تم إنشاء مادة ذات خصائص كتلة سلبية. أظهر العلماء مادة ذات كتلة فعالة سلبية

الصفحة الرئيسية / زوجة خائنة

من المستحسن المشاهدة بدقة 1280 × 800


"التكنولوجيا للشباب" ، 1990 ، العدد 10 ، ص. 16-18.

تم المسح بواسطة إيغور ستبيكين

تريبيون الفرضيات الجريئة

بونكرات بوريسوف ، مهندس
الكتلة السلبية: رحلة مجانية إلى ما لا نهاية

  • ظهرت مقالات حول هذا الموضوع من وقت لآخر في مجلات الفيزياء الأجنبية والسوفياتية لأكثر من 30 عامًا. لكن الغريب أنها لم تجتذب بعد انتباه الداعين إلى الشعبية. لكن مشكلة الكتلة السالبة ، وحتى في صيغة علمية بحتة ، هي هدية ممتازة لكل من عشاق مفارقات الفيزياء الحديثة وكتاب الخيال العلمي. لكن هذه هي خاصية الأدب الخاص: يمكن أن يظل الإحساس فيها مخفيًا لعقود ...
  • لذلك ، نحن نتحدث عن شكل افتراضي للمادة ، تكون كتلته معاكسة للإشارة إلى الشكل المعتاد. السؤال الذي يطرح نفسه على الفور: ماذا يعني هذا في الواقع؟ ويتضح على الفور: ليس من السهل تحديد مفهوم الكتلة السالبة بشكل صحيح.
  • لا شك أن لها خاصية التنافر الثقالي. لكن اتضح أن هذا وحده لا يكفي. في الفيزياء الحديثة ، يتم تمييز ما يصل إلى أربعة أنواع من الكتلة بدقة:
  • نشط الجاذبية - الذي يجذب (إذا كان إيجابيًا بالطبع) ؛
  • سلبي الجاذبية - الذي يجذب ؛
  • خامل ، يكتسب تسارعًا معينًا تحت تأثير القوة المطبقة (أ = F / م) ؛
  • أخيرًا ، كتلة راحة أينشتاين ، والتي تحدد الطاقة الكلية للجسم (E = mC 2).
  • في إطار النظريات المقبولة عمومًا ، كلهم ​​متساوون في الحجم. لكن من الضروري التمييز بينهما ، وهذا يتضح فقط عند محاولة تحديد الكتلة السالبة. الحقيقة هي أنه سيكون عكس المعتاد تمامًا فقط إذا أصبحت جميع أنواعه الأربعة سلبية.
  • على أساس هذا النهج ، في أول مقال حول هذا الموضوع ، نُشر في عام 1957 ، حدد الفيزيائي الإنجليزي إتش بوندي الخصائص الأساسية "للكتلة السالبة" عن طريق البراهين الصارمة.
  • قد لا يكون من الصعب جدًا تكرارها هنا ، لأنها تستند فقط إلى ميكانيكا نيوتن. لكن هذا سيؤدي إلى تشويش قصتنا ، ومن ثم هناك العديد من "التفاصيل الدقيقة" المادية والرياضية. لذلك ، دعنا ننتقل مباشرة إلى النتائج ، خاصةً أنها واضحة تمامًا.
  • أولاً ، يجب على "مادة ناقصة" أن تصد الجاذبية أي أجسام أخرى ، أي ليس فقط مع الكتلة السالبة ، ولكن أيضًا مع الكتلة الإيجابية (بينما المادة العادية ، على العكس من ذلك ، تجذب دائمًا المادة من كلا النوعين). علاوة على ذلك ، تحت تأثير أي قوة ، حتى قوة القصور الذاتي ، يجب أن تتحرك في الاتجاه المعاكس لموجه هذه القوة. وأخيرًا ، يجب أن تكون طاقة أينشتاين الإجمالية سالبة أيضًا.
  • لذلك ، بالمناسبة ، يجب التأكيد على أن مادتنا المذهلة ليست مادة مضادة ، والتي لا تزال كتلتها تعتبر إيجابية. على سبيل المثال ، وفقًا للمفاهيم الحديثة ، فإن "الأرض المضادة" من المادة المضادة ستدور حول الشمس في نفس مدار كوكبنا.
  • ربما يكون كل هذا واضحًا تقريبًا. ولكن بعد ذلك يبدأ ما لا يصدق.
  • لنأخذ نفس الجاذبية. إذا انجذب جسمان عاديان واقتربا ، وتم طرد كتلتين مضادتين وتشتتتا ، فماذا سيحدث مع تفاعل الجاذبية لكتل ​​العلامات المعاكسة؟
  • لنكن هذه أبسط حالة: جسم (على سبيل المثال ، كرة) مصنوع من مادة بكتلة سالبة - M خلف جسم ما (دعنا نسميها "صاروخ" - سنكتشف الآن السبب) مع كتلة موجبة متساوية + م. من الواضح أن مجال الجاذبية للكرة يصد الصاروخ ، بينما يجذب الكرة نفسها. ولكن من هذا يتضح (وهذا يثبت بدقة مرة أخرى) أن النظام بأكمله سيتحرك على طول خط مستقيم يربط بين مركزي كتلتين ، مع تسارع ثابت يتناسب مع قوة تفاعل الجاذبية بينهما!
  • بالطبع ، للوهلة الأولى ، هذه الصورة للحركة العفوية التي لا سبب لها "تثبت" شيئًا واحدًا فقط: لا يمكن أن توجد كتلة مضادة لها الخصائص التي ننسبها إليها منذ البداية في التعريف. بعد كل شيء ، لقد تلقينا ، على ما يبدو ، مجموعة كاملة من الانتهاكات لأكثر القوانين ثباتًا.
  • حسنًا ، ألا يُداس هنا علنًا ، على سبيل المثال ، قانون الحفاظ على الزخم؟ بدون سبب يندفع كلا الجسمين في اتجاه واحد ولا شيء يتحرك في الاتجاه المعاكس. لكن تذكر أن أحد الجماهير سلبي! لكن هذا يعني أن الدافع ، بغض النظر عن السرعة ، له علامة ناقص: (-M) V ، ثم يظل الدافع الكلي لنظام جسمين صفراً!
  • نفس الشيء مع الطاقة الحركية الكلية للنظام. ما دامت الجثث في حالة راحة ، فهي صفر. ولكن بغض النظر عن السرعة التي تتحرك بها ، لا شيء يتغير: الكتلة السالبة للكرة ، بالتوافق التام مع الصيغة (-M) V 2/2 ، تتراكم الطاقة الحركية السلبية ، والتي تعوض تمامًا عن الزيادة في الطاقة الإيجابية للصاروخ .
  • إذا كان كل هذا يبدو سخيفًا ، فربما "نحطم إسفينًا بإسفين" - دعنا نحاول تأكيد سخافة مع أخرى؟ منذ الصف السادس ، نعلم أن مركز النقاط المتساوية (الموجبة بالطبع) يقع في المنتصف بينهما. إذن - كيف تحب الاستنتاج التالي؟ يقع مركز كتل النقاط المتساوية للعلامات المختلفة ، على الرغم من مرورها على خط مستقيم ، ولكن ليس في الداخل ، ولكن خارج الجزء الذي يربط بينها ، عند النقطة ± Ґ؟!
  • هل هو أسهل؟
  • بالمناسبة ، هذا الاستنتاج أساسي بالفعل ، ويمكن للجميع ، إذا رغبوا في ذلك ، تكراره ، بعد أن أتقنوا الفيزياء في نفس الصف السادس.
  • يمكن لأي شخص لا يؤمن بالكلمة ويريد التأكد من صحة جميع الحسابات الرجوع إلى أحد أحدث المنشورات حول هذا الموضوع - مقال للفيزيائي الأمريكي آر فورورد "محرك صاروخ على مادة ذات كتلة سالبة" نشرت في مجلة هندسة الطيران والفضاء رقم 4 لعام 1990.
  • لكن ربما يظن القارئ المتطور أنه فهم دون أي حسابات أين انزلق "الزيزفون" إليه؟ في الواقع: في كل هذه الحجج الأنيقة ، يتم التستر على السؤال: من أين أتت مثل هذه الكتلة الرائعة؟ بعد كل شيء ، مهما كان مصدرها ، يجب إنفاق الطاقة على "استخراجها" أو "تصنيعها" أو ، على سبيل المثال ، عند تسليمها إلى مسرح الحدث ، مما يعني ...
  • للأسف القارئ المتطور! الطاقة ، بالطبع ، ستكون مطلوبة ، لكنها ستكون سلبية مرة أخرى. لا يوجد شيء يجب القيام به: في صيغة آينشتاين للطاقة الكلية للجسم E = Mc 2 ، فإن كتلتنا الرائعة لها نفس علامة الطرح. هذا يعني أن "إنتاج" زوج من الأجسام ذات كتل متساوية من علامات مختلفة سيتطلب طاقة إجمالية صفرية. الأمر نفسه ينطبق على التسليم وأي تلاعب آخر.
  • لا - بغض النظر عن مدى تناقض كل هذه النتائج ، تؤكد الاستنتاجات الدقيقة أن وجود الكتلة المضادة لا يتعارض ليس فقط مع ميكانيكا نيوتن ، ولكن أيضًا مع النظرية العامة للنسبية. لم يكن من الممكن العثور على أي محظورات منطقية على وجودها.
  • حسنًا ، إذا كانت النظرية "تسمح" ، فلنفكر ، على سبيل المثال ، - ماذا يمكن أن يحدث عندما يتلامس جسيمان متطابقان من المادة بكتلة موجبة وناقصية؟ كل شيء واضح مع المادة المضادة "العادية": ستحدث الفناء مع إطلاق الطاقة الكلية لكلا الجسمين. ولكن إذا كانت إحدى الكتلتين المتساويتين سالبة ، فإن طاقتهما الإجمالية ، كما فهمنا للتو ، تساوي صفرًا. لكن ما سيحدث لهم في الواقع هو بالفعل سؤال يتجاوز حدود النظرية.
  • لا يمكن العثور على نتيجة مثل هذا الحدث إلا تجريبيًا. من المستحيل "حسابه" - بعد كل شيء ، ليس لدينا أي فكرة عن "آلية عمل" الكتلة السالبة ، "هيكلها الداخلي" (تمامًا كما ، بالمناسبة ، لا نعرف هذا عن الكتلة المعتادة). من الناحية النظرية ، هناك شيء واحد واضح: على أي حال ، ستبقى الطاقة الإجمالية للنظام صفرًا. لدينا الحق في طرح الفرضية فقط ، كما يفعل نفس الأمر. ووفقا له ، فإن التفاعل المادي هنا لا يؤدي إلى الإبادة ، ولكن إلى ما يسمى بـ "الإبطال" ، أي التدمير المتبادل "الهادئ" للجسيمات ، واختفائها دون إطلاق أي طاقة.
  • لكن ، نكرر ، التجربة فقط هي التي يمكن أن تؤكد أو تدحض هذه الفرضية.
  • للأسباب نفسها ، لا نعرف شيئًا عن كيفية "تصنيع" كتلة سالبة (إذا كان ذلك ممكنًا). تؤكد النظرية فقط أن كتلتين متساويتين من الإشارة المعاكسة ، من حيث المبدأ ، يمكن أن تنشأ دون أي تكاليف للطاقة. وبمجرد ظهور مثل هذا الزوج من الجثث ، سوف يطير ، كلهم ​​متسارعين ، في خط مستقيم إلى ما لا نهاية ...
  • فورورد ، في مقالته ، "صمم" بالفعل محركًا ذا كتلة سالبة يمكنه أن يأخذنا إلى أي نقطة في الكون بأي تسارع نحدده. اتضح أن هذا يتطلب فقط ... زوجًا من الينابيع الجيدة (جميع تفاعلات "الكتلة السالبة" مع تلك المعتادة عن طريق القوى المرنة ، بالطبع ، تُحسب أيضًا بالتفصيل).
  • لذا ، دعونا نضع كتلتنا الرائعة ، المساوية في الحجم مع كتلة الصاروخ ، في منتصف "حجرة المحرك". إذا كنت بحاجة إلى التحليق للأمام ، فقم بمد الزنبرك من الجدار الخلفي وربط جسمه الكتلي السالب. على الفور ، نظرًا لخصائصه "المنحرفة" بالقصور الذاتي ، فإنه لن يندفع إلى حيث يتم سحبه ، ولكن في الاتجاه المعاكس ، يسحب الصاروخ معه مع تسارع يتناسب مع قوة شد الزنبرك.
  • لإيقاف التسارع ، يكفي فك الزنبرك. ولإبطاء السفينة وإيقافها ، تحتاج إلى استخدام زنبرك ثانٍ متصل بالجدار الأمامي لحجرة المحرك.
  • ومع ذلك هناك تفنيد جزئي لـ "المحرك الحر"! صحيح أنه يأتي من جانب غير متوقع تمامًا. لكن المزيد عن ذلك في النهاية.
  • في غضون ذلك ، دعنا نبحث عن الأماكن التي يمكن أن توجد فيها كميات كبيرة من الكتلة السالبة. يتم اقتراح مثل هذه الأماكن من خلال الفراغات العملاقة المكتشفة على خرائط ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق لتوزيع المجرات في الكون - وهي أكثر الظواهر إثارة في حد ذاتها. كما يظهر في الشكل. 2 ، أبعاد هذه التجاويف ، والتي تسمى أيضًا ببساطة "الفقاعات" ، هي حوالي 100 مليون سنة ضوئية (بينما تبلغ أبعاد مجرتنا حوالي 0.06 مليون سنة ضوئية). وهكذا ، على النطاق الأكبر ، الكون له بنية "رغوية".
  • يتم تمييز حدود الفقاعات بوضوح بواسطة مجموعات من عدد كبير من المجرات. لا يوجد أي منها عمليًا داخل الفقاعات ، ولكن إذا حدثت هناك ، فهي كائنات غير عادية للغاية. وهي تتميز بأطياف إشعاع عالية الطاقة عالية التردد. يعتقد الآن أن الفقاعات تحتوي على مجرات "فاشلة" أو سحب غازية من الهيدروجين العادي.
  • ولكن هل من الممكن افتراض أن البنية "الرغوية" للكون هي نتيجة تكوينه من نفس عدد الجسيمات ذات الكتلة السالبة والموجبة؟ بالمناسبة ، هذا التفسير يؤدي بطبيعة الحال إلى نتيجة جذابة للغاية: الكتلة الكلية للكون كانت دائمًا ولا تزال مساوية للصفر. ثم تكون الفقاعات أماكن طبيعية للكتلة السالبة ، والتي تميل جزيئاتها إلى التشتت قدر الإمكان عن بعضها البعض. والكتلة الموجبة تدفع على سطح الفقاعات حيث تشكل المجرات والنجوم تحت تأثير قوى الجاذبية. هنا يمكنك أن تتذكر مقال أ.أ.بارانوف ، الذي ظهر عام 1971 في العدد 11 من مجلة إزفيستيا فوزوف. الفيزياء". هناك ، يتم النظر في نموذج كوني للكون بجزيئات لها كتل من كلتا العلامتين. باستخدام هذا النموذج ، يشرح المؤلف التقديرات التجريبية للثابت الكوسمولوجي والانزياح الأحمر لهبل ، بالإضافة إلى بعض الظواهر الشاذة التي لوحظت في تفاعل المجرات.
  • هناك علامة أخرى محتملة على وجود كميات كبيرة من الكتلة السالبة وهي وجود "تيارات" سريعة جدًا في الهياكل الكبيرة للكون. وهكذا ، فإن العنقود الفائق الذي يحتوي على مجرتنا "يتدفق" بسرعة 600 كم / ثانية بالنسبة للخلفية السكونية للإشعاع CMB. لا تتناسب هذه السرعة مع إطار نظريات تكوين المجرات من المادة المظلمة الباردة. يقترح R. Forward محاولة تفسير هذه الظاهرة مع الأخذ في الاعتبار التنافر الجماعي للعناقيد العملاقة من الفقاعات التي تحتوي على كتلة سالبة.
  • لذلك ، المادة السالبة يمكن أن تتشتت فقط. لكن اتضح أن هذا هو دحض جزئي للعديد من الاستنتاجات التي تمت مناقشتها. بعد كل شيء ، فإن خاصية التنافر التثاقلي لجسيمات المادة ، مهما كانت طبيعتها ، تؤدي حتمًا إلى حقيقة أن هذه الجسيمات لا يمكن أن تتجمع تحت تأثير قوى الجاذبية. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن جسيمًا ذا كتلة سالبة تحت تأثير أي قوة يتحرك في الاتجاه المعاكس لمتجه هذه القوة ، فلا يمكن للتفاعلات الذرية العادية أن تربط هذه الجسيمات بأجسام "طبيعية".
  • لكننا نأمل أن يظل القارئ مستمتعًا بكل هذه الحجج ...

    • ثقب دودي افتراضي في الزمكان

    في الفيزياء النظرية ، هذا هو مفهوم مادة افتراضية ، كتلتها لها قيمة معاكسة لكتلة مادة عادية (تمامًا كما أن الشحنة الكهربائية موجبة وسالبة). على سبيل المثال ، -2 كجم. مثل هذه المادة ، إذا كانت موجودة ، تنتهك واحدة أو أكثر وتظهر بعض الخصائص الغريبة. وفقًا لبعض النظريات التأملية ، يمكن استخدام مادة ذات كتلة سالبة لإنشاء (ثقوب دودية) في الزمكان.

    يبدو الأمر وكأنه خيال مطلق ، ولكن الآن مجموعة من علماء الفيزياء من جامعة ولاية واشنطن ، وجامعة واشنطن ، وجامعة OIST (أوكيناوا ، اليابان) وجامعة شنغهاي ، والتي تعرض بعض خصائص مادة افتراضية ذات كتلة سالبة. على سبيل المثال ، إذا دفعت هذه المادة ، فسوف تتسارع ليس في اتجاه تطبيق القوة ، ولكن في الاتجاه المعاكس. أي أنه يتسارع في الاتجاه المعاكس.

    لإنشاء مادة ذات خصائص كتلة سالبة ، أعد العلماء تكاثف بوز-آينشتاين عن طريق تبريد ذرات الروبيديوم إلى الصفر المطلق تقريبًا. في هذه الحالة ، تتحرك الجسيمات ببطء شديد ، وتبدأ التأثيرات الكمومية في الظهور على المستوى العياني. أي وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم ، تبدأ الجسيمات في التصرف مثل الموجات. على سبيل المثال ، تتم مزامنتها مع بعضها البعض وتتدفق عبر الشعيرات الدموية بدون احتكاك ، أي دون فقد الطاقة - تأثير ما يسمى بالسائل الفائق.

    في مختبر جامعة واشنطن ، تم تهيئة الظروف لتكوين مكثف بوز-آينشتاين بحجم أقل من 0.001 ملم مكعب. تم إبطاء الجسيمات بواسطة الليزر وانتظر أكثرها نشاطًا لترك الحجم ، مما أدى إلى زيادة تبريد المادة. في هذه المرحلة ، لا يزال السائل فوق الحرج يتمتع بكتلة موجبة. إذا تم كسر شد الوعاء ، فإن ذرات الروبيديوم ستشتت في اتجاهات مختلفة ، لأن الذرات المركزية ستدفع الذرات الخارجية إلى الخارج ، وسوف تتسارع في اتجاه تطبيق القوة.

    لإنشاء كتلة سلبية فعالة ، استخدم الفيزيائيون مجموعة مختلفة من الليزر ، والتي غيرت دوران بعض الذرات. كما تتوقع المحاكاة ، في بعض مناطق الوعاء ، يجب أن تكتسب الجسيمات كتلة سالبة. يمكن ملاحظة ذلك بوضوح من الزيادة الحادة في كثافة المادة كدالة للوقت في عمليات المحاكاة (في الرسم البياني السفلي).


    الشكل 1. تمدد متباين الخواص لتكثيف بوز - أينشتاين مع معاملات تماسك مختلفة. تم تمييز النتائج الفعلية للتجربة باللون الأحمر ، وتم تمييز نتائج التنبؤ في المحاكاة باللون الأسود.

    الرسم البياني السفلي عبارة عن قسم مكبر من الإطار الأوسط في الصف السفلي من الشكل 1.

    يُظهر الرسم البياني السفلي محاكاة أحادية البعد للكثافة الإجمالية كدالة للوقت في المنطقة التي ظهر فيها عدم الاستقرار الديناميكي لأول مرة. تفصل الخطوط المنقطة ثلاث مجموعات من الذرات ذات السرعات

    في شبه لحظة

    أين الكتلة الفعالة

    يبدأ في التحول السلبي (السطر العلوي). الظاهر هو نقطة الحد الأدنى من الكتلة الفعالة السلبية (الوسط) والنقطة التي تعود فيها الكتلة إلى القيم الموجبة (المحصلة النهائية). تشير النقاط الحمراء إلى الأماكن التي تقع فيها شبه اللحظة المحلية في منطقة الكتلة المؤثرة السلبية.

    يُظهر الصف الأول من المؤامرات أنه خلال التجربة الفيزيائية ، تصرفت المادة وفقًا لنتائج المحاكاة التي تتنبأ بظهور الجسيمات ذات الكتلة الفعالة السلبية.

    في تكاثف بوز-آينشتاين ، تتصرف الجسيمات مثل الموجات ، وبالتالي لا تنتشر في الاتجاه الذي يجب أن تنتشر فيه الجسيمات العادية ذات الكتلة الفعالة الإيجابية.

    من أجل الإنصاف ، يجب أن يقال إن الفيزيائيين قاموا بالتسجيل مرارًا وتكرارًا أثناء التجارب ، ولكن يمكن تفسير تلك التجارب بطرق مختلفة. الآن تم القضاء على عدم اليقين إلى حد كبير.

    مقال علمي 10 أبريل 2017 في المجلة رسائل المراجعة البدنية(دوى: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301 ، متاح بالاشتراك). نسخة من المقال قبل إرسالها إلى المجلة في 13 ديسمبر 2016 متاحة مجانًا على arXiv.org (arXiv: 1612.04055).

    ابتكر الفيزيائيون في جامعة واشنطن سائلًا ذا كتلة سالبة. ادفعها ، وعلى عكس كل الأشياء المادية في العالم التي نعرفها ، فلن تتسارع في اتجاه الدفع. سوف تتسارع في الاتجاه المعاكس. نادرًا ما يتم إنشاء هذه الظاهرة في بيئة معملية ويمكن استخدامها لاستكشاف بعض المفاهيم الأكثر تعقيدًا حول الفضاء ، كما يقول مايكل فوربس ، الأستاذ المساعد والفيزيائي والفلكي بجامعة واشنطن. ظهرت الدراسة في رسائل المراجعة الفيزيائية.

    نظريًا ، يمكن أن يكون للمادة كتلة سالبة بنفس المعنى الذي يمكن أن تكون فيه الشحنة الكهربائية سالبة أو موجبة. نادرًا ما يفكر الناس في ذلك ، وعالمنا اليومي يوضح فقط الجوانب الإيجابية لقانون إسحاق نيوتن الثاني للحركة ، والذي وفقًا لموجبه تكون القوة المؤثرة على الجسم مساوية لمنتج كتلة الجسم من خلال التسارع الناتج عن هذه القوة ، أو F = أماه.

    بمعنى آخر ، إذا دفعت شيئًا ما ، فسوف يتسارع في اتجاه دفعك. سوف تعمل الكتلة على تسريعها في اتجاه القوة.

    تقول فوربس ، متوقعة المفاجأة: "لقد اعتدنا على هذا الوضع". "مع الكتلة السالبة ، إذا دفعت شيئًا ما ، فسوف يتسارع نحوك."

    شروط الكتلة السالبة

    بالتعاون مع زملائه ، خلق ظروفًا للكتلة السالبة ، مبردًا ذرات الروبيديوم إلى حالة من الصفر المطلق تقريبًا ، وبالتالي خلق مكثف بوز-آينشتاين. في هذه الحالة ، تنبأ Schatiendranath Bose و Albert Einstein ، تتحرك الجسيمات ببطء شديد ، ووفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم ، تتصرف مثل الموجات. كما أنها تتزامن وتتحرك في انسجام تام كسائل فائق السوائل يتدفق دون فقدان الطاقة.

    تحت قيادة بيتر إنجلز ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة واشنطن ، ابتكر العلماء في الطابق السادس من Webster Hall هذه الحالة باستخدام الليزر لإبطاء الجسيمات ، مما يجعلها أكثر برودة والسماح للجسيمات الساخنة عالية الطاقة بالهروب مثل البخار ، المزيد من تبريد المادة.

    التقط الليزر الذرات كما لو كانت في وعاء أقل من مائة ميكرون. في هذه المرحلة ، كان للروبيديوم الفائق الكتلة المعتادة. سمح الوعاء الممزق للروبيديوم بالهروب ، وتمدد مع دفع الروبيديوم في المركز إلى الخارج.

    لإنشاء كتلة سالبة ، استخدم العلماء مجموعة ثانية من الليزر تدفع الذرات ذهابًا وإيابًا ، وتغيير دورانها. الآن بعد أن نفد الروبيديوم بسرعة كافية ، فإنه يتصرف كما لو كان لديه كتلة سالبة. "ادفعها وتسارع في الاتجاه المعاكس" ، كما تقول فوربس. "كما لو أن الروبيديوم كان يضرب بجدار غير مرئي".

    القضاء على العيوب الكبيرة

    تجنبت الطريقة التي استخدمها علماء جامعة واشنطن بعض العيوب الرئيسية الموجودة في المحاولات السابقة لفهم الكتلة السالبة.

    يقول فوربس: "أول شيء أدركناه هو أننا نمتلك تحكمًا دقيقًا في طبيعة هذه الكتلة السالبة دون أي تعقيدات أخرى". يشرح بحثهم ، بالفعل من منظور جماعي سلبي ، سلوكًا مشابهًا في الأنظمة الأخرى. يمنح التحكم المتزايد الباحثين أداة جديدة لتطوير التجارب لدراسة الفيزياء المماثلة في الفيزياء الفلكية ، على سبيل المثال ، النجوم النيوترونية ، والظواهر الكونية مثل الثقوب السوداء والطاقة المظلمة ، حيث التجارب ببساطة مستحيلة.

    ثقب دودي افتراضي في الزمكان

    في مختبر جامعة واشنطن ، تم تهيئة الظروف لتكوين مكثف بوز-آينشتاين بحجم أقل من 0.001 ملم مكعب. تم إبطاء الجسيمات بواسطة الليزر وانتظر أكثرها نشاطًا لترك الحجم ، مما أدى إلى زيادة تبريد المادة. في هذه المرحلة ، لا يزال السائل فوق الحرج يتمتع بكتلة موجبة. إذا تم كسر شد الوعاء ، فإن ذرات الروبيديوم ستشتت في اتجاهات مختلفة ، لأن الذرات المركزية ستدفع الذرات الخارجية إلى الخارج ، وسوف تتسارع في اتجاه تطبيق القوة.

    لإنشاء كتلة سلبية فعالة ، استخدم الفيزيائيون مجموعة مختلفة من الليزر ، والتي غيرت دوران بعض الذرات. كما تتوقع المحاكاة ، في بعض مناطق الوعاء ، يجب أن تكتسب الجسيمات كتلة سالبة. يمكن ملاحظة ذلك بوضوح من الزيادة الحادة في كثافة المادة كدالة للوقت في عمليات المحاكاة (في الرسم البياني السفلي).


    الشكل 1. تمدد متباين الخواص لتكثيف بوز - أينشتاين مع معاملات تماسك مختلفة. تم تمييز النتائج الفعلية للتجربة باللون الأحمر ، وتم تمييز نتائج التنبؤ في المحاكاة باللون الأسود.

    الرسم البياني السفلي عبارة عن قسم مكبر من الإطار الأوسط في الصف السفلي من الشكل 1.

    يُظهر الرسم البياني السفلي محاكاة أحادية البعد للكثافة الإجمالية كدالة للوقت في المنطقة التي ظهر فيها عدم الاستقرار الديناميكي لأول مرة. تفصل الخطوط المنقطة ثلاث مجموعات من الذرات ذات السرعات في شبه اللحظة ، حيث تبدأ الكتلة الفعالة في أن تصبح سالبة (الخط العلوي). الموضح هو نقطة الحد الأدنى من الكتلة الفعالة السلبية (الوسط) والنقطة التي تعود فيها الكتلة إلى القيم الموجبة (المحصلة النهائية). تشير النقاط الحمراء إلى الأماكن التي تقع فيها شبه اللحظة المحلية في منطقة الكتلة المؤثرة السلبية.

    يُظهر الصف الأول من المؤامرات أنه خلال التجربة الفيزيائية ، تصرفت المادة وفقًا لنتائج المحاكاة التي تتنبأ بظهور الجسيمات ذات الكتلة الفعالة السلبية.

    في تكاثف بوز-آينشتاين ، تتصرف الجسيمات مثل الموجات ، وبالتالي لا تنتشر في الاتجاه الذي يجب أن تنتشر فيه الجسيمات العادية ذات الكتلة الفعالة الإيجابية.

    من أجل الإنصاف ، يجب أن يقال إن الفيزيائيين سجلوا بشكل متكرر خلال التجارب النتائج عندما تجلت خصائص مادة ذات كتلة سالبة ، ولكن يمكن تفسير تلك التجارب بطرق مختلفة. الآن تم القضاء على عدم اليقين إلى حد كبير.

    مقال علمي منشور بتاريخ 10 أبريل 2017 في المجلة رسائل المراجعة البدنية(دوى: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301 ، متاح بالاشتراك). تم نشر نسخة من المقال قبل إرسالها إلى المجلة في 13 ديسمبر 2016 في المجال العام على arXiv.org (arXiv: 1612.04055).

    اقترح عالم الفيزياء الفلكية البريطاني جيمي فارنز نموذجًا كونيًا يتم فيه إنتاج الكتلة السالبة بمعدل ثابت خلال تطور الكون. يتناقض هذا النموذج مع وجهة النظر المقبولة عمومًا لطبيعة المادة ، لكنه يشرح جيدًا معظم التأثيرات التي تُعزى عادةً إلى المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، على وجه الخصوص ، تمدد الكون ، وتشكيل بنية واسعة النطاق من الكون والهالة المجرية ، ومنحنيات دوران المجرات ، والطيف المرصود للإشعاع المتبقي. مقالة منشورة في علم الفلك والفيزياء الفلكية، تم نشر النسخة الأولية للعمل على موقع arXiv.org.

    حاليًا ، يعتقد معظم علماء الكونيات أن تطور الكون موصوف بواسطة نموذج ΛCDM. وفقًا لهذا النموذج ، حوالي 70 بالمائة من كتلة الكون هي طاقة مظلمة ، و 25 بالمائة عبارة عن مادة مظلمة باردة (أي مادة تتحرك جسيماتها ببطء) ، و 5 بالمائة فقط المتبقية هي مادة باريونية اعتدنا عليها. . حدد العلماء هذه النسب من خلال تحليل التوافقيات في نمط CMB. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول قياس "تكوين" الكون في مقالات بوريس ستيرن حول الأقمار الصناعية WMAP و Planck ، والتي قدمت المساهمة الرئيسية في هذا العمل.

    لسوء الحظ ، لا يفهم العلماء ماهية المادة المظلمة والطاقة المظلمة. لم تحصل أي من التجارب فائقة الدقة للبحث عن جسيمات المادة المظلمة التي تنبأ بها عدد من النماذج النظرية (على سبيل المثال ، SUSY) على نتائج إيجابية. في الوقت الحاضر ، المقطع العرضي المتشتت للجسيمات العادية والجسيمات "المظلمة" بكتل من 6 إلى 200 ميغا إلكترون فولت هو من 10 إلى 47 سنتيمترًا مربعًا ، وهو ما يستبعد عمليا الجسيمات في نطاق الكتلة هذا ويجبر الفيزيائيين على تطوير نظريات بديلة. ومع ذلك ، لا تزال المادة المظلمة تتجلى من خلال تفاعل الجاذبية ، وتعديل منحنيات دوران المجرات والصورة ، وبالتالي العلماء من هذه الفرضية.

    إنه أسوأ مع الطاقة المظلمة. الملاحظة الوحيدة التي تؤكد وجوده بشكل مباشر ، بغض النظر عن تحليل CMB ، هي التوسع المتسارع للكون ، والذي يقاس (بشكل غير مباشر ، يتم تأكيد الطاقة المظلمة من خلال نسبة العناصر الكيميائية في الكون المرصود). علاوة على ذلك ، فإن علماء الفيزياء لديهم فهم ضعيف لماهية الطاقة المظلمة. المستوى الأساسي ... بالطبع، نوعيايمكن وصفها باستخدام الثابت الكوني (مصطلح لامدا) في ، لكن هذه الطريقة لا توفر معرفة جديدة ولا تسمح لأحد بتأسيس مما تتكونالطاقة المظلمة. شرح أينشتاين مثل هذه الإضافات باستخدام جزيئات ذات كتلة سالبة - في هذا النهج ، تصبح معادلات الحركة متماثلة ، مثل معادلات الديناميكا الكهربائية ، وينشأ مصطلح لامدا كثابت تكامل لا يحتوي على معنى مادي.

    المادة ذات الكتلة السالبة هي المادة التي تتسارع في الاتجاه المعاكس لعمل القوة. الجسيم ذو الكتلة السالبة يطرد الجسيمات ذات الكتلة الموجبة والسالبة ، بينما الجسيمات "الموجبة" تجذب الجسيمات "السلبية". لسوء الحظ ، في إطار نموذج ΛCDM ، هذه الطريقة في وصف الطاقة المظلمة محكوم عليها بالفشل بالتأكيد. الحقيقة هي أنه أثناء توسع الكون ، تتغير كثافة المكونات المختلفة وفقًا لقوانين مختلفة: تقل كثافة المادة الباردة ، بينما تظل كثافة الطاقة المظلمة ثابتة. لذلك ، من المستحيل تحديد المادة ذات الكتلة السالبة والطاقة المظلمة.


    تفاعل الجسيمات مع الكتلة السالبة: الأسهم السوداء تشير إلى قوى ، حمراء - تسارع

    جيمي فارنز / علم الفلك والفيزياء الفلكية


    تفاعل الجسيمات مع الكتلة الإيجابية والسلبية: الأسهم السوداء تشير إلى القوى ، والأحمر - التسارع

    جيمي فارنز / علم الفلك والفيزياء الفلكية


    تفاعل الجسيمات مع الكتلة الإيجابية: الأسهم السوداء تشير إلى القوى ، والأحمر - التسارع

    جيمي فارنز / علم الفلك والفيزياء الفلكية

    ومع ذلك ، يدعي عالم الفيزياء الفلكية جيمي فارنز أنه كان قادرًا على ربط فكرة أينشتاين ببيانات الرصد. للقيام بذلك ، قام بدمج فكرة الكتلة السالبة مع فكرة أخرى غير بديهية عن الإنتاج المستمر والمتجانس للكتلة في حجم الكون. هذه الفكرة أيضًا بعيدة كل البعد عن كونها جديدة ؛ فقد تم اقتراحها لأول مرة في الأربعينيات من القرن الماضي.

    من الناحية النظرية ، يمكن أن تحدث مثل هذه العمليات في الواقع على خلفية مجال جاذبية قوي (على سبيل المثال ، بسبب). بالنظر إلى مثل هذه الإضافات إلى موتر زخم الطاقة القياسي للكتل الموجبة ، كتب الفيزيائي وحل معادلة فريدمان ، ثم حسب القانون الذي يوسع الكون في هذا النموذج. لم يأخذ العلماء في الاعتبار مساهمات المادة المظلمة المعتادة والطاقة المظلمة. نتيجة لذلك ، اتضح أن القوانين المعروفة يتم إنتاجها إذا تم إنتاج كتلة سالبة بسرعة ثابتة Γ = −3 ح، أين حهو ثابت هابل. في هذه الحالة ، ستبقى كثافة الكتلة السالبة ثابتة أثناء التمدد ، وسوف تحاكي بشكل فعال الثابت الكوني. في هذه الحالة ، يكون معدل تمدد الكون وعمره هو نفسه كما في نموذج ΛCDM.

    ثم حسب عالم الفيزياء الفلكية كيف ستظهر الكتلة السالبة على المقاييس الأصغر. للقيام بذلك ، قام في إطار نموذجه بنمذجة تفاعل عدد كبير من الجسيمات ذات الكتلة الموجبة والسالبة. نظرًا لأن جميع الحزم الفيزيائية الفلكية الحالية لا تأخذ في الحسبان مثل هذه التعديلات غير العادية ، كان على فارنز أن يطور برنامجه الخاص. من أجل تجنب أي تقديرات تقريبية في سياق العمليات الحسابية ، قام الباحث بحساب إحداثيات وسرعات كل جسيم في كل لحظة من الزمن - وهذا جعل من الممكن زيادة موثوقية التنبؤات ، على الرغم من تزايد الطلب على الموارد الحسابية للبرنامج مع زيادة مربع عدد الجسيمات. وبسبب هذا على وجه الخصوص ، كان على العالم أن يقتصر على نمذجة 50 ألف جسيم.

    باستخدام البرنامج المطور ، رأى فارنز العديد من التأثيرات التي تُنسب تقليديًا إلى المادة المظلمة. أولاً ، وضع نموذجًا لتطور مجموعة كثيفة من الجسيمات موجبة الكتلة مغمورة في "بحر" من الجسيمات ذات الكتلة السالبة. يجب أن يصف مثل هذا النظام من الناحية النوعية تطور المجرات في المراحل اللاحقة من توسع الكون ، عندما تسود الجسيمات "السالبة" بشكل كبير على الجسيمات "الإيجابية". في هذه المهمة ، اختار العالم عدد الجسيمات "الإيجابية" ن+ = 5000 ، عدد السالب ن- = 45000. ونتيجة لذلك ، حصل على توزيع الكثافة ، والذي يتوافق جيدًا مع بيانات الرصد - تزداد كثافة الجسيمات ببطء عند الاقتراب من مركز المجرة وتتزامن مع ملف بوركيرت. هذا يحل مشكلة الهالة التي تظهر في نموذج ΛCDM.


    تطور "مجرة" من المادة الإيجابية مغمورة في "بحر" من المادة السلبية

    جيمي فارنز / علم الفلك والفيزياء الفلكية


    ملف تعريف كتلة المجرة محسوبًا بواسطة Farnes (أزرق) وملاحظ في الممارسة (الخط المنقط الوردي)

    جيمي فارنز / علم الفلك والفيزياء الفلكية

    ثانيًا ، باستخدام نفس البيانات الأولية ، قام العالم بحساب منحنى دوران المجرة ووجد أنه يتفق جيدًا أيضًا مع بيانات الرصد. بينما في النموذج الذي يحتوي على جسيمات "موجبة" بحتة ، تتحرك المادة الموجودة على حافة المجرة بشكل أبطأ مما تتحرك في المركز ، في النموذج الذي تسود فيه الجسيمات "السالبة" ، تكون السرعة ثابتة تقريبًا.


    منحنى دوران لمجرة مغمورة في "بحر" من المادة السلبية (أحمر) ومجرة "حرة" (سوداء)

    جيمي فارنز / علم الفلك والفيزياء الفلكية

    ثالثًا ، أظهر فارنز أن البنية الخيطية واسعة النطاق للكون تنشأ بشكل طبيعي في نموذجه: تتحد المجرات في مجموعات ، والعناقيد في عناقيد عملاقة ، والعناقيد العملاقة في سلاسل وجدران. للقيام بذلك ، قام بحساب تطور نظام يحتوي على نفس العدد من الجسيمات "الموجبة" و "السالبة". بسبب القيود المفروضة على قوة الحوسبة المتاحة ، وضع العالم عدد كلا النوعين من الجسيمات ن + = ن- = 25000. كما في الحالة السابقة ، أحاطت الجسيمات "السالبة" بجزيئات المادة العادية وشكلت هالة ، لكن هذه المرة تمكن الباحث من تمييز الأنماط على نطاق أكبر ، والتي تشبه بنية الكون المرئي.


    بنية موحدة للكون في بداية المحاكاة

    جيمي فارنز / علم الفلك والفيزياء الفلكية

    تم تسجيلهم في الممارسة. لسوء الحظ ، لم يكن قادرًا على رؤية هذا التأثير في عمليات المحاكاة باستخدام 50000 جسيم. ومع ذلك ، يأمل العالم أنه في عمليات المحاكاة الأكبر التي تحتوي على مليون جسيم ، ستلاحظ مثل هذه العمليات ، ويقترح أيضًا أنها ستؤكد أو تدحض النظرية الجديدة.

    أخيرًا ، اختبر العالم مدى قوة التعديل المقترح لنموذج ΛCDM سيشوه التأثيرات المرصودة بالفعل - توسع الكون المقاس بالشموع القياسية ، وخلفية البقايا ، وملاحظات اندماجات عناقيد المجرات. في كل هذه الحالات ، وجد عالم الفيزياء الفلكية أن فرضيته لا تتعارض مع البيانات المرصودة. ومع ذلك ، لا يزال هناك عدد غير قليل من الأسئلة التي لا تزال مفتوحة - على وجه الخصوص ، ليس من الواضح كيفية ربط مثل هذه الفرضية بالنموذج القياسي (هل يمكن لآلية هيغز أن تولد كتلًا سالبة؟) ، وكيف تسجل تجريبيًا الجسيمات ذات الكتلة السالبة ، وكيف شرح التناقضات بين تنافر الجسيمات "السلبية" والنظرية. ومع ذلك ، يعتقد العالم أن كل هذه المشاكل يمكن حلها في إطار النموذج الجديد.

    وهكذا ، فإن النموذج ذي الإنتاج الضخم السالب الثابت لا يفسر فقط التوسع الملحوظ للكون ، ولكن أيضًا تكوين هيكله الواسع النطاق ، وهالات المادة المظلمة حول المجرات ومنحنيات الدوران - معظم التأثيرات التي تُعزى عادةً إلى الطاقة المظلمة والمادة المظلمة. الغريب ، مثل بديهية غير طبيعيةالفرضية التي تتعارض مع وجهة النظر المقبولة عمومًا للمادة هي تمامًا يتسقمع بيانات الرصد. علاوة على ذلك ، تقترح شرحها بطريقة أبسط ، تتضمن عددًا أقل من الكيانات. كما يكتب المؤلف في الاستنتاج ، "على الرغم من أن هذا الاقتراح مرتد وهرطقة ، [في المقالة] فقد تم اقتراح أن القيم السلبية لهذه المعايير يمكن من حيث المبدأ تفسير بيانات الملاحظات الكونية ، والتي تم تفسيرها دائمًا داخل إطار افتراض معقول للكتلة الإيجابية ".

    في بعض الأحيان يأتي الفيزيائيون بأفكار غير عادية لشرح التناقضات الملحوظة بين النظرية والتجربة. على سبيل المثال ، في تشرين الثاني (نوفمبر) من العام الماضي ، قدم الفيزيائي الأمريكي هومان دافوديسل Hooman Davoudiasl قوة جديدة يحملها جسيم عددي خفيف للغاية وتدفع المادة المظلمة بعيدًا عن الأرض. يفسر هذا الافتراض جيدًا فشل جميع التجارب الأرضية في البحث عن المادة المظلمة - إذا كانت هذه القوة موجودة بالفعل ، فإن الكواشف ، من حيث المبدأ ، لا يمكنها تسجيل أي شيء. لسوء الحظ ، من المستحيل التحقق من هذا البيان في الوضع الحالي للفن.

    ديمتري ترونين

    اختيار المحرر

    © 2021 skudelnica.ru - الحب والخيانة وعلم النفس والطلاق والمشاعر والمشاجرات