В рамках простого курса теоретической физики рассматривается концепция отрицательной массы — такого состояния вещества, при котором любая масса гипотетически принимает противоположное значение относительно некой стандартной массы любой материи. Данная идея аналогична электрическому заряду, который может быть как положительным, так и отрицательным. Предполагается, что подобное вещество нарушает ряд энергетических условий и обладает специфическими свойствами; согласно некоторым теоретическим моделям, оно могло бы использоваться для создания кротовых нор в пространстве-времени. Несмотря на кажущуюся фантастичность подобных положений, группа ученых из Университета штата Вашингтон, Вашингтонского университета, Университета OIST и Шанхайского университета успешно синтезировала материал, демонстрирующий ряд свойств, характерных для гипотетической материи 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 vg=E_′(k) в квазимомент k, где эффективная масса m∗−1=E_″(k) 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 в журнале Physical Review Letters, доступно по подписке). Копия статьи перед отправкой в журнал размещена 13 декабря 2016 года в свободном доступе на сайте arXiv.org (arXiv:1612.04055).

Для любознательных

В мире исследованиями вещества с отрицательной массой занимаются несколько ведущих научных центров:

• Университет штата Вашингтон (США) — именно там впервые удалось создать вещество с отрицательной массой. Учёные охладили атомы рубидия до состояния конденсата Бозе-Эйнштейна, что позволило наблюдать необычное поведение частиц.
• Висконсинский университет в Мадисоне (США) — здесь также проводятся активные исследования в этой области.
• Гарвардский университет (США) — участвует в изучении свойств отрицательной массы и их применения.

В России исследованиями в этой области занимаются:

• ведущие научные институты Российской академии наук;
• Московский государственный университет — один из крупнейших центров фундаментальных исследований в области физики;
• Институт теоретической и экспериментальной физики в Москве — здесь проводятся исследования свойств сверхтекучих жидкостей и конденсата Бозе-Эйнштейна;
• Новосибирский государственный университет и Институт ядерной физики СО РАН — активно работают над изучением квантовых состояний материи.

Мировое научное сообщество считает это направление крайне перспективным для изучения сложных космологических концепций и разработки новых технологий. Исследования отрицательной массы ведутся в рамках международного сотрудничества между ведущими научными центрами по всему миру.

Автор: Анатолий Ализар @alizar
Источник: https://habr.com/