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).

Британский астрофизик Джейми Фарнс предложил космологическую модель, в которой отрицательная масса производится с постоянной скоростью в течение всей эволюции Вселенной. Эта модель противоречит общепринятому взгляду на природу материи, однако она хорошо объясняет большинство эффектов, которые принято списывать на темную материю и темную энергию, - в частности, расширение Вселенной, образование крупномасштабной структуры Вселенной и галактического гало, кривые вращения галактик и наблюдаемый спектр реликтового излучения. Статья опубликована в Astronomy & Astrophysics , препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В настоящее время большинство космологов считает, что эволюция Вселенной описывается моделью ΛCDM . Согласно этой модели, около 70 процентов массы Вселенной приходится на темную энергию, 25 процентов - на холодную темную материю (то есть материю, частицы которой медленно движутся), и только оставшиеся 5 процентов - на привычную для нас барионную материю. Эти соотношения ученые определили с помощью анализа гармоник в картине реликтового излучения. Подробнее об измерении «состава» Вселенной можно прочитать в статьях Бориса Штерна про спутники WMAP и Planck , которые внесли основной вклад в эту работу.

К сожалению, ученые плохо понимают, что такое темная материя и темная энергия. Ни один из сверхточных экспериментов по поиску частиц темной материи, предсказанных целых рядом теоретических моделей (например, SUSY), так и не получил положительный результат. В настоящее время сечение рассеяния обычных частиц и «темных» частиц с массой от 6 до 200 мегаэлектронвольт величиной порядка 10 −47 квадратных сантиметров, что практически исключает частицы в этом диапазоне масс и заставляет физиков разрабатывать альтернативные теории. Впрочем, темная материя все-таки проявляет себя через гравитационное взаимодействие, модифицируя кривые вращения галактик и картину , а потому ученые от этой гипотезы.

С темной энергией все еще хуже. Единственное наблюдение, которое напрямую подтверждает ее существование независимо от анализа реликтового излучения - это ускоренное расширение Вселенной , измеренное по (косвенно темную энергию подтверждает соотношение химических элементов в наблюдаемой Вселенной). Более того, физики плохо понимают, что представляет собой темная энергия на фундаментальном уровне . Конечно, качественно ее можно описать с помощью космологической постоянной (лямбда-члена) в , однако этот способ не дает новых знаний и не позволяет установить, из чего состоит темная энергия. Эйнштейн объяснял такие добавки с помощью частиц с отрицательной массой - в этом подходе уравнения движения становятся симметричными, как уравнения электродинамики, а лямбда-член возникает в качестве постоянной интегрирования, которая не заключает в себе физического смысла.

Материя с отрицательной массой - это материя, которая ускоряется в направлении, противоположном действию силы. Частица с отрицательной массой отталкивает частицы с положительной и отрицательной массой, тогда как «положительные» частицы притягивают «отрицательные». К сожалению, в рамках модели ΛCDM этот способ описания темной энергии заведомо обречен на провал. Дело в том, что в ходе расширения Вселенной плотность различных компонент меняется по разным законам : плотность холодной материи падает, а плотность темной энергии остается постоянной. Поэтому отождествить материю с отрицательной массой и темную энергию нельзя.


Взаимодействие частиц с отрицательной массой: черными стрелками отмечены силы, красными - ускорения

Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics


Взаимодействие частиц с положительной и отрицательной массой: черными стрелками отмечены силы, красными - ускорения

Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics


Взаимодействие частиц с положительной массой: черными стрелками отмечены силы, красными - ускорения

Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics

Тем не менее, астрофизик Джейми Фарнс (Jamie Farnes) утверждает, что ему удалось увязать идею Эйнштейна с данными наблюдений. Для этого он объединил идею отрицательной массы с другой контринтуитивной идеей о непрерывном и однородном производстве массы в объеме Вселенной. Эта мысль тоже далеко не нова, впервые ее предложили еще в 40-х годах прошлого века.

Теоретически, такие процессы действительно могут идти на фоне сильного гравитационного поля (например, за счет ). Рассматривая подобные добавки к стандартному тензору энергии-импульса для положительных масс, физик выписал и решил уравнение Фридмана , а затем рассчитал, по какому закону расширяется Вселенная в этой модели. Вклады привычной темной материи и темной энергии ученые не учитывал. В результате оказалось, что известные законы воспроизводятся, если отрицательная масса будет производиться с постоянной скоростью Γ = −3H , где H - это постоянная Хаббла . В этом случае плотность отрицательной массы будет оставаться постоянной во время расширения, и она будет эффективно моделировать космологическую постоянную. При этом скорость расширения и время жизни Вселенной получается такими же, как в модели ΛCDM.

Затем астрофизик рассчитал, как отрицательная масса будет проявляться на более мелких масштабах. Для этого он смоделировал в рамках своей модели взаимодействие большого числа частиц положительной и отрицательной массы. Поскольку все существующие астрофизические пакеты не учитывают такие необычные модификации, Фарнсу пришлось разрабатывать свою собственную программу. Чтобы избежать каких-либо приближений в ходе расчетов, исследователь вычислял координаты и скорости каждой частицы в каждый момент времени - это позволяло повысить надежность предсказаний, хотя требовательность программы к вычислительным ресурсам росла как квадрат числа частиц. В частности, из-за этого ученому пришлось ограничиться моделированием 50 тысяч частиц.

Используя разработанную программу, Фарнс увидел несколько эффектов, которые традиционно приписывают темной материи. Во-первых, он смоделировал эволюцию плотной группы частиц с положительной массой, погруженных в «море» из частиц отрицательной массы. Такая система должна качественно описывать эволюцию галактик на поздних стадиях расширения Вселенной, когда «отрицательные» частицы значительно преобладает над «положительными». В этой задаче ученый выбрал число «положительных» частиц N + = 5000, число отрицательных N − = 45000. В результате он получил распределение плотности, которое хорошо совпадает с данными наблюдений - плотность частиц медленно растет при приближении к центру галактики и совпадает с профилем Буркерта . Это решает проблему «острого гало» (cuspy halo problem), которая возникает в модели ΛCDM.


Эволюция «галактики» положительной материи, погруженной в «море» отрицательной материи

Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics


Профиль массы галактики, рассчитанный Фарнсом (синий) и наблюдаемый на практике (розовый пунктир)

Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics

Во-вторых, при тех же начальных данных ученый рассчитал кривую вращения галактики и обнаружил, что он тоже хорошо совпадает с данными наблюдений . В то время как в модели с чисто «положительными» частицами материя на краю галактики движется медленнее, чем в центре, в модели с преобладанием «отрицательных» частиц скорость получается примерно постоянной.


Кривая вращения галактики, погруженной в «море» отрицательной материи (красный), и «свободной» галактики (черный)

Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics

В-третьих, Фарнс показал, что в его модели естественным путем возникает нитевидная крупномасштабная структура Вселенной : галактики объединяются в скопления, скопления - в сверхскопления, а сверхскопления - в цепочки и стены. Для этого он рассчитал эволюцию системы, которая содержит одинаковое число «положительных» и «отрицательных» частиц. Из-за ограничений на доступную вычислительную мощность ученый положил число обоих видов частиц N + = N − = 25000. Как и в предыдущем случае, «отрицательные» частицы окружали частицы обычной материи и формировали гало, однако на этот раз исследователю удалось разглядеть закономерности на более крупных масштабах, которые напоминали структуру наблюдаемой Вселенной.


Однородная структура Вселенной в начале симуляции

Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics

Регистрируются на практике. К сожалению, ему не удалось увидеть этот эффект в симуляциях с 50000 частиц. Тем не менее, ученый надеется, что в более масштабных симуляциях с миллионом частиц такие процессы удастся заметить, а также предполагает, что они позволят подтвердить или опровергнуть новую теорию.

Наконец, ученый проверил, как сильно предложенная модификация модели ΛCDM исказит реально наблюдаемые эффекты - расширение Вселенной, измеренное по стандартным свечам, реликтовый фоне и наблюдения за слияниями скоплений галактик. Во всех этих случаях астрофизик обнаружил, что его гипотеза не противоречит наблюдаемым данным. Впрочем, довольно много вопросов все еще остаются открытыми - в частности, не понятно, как увязать такую гипотезу со Стандартной моделью (может ли механизм Хиггса генерировать отрицательные массы?), как экспериментально зарегистрировать частицы с отрицательной массой и как объяснить противоречия между отталкиванием «отрицательных» частиц и теорией . Тем не менее, ученый считает, что все эти проблемы можно решить в рамках новой модели.

Таким образом, модель с постоянным производством отрицательной массы объясняет не только наблюдаемое расширение Вселенной, но и образование ее крупномасштабной структуры, гало темной материи вокруг галактик и кривые вращения - большинство эффектов, которые принято списывать на темную энергию и темную материю. Как ни странно, такая интуитивно неестественная гипотеза, которая противоречит общепринятому взгляду на материю, вполне согласуется с данными наблюдений. Более того, она предлагает объяснить их более простым способом, привлекая меньше сущностей . Как пишет в заключении сам автор, «Хотя это предложение является отступническим и еретическим, [в статье] было предположено, что негативные значения этих параметров в принципе могут объяснить данные космологических наблюдений, которые всегда интерпретировались в рамках разумного предположения о положительности массы».

Иногда физики высказывают довольно необычные идеи, чтобы объяснить наблюдаемые противоречия между теорией и экспериментом. Например, в ноябре прошлого года американский физик-теоретик Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl) ввести новую силу, которая переносится сверхлегкой скалярной частицей и отталкивает темную материю от Земли. Это предположение хорошо объясняет неудачи всех земных экспериментов по поиску темной материи - если такая сила действительно существует, детекторы в принципе не могли ничего зарегистрировать. К сожалению, проверить это утверждение при текущем уровне развития техники невозможно.

Дмитрий Трунин

Желательно смотреть с разрешением 1280 Х 800


"Техника-молодежи", 1990, №10, с. 16-18.

Сканировал Игорь Степикин

Трибуна смелых гипотез

Понкрат БОРИСОВ, инженер
Отрицательная масса: бесплатный полет в бесконечность

  • В зарубежных и советских физических журналах статьи на эту тему время от времени появляются вот уже более 30 лет. Но как ни странно, они, кажется, до сих пор не привлекли внимания популяризаторов. А ведь проблема отрицательной массы, да еще в строго научной постановке - отличный подарок и любителям парадоксов современной физики, и писателям-фантастам. Но таково уж свойство специальной литературы: сенсация в ней может оставаться скрытой десятилетиями...
  • Итак, речь идет о гипотетической форме материи, масса которой противоположна по знаку обычной. Сразу же возникает вопрос: что это, собственно, означает? И сразу выясняется: правильно определить понятие отрицательной массы не так-то просто.
  • Бесспорно, она должна обладать свойством гравитационного отталкивания. Но оказывается, одного этого мало. В современной физике строго различаются целых четыре вида массы:
  • гравитационная активная - та, что притягивает (если она положительна, конечно);
  • гравитационная пассивная - та, что притягивается;
  • инертная, которая приобретает определенное ускорение под действием приложенной силы (а = F/m);
  • наконец, эйнштейновская масса покоя, задающая полную энергию тела (Е = mС 2).
  • В рамках общепринятых теорий все они равны по величине. Но различать их надо, и это становится понятным как раз при попытке определить отрицательную массу. Дело в том, что она будет полностью противоположна обычной, только если все четыре ее вида станут отрицательными.
  • На основе такого подхода в первой же статье на эту тему, опубликованной еще в 1957 году, английский физик X. Бонди определил основные свойства «минус-массы» путем строгих доказательств.
  • Повторить их здесь, может быть, даже не очень сложно, ведь основаны они только на ньютоновской механике. Но это загромоздит наш рассказ, и потом тут есть немало физических и математических «тонкостей». Поэтому перейдем сразу к результатам, тем более что они-то вполне наглядны.
  • Во-первых, «минус-материя» должна гравитационно отталкивать любые другие тела, то есть не только с отрицательной, но и с положительной массой (тогда как обычное вещество, наоборот, всегда притягивает материю обоих видов). Далее, под действием любой силы, вплоть до силы инерции, она должна двигаться в направлении, противоположном вектору этой силы. И, наконец, ее полная эйнштейновская энергия также обязана быть отрицательной.
  • Поэтому, кстати, надо подчеркнуть, что наша удивительная материя - не антивещество, масса которого считается все же положительной. Например, по современным представлениям, «Антиземля» из антиматерии вращалась бы вокруг Солнца по точно такой же орбите, как и наша родная планета.
  • Все это, пожалуй, почти очевидно. Но дальше начинается невероятное.
  • Возьмем ту же гравитацию. Если два обычных тела притягиваются и сближаются, а две антимассы отталкиваются и разбегаются, то что случится при гравитационном взаимодействии масс разного знака?
  • Пусть это будет простейший случай: тело (допустим, шар) из вещества с отрицательной массой -М находится позади объекта (назовем его «ракетой» - сейчас узнаем, зачем) с равной по величине положительной массой +М. Ясно, что гравитационное поле шара отталкивает ракету, в то время как она сама притягивает шар. Но отсюда следует (это опять-таки строго доказывается), что вся система будет двигаться по прямой, соединяющей центры двух масс, с постоянным ускорением, пропорциональным силе гравитационного взаимодействия между ними!
  • Конечно, на первый взгляд эта картина спонтанного, беспричинного движения «доказывает» только одно: антимасса с такими свойствами, которые мы ей с самого начала приписали в определении, просто не может существовать. Ведь мы получили, казалось бы, целый букет нарушений самых незыблемых законов.
  • Ну разве не попирается здесь совершенно открыто, например, закон сохранения импульса? Оба тела ни с того ни с сего устремляются в одном направлении, а в противоположном при этом ничто не движется. Но вспомним, что одна-то из масс отрицательна! А ведь это означает, что и импульс ее, независимо от скорости, имеет знак «минус»: (-M)V, и тогда суммарный импульс системы двух тел по-прежнему остается нулевым!
  • То же самое и с полной кинетической энергией системы. Пока тела покоятся, она равна нулю. Но с какой бы скоростью они ни двигались, ничто не меняется: отрицательная масса шара, в полном соответствии с формулой (-M)V 2 /2, накапливает отрицательную кинетическую энергию, которая точно компенсирует прирост положительной энергии ракеты.
  • Если все это кажется абсурдным, то, может быть, «вышибем клин клином» - попробуем подтвердить один абсурд другим? Еще с шестого класса мы знаем, что центр равных точечных масс {положительных, конечно) находится посередине между ними. Так вот - как вам понравится следующий вывод? Центр равных точечных масс РАЗНОГО ЗНАКА лежит хотя и на прямой, проходящей через них, но не внутри, а ВНЕ соединяющего их отрезка, в точке ±Ґ ?!
  • Ну как, легче?
  • Кстати, этот вывод уже совсем элементарен, и каждый при желании может повторить его, владея физикой на уровне того же шестого класса.
  • Тот, кто не верит на слово и захочет убедиться в правильности всех вычислений, может обратиться к одной из последних публикаций на эту тему - статье американского физика Р. Форварда «Ракетный двигатель на веществе отрицательной массы», напечатанной в переводном журнале «Аэрокосмическая техника» № 4 за 1990 год.
  • Но, может быть, искушенный читатель думает, что он и без всяких вычислений понял, где ему подсунули «липу»? Действительно: во всех этих изящных рассуждениях замалчивается вопрос: откуда вообще взялась столь чудесная масса? Ведь каково бы ни было ее происхождение, на ее «добычу», «изготовление» или, допустим, на доставку к месту действия придется затратить энергию, а значит...
  • Увы, искушенный читатель! Энергия, конечно, понадобится, но опять-таки отрицательная. Ничего не поделаешь: в эйнштейновской формуле полной энергии тела Е = Мс 2 наша замечательная масса имеет все тот же знак «минус». Это значит, что на «изготовление» пары тел с РАВНЫМИ массами РАЗНЫХ знаков потребуется НУЛЕВАЯ суммарная энергия. То же самое относится и к доставке, и к любым другим манипуляциям.
  • Нет - как ни парадоксальны все эти результаты, строгие выводы утверждают, что наличие антимассы не противоречит не только ньютоновской механике, но и общей теории относительности. Не удалось найти и никаких логических запретов на ее существование.
  • Что же - если теория «разрешает», то подумаем, например, - что может случиться при физическом контакте двух одинаковых частиц вещества с плюс- и минус-массой? С «обычным» антивеществом все ясно: произойдет аннигиляция с выделением полной энергии обоих тел. Но если одна из двух равных масс отрицательна, то их суммарная энергия, как мы только что поняли, равна нулю. А вот ЧТО с ними произойдет в действительности - это уже вопрос, выходящий за пределы теории.
  • Исход такого события можно узнать лишь опытным путем. «Вычислить» его нельзя - ведь мы не имеем никакого представления о «механизме действия» отрицательной массы, ее «внутреннем устройстве» (как, впрочем, не знаем этого и о массе обычной). Теоретически ясно одно: в любом случае полная энергия системы останется нулевой. Мы имеем право выдвинуть только ГИПОТЕЗУ, как это и делает тот же Форвард. По его предположению, физическое взаимодействие здесь приводит не к аннигиляции, а к так называемой «нулификации», то есть «тихому» взаимному уничтожению частиц, их исчезновению без всякого выделения энергии.
  • Но, повторим, подтвердить или опровергнуть эту гипотезу мог бы только эксперимент.
  • По тем же причинам мы ничего не знаем и о том, как «изготовить» отрицательную массу (если это вообще возможно). Теория лишь утверждает, что две равных массы противоположного знака в принципе могут возникнуть без всяких энергетических затрат. И едва такая пара тел появится, она полетит, все ускоряясь, по прямой в бесконечность...
  • Р. Форвард в своей статье «сконструировал» уже и двигатель на отрицательной массе, который может доставить нас в любую точку Вселенной при любом ускорении, которое мы зададим. Оказывается, для этого нужна только... пара хороших пружин (все взаимодействия «минус-массы» с обычной посредством упругих сил, конечно, также детально рассчитаны).
  • Итак, поместим нашу чудесную массу, равную по величине массе ракеты, посреди ее «двигательного отсека». Если нужно лететь вперед, растянем пружину от задней стенки и зацепим ее тело отрицательной массы. Тотчас же из-за своих «извращенных» инерциальных свойств оно устремится не туда, куда его тянут, а в прямо противоположном направлении, увлекая за собой ракету с ускорением, пропорциональным силе натяжения пружины.
  • Чтобы прекратить ускорение, достаточно отцепить пружину. А для замедления и остановки корабля нужно использовать вторую пружину, прикрепленную к передней стенке двигательного отсека.
  • И все же частичное опровержение «бесплатного двигателя» есть! Правда, приходит оно с совсем неожиданной стороны. Но об этом - в конце.
  • А пока поищем места, где могли бы находиться большие количества отрицательной массы. Такие места подсказывают обнаруженные на крупномасштабных трехмерных картах распределения галактик во Вселенной гигантские пустоты - интереснейшие сами по себе явления. Как видно из рис. 2, размеры этих полостей, которые называют еще попросту «пузырями»,- порядка 100 млн. световых лет (тогда как размеры нашей Галактики - около 0,06 млн. световых лет). Таким образом, в самом крупном масштабе Вселенная имеет «пенистую» структуру.
  • Границы пузырей четко обозначены скоплениями большого числа галактик. Внутри пузырей их практически нет, а если все же они там встречаются, то это очень необычные объекты. Для них характерны спектры мощного высокочастотного излучения. Сейчас считают, что пузыри содержат «несостоявшиеся» галактики или газовые облака из обычного водорода.
  • Но нельзя ли предположить, что «пенистая» структура Вселенной - результат ее образования из одинакового количества частиц отрицательной и положительной массы? Из такого объяснения, кстати, само собой вытекает очень привлекательное следствие: суммарная масса Вселенной всегда была и остается равной нулю. Тогда пузыри - это естественные места для минус-массы, частицы которой стремятся разойтись как можно дальше друг от друга. А положительная масса выталкивается на поверхность пузырей, где под действием сил притяжения образует галактики, звезды. Здесь можно напомнить о статье А. А. Баранова, появившейся еще в 1971 году в № 11 журнала «Известия вузов. Физика». Там рассматривается космологическая модель Вселенной с частицами, имеющими массы обоих знаков. С помощью этой модели автор объясняет экспериментальные оценки космологической постоянной и хаббловское красное смещение, а также некоторые аномальные явления, наблюдаемые во взаимодействующих галактиках.
  • Еще один возможный признак больших количеств отрицательной массы - наличие в крупномасштабных структурах Вселенной очень быстрых «течений». Так, сверхскопление, содержащее нашу Галактику, «течет» со скоростью 600 км/с относительно покоящегося фона реликтового излучения. Такая скорость никак не вписывается в рамки теорий образования галактик из холодного темного вещества. Р. Форвард предлагает попробовать объяснить это явление с учетом коллективного отталкивания сверхскоплений от пузырей, содержащих отрицательную массу.
  • Итак, отрицательная материя может только разлетаться. Но в этом-то, оказывается, и состоит частичное опровержение многих выводов, о которых шла речь. Ведь свойство гравитационного отталкивания у частиц вещества, какова бы ни была их природа, неизбежно приводит к тому, что эти частицы не могут собраться вместе под влиянием сил тяготения. Более того: поскольку частица отрицательной массы под действием любой силы движется в направлении, противоположном вектору этой силы, то и обычные межатомные взаимодействия не могут связать такие частицы в «нормальные» тела.
  • Но надеемся, что удовольствие от всех этих рассуждений читатель все же получил...

    • Гипотетическая червоточина в пространстве-времени

    В теоретической физике, - это концепция о гипотетическом веществе, масса которого имеет противоположное значение массе нормального вещества (также как электрический заряд бывает положительный и отрицательный). Например, −2 кг. Такое вещество, если бы оно существовало, нарушало бы одно или несколько и проявляло бы некоторые странные свойства. По некоторым спекулятивным теориям, вещество с отрицательной массой можно использовать для создания (кротовых нор) в пространстве-времени.

    Звучит как абсолютная фантастика, но сейчас группе физиков из Университета штата Вашингтон, Вашингтонского университета, Университета OIST (Окинава, Япония) и Шанхайского университета , которое проявляет некоторые свойства гипотетического материала с отрицательной массой. Например, если толкнуть это вещество, то оно ускорится не в направлении приложения силы, а в обратном направлении. То есть оно ускоряется в обратную сторону.

    Для создания вещества со свойствами отрицательной массы учёные подготовили конденсат Бозе - Эйнштейна, охладив атомы рубидия почти до абсолютного нуля. В этом состоянии частицы двигаются исключительно медленно, а квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. То есть в соответствии с принципами квантовой механики частицы начинают вести себя как волны. Например, они синхронизируются между собой и протекают через капилляры без трения, то есть не теряя энергии - эффект так называемой сверхтекучести.

    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 , но те эксперименты можно было интерпретировать по-разному. Сейчас же неопределённость в большей мере устранена.

    Научная статья 10 апреля 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, доступно по подписке). Копия статьи перед отправкой в журнал 13 декабря 2016 года в свободном доступе на сайте arXiv.org (arXiv:1612.04055).

    Исследователи из Университета штата Вашингтон (США) добились от атомов рубидия поведения вещества с отрицательной эффективной массой . Это значит, что данные атомы при внешнем воздействии не летели в сторону вектора этого воздействия. В условиях эксперимента они вели себя так, будто налетали на невидимую стену каждый раз, когда приближались к границам области с очень малым объёмом. Соответствующая опубликована в Physical Review Letters. Опыт был неверно истолкован СМИ как "создание вещества с отрицательной массой" (в теории оно позволяет создавать червоточины для дальних космических путешествий). На деле получение вещества с отрицательной массой если и возможно, то лежит далеко за пределами достижимого для современных науки и технологий.

    Атомы рубидия заставили двигаться в сторону, противоположную вектору прикладываемой к ним силы. СМИ ошибочно восприняли это как создание вещества с "отрицательной массой"

    Авторы работы замедлили лазером атомы рубидия (уменьшение скорости частицы означает её охлаждение). На втором этапе охлаждения наиболее энергичным атомам дали покинуть охлаждаемый объём. Это ещё больше охладило его, как испарение атомов хладагента охлаждает содержимое бытового холодильника. На третьем этапе использовался другой набор лазеров, импульсы которых меняли спин (упрощённо - направление вращения вокруг собственной оси) части атомов.

    Поскольку одни атомы в охлаждаемом объёме продолжали иметь нормальный спин, а другие получили обратный, их взаимодействие между собой получило необычный характер. При нормальном поведении атомы рубидия, сталкиваясь, разлетались бы в разные стороны. Центральные атомы выталкивали бы крайние наружу, ускоряя их в направлении приложения силы (вектора движения первого атома). Из-за разнобоя в спинах на практике атомы рубидия, охлаждённые до малых долей кельвина, после столкновений не разлетались, оставаясь в исходном объёме, равном примерно тысячной кубического миллиметра. Со стороны это выглядело так, как будто они налетали на невидимую стену.

    Очень отдалённая аналогия для группы атомов с разными спинами - столкновение двух и более футбольных мячей, боковым ударом предварительно закрученных до вращения вокруг своей оси в разные стороны. Понятно, что направления и скорости их движения после соударения будут существенно отличаться от тех же результатов у обычных мячей. Но это не значит, что мячи изменили свою физическую массу. Поменялся лишь характер их взаимодействия между собой. Также и в эксперименте масса атомов не стала отрицательной. В гравитационном поле они по-прежнему опускались бы вниз. По настоящему изменилось лишь то, куда они двигались после соударений с другими такими же атомами, но "вращавшимися" вокруг своей оси в другую сторону.

    То, как вели себя в опыте атомы рубидия, соответствует определению отрицательной эффективной массы в физике. Им пользуются, например, при описании поведения электрона в кристаллической решётке. Для него формальная масса зависит от направления движения относительно осей кристалла. Двигаясь в одном направлении, он покажет одну дисперсию (рассеивание), в другом - иную. Понятие эффективной массы для них ввели потому, что иначе при описании их рассеивания формулами масса начинала бы зависеть от энергии, что не слишком удобно для вычислений. Примером отрицательной эффективной массы можно назвать поведение дырок в полупроводниках, с которыми имеет дело каждый пользователь современной электроники.

    Большинство СМИ, включая российские, интерпретировали эксперимент как создание вещества с отрицательной массой. В теории материя с подобными свойствами может быть использована для удержания в рабочем состоянии червоточин, позволяющих дальние перемещения в пространстве и времени за околонулевое время. Практическая возможность создания такого вещества, как и самих червоточин, пока не доказана. Даже если оно возможно, его получение при современных технических возможностях человечества малореально.