Может ли масса быть отрицательной. Учёные продемонстрировали вещество с отрицательной эффективной массой

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).

), даже если эти материалы созданы и относительно хорошо изучены.

Так ещё могут называть материал, созданный из некоторых видов экзотических атомов, в которых роль ядра (положительно заряженной частицы) выполняет позитрон (позитроний) или положительный мюон (мюоний). Имеются также атомы с отрицательным мюоном вместо одного из электронов (мюонный атом).

Отрицательная масса

Видно, что объект с отрицательной инертной массой будет ускоряться в направлении, противоположном тому, в котором его толкнули, что, возможно, покажется странным.

Если изучать инертную массу , пассивную гравитационную массу и активную гравитационную массу отдельно, то закон всемирного тяготения Ньютона примет такой вид:

Таким образом, объекты с отрицательной гравитационной массой (и пассивной, и активной), но с положительной инертной массой, будут отталкиваться положительными активными массами и притягиваться отрицательными активными массами.

Анализ Форварда

Хотя неизвестны частицы с отрицательной массой, физики (первоначально Г. Бонди и Роберт Л. Форвард (англ.) русск. ) смогли описать некоторые из ожидаемых свойств, которыми могут обладать такие частицы. Предполагая, что все три вида масс равны, можно построить систему, где отрицательные массы притягиваются к положительным массам, в то же время положительные массы отталкиваются от отрицательных масс. В то же время отрицательные массы будут создавать силу притяжения друг к другу, но будут при этом отталкиваться из-за своих отрицательных инерциальных масс.

При отрицательном значении и положительном значении , сила будет отрицательной (отталкивающей). На первый взгляд это выглядит так, как будто отрицательная масса будет ускоряться в сторону от положительной массы, но поскольку такой объект будет также обладать отрицательной инерциальной массой, он будет ускоряться в направлении, противоположном . Более того, Бонди показал, что если обе массы равны по абсолютной величине, но отличаются знаком, то общая система положительных и отрицательных частиц будет ускоряться бесконечно без какого-либо дополнительного влияния на систему снаружи.

Это поведение странно в том, что оно абсолютно не сочетается с нашим представлением об «обычной вселенной» из работы с положительными массами. Но оно полностью математически состоятельно и не вводит каких-либо противоречий.

Может сложиться впечатление, что такое представление нарушает закон сохранения импульса и/или энергии , но у нас массы равны по абсолютной величине, одна при этом положительна, а другая отрицательна, а значит, импульс системы равен нулю, если они обе двигаются вместе и ускоряются вместе, независимо от скорости:

И такое же уравнение может быть вычислено для кинетической энергии :

Форвард расширил исследования Бонди на дополнительные случаи и показал, что даже если две массы и не равны по абсолютной величине, то уравнения всё равно остаются непротиворечивыми.

Некоторые свойства, которые вводятся этими предположениями, выглядят необычно, например, в смеси газа из положительной материи и газа из отрицательной материи положительная часть будет увеличивать свою температуру бесконечно. Однако, в таком случае отрицательная часть смеси будет охлаждаться с той же скоростью, тем самым выравнивая баланс. Джеффри А. Лэндис (англ.) русск. отметил другие приложения анализа Форварда , включая указания на то, что хотя частицы с отрицательной массой и будут отталкиваться друг от друга гравитационно, но электрические силы, например, заряды будут притягиваться друг к другу (в отличие от частиц с положительной массой, где такие частицы отталкиваются). В результате для частиц с отрицательной массой это означает, что гравитационные и электростатические силы поменяются местами.

Форвард предложил дизайн для двигателя космических кораблей с использованием отрицательной массы, который не требует притока энергии и рабочего тела , чтобы получить сколь угодно большое ускорение, хотя, конечно, основным препятствием является то, что отрицательная масса остаётся полностью гипотетической. См. diametric drive .

Форвард также ввёл термин «нуллификация» для описания того, что происходит, когда встречаются обычная и отрицательна материя. Ожидается, что они могут взаимно уничтожиться или «обнулить» существование друг друга, причём после этого не останется никакой энергии. Однако легко показать, что некоторый импульс может остаться (его не останется, если они движутся в одном направлении, как описано выше, но им нужно двигаться навстречу друг другу, чтобы встретиться и взаимно обнулиться). Это может, в свою очередь, объяснить, почему равные количества обычной и отрицательной материи не появляются внезапно из ниоткуда (противоположность нуллификации): в этом событии не будет сохранён импульс у каждой из них.

Экзотическая материя в общей теории относительности

В какую сторону падает антиматерия?

Основная статья: Гравитационное взаимодействие антиматерии

Большинство современных физиков полагает, что антиматерия обладает положительной гравитационной массой и должна падать вниз, как и обычная материя. При этом, однако, некоторые исследователи считают, что к настоящему времени нет убедительных экспериментальных подтверждений этому факту . Это связано с трудностью непосредственного исследования гравитационных сил на уровне частиц. На таких малых расстояниях электрические силы берут верх над гораздо более слабым гравитационным взаимодействием. Более того, античастицы должны храниться отдельно от их обычных аналогов, иначе они быстро аннигилируют . Очевидно, что это делает трудным прямое измерение пассивной гравитационной массы антиматерии. Эксперименты над антиматерией ATHENA (англ. ATHENA ) и ATRAP (англ. ATRAP ) могут скоро дать ответы.

Ответы для инерционной массы, впрочем, давно известны из экспериментов с пузырьковой камерой . Они убедительно показывают, что античастицы имеют положительную инертную массу, равную массе «обычных» частиц, но противоположный электрический заряд. В этих экспериментах камера подвергается воздействию постоянного магнитного поля, что заставляет частицы двигаться по винтовой линии . Радиус и направление этого движения соответствуют отношению электрического заряда к инертной массе. Пары частица-античастица двигаются по винтовым линиям в противоположных направлениях, но с одинаковыми радиусами. Из этого наблюдения делается вывод о том, что их отношения электрического заряда к инертной массе отличаются только по знаку.

Примечания

Очередная «научная» сенсация из-за рубежа заставила вздрогнуть – настолько глупой она оказалась. Некие учёные заявили, что смогли, мол, добиться эффекта «отрицательной массы», а сетевые журналисты разнесли эту апрельскую шутку по изданиям. Проанализируем статью Ильи Хель из hi-news.ru об этом событии.

В новости говорится, что физики Вашингтонского университета создали жидкость с отрицательной массой. Признаком такой массы физики считают вот что: «Толкните ее, и, в отличие от всех физических объектов в мире, которые мы знаем, она не ускорится по направлению толчка. Она ускорится в обратную сторону». Такое заявил Майкл Форбс, доцент, физик и астроном Вашингтонского университета, а само исследование появилось в Physical Review Letters.

Дальше поясняется, что гипотетически вещество, якобы, может иметь отрицательную массу, мол, в том же смысле, в котором электрический заряд может быть как отрицательным, так и положительным. А иллюстрацией этому физики приводят «Второй закон» Исаака Ньютона – сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение.

Дальше, видимо, сам Илья Хель разъясняет этот «закон»: «Если вы толкнете объект, он ускорится в направлении вашего толчка. Масса ускорит его в направлении силы». А Форбс утверждает, что «мы привыкли именно к такому положению дел» и добавляет: «С отрицательной массой, если вы что-то толкнете, оно ускорится по направлению к вам».

Так вот, уважаемые физики из США слабо знают физику. Давайте разберёмся в их заявлениях. Во-первых, нет ни одной работы в мире, в которой бы была раскрыта физическая сущность массы. Во-вторых, в мире нет ни одного определения этой физической величины. То есть никто в мире на сегодняшний момент не знает, что такое масса. Поиск определения и выявление сущности массы – это одна из самых актуальных задач современной физики.

Как выходят из этой ситуации физики? Они выводят массу из «Второго закона» Ньютона, того самого, который и упомянут в статье. Однако, видимо, эти физики не читали работы Ньютона. А он ввёл ТАКУЮ массу как коэффициент пропорциональности, а не как физическую величину. То есть с массой, взятой из «Второго закона» Ньютона, никакие операции производить нельзя.

Сегодня массой обозначают инерцию – а она как раз и препятствует ускорению, то есть, по версии авторов статьи, ведёт себя как отрицательная масса. И эта ошибка – следствие непонимания физиками из США физической сущности массы.

Теперь о самом «Втором законе» Ньютона. Это не закон. Это обычное выражение для новой физической величины, которая в этом выражении обозначена буквой «F» и названа словом «Сила». Таким образом записываются многие физические величины, например, l = vt (путь равен произведению скорости на время), или S = ab (площадь равна произведению длины на ширину) и т.д.

На самом деле это не так. Даже если придерживаться «законов» Ньютона, то из них видно, что масса порождает центральную силу гравитации, то есть масса обладает центрально-стремительными свойствами, где есть только 0 и бесконечность. Никаких плюсов и минусов. Поэтому физика давно пришла к выводу: масса может быть либо равна нулю, либо иметь положительное значение.

Теперь поясню, что такое масса. Работая над Единой теорией поля, мне удалось несколько продвинуться в этом направлении. Масса – это сложная физическая величина, в состав которой входит: 1) количество частиц в «теле», 2) их движение, 3) геометрия траектории движения, 4) вероятность нахождения частиц в том или ином месте этой траектории. И самое главное – у одного тела существует бесконечное количество масс. Это свойство открыл в XIX веке известный физик Мах, но тогда он не смог его объяснить.

Поэтому, воздействуя на массу силой, по направлению её движения нельзя судить о знаке этой массы. Приведу пример. Если взять вращающееся тело – волчок, – и приложить к нему силу, то тело двинется в направлении, перпендикулярном приложенной силе. И это свойство гироскопа проходят по физике в школе. Вот вам и отрицательная масса! Физики из США просто не ходили в 8 класс.

Более того, они сами описывают свой эксперимент, который они проводили с вращающимся телом. Вот как описывается работа «гениев»: «Вместе с коллегами он создал условия для отрицательной массы, охлаждая атомы рубидия до состояния практически абсолютного нуля и создавая тем самым конденсат Бозе – Эйнштейна. В этом состоянии, предсказанном Шатьендранатом Бозе и Альбертом Эйнштейном , частицы движутся очень медленно и, следуя принципам квантовой механики, ведут себя как волны. Они также синхронизируются и движутся в унисон в виде сверхтекучей жидкости, которая течет без потери энергии».

Не обращайте внимания на страшные слова типа «конденсат». Смотрите в суть. Здесь снова фатальная ошибка. Автор соотносит низкую температуру со скоростью движения частиц, мол, они движутся медленно.

Но температура – это не скорость движения частиц в потоке, а скорость движения части в перпендикулярном ему направлении! Например, если жидкость течёт параллельно стенке, то никакого давления на неё она не осуществляет. Давление – это результат перпендикулярного удара по стенке сосуда. Это нам прекрасно донесли преподаватели в институте на кафедре «Ракетные двигатели». В них скорость потока – главный показатель, с которым работают.

Поэтому низкотемпературным является ламинарный поток, а высокотемпературным – турбулентный. И ничего здесь нет, связанного с конденсатом.

Дальше: «Под руководством Питера Энгельса, профессора физики и астрономии Вашингтонского университета, ученые на шестом этаже Вебстер-Холла создали эти условия, используя лазеры для замедления частиц, сделав их более холодными и позволив горячим, высокоэнергетическим частицам ускользнуть подобно пару, еще больше охладив материал».

Здесь как раз и описывается то, что лазерами выбиты частицы, обладающие излишним поперечным градиентом.

Дальше: «Лазеры захватили атомы , как если бы они находились в чаше размером менее ста микрон. На этом этапе сверхтекучий рубидий имел обычную массу. Разрыв чаши позволил рубидию вырваться, расширяясь по мере того, как рубидий в центре проталкивался наружу».

В переводе на общепонятный язык, это означает, что атомы рубидия были помещены в интерференционную структуру, создаваемую лазерами. Эта структура имеет сложную геометрию скоростей внутри себя. Здесь нельзя говорить о каком-либо одном направлении.

Дальше: «Чтобы создать отрицательную массу, ученые применили второй набор лазеров, которые толкали атомы назад и вперед, меняя их спин. Теперь, когда рубидий выбегает достаточно быстро, он ведет себя так, будто имеет негативную массу. "Толкните его, и он ускорится в обратном направлении", – говорит Форбс. "Будто рубидий бьется о невидимую стену"».

Здесь выходит на сцену ещё одна физическая величина – спин. Работая над книгой «Вакуум: концепция, строение, свойства» , по поводу спина мне пришлось консультироваться на кафедре физики одного из ведущих физических институтов страны. Руководитель кафедры сказал мне примерно так: «Я занимаюсь спином больше двадцати лет, кандидатскую и докторскую писал о нём, лучше меня специалистов нет, но и я не могу объяснить, что такое спин».

И он прав. Не существует чёткого понятия, что такое спин. Поэтому невозможно целенаправленно поменять то, природу чего не понимаешь. Пример: никто не знает языка марсиан, поэтому никто не может поменять часть слов этого языка.

В моей интерпретации, спин – это показатель возвращения системы в исходное состояние: через какое количество дробных движений система перейдёт в состояние, не отличимое от предыдущего. Например, у обычного кругового движения 1 круг – это спин, равный 1. В ленте Мёбиуса спин равен 2 – нужно последовательно переместиться по обеим сторонам ленты. У синуса и косинуса спин равен ½.

Есть много разных вариантов, но толчками взад и вперёд спин изменить невозможно. Спин меняется только посредством изменения геометрии пространства, по которому осуществляется движение (лента Мёбиуса), или посредством применения иного алгоритма для описания движения (синус, косинус).

В очередной раз физики из США сморозили глупость. Причина в том, что они взялись решать задачи, не понимая сути исходных положений. А журналисты разнесли эту «сенсацию», как спорынью.

Как известно, драконов не существует. Эта примитивная
констатация может удовлетворить лишь ум простака, но отнюдь не учёного; банальность бытия установлена слишком давно и не заслуживает более ни единого словечка. Гениальный Цереброн Эмдеэртий, атаковав проблему методами точных наук, установил, что имеется три типа драконов: нулевые, мнимые и отрицательные. Все они, как было сказано, не существуют, однако каждый тип - на свой особый манер.
(Станислав Лев «Кибериада»)

Изучая природу, учёный, если это настоящий учёный, обязательно будет подходить к той черте, за которой начинается невозможное. И, если это настоящий учёный, то он, конечно, будет стараться заглянуть в это невозможное. Но, поскольку он - настоящий учёный, то он вынужден будет признать, что в этом самом невозможном его наука бессильна.

Физика даёт прекрасный набор инструментов для изучения возможного, но для невозможного все эти инструменты непригодны. Для невозможного нужно что-то другое, что лежит за пределами физики. Поэтому физика невозможное не изучает. Физика честно говорит: «это лежит за пределами моей компетенции». А если кто-то, выдавая себя за учёного, начинает объяснять невозможное с помощью физики, или какой-то другой естественной науки, то можно смело утверждать, что перед нами не учёный, а шарлатан.

Прежде всего, что такое масса? Те, кто совсем не знают физики путают массу с весом, но я надеюсь, что тут таких нет. Итак, масса - это мера инертности (не путать с инерцией!). У каждого физического тела есть такое неотъемлемое свойство как инертность. Инертность - это свойство тела сохранять своё состояние. Либо это состояние покоя, неподвижности, либо наоборот - состояние движения. К примеру, мячик сдвинуть легко, а шкаф тяжело. Велосипед остановить легче, чем грузовой автомобиль. Это есть инертность. А количественная мера инертности называется массой. Масса тела может быть больше, может меньше, но она всегда больше нуля. Следовательно, и инерция тела всегда положительная.

А что значит, отрицательная масса, если таковая где-то будет обнаружена? Это означает, что тело обладает отрицательной инертностью. Как выражается положительная инертность? Мы мячик толкаем, он катится, мы препятствуем его движению, он останавливается. Это - естественно, это - положительная инертность. Значит, как будет вести себя тело с отрицательной инертность и отрицательной массой? Оно будет вести себя строго наоборот: мы его толкаем вперёд, оно движется назад, мы его пытаемся остановить, оно разгоняется. Таких тел, тел с отрицательной инерцией обнаружено не было, и, вполне возможно, что в нашей Вселенной таких тел не существует. А вот за пределами Вселенной…

Рекомендуем почитать

Воинский учет

Десять открытий российских ученых, которые потрясли мир

Болезни

«Правописание суффиксов причастий

Болезни

Секретные фото луны Загадочные объекты на луне

Служба

Книга: Генри Форд. Моя жизнь. Мои достижения. Генри Форд: Моя жизнь, мои достижения

Военный билет

Как отличаются баллы ЕГЭ по регионам: результаты школьников и региональное неравенство

Призыв

Крупнейшие моря Индийский океан биография