Создана уникальная материя с отрицательной массой. Учёные продемонстрировали вещество с отрицательной эффективной массой

Физики Вашингтонского университета создали жидкость с отрицательной массой. 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. Это явление редко создается в лабораторных условиях и может быть использовано для изучения некоторых более сложных концепций о космосе, говорит Майкл Форбс, доцент, физик и астроном Вашингтонского университета. Исследование появилось в Physical Review Letters.

Гипотетически вещество может иметь отрицательную массу в том же смысле, в котором электрический заряд может быть как отрицательным, так и положительным. Люди редко задумываются об этом, и наш повседневный мир демонстрирует только положительные аспекты Второго закона движения Исаака Ньютона, согласно котором сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение, или F = ma.

Другими словами, если вы толкнете объект, он ускорится в направлении вашего толчка. Масса ускорит его в направлении силы.

«Мы привыкли именно к такому положению дел», говорит Форбс, предвосхищая сюрприз. «С отрицательной массой, если вы что-то толкнете, оно ускорится по направлению к вам».

Условия для отрицательной массы

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.

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.

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.

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».

Устранение основных дефектов

Метод, который использовали ученые Вашингтонского университета, позволил избежать некоторые из основных дефектов, обнаруженных в предыдущих попытках понять отрицательную массу.

«Первое, что мы поняли, это что мы имеем тщательный контроль над природой этой отрицательной массы без каких-либо других осложнений», говорит Форбс. Их исследование разъясняет, уже с позиции отрицательной массы, подобное поведение в других системах. Повышенный контроль дает исследователям новый инструмент для разработки экспериментов по изучению подобной физики в астрофизике, на примере нейтронных звезд, и космологических явлений вроде черных дыр и темной энергии, где эксперименты попросту невозможны.

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).

Правообладатель иллюстрации SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption Конденсаты Бозе-Эйнштейна уже давно известны физикам

Американские физики получили жидкость с "отрицательной массой", которая при придании ей ускорения движется в обратном направлении.

В привычном нам мире при воздействии на объект какой-либо силы он начинает двигаться в направлении приложения этой силы. Это явление описывается вторым законом Ньютона.

Теоретически материя может обладать отрицательной массой - в том же смысле, в каком электрический заряд может быть положительным или отрицательным. Физики называют это явление "экзотической материей".

Профессор Питер Энгельс из Университета штата Вашингтон и его коллеги сумели охладить атомы рубидия почти до температуры абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия), создав так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна.

В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Атомы движутся чрезвычайно медленно и ведут себя, как волны.

Они также движутся синхронно, образуя так называемую супержидкость, которая течет, не теряя при этом энергии.

Атомы рубидия охладили лазером и удерживали образец до тех пор, пока частицы высоких энергий не переместились за пределы лазерной ловушки. На этом этапе атомы еще вели себя как частицы с нормальной, положительной массой: если бы сила, удерживавшая атомы вместе, прекратила действовать, крайние атомы рассыпались бы в разные стороны под давлением центральных атомов.

Чтобы заставить атомы рубидия вести себя как вещество с отрицательной массой, учёные направили на них другой набор лазеров, с помощью которых можно было изменять спин некоторых атомов.

Сравнив расчётные данные с экспериментальными, физики пришли к выводу, что по крайней мере некоторые из атомов в лазерной ловушке стали ускоряться в направлении, обратном приложению силы атомов, занимавших центральное положение в ловушке - правда, это происходило только на очень короткий момент, после чего атомы быстро возвращались к поведению, характерному для частиц с положительной массой.

"Если вы толкаете вещество с отрицательной массой, оно получает ускорение в обратном направлении, - объясняет один из исследователей профессор Майкл Форбс. - Это напоминает столкновение атомов рубидия с невидимой стеной".

Результаты этого эксперимента могут прояснить природу некоторых наблюдаемых астрономических объектов и явлений - например, нейтронных звезд, черных дыр и темной материи.

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