвлэгдсэн “Сөрөг массын материйн пуужингийн хөдөлгүүр” нийтлэлийг үзэж болно. 1990 оны 4-р орчуулсан "Аеро сансрын инженерчлэл" сэтгүүлд.

Гэхдээ боловсронгуй уншигч өөрт нь "линден" хаашаа гулссаныг ямар ч тооцоогүйгээр ойлгосон гэж бодож байгаа болов уу? Үнэн хэрэгтээ, эдгээр бүх гоёмсог маргаануудын дунд асуулт чимээгүй байна: ийм гайхалтай масс хаанаас ирсэн бэ? Эцсийн эцэст, гарал үүсэл нь ямар ч байсан эрчим хүчийг түүнийг "олборлох", "үйлдвэрлэх" эсвэл жишээлбэл, үйл явдлын газар хүргэхэд зарцуулах шаардлагатай болно, энэ нь ...

Харамсалтай нь, туршлагатай уншигч! Мэдээжийн хэрэг эрчим хүч хэрэгтэй болно, гэхдээ дахин сөрөг. Хийх зүйл алга: Эйнштейний биеийн нийт энергийн E = Mc 2 томъёонд бидний гайхалтай масс ижил хасах тэмдэгтэй хэвээр байна. Энэ нь ТЭГШ масстай ӨӨР Тэмдэгтэй хос биеийг “хийхэд” нийт ТЭГ энерги шаардагдана гэсэн үг. Хүргэлт болон бусад аливаа заль мэхэнд мөн адил хамаарна.

Эдгээр бүх үр дүн хэчнээн парадоксик байсан ч эсрэг масс байгаа нь зөвхөн Ньютоны механик төдийгүй харьцангуйн ерөнхий онолтой зөрчилддөггүй гэдгийг хатуу дүгнэлтүүд баталж байна. Түүний оршин тогтнох талаар ямар нэгэн логик хоригийг олох боломжгүй байв.

Хэрэв онол "зөвшөөрөгдсөн" бол жишээ нь нэмэх, хасах масстай ижил хоёр материйн бөөмс бие махбодтой харьцах үед юу тохиолдож болохыг бодъё? "Ердийн" антиматерийн хувьд бүх зүйл тодорхой байна: хоёр биений бүрэн энерги ялгарснаар устах болно. Харин хоёр тэнцүү массын аль нэг нь сөрөг байвал бидний сая ойлгосноор тэдний нийт энерги тэг болно. Гэвч бодит байдал дээр тэдэнд юу тохиолдох вэ гэдэг нь онолын хязгаараас давсан асуудал юм.

Ийм үйл явдлын үр дүнг зөвхөн туршлагаар л мэдэж болно. Үүнийг "тооцоолох" боломжгүй - эцэст нь бид сөрөг массын "үйл ажиллагааны механизм", түүний "дотоод бүтэц" -ийн талаар ямар ч ойлголтгүй (ямар нэгэн байдлаар бид энгийн массын талаар мэдэхгүй). Онолын хувьд нэг зүйл тодорхой байна: ямар ч тохиолдолд системийн нийт энерги тэг хэвээр байх болно. Бид ижил Форвард шиг зөвхөн ТААМАГ дэвшүүлэх эрхтэй. Түүний таамагласнаар энд бие махбодийн харилцан үйлчлэл нь устаж үгүй болоход хүргэдэггүй, харин бөөмсийг "чимээгүй" харилцан устгаж, энерги ялгарахгүйгээр алга болдог.

Гэхдээ бид давтан хэлэхэд зөвхөн туршилт энэ таамаглалыг баталж, үгүйсгэж чадна.

Үүнтэй ижил шалтгаанаар бид сөрөг массыг хэрхэн "хийх" талаар юу ч мэдэхгүй (хэрэв энэ нь боломжтой бол). Онол нь зөвхөн хоёр тэнцүү масс эсрэг тэсрэг тэмдгүүд нь зарчмын хувьд ямар ч эрчим хүчний зарцуулалтгүйгээр үүсч болно гэж заасан. Ийм хос бие гарч ирэнгүүт тэр чигээрээ хурдассаар хязгааргүйд хүрэх болно...

Р.Форвард нийтлэлдээ бидний тогтоосон ямар ч хурдатгалд биднийг орчлон ертөнцийн аль ч цэгт хүргэж чадах сөрөг массын хөдөлгүүрийг аль хэдийн "зохион бүтээжээ". Үүний тулд танд хэрэгтэй бүх зүйл бол ... хос сайн пүрш ("хасах масс"-ийн уян харимхай хүчээр хэвийн нэгтэй бүх харилцан үйлчлэлийг мэдээжийн хэрэг мөн нарийвчлан тооцсон болно).

Тиймээс, пуужингийн масстай тэнцэх хэмжээний гайхалтай массаа түүний "хөдөлгүүрийн тасалгааны" голд байрлуулцгаая. Хэрэв та урагшаа нисэх шаардлагатай бол арын хананаас хаварыг сунгаж, сөрөг масстай биед залгана. Тэр даруй "гаж" инерцийн шинж чанараараа татагдаж байгаа газар руугаа биш, харин яг эсрэг чиглэлд гүйж, пүршний хурцадмал хүчинтэй пропорциональ хурдатгалтайгаар пуужинг чирнэ.

Хурдалтыг зогсоохын тулд пүршийг зүгээр л салга. Усан онгоцыг удаашруулж, зогсоохын тулд та хөдөлгүүрийн тасалгааны урд хананд бэхлэгдсэн хоёр дахь булаг ашиглах хэрэгтэй.

Гэсэн хэдий ч "үнэгүй хөдөлгүүр" -ийг хэсэгчлэн үгүйсгэж байна! Энэ нь огт санаанд оромгүй чиглэлээс ирдэг нь үнэн. Гэхдээ төгсгөлд энэ талаар илүү ихийг хэлье.

Энэ хооронд их хэмжээний сөрөг масс байж болох газруудыг хайцгаая. Ийм газруудыг орчлон ертөнц дэх галактикуудын тархалтын том хэмжээний гурван хэмжээст газрын зураг дээр илрүүлсэн аварга том хоосон зайг санал болгож байна - энэ нь өөрөө хамгийн сонирхолтой үзэгдэл юм. Зураг дээрээс харж болно. 2-т "хөөс" гэж нэрлэдэг эдгээр хөндийн хэмжээ нь 100 сая гэрлийн жил (харин манай Галактикийн хэмжээ 0.06 сая гэрлийн жил) юм. Тиймээс, хамгийн том масштабаар Орчлон ертөнц "хөөстэй" бүтэцтэй байдаг.

Бөмбөлөгүүдийн хил хязгаар нь олон тооны галактикуудын бөөгнөрөлөөр тодорхой тэмдэглэгдсэн байдаг. Бөмбөлөг дотор тэдгээр нь бараг байдаггүй бөгөөд хэрэв тэдгээр нь тэнд тохиолдвол эдгээр нь маш ер бусын объект юм. Эдгээр нь хүчтэй өндөр давтамжийн цацрагийн спектрээр тодорхойлогддог. Одоо бөмбөлгүүдэд "бүтэлгүйтсэн" галактикууд эсвэл энгийн устөрөгчийн хийн үүлүүд байдаг гэж үздэг.

Гэхдээ Орчлон ертөнцийн "хөөсрөх" бүтэц нь сөрөг ба эерэг масстай ижил тооны бөөмсөөс үүссэний үр дүнд бий болсон гэж үзэх боломжгүй гэж үү? Энэ тайлбараас харахад маш сэтгэл татам үр дагавар нь мэдээжийн хэрэг: Орчлон ертөнцийн нийт масс үргэлж тэгтэй тэнцүү байсан бөгөөд хэвээр байна. Дараа нь бөмбөлөгүүд нь хасах масстай байгалийн газар бөгөөд тэдгээрийн хэсгүүд нь аль болох хол зайд шилжих хандлагатай байдаг. Мөн эерэг масс нь бөмбөлгүүдийн гадаргуу руу түлхэгдэж, таталцлын нөлөөн дор галактик, оддыг үүсгэдэг. 1971 онд "Известия их сургуулиудын" сэтгүүлийн 11-р дугаарт нийтлэгдсэн А.А.Барановын нийтлэлийг энд эргэн дурсъя. Физик". Энэ нь хоёр тэмдгийн масстай бөөмс бүхий орчлон ертөнцийн сансар судлалын загварыг авч үздэг. Зохиогч энэ загварыг ашиглан сансар судлалын тогтмол болон Хабблын улаан шилжилтийн туршилтын тооцоо, түүнчлэн харилцан үйлчлэлцдэг галактикуудад ажиглагдсан зарим хэвийн бус үзэгдлүүдийг тайлбарлав.

Их хэмжээний сөрөг массын өөр нэг шинж тэмдэг бол орчлон ертөнцийн том хэмжээний бүтцэд маш хурдан "гүйдэл" байгаа явдал юм. Ийнхүү манай Галактикийг агуулсан супер бөөгнөрөл нь сансрын богино долгионы цацрагийн арын дэвсгэртэй харьцуулахад 600 км/с хурдтайгаар "урсдаг". Энэ хурд нь хүйтэн харанхуй бодисоос галактик үүсэх онолын хүрээнд тохирохгүй байна. Р.Форвард сөрөг масс агуулсан бөмбөлгүүдээс хэт бөөгнөрөлүүдийн хамтын түлхэлтийг харгалзан энэ үзэгдлийг тайлбарлахыг оролдохыг санал болгож байна.

Тиймээс сөрөг бодис зөвхөн салж болно. Гэхдээ энэ нь хэлэлцсэн олон дүгнэлтийг хэсэгчлэн үгүйсгэж байгаа юм. Эцсийн эцэст, ямар ч шинж чанараас үл хамааран материйн хэсгүүдийн таталцлын түлхэлтийн шинж чанар нь эдгээр бөөмсүүд таталцлын хүчний нөлөөн дор нэгдэж чадахгүйд хүргэдэг. Түүнээс гадна: аливаа хүчний нөлөөн дор сөрөг масстай бөөм нь энэ хүчний векторын эсрэг чиглэлд хөдөлдөг тул ердийн атом хоорондын харилцан үйлчлэл нь ийм бөөмсийг "хэвийн" биетэй холбож чадахгүй.

Гэхдээ уншигчид эдгээр бүх хэлэлцүүлгээс таашаал авсан хэвээр байгаа гэдэгт найдаж байна ...

АНУ-ын эрдэмтэд сөрөг масстай бодисыг лабораторийн нөхцөлд бүтээсэн гэж мэдэгджээ. Энэ бодис нь маш ер бусын шинж чанартай шингэн юм. Жишээлбэл, хэрэв та энэ шингэнийг түлхэх юм бол энэ нь сөрөг хурдатгал авах болно, өөрөөр хэлбэл урагш биш харин буцаж ирнэ. Ийм хачирхалтай байдал нь эрдэмтэд хар нүх, нейтрон од гэх мэт хачирхалтай биетүүдийн дотор юу болдог талаар ихийг хэлж чадна.
Гэсэн хэдий ч ямар нэг зүйл сөрөг масстай байж болох уу? Энэ боломжтой юу?

Онолын хувьд цахилгаан цэнэг сөрөг эсвэл эерэг хэмжээтэй байж болохын нэгэн адил матери сөрөг масстай байх боломжтой.

Энэ нь цаасан дээр ажилладаг боловч сөрөг масстай аливаа зүйл оршин тогтнох гэсэн таамаглал нь физикийн үндсэн хуулийг зөрчиж байгаа эсэх талаар шинжлэх ухааны ертөнцөд ширүүн маргаан өрнөж байна. Жирийн хүмүүсийн хувьд энэ ойлголтыг ойлгоход дэндүү хэцүү санагддаг.

Механик хөдөлгөөний дифференциал хууль буюу энгийнээр хэлбэл Ньютоны хоёрдугаар хуулийг A=F/M томъёогоор илэрхийлнэ. Өөрөөр хэлбэл, биеийн хурдатгал нь түүнд үзүүлэх хүчийг биеийн масстай харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна. Хэрэв та сөрөг массын утгыг тогтоовол бие нь логикийн хувьд сөрөг хурдатгал авах болно. Та төсөөлөөд үз дээ, та бөмбөгийг цохиход тэр бөмбөг таны хөл дээр эргэлддэг.

Гэсэн хэдий ч бидэнд харь мэт санагдаж байгаа зүйл нь боломжгүй зүйл байх албагүй бөгөөд дээрх онолын дасгалууд нь харьцангуй ерөнхий онолыг зөрчихгүйгээр манай Орчлонд сөрөг масс оршин тогтнох боломжтойг хамгийн сайн нотолж байна.

Энэ бүхнийг ойлгох хүсэл нь судлаачдын лабораторид сөрөг массыг сэргээх идэвхтэй оролдлогыг өдөөсөн бөгөөд бидний харж байгаагаар зарим амжилтанд хүрсэн ч гэсэн.

Вашингтоны их сургуулийн эрдэмтэд сөрөг масстай биетийн ажиллах ёстой шиг ажиллах шингэнийг олж авч чадсан гэж мэдэгджээ. Тэдний нээлтийг эцэст нь орчлон ертөнцийн гүн дэх зарим хачирхалтай үзэгдлүүдийг судлахад ашиглаж болно.

Эрдэмтэд энэхүү хачирхалтай шингэнийг бий болгохын тулд лазерын тусламжтайгаар рубиди атомыг үнэмлэхүй тэг хүртэл хөргөж, Бозе-Эйнштейний конденсат гэж нэрлэдэг.

Энэ төлөвт бөөмс нь сонгодог физик гэхээсээ илүү квант механикийн хачирхалтай зарчмуудыг дагаж, гайхалтай удаан, ер бусын хөдөлж, өөрөөр хэлбэл долгион шиг аашилж эхэлдэг.

Мөн бөөмс нь синхрончлолд орж, нэгэн зэрэг хөдөлж, үрэлтэд энерги алдахгүйгээр хөдөлж чадах хэт шингэн бодис үүсгэдэг.
Эрдэмтэд лазерын тусламжтайгаар бага температурт хэт шингэн шингэн үүсгэж, 100 микроноос бага хэмжээтэй аяга хэлбэртэй талбайд байрлуулжээ.

Суперматер энэ орон зайд байрласан хэвээр байсан ч энэ нь энгийн масстай бөгөөд Бозе-Эйнштейний конденсат гэсэн ойлголттой бүрэн нийцэж байв. Түүнийг албадан нүүх хүртэл.

Эрдэмтэд хоёр дахь багц лазерыг ашиглан атомуудыг нааш цааш хөдөлгөж, улмаар эргэлт нь өөрчлөгдөж, рубиди нь "аяга" хаалтыг нэвтлэн, хурдан цацагдахад хүргэсэн. Гэсэн хэдий ч энэ нь сөрөг масстай байсан юм шиг байсан. Эрдэмтдийн үзэж байгаагаар шингэн нь үл үзэгдэх саадтай тулгараад, түүнээс холдуулсан гэсэн сэтгэгдэл төржээ.

Ийнхүү судлаачид сөрөг масс байдаг гэсэн таамаглалыг баталсан боловч энэ нь зөвхөн аялалын эхлэл юм. Лабораторийн нөхцөлд шингэний шинж чанар нь сөрөг массын талаархи зарим таамаглалыг шалгахад хангалттай, давтагдах боломжтой бөгөөд найдвартай гэдгийг харах хэрэгтэй. Тиймээс, бусад багууд өөрсдөө үр дүнг давтах хэрэгтэй.

Нэг зүйл бол физикийн хичээл улам бүр сонирхолтой болж, сонирхох нь зүйтэй юм.

Яагаад цаг хугацаа зөвхөн урагш урсдаг вэ? Рэй Каммингс 1922 онд бичсэн шинжлэх ухааны зөгнөлт зохиолдоо "Цаг хугацаа бол бүх зүйл нэг дор болохоос сэргийлдэг" гэж физикчид тайлбарлав.
Хорхойн нүх, өтний нүх, цаг хугацааны аялал Хорхойн нүх гэдэг нь орон зай-цаг хугацаанд дамжин өнгөрөх онолын хувьд орчлон ертөнц даяар холын зайн аяллыг богиносгож, богино зам үүсгэн...

Сансрын цаг хугацааны таамагласан өтний нүх

Вашингтоны их сургуулийн лабораторид 0.001 мм³-ээс бага эзэлхүүнтэй Бозе-Эйнштейний конденсат үүсэх нөхцлийг бүрдүүлсэн. Бөөмүүдийг лазераар удаашруулж, хамгийн эрч хүчтэй нь эзэлхүүнийг орхих хүртэл хүлээсэн бөгөөд энэ нь материалыг илүү хөргөнө. Энэ үе шатанд суперкритик шингэн эерэг масстай хэвээр байна. Хэрэв савны битүүмжлэл эвдэрсэн бол рубиди атомууд өөр өөр чиглэлд нисэн оддог, учир нь төв атомууд хамгийн гадна талын атомуудыг түлхэж, тэдгээр нь үйлчлэх хүчний чиглэлд хурдасдаг.

Сөрөг үр дүнтэй массыг бий болгохын тулд физикчид зарим атомын эргэлтийг өөрчилсөн өөр нэг лазерыг ашигласан. Симуляцийн таамаглаж байгаагаар хөлөг онгоцны тодорхой хэсэгт бөөмс сөрөг масстай байх ёстой. Үүнийг загварчлалын (доод диаграммд) цаг хугацааны функцээр бодисын нягтын огцом өсөлтөөс тодорхой харж болно.

Зураг 1. Янз бүрийн нэгдлийн хүчний коэффициент бүхий Бозе-Эйнштейний конденсатын анизотроп тэлэлт. Туршилтын бодит үр дүнг улаан өнгөөр, симуляцийн таамаглалын үр дүнг хар өнгөөр харуулав.

Доод диаграмм нь 1-р зургийн доод эгнээний дунд хүрээний ойрын зураг юм.

Доод диаграмм нь динамик тогтворгүй байдал анх үүссэн бүс нутгийн цаг хугацааны функцээр нийт нягтын нэг хэмжээст загварчлалыг харуулж байна. Тасалсан шугамууд нь үр дүнтэй масс сөрөг болж эхлэх бараг мөчид хурдтай гурван бүлэг атомыг тусгаарладаг (дээд шугам). Хамгийн бага сөрөг үр дүнтэй массын цэг (дунд) ба масс эерэг утга руу буцах цэгийг (доод шугам) үзүүлэв. Улаан цэгүүд нь сөрөг үр дүнтэй массын бүсэд орон нутгийн бараг эргэлтийн момент байрладаг газруудыг заана.

Графикуудын хамгийн эхний эгнээ нь физик туршилтын явцад бодис нь сөрөг үр дүнтэй масстай бөөмсийн харагдах байдлыг урьдчилан таамагласан симуляцийн үр дүнтэй яг тохирч байгааг харуулж байна.

Бозе-Эйнштейний конденсат дахь бөөмс нь долгион шиг ажилладаг тул эерэг үр дүнтэй масстай хэвийн бөөмс тархах ёстой чиглэлд тархдаггүй.

Шударга байхын тулд физикчид сөрөг массын шинж чанарууд гарч ирэх үед туршилтын үр дүнг олон удаа бүртгэж байсан гэж хэлэх ёстой, гэхдээ эдгээр туршилтыг янз бүрийн аргаар тайлбарлаж болно. Одоо тодорхойгүй байдал үндсэндээ арилсан.

2017 оны 4-р сарын 10-нд сэтгүүлд нийтлэгдсэн шинжлэх ухааны нийтлэл Физик тойм захидал(doi: 10.1103/PhysRevLett.118.155301, захиалгаар авах боломжтой). Сэтгүүлд оруулахаас өмнө нийтлэлийн хуулбарыг 2016 оны 12-р сарын 13-нд arXiv.org (arXiv:1612.04055) вэбсайтад чөлөөтэй байршуулсан.

Вашингтоны их сургуулийн физикчид сөрөг масстай шингэнийг бүтээжээ. Үүнийг түлхэж, бидний мэддэг дэлхийн бүх биетүүдээс ялгаатай нь энэ нь түлхэлтийн чиглэлд хурдасахгүй. Энэ нь эсрэг чиглэлд хурдасгах болно. Энэ үзэгдлийг лабораторийн нөхцөлд бий болгох нь ховор бөгөөд сансар огторгуйн талаарх нарийн төвөгтэй ойлголтуудыг судлахад ашиглаж болно гэж Вашингтоны их сургуулийн физик, одон орон судлалын туслах профессор Майкл Форбс хэлэв. Судалгааг Физик тойм захидалд харуулдаг.

Таамаглалаар бол цахилгаан цэнэг сөрөг эсвэл эерэг байж болохтой адил бодис сөрөг масстай байж болно. Хүмүүс энэ талаар бараг боддоггүй бөгөөд бидний өдөр тутмын ертөнц Исаак Ньютоны "Хөдөлгөөний хоёр дахь хууль"-ийн эерэг талуудыг л харуулдаг бөгөөд энэ нь биед үйлчилж буй хүч нь биеийн масс ба энэ хүчнээс үүссэн хурдатгалын үржвэртэй тэнцүү гэж заасан байдаг. , эсвэл F = ma.

Өөрөөр хэлбэл, хэрэв та объектыг түлхэх юм бол энэ нь таны түлхэх чиглэлд хурдасна. Масс нь түүнийг хүчний чиглэлд хурдасгах болно.

"Бид ийм байдалд дассан" гэж Форбс гэнэтийн зүйлийг хүлээж байна. "Сөрөг масстай, хэрэв та ямар нэг зүйлийг түлхэх юм бол тэр таны зүг хурдлах болно."

Сөрөг масстай байх нөхцөл

Тэрээр хамтран ажиллагсадтайгаа хамт рубиди атомыг бараг үнэмлэхүй тэг хүртэл хөргөж, улмаар Бозе-Эйнштейний конденсатыг бий болгосноор сөрөг масс үүсэх нөхцлийг бүрдүүлсэн. Шатиендранат Бозе, Альберт Эйнштейн нарын таамагласан энэ төлөвт бөөмс маш удаан хөдөлж, квант механикийн зарчмуудыг дагаж долгион мэт ажилладаг. Тэд мөн синхрончлолд орж, эрчим хүчээ алдалгүй урсдаг хэт шингэн шингэн шиг нэгэн зэрэг хөдөлдөг.

Вашингтоны их сургуулийн физик, одон орон судлалын профессор Питер Энгельсийн удирдсан Вебстер Холлын 6 давхарт байрлах эрдэмтэд лазер ашиглан бөөмсийг удаашруулж, хөргөж, халуун, өндөр энергитэй бөөмсийг гадагшлуулах боломжийг олгосон. уур, материалыг цаашид хөргөх.

Лазерууд атомуудыг зуу микроноос бага хэмжээтэй аяганд байгаа юм шиг барьж авсан. Энэ үе шатанд хэт шингэн рубидиум хэвийн масстай байв. Савны хагарал нь рубидиумыг гадагшлуулах боломжийг олгож, голд байрлах рубидиумыг гадагш түлхэхэд өргөжиж байв.

Эрдэмтэд сөрөг масс үүсгэхийн тулд атомуудыг нааш цааш түлхэж, эргэлтийг нь өөрчилдөг лазерын хоёр дахь багцыг ашигласан. Одоо рубидиум хангалттай хурдан дуусах үед сөрөг масстай юм шиг аашилдаг. "Түлхвэл эсрэг чиглэлд хурдлах болно" гэж Форбс хэлэв. "Рубидиум үл үзэгдэх ханыг мөргөж байгаа юм шиг байна."

Гол согогийг арилгах

Вашингтоны их сургуулийн эрдэмтдийн хэрэглэж байсан арга нь сөрөг массыг ойлгох өмнөх оролдлогуудаас олдсон томоохон алдаанаас зайлсхийсэн.

"Бидний хамгийн түрүүнд ойлгосон зүйл бол энэ сөрөг массын шинж чанарыг өөр ямар ч хүндрэлгүйгээр сайтар хянаж байсан" гэж Форбс хэлэв. Тэдний судалгаагаар сөрөг массын үүднээс бусад систем дэх ижил төстэй зан үйлийг аль хэдийн тайлбарлав. Нэмэлт хяналт нь судлаачдад нейтрон од зэрэг астрофизикийн ижил төстэй физик, хар нүх, харанхуй энерги гэх мэт сансар судлалын үзэгдлүүдийг судлах туршилтыг зохион бүтээх шинэ хэрэгслийг өгдөг бөгөөд туршилт хийх боломжгүй байдаг.

Их Британийн астрофизикч Жэйми Фарнес орчлон ертөнцийн хувьслын туршид сөрөг масс тогтмол хурдтайгаар үүсдэг сансар судлалын загварыг санал болгов. Энэхүү загвар нь материйн мөн чанарын талаарх нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн үзэл бодолтой зөрчилдөж байгаа боловч ихэвчлэн харанхуй бодис, харанхуй энергитэй холбоотой байдаг ихэнх нөлөөллийг, тухайлбал, орчлон ертөнцийн тэлэлт, том хэмжээний бүтэц үүсэхийг сайн тайлбарладаг. орчлон ертөнц ба галактикийн гэрэлт цагираг, галактикуудын эргэлтийн муруй, сансрын бичил долгионы арын цацрагийн ажиглагдсан спектр. Нийтлэгдсэн нийтлэл Одон орон ба астрофизик, уг бүтээлийн урьдчилсан хэвлэлийг arXiv.org сайтад нийтэлсэн.

Одоогийн байдлаар ихэнх сансар судлаачид орчлон ертөнцийн хувьслыг ΛCDM загвараар дүрсэлсэн гэж үздэг. Энэ загвараар орчлон ертөнцийн массын 70 орчим хувь нь харанхуй энерги, 25 хувь нь хүйтэн харанхуй матери (өөрөөр хэлбэл бөөмс нь удаан хөдөлдөг бодис), үлдсэн 5 хувь нь л танил барионы материалаас бүрддэг. Эрдэмтэд сансрын бичил долгионы дэвсгэр цацрагийн хэв маягийн гармоникийг шинжлэх замаар эдгээр хамаарлыг тодорхойлсон. Энэ ажилд гол хувь нэмэр оруулсан WMAP болон Планк хиймэл дагуулуудын тухай Борис Стернийн нийтлэлээс Орчлон ертөнцийн "бүрэлдэхүүн" -ийг хэмжих талаар илүү ихийг уншиж болно.

Харамсалтай нь эрдэмтэд харанхуй матери болон харанхуй энергийн талаар муу ойлголттой байдаг. Хэд хэдэн онолын загвараар (жишээ нь, SUSY) таамагласан харанхуй материйн бөөмсийг хайх хэт нарийн туршилтуудын аль нь ч эерэг үр дүнд хүрээгүй. Одоогийн байдлаар 6-аас 200 мегаэлектронвольт хүртэлх масстай энгийн бөөмс ба "харанхуй" бөөмсийн тархалтын хөндлөн огтлол нь 10-47 квадрат см хэмжээтэй байгаа нь энэ массын муж дахь бөөмсийг бараг хасч, физикчдийг өөр онол боловсруулахад хүргэж байна. Гэсэн хэдий ч харанхуй бодис нь таталцлын харилцан үйлчлэлээр илэрч, галактикуудын эргэлтийн муруй, зургийг өөрчилсөөр байгаа тул эрдэмтэд энэ таамаглалыг үгүйсгэдэг.

Хар энергитэй бол бүр ч дор. Сансар огторгуйн бичил долгионы цацрагийн шинжилгээнээс үл хамааран түүний оршин тогтнохыг шууд баталж буй цорын ганц ажиглалт бол орчлон ертөнцийн хурдацтай тэлэлт юм (шууд бусаар хар энерги нь ажиглагдаж буй орчлон дахь химийн элементүүдийн харьцаагаар нотлогддог). Түүгээр ч барахгүй физикчид хар энерги гэж юу болох талаар бага ойлголттой байдаг суурь түвшин . Мэдээж, чанарын хувьд-д сансар судлалын тогтмол (ламбда нэр томъёо) ашиглан тайлбарлаж болох боловч энэ арга нь шинэ мэдлэг өгөхгүй бөгөөд үүнийг тогтоох боломжийг бидэнд олгодоггүй. юунаас бүрдэх вэхар энерги. Эйнштейн сөрөг масстай бөөмсийг ашиглан ийм нэмэлтүүдийг тайлбарласан - энэ хандлагад хөдөлгөөний тэгшитгэл нь электродинамикийн тэгшитгэлтэй адил тэгш хэмтэй болж, ламбда нэр томъёо нь ямар ч физик утгыг агуулдаггүй интегралын тогтмол хэлбэрээр гарч ирдэг.

Сөрөг масстай бодис нь хүчний эсрэг чиглэлд хурдасдаг бодис юм. Сөрөг масстай бөөмс эерэг ба сөрөг масстай бөөмсийг түлхэж, харин "эерэг" бөөмс нь "сөрөг" бөөмсийг татдаг. Харамсалтай нь, ΛCDM загварын хүрээнд харанхуй энергийг дүрсэлсэн энэ арга бүтэлгүйтэх нь тодорхой. Ертөнцийг тэлэх явцад янз бүрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нягтрал өөр өөр хуулиудын дагуу өөрчлөгддөг: хүйтэн бодисын нягтрал буурч, харанхуй энергийн нягт тогтмол хэвээр байна. Тиймээс сөрөг масстай, хар энергитэй бодисыг тодорхойлох боломжгүй юм.

Сөрөг масстай бөөмсийн харилцан үйлчлэл: хар сум нь хүчийг, улаан сум нь хурдатгалыг заана.

Жэйми Фарнес / Одон орон ба астрофизик

Эерэг ба сөрөг масстай бөөмсийн харилцан үйлчлэл: хар сум нь хүчийг, улаан сум нь хурдатгалыг заана.

Жэйми Фарнес / Одон орон ба астрофизик

Эерэг масстай бөөмсийн харилцан үйлчлэл: хар сум нь хүчийг, улаан сум нь хурдатгалыг заана.

Жэйми Фарнес / Одон орон ба астрофизик

Гэсэн хэдий ч астрофизикч Жэйми Фарнес Эйнштейний санааг ажиглалтын өгөгдөлтэй холбож чадсан гэж мэдэгджээ. Үүнийг хийхийн тулд тэрээр сөрөг массын санааг орчлон ертөнцийн хэмжээнд тасралтгүй, жигд үйлдвэрлэх өөр нэг эсрэг санаатай хослуулсан. Энэ санаа нь шинэ зүйл биш юм;

Онолын хувьд ийм үйл явц нь хүчтэй таталцлын талбайн дэвсгэр дээр (жишээлбэл, улмаас) тохиолдож болно. Эерэг массын стандарт эрчим хүчний импульсийн тензорын ижил төстэй нэмэлтүүдийг харгалзан физикч Фридманы тэгшитгэлийг бичиж, шийдэж, дараа нь энэ загварт Орчлон ертөнц тэлэх хуулийг тооцоолсон. Эрдэмтэд ердийн хар матери болон харанхуй энергийн хувь нэмрийг тооцоогүй. Үүний үр дүнд сөрөг массыг тогтмол хурдтайгаар Γ = -3 үйлдвэрлэвэл мэдэгдэж буй хуулиудыг дахин гаргах болно. Х, Хаана Хнь Хаббл тогтмол юм. Энэ тохиолдолд тэлэлтийн үед сөрөг массын нягт нь тогтмол хэвээр байх бөгөөд энэ нь сансар судлалын тогтмолыг үр дүнтэй дуурайна. Энэ тохиолдолд орчлон ертөнцийн тэлэлтийн хурд ба ашиглалтын хугацаа нь ΛCDM загвартай адил байна.

Дараа нь астрофизикч сөрөг масс хэрхэн жижиг масштабаар илэрдэг болохыг тооцоолсон. Үүний тулд тэрээр өөрийн загвартаа эерэг болон сөрөг масстай олон тооны бөөмсийн харилцан үйлчлэлийг загварчилсан. Одоо байгаа бүх астрофизикийн багцууд ийм ер бусын өөрчлөлтийг харгалздаггүй тул Фарнес өөрийн хөтөлбөрийг боловсруулах шаардлагатай болсон. Тооцооллын явцад ойролцоогоор тооцооллоос зайлсхийхийн тулд судлаач бөөмс бүрийн координат ба хурдыг цаг мөч бүрт тооцоолсон бөгөөд энэ нь тооцооллын нөөцөд тавих програмын шаардлага тоон квадратын тоогоор өссөн хэдий ч таамаглалын найдвартай байдлыг нэмэгдүүлэх боломжтой болсон. тоосонцор. Ялангуяа үүнээс болж эрдэмтэн 50 мянган бөөмсийг загварчлахаар хязгаарлагдахаас өөр аргагүй болжээ.

Боловсруулсан программыг ашиглан Фарнес харанхуй бодистой холбоотой хэд хэдэн нөлөөг олж харсан. Эхлээд тэрээр сөрөг масстай бөөмсийн "далай"-д живсэн эерэг масстай бөөмсийн нягт бүлгийн хувьслын загварчилсан. Ийм систем нь "сөрөг" тоосонцор "эерэг" хэсгүүдээс ихээхэн давамгайлж байх үед орчлон ертөнцийн тэлэлтийн хожуу үе шатанд галактикуудын хувьслыг чанарын хувьд дүрслэх ёстой. Энэ асуудалд эрдэмтэн "эерэг" бөөмсийн тоог сонгосон Н+ = 5000, сөрөг тоо Н− = 45000. Үүний үр дүнд тэрээр ажиглалтын өгөгдөлтэй сайн тохирч буй нягтын тархалтыг олж авсан - бөөмийн нягт нь галактикийн төвд ойртох тусам аажмаар нэмэгдэж, Буркертын профильтай давхцдаг. Энэ нь ΛCDM загварт тохиолддог cuspy halo асуудлыг шийддэг.

Сөрөг материйн "далайд" живсэн эерэг материйн "галактик"-ийн хувьсал

Жэйми Фарнес / Одон орон ба астрофизик

Галактикийн массын профайлыг Фарнес (цэнхэр) тооцоолж, практик дээр ажигласан (ягаан тасархай шугам)

Жэйми Фарнес / Одон орон ба астрофизик

Хоёрдугаарт, ижил анхны өгөгдлөөр эрдэмтэн галактикийн эргэлтийн муруйг тооцоолж, энэ нь ажиглалтын өгөгдөлтэй сайн давхцаж байгааг олж мэдэв. Цэвэр "эерэг" бөөмс бүхий загварт галактикийн ирмэг дэх бодис төвөөсөө удаан хөдөлдөг бол "сөрөг" бөөмс давамгайлсан загварт хурд ойролцоогоор тогтмол байна.

Сөрөг материйн (улаан) болон "чөлөөт" галактикийн (хар) "далай"-д дүрэгдсэн галактикийн эргэлтийн муруй.

Жэйми Фарнес / Одон орон ба астрофизик

Гуравдугаарт, Фарнес түүний загварт орчлон ертөнцийн судалтай том бүтэц байгалийн жамаар бий болдгийг харуулсан: галактикууд бөөгнөрөл, бөөгнөрөл нь супер бөөгнөрөл, супер бөөгнөрөл нь гинж, хана болж нэгддэг. Үүний тулд тэрээр ижил тооны "эерэг" болон "сөрөг" бөөмсийг агуулсан системийн хувьслыг тооцоолсон. Боломжтой тооцоолох хүчин чадал хязгаарлагдмал тул эрдэмтэн хоёр төрлийн бөөмсийн тоог гаргажээ Н + = Н− = 25000. Өмнөх тохиолдлын нэгэн адил “сөрөг” бөөмс нь энгийн материйн бөөмсийг хүрээлж, гэрэлт цагираг үүсгэдэг байсан бол энэ удаад судлаач ажиглагдаж болох Орчлон ертөнцийн бүтэцтэй төстэй илүү том масштабын хэв маягийг ялгаж чадсан юм.

Загварчлалын эхэнд орчлон ертөнцийн нэгэн төрлийн бүтэц

Жэйми Фарнес / Одон орон ба астрофизик

Практикт бүртгүүлсэн. Харамсалтай нь тэрээр 50,000 ширхэгтэй симуляци хийхдээ энэ нөлөөг олж харж чадаагүй юм. Гэсэн хэдий ч эрдэмтэн сая бөөмс бүхий том хэмжээний симуляцид ийм процессууд харагдах болно гэж найдаж байгаа бөгөөд тэд шинэ онолыг батлах эсвэл үгүйсгэх болно гэж үзэж байна.

Эцэст нь эрдэмтэн ΛCDM загварт санал болгож буй өөрчлөлт нь бодит ажиглагдаж буй үр нөлөөг хэрхэн гажуудуулж болохыг шалгасан - стандарт лаагаар хэмжигддэг Ертөнцийн тэлэлт, сансрын богино долгионы дэвсгэр, галактикийн кластеруудын нэгдлийн ажиглалт. Эдгээр бүх тохиолдолд астрофизикч түүний таамаглал нь ажиглагдсан өгөгдөлтэй нийцэж байгааг олж мэдэв. Гэсэн хэдий ч маш олон асуулт нээлттэй хэвээр байна - ялангуяа ийм таамаглалыг Стандарт загвартай хэрхэн холбох (Хиггс механизм сөрөг масс үүсгэж чадах уу?), сөрөг масстай бөөмсийг хэрхэн туршилтаар илрүүлэх, мөн тодорхойгүй байна. "сөрөг" бөөмс ба онолын хоорондох зөрчилдөөнийг хэрхэн тайлбарлах вэ. Гэхдээ энэ бүх асуудлыг шинэ загварын хүрээнд шийдвэрлэх боломжтой гэж эрдэмтэн үзэж байна.

Тиймээс сөрөг массыг байнга үйлдвэрлэдэг загвар нь зөвхөн орчлон ертөнцийн ажиглагдаж буй тэлэлтээс гадна түүний том хэмжээний бүтэц, галактикуудын эргэн тойронд харанхуй материйн гэрэлт цагираг, эргэлтийн муруйлт үүсэхийг тайлбарладаг. энерги ба харанхуй бодис. Хачирхалтай нь ийм зөн совингийн хувьд байгалийн бусматерийн талаарх нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн үзэл бодолтой зөрчилдсөн таамаглал нь бүхэлдээ зөвшөөрч байнаажиглалтын өгөгдөлтэй. Түүгээр ч зогсохгүй тэрээр цөөн тооны байгууллагуудыг оролцуулан илүү энгийн байдлаар тайлбарлахыг санал болгож байна. Зохиогч өөрөө төгсгөлд нь бичсэнчлэн, "Хэдийгээр энэ санал нь урвалт, тэрс үзэлтэй боловч эдгээр үзүүлэлтүүдийн сөрөг утгууд нь эерэг гэсэн үндэслэлтэй таамаглалаар үргэлж тайлбарлагддаг сансар судлалын ажиглалтын өгөгдлийг зарчмын хувьд тайлбарлаж болно гэж [энэ нийтлэл] санал болгосон. масс."

Заримдаа физикчид онол ба туршилтын хооронд ажиглагдсан зөрүүг тайлбарлахын тулд нэлээд ер бусын санаануудыг гаргаж ирдэг. Тухайлбал, өнгөрсөн арваннэгдүгээр сард Америкийн онолын физикч Хуман Давудиасл хэт хөнгөн скаляр бөөмөөр зөөгдөж, харанхуй бодисыг дэлхийгээс холдуулдаг шинэ хүчийг нэвтрүүлсэн. Энэхүү таамаглал нь харанхуй бодисыг хайж олох бүх хуурай газрын туршилтуудын бүтэлгүйтлийг маш сайн тайлбарладаг - хэрвээ ийм хүч үнэхээр байдаг бол детекторууд зарчмын хувьд юу ч бүртгэж чадахгүй байв. Харамсалтай нь технологийн хөгжлийн өнөөгийн түвшинд энэ мэдэгдлийг баталгаажуулах боломжгүй юм.

Дмитрий Трунин

Сөрөг масстай бөөмсийг хаанаас олох вэ. Сөрөг массын шинж чанартай бодис бий болсон

Понкрат БОРИСОВ, инженер Сөрөг масс: хязгааргүйд хүрэх үнэгүй аялал

Понкрат БОРИСОВ, инженер
Сөрөг масс: хязгааргүйд хүрэх үнэгүй аялал