Mənfi kütlə xassələrinə malik maddə yaradılmışdır. Alimlər mənfi təsirli kütləyə malik maddə nümayiş etdiriblər

ev / Aldadıcı arvad

1280 x 800 qətnamə ilə izləmək tövsiyə olunur


“Texnika-gənclik”, 1990, No 10, s. 16-18.

İqor Stepikin tərəfindən skan edilmişdir

Cəsarətli fərziyyələr tribunası

Ponkrat BORISOV, mühəndis
Mənfi Kütlə: Sonsuzluğa pulsuz uçuş

  • Bu mövzuda məqalələr 30 ildən artıqdır ki, vaxtaşırı xarici və sovet fizika jurnallarında dərc olunur. Ancaq qəribə də olsa, onlar hələ də populyarlaşdırıcıların diqqətini cəlb etməmişlər. Ancaq mənfi kütlə problemi və hətta ciddi elmi şəraitdə də müasir fizikanın paradokslarını sevənlər və fantastika yazıçıları üçün əla hədiyyədir. Ancaq xüsusi ədəbiyyatın mülkiyyəti belədir: içindəki bir sensasiya onilliklər ərzində gizli qala bilər ...
  • Deməli, söhbət materiyanın hipotetik formasından gedir ki, onun kütləsi işarə baxımından adi halın əksinədir. Dərhal sual yaranır: bu əslində nə deməkdir? Və dərhal aydın olur: mənfi kütlə anlayışını düzgün müəyyənləşdirmək o qədər də asan deyil.
  • Şübhəsiz ki, o, cazibə itələmə xüsusiyyətinə malik olmalıdır. Ancaq belə çıxır ki, təkcə bu kifayət deyil. Müasir fizikada dörd növ kütlə ciddi şəkildə fərqlənir:
  • qravitasiya aktiv - cəlb edən (əlbəttə ki, müsbətdirsə);
  • qravitasiya passiv - cəlb olunan;
  • tətbiq olunan qüvvənin təsiri altında müəyyən bir sürətlənmə əldə edən inert (a \u003d F / m);
  • nəhayət, bədənin ümumi enerjisini təyin edən Eynşteynin istirahət kütləsi (E = mC 2).
  • Ümumi qəbul edilmiş nəzəriyyələr çərçivəsində onların hamısı böyüklük baxımından bərabərdir. Ancaq onları ayırd etmək lazımdır və bu, yalnız mənfi kütləni təyin etməyə çalışarkən aydın olur. Fakt budur ki, onun dörd növünün hamısı mənfi olarsa, adi birindən tamamilə əks olacaqdır.
  • Bu yanaşmaya əsaslanaraq, hələ 1957-ci ildə bu mövzuda dərc edilmiş ilk məqaləsində ingilis fiziki X. Bondi ciddi sübutlarla "mənfi kütlə"nin əsas xüsusiyyətlərini təyin etdi.
  • Onları burada təkrarlamaq çox da çətin olmaya bilər, çünki onlar yalnız Nyuton mexanikasına əsaslanır. Ancaq bu, hekayəmizi qarışdıracaq və sonra bir çox fiziki və riyazi "incəliklər" var. Buna görə də, gəlin birbaşa nəticələrə keçək, xüsusən də onlar olduqca aydındır.
  • Birincisi, “mənfi maddə” hər hansı digər cisimləri cazibə qüvvəsi ilə dəf etməlidir, yəni təkcə mənfi deyil, həm də müsbət kütlə ilə (halbuki adi maddə, əksinə, həmişə hər iki növ maddəni cəlb edir). Bundan əlavə, hər hansı bir qüvvənin təsiri altında, ətalət qüvvəsinə qədər, bu qüvvənin vektoruna əks istiqamətdə hərəkət etməlidir. Və nəhayət, onun ümumi Eynşteyn enerjisi də mənfi olmalıdır.
  • Buna görə də, yeri gəlmişkən, vurğulamaq lazımdır ki, bizim heyrətamiz maddəmiz kütləsi hələ də müsbət hesab edilən antimateriya deyil. Məsələn, müasir konsepsiyalara görə, antimaddədən olan "Anti-Yer" bizim planetimizlə eyni orbitdə Günəş ətrafında fırlanacaqdı.
  • Bütün bunlar demək olar ki, göz qabağındadır. Ancaq sonra inanılmaz başlayır.
  • Gəlin eyni cazibə qüvvəsini götürək. Əgər iki adi cisim bir-birini çəkir və yaxınlaşırsa və iki antikütlə bir-birini dəf edib səpələnirsə, onda müxtəlif işarəli kütlələrin qravitasiya qarşılıqlı təsiri zamanı nə baş verir?
  • Bu, ən sadə hal olsun: mənfi kütləli maddədən ibarət cisim (tutaq ki, top) -M cismin arxasında (gəlin ona “raket” deyək – indi bunun səbəbini öyrənəcəyik) bərabər müsbət kütləsi var. +M. Aydındır ki, topun cazibə sahəsi raketi dəf edir, özü isə topu özünə çəkir. Ancaq buradan belə çıxır ki, (bu, yenə də qəti şəkildə sübut olunur) bütün sistem iki kütlənin mərkəzlərini birləşdirən düz xətt boyunca, onların arasında cazibə qüvvəsinin qarşılıqlı təsirinin gücünə mütənasib sabit sürətlənmə ilə hərəkət edəcəkdir!
  • Təbii ki, ilk baxışdan kortəbii, səbəbsiz hərəkətin bu mənzərəsi yalnız bir şeyi “sübut edir”: bizim əvvəldən tərifdə ona aid etdiyimiz xüsusiyyətlərə malik antikütlə sadəcə mövcud ola bilməz. Axı biz, deyəsən, ən dəyişməz qanunların bütöv bir dəstəsini almışıq.
  • Yaxşı, məsələn, impulsun saxlanması qanunu burada tamamilə açıq şəkildə pozulmurmu? Hər iki cəsəd heç bir səbəb olmadan eyni istiqamətə qaçır, heç bir şey əks istiqamətdə hərəkət etmir. Ancaq unutmayın ki, kütlələrdən biri mənfidir! Ancaq bu o deməkdir ki, sürətindən asılı olmayaraq onun impulsunun mənfi işarəsi var: (-M)V və sonra iki bədənli sistemin ümumi impulsu hələ də sıfır olaraq qalır!
  • Eyni şey sistemin ümumi kinetik enerjisinə də aiddir. Bədənlər istirahətdə olarkən sıfıra bərabərdir. Lakin onlar nə qədər sürətlə hərəkət etsələr də, heç nə dəyişmir: topun mənfi kütləsi (-M)V 2/2 düsturuna tam uyğun olaraq mənfi kinetik enerji toplayır ki, bu da topun müsbət enerjisinin artımını tam olaraq kompensasiya edir. raket.
  • Bütün bunlar absurd görünürsə, onda bəlkə "paz ilə pazı vuracağıq" - gəlin bir absurdluğu digəri ilə təsdiqləməyə çalışaq? Altıncı sinifdən bəri bərabər nöqtəli kütlələrin mərkəzinin (təbii ki, müsbət) onların arasında ortada olduğunu bilirik. Beləliklə - aşağıdakı çıxışı necə istərdiniz? FƏRQLİ İŞARƏLƏRİN bərabər nöqtəli kütlələrinin mərkəzi, onlardan keçən düz xətt üzərində olsa da, içəridə deyil, onları birləşdirən seqmentin KARARINDA, ±Ґ nöqtəsində yerləşir?
  • Yaxşı, daha asandır?
  • Yeri gəlmişkən, bu nəticə artıq olduqca elementardır və hər kəs istəsə, eyni altıncı sinif səviyyəsində fizikaya sahib olmaqla onu təkrarlaya bilər.
  • Bir sözə inanmayan və bütün hesablamaların düzgünlüyünə əmin olmaq istəyən hər kəs bu mövzuda ən son nəşrlərdən birinə - amerikalı fizik R. Forvardın “Mənfi kütlə materiyasında raket mühərriki” jurnalında dərc olunmuş məqaləsinə müraciət edə bilər. 1990-cı il üçün 4 saylı tərcümə edilmiş "Aerospace Technology" jurnalı.
  • Ancaq, bəlkə də, təkmil oxucu elə bilir ki, heç bir hesablama aparmadan belə, “cökənin” ona hara sürüşdüyünü anlayıb? Həqiqətən: bütün bu zərif arqumentlərdə sual susdurulur: belə gözəl kütlə haradan gəldi? Axı, mənşəyindən asılı olmayaraq, o, enerjini "mədən", "istehsal" üçün və ya məsələn, hərəkətin yerinə çatdırılmasına sərf etməli olacaq, yəni ...
  • Vay, təcrübəli oxucu! Enerji, əlbəttə ki, lazım olacaq, amma yenə mənfi. Heç bir şey etmək olmaz: bədənin ümumi enerjisi üçün Eynşteynin E = Ms 2 düsturunda bizim gözəl kütləmiz eyni mənfi işarəyə malikdir. Bu o deməkdir ki, MÜXTƏLİF işarəli BƏRAB kütlələrə malik bir cüt cismin “hazırlanması” SIFIR ümumi enerji tələb edəcəkdir. Eyni şey çatdırılma və hər hansı digər manipulyasiyalara aiddir.
  • Bütün bu nəticələr nə qədər paradoksal olsa da, ciddi nəticələr göstərir ki, antikütlənin olması təkcə Nyuton mexanikasına deyil, həm də ümumi nisbilik nəzəriyyəsinə zidd deyil. Onun mövcudluğuna dair heç bir məntiqi qadağa tapmaq mümkün olmadı.
  • Yaxşı - əgər nəzəriyyə "icazə verirsə", onda gəlin düşünək, məsələn, - maddənin iki eyni hissəciyinin müsbət və mənfi kütlələrlə fiziki təması zamanı nə baş verə bilər? "Adi" antimaddə ilə hər şey aydındır: hər iki cismin ümumi enerjisinin sərbəst buraxılması ilə məhv baş verəcəkdir. Ancaq iki bərabər kütlədən biri mənfi olarsa, deməli, onların ümumi enerjisi, indicə başa düşdüyümüz kimi, sıfırdır. Ancaq reallıqda onlara NƏ olacaq - bu, artıq nəzəriyyədən kənara çıxan bir sualdır.
  • Belə bir hadisənin nəticəsi yalnız empirik olaraq bilinə bilər. Onu “hesablamaq” mümkün deyil – axı bizim mənfi kütlənin “təsir mexanizmi”, onun “daxili quruluşu” haqqında heç bir təsəvvürümüz yoxdur (yeri gəlmişkən, adi kütlə haqqında da bunu bilmirik). Nəzəri olaraq bir şey aydındır: istənilən halda sistemin ümumi enerjisi sıfır olaraq qalacaq. Eyni Forvardın etdiyi kimi bizim də yalnız HİPOTEZ irəli sürmək hüququmuz var. Onun fərziyyəsinə görə, buradakı fiziki qarşılıqlı təsir məhvə deyil, “nüll” deyilən şeyə, yəni hissəciklərin “sakit” qarşılıqlı məhvinə, heç bir enerji buraxılmadan yoxa çıxmasına gətirib çıxarır.
  • Ancaq təkrar edirik, yalnız təcrübə bu fərziyyəni təsdiq edə və ya təkzib edə bilər.
  • Eyni səbəblərə görə, mənfi kütləni necə "yaratmaq" haqqında heç bir şey bilmirik (əgər mümkünsə). Nəzəriyyə yalnız əks işarəli iki bərabər kütlənin, prinsipcə, heç bir enerji xərcləri olmadan yarana biləcəyini iddia edir. Və belə bir cüt cisim peyda olan kimi, o, sonsuzluğa doğru düz bir xətt üzrə sürətlənərək uçacaq...
  • R. Forward öz məqaləsində artıq bizim təyin etdiyimiz istənilən sürətlənmədə bizi Kainatın istənilən nöqtəsinə apara bilən mənfi kütləli mühərriki “layihələndirmişdir”. Məlum oldu ki, bunun üçün lazım olan hər şey ... bir cüt yaxşı yaydır ("mənfi kütlənin" elastik qüvvələr vasitəsilə adi bir ilə bütün qarşılıqlı əlaqəsi, əlbəttə ki, ətraflı hesablanır).
  • Beləliklə, ölçüsünə görə raketin kütləsinə bərabər olan gözəl kütləmizi onun "mühərrik bölməsinin" ortasına yerləşdirək. İrəli uçmaq lazımdırsa, yayı arxa divardan uzatın və onun mənfi kütləsi gövdəsini bağlayın. Dərhal, "pozğun" inertial xüsusiyyətlərinə görə, çəkildiyi yerə deyil, tam əks istiqamətə tələsəcək, yay gərginliyinin gücünə mütənasib bir sürətlənmə ilə raketi özü ilə birlikdə sürükləyəcəkdir.
  • Sürətlənməni dayandırmaq üçün yayı açmaq kifayətdir. Və gəmini yavaşlatmaq və dayandırmaq üçün mühərrik bölməsinin ön divarına bərkidilmiş ikinci yaydan istifadə etmək lazımdır.
  • Və hələ də "pulsuz mühərrik" nin qismən təkzibi var! Düzdür, bu, tamamilə gözlənilməz tərəfdən gəlir. Ancaq sonda bu barədə daha çox.
  • Bu arada, böyük miqdarda mənfi kütlə ola biləcəyi yerləri axtaraq. Belə yerləri Kainatda qalaktikaların paylanmasına dair iri miqyaslı üçölçülü xəritələrdə tapılan nəhəng boşluqlar təklif edir - özlüyündə ən maraqlı hadisələr. Şəkildən göründüyü kimi. 2-də, sadəcə olaraq "baloncuklar" adlanan bu boşluqların ölçüləri təxminən 100 milyon işıq ilidir (halbuki bizim Qalaktikamızın ölçüləri təxminən 0,06 milyon işıq ilidir). Beləliklə, ən böyük miqyasda Kainat "köpüklü" bir quruluşa malikdir.
  • Baloncukların sərhədləri çoxlu sayda qalaktikaların klasterləri ilə aydın şəkildə qeyd olunur. İçəridə praktiki olaraq heç bir qabarcıq yoxdur və onlar orada tapılarsa, bunlar çox qeyri-adi obyektlərdir. Onlar güclü yüksək tezlikli radiasiya spektrləri ilə xarakterizə olunur. İndi güman edilir ki, qabarcıqların tərkibində “uğursuz” qalaktikalar və ya adi hidrogenin qaz buludları var.
  • Bəs Kainatın “köpüklü” quruluşunun onun eyni sayda mənfi və müsbət kütləli hissəciklərdən əmələ gəlməsinin nəticəsi olduğunu güman etmək olarmı? Yeri gəlmişkən, belə bir izahatdan çox cəlbedici bir nəticə çıxır: Kainatın ümumi kütləsi həmişə sıfıra bərabər olub və qalır. Sonra kabarcıklar mənfi kütlə üçün təbii yerlərdir, onların hissəcikləri bir-birindən mümkün qədər uzaqlaşmağa meyllidirlər. Və müsbət kütlə qabarcıqların səthinə itələnir, burada cazibə qüvvələrinin təsiri altında qalaktikalar və ulduzlar əmələ gətirir. Burada A. A. Baranovun hələ 1971-ci ildə “İzvestiya Vuzov” jurnalının 11-ci sayında dərc olunmuş məqaləsini xatırlaya bilərik. Fizika”. O, hər iki işarənin kütləsi olan hissəciklərlə Kainatın kosmoloji modelini nəzərdən keçirir. Müəllif bu modeldən istifadə edərək kosmoloji sabitin və Hubble qırmızı sürüşməsinin eksperimental təxminlərini, eləcə də qarşılıqlı əlaqədə olan qalaktikalarda müşahidə edilən bəzi anomal hadisələri izah edir.
  • Böyük miqdarda mənfi kütlənin başqa mümkün əlaməti Kainatın iri miqyaslı strukturlarında çox sürətli “cərəyanların” olmasıdır. Beləliklə, bizim Qalaktikamızı ehtiva edən superklaster fon radiasiyasının istirahət fonuna nisbətən 600 km/s sürətlə “axır”. Belə bir sürət soyuq qaranlıq maddədən qalaktikaların əmələ gəlməsi nəzəriyyələrinin çərçivəsinə sığmır. R. Forvard bu hadisəni mənfi kütlə ehtiva edən qabarcıqlardan superklasterlərin kollektiv itələnməsini nəzərə alaraq izah etməyə çalışmağı təklif edir.
  • Deməli, mənfi maddə ancaq səpələnə bilər. Ancaq belə çıxır ki, müzakirə olunan bir çox nəticələrin qismən təkzib edilməsidir. Axı maddə zərrəciklərinin qravitasiya itkisi xassəsi, təbiətindən asılı olmayaraq, istər-istəməz ona gətirib çıxarır ki, bu zərrəciklər cazibə qüvvələrinin təsiri altında birləşə bilməz. Üstəlik, hər hansı bir qüvvənin təsiri altında mənfi kütləli bir hissəcik bu qüvvənin vektoruna əks istiqamətdə hərəkət etdiyinə görə, adi atomlararası qarşılıqlı təsirlər belə hissəcikləri "normal" cisimlərə bağlaya bilməz.
  • Ancaq ümid edirik ki, oxucu yenə də bütün bu arqumentlərdən zövq aldı ...

    • Kosmosda hipotetik qurd dəliyi

    Nəzəri fizikada kütləsi normal bir maddənin kütləsinin əksi olan hipotetik maddə anlayışıdır (eynilə elektrik yükü müsbət və ya mənfi ola bilər). Məsələn, -2 kq. Belə bir maddə, əgər mövcud olsaydı, bir və ya bir neçəsini qırar və bəzi qəribə xüsusiyyətlər nümayiş etdirərdi. Bəzi spekulyativ nəzəriyyələrə görə, mənfi kütləli maddə kosmos-zamanında (qurd dəlikləri) yaratmaq üçün istifadə edilə bilər.

    Mütləq uydurma kimi səslənir, lakin indi Vaşinqton Universiteti, Vaşinqton Universiteti, OIST Universiteti (Okinava, Yaponiya) və Şanxay Universitetindən bir qrup fizik hipotetik mənfi kütlə materialının bəzi xüsusiyyətlərini nümayiş etdirir. Məsələn, bu maddəni itələsəniz, o zaman qüvvənin tətbiqi istiqamətində deyil, əks istiqamətdə sürətlənəcəkdir. Yəni əks istiqamətdə sürətlənir.

    Mənfi kütlə xassələri olan bir maddə yaratmaq üçün elm adamları rubidium atomlarını demək olar ki, mütləq sıfıra qədər soyudaraq Bose-Einstein kondensatı hazırladılar. Bu vəziyyətdə hissəciklər son dərəcə yavaş hərəkət edir və kvant effektləri makroskopik səviyyədə özünü göstərməyə başlayır. Yəni kvant mexanikasının prinsiplərinə uyğun olaraq hissəciklər dalğa kimi davranmağa başlayır. Məsələn, onlar bir-biri ilə sinxronlaşır və sürtünmə olmadan, yəni enerjini itirmədən kapilyarlardan axır - sözdə həddindən artıq mayenin təsiri.

    Vaşinqton Universitetinin laboratoriyasında 0,001 mm³-dən az həcmdə Bose-Einstein kondensatının əmələ gəlməsi üçün şərait yaradılmışdır. Hissəciklər lazerlə yavaşladılar və onların ən enerjilisinin həcmdən çıxmasını gözlədilər ki, bu da materialı daha da soyudu. Bu mərhələdə superkritik mayenin hələ də müsbət kütləsi var idi. Damda sızma baş verərsə, mərkəzi atomlar ifrat atomları xaricə itələdiyindən rubidium atomları müxtəlif istiqamətlərə səpələyəcək və qüvvənin tətbiqi istiqamətində sürətlənəcəklər.

    Mənfi təsirli kütlə yaratmaq üçün fiziklər bəzi atomların spinini dəyişdirən fərqli lazer dəstindən istifadə etdilər. Simulyasiyanın proqnozlaşdırdığı kimi, gəminin bəzi sahələrində hissəciklər mənfi kütlə əldə etməlidir. Bu simulyasiyalarda (aşağı diaqramda) zamandan asılı olaraq maddənin sıxlığının kəskin artmasında aydın görünür.


    Şəkil 1. Müxtəlif koheziv qüvvə əmsalları ilə Bose-Einstein kondensatının anizotrop genişlənməsi. Təcrübənin real nəticələri qırmızı, simulyasiyada proqnozun nəticələri qara rəngdədir

    Aşağı diaqram Şəkil 1-in alt cərgəsində orta çərçivənin böyüdülmüş hissəsidir.

    Aşağıdakı diaqram dinamik qeyri-sabitliyin ilk yarandığı bölgədə zamana qarşı ümumi sıxlığın 1D simulyasiyasını göstərir. Nöqtəli xətlər üç atom qrupunu sürətlərlə ayırır

    bir anda

    Effektiv kütlə haradadır

    mənfi olmağa başlayır (yuxarı xətt). Minimum mənfi təsirli kütlənin nöqtəsi (ortada) və kütlənin müsbət dəyərlərə qayıtdığı nöqtə (aşağı xətt) göstərilir. Qırmızı nöqtələr mənfi təsirli kütlənin bölgəsində yerli kvazi-momentumun yerləşdiyi yerləri göstərir.

    Qrafiklərin ən birinci cərgəsi göstərir ki, fizika təcrübəsi zamanı maddə tam olaraq simulyasiya edilmiş kimi davranır, bu da mənfi təsirli kütləsi olan hissəciklərin görünüşünü proqnozlaşdırır.

    Bose-Einstein kondensatında hissəciklər dalğalar kimi davranır və buna görə də müsbət təsirli kütlənin normal hissəciklərinin yayılmasından fərqli istiqamətdə yayılır.

    Ədalət naminə demək lazımdır ki, fiziklər təcrübələr zamanı dəfələrlə qeydlər aparıblar, lakin bu təcrübələr müxtəlif yollarla şərh edilə bilər. İndi qeyri-müəyyənlik böyük ölçüdə aradan qaldırılıb.

    Jurnalda 10 aprel 2017-ci il tarixində elmi məqalə Fiziki baxış məktubları(doi: 10.1103/PhysRevLett.118.155301, abunə ilə mövcuddur). 13 dekabr 2016-cı il tarixində jurnala təqdim edilməzdən əvvəl məqalənin bir nüsxəsi arXiv.org saytında (arXiv:1612.04055) sərbəst şəkildə əldə edilə bilər.

    Vaşinqton Universitetinin fizikləri mənfi kütləli maye yaradıblar. Onu itələyin və bildiyimiz dünyanın bütün fiziki obyektlərindən fərqli olaraq, itələmə istiqamətində sürətlənmir. O, əks istiqamətdə sürətlənəcək. Vaşinqton Universitetinin dosenti, fizik və astronomu Maykl Forbes deyir ki, bu fenomen nadir hallarda laboratoriyada yaradılır və kosmos haqqında bəzi daha mürəkkəb konsepsiyaları araşdırmaq üçün istifadə edilə bilər. Tədqiqat Physical Review Letters jurnalında dərc olunub.

    Hipotetik olaraq, elektrik yükünün həm mənfi, həm də müsbət ola biləcəyi eyni mənada maddə mənfi kütləyə sahib ola bilər. İnsanlar bu barədə nadir hallarda düşünürlər və gündəlik dünyamız İsaak Nyutonun İkinci Hərəkət Qanununun yalnız müsbət tərəflərini göstərir, ona görə cismə təsir edən qüvvə cismin kütləsinin və bu qüvvənin verdiyi sürətlənmənin məhsuluna bərabərdir. , və ya F = ma.

    Başqa sözlə, bir obyekti itələsəniz, itələdiyiniz istiqamətdə sürətlənəcəkdir. Kütlə onu qüvvə istiqamətində sürətləndirəcək.

    "Biz bu vəziyyətə öyrəşmişik" dedi Forbes sürpriz gözləyərək. "Mənfi kütlə ilə, bir şeyi itələsəniz, sizə doğru sürətlənəcək."

    Mənfi kütlə üçün şərtlər

    O, həmkarları ilə birlikdə rubidium atomlarını demək olar ki, mütləq sıfır vəziyyətinə qədər soyudaraq mənfi kütlə üçün şərait yaratdı və bununla da Bose-Einstein kondensatını yaratdı. Şatyendranath Bose və Albert Einstein tərəfindən proqnozlaşdırılan bu vəziyyətdə hissəciklər çox yavaş hərəkət edir və kvant mexanikasının prinsiplərinə əməl edərək, dalğalar kimi davranırlar. Onlar həmçinin enerji itkisi olmadan axan super maye kimi sinxronlaşır və vahid şəkildə hərəkət edirlər.

    Vaşinqton Universitetinin fizika və astronomiya professoru Peter Engels başçılıq etdiyi Webster Hall-un altıncı mərtəbəsindəki elm adamları lazerlərdən istifadə edərək hissəcikləri yavaşlatmaqla, onları daha soyudub və isti, yüksək enerjili hissəciklərin havadan kənara çıxmasına şərait yaradıblar. buxar, materialın daha da soyudulması.

    Lazerlər atomları sanki ölçüsü yüz mikrondan kiçik bir qabın içindəki kimi tuturdu. Bu mərhələdə həddindən artıq maye rubidiumun adi kütləsi var idi. Qabın yırtılması rubidiumun çıxmasına imkan verdi, mərkəzdəki rubidium kənara doğru zorlandıqca genişləndi.

    Mənfi kütlə yaratmaq üçün alimlər atomları irəli-geri itələyərək onların spinlərini dəyişdirən ikinci lazer dəstindən istifadə ediblər. İndi, rubidium kifayət qədər tez tükəndikdə, mənfi kütləsi varmış kimi davranır. Forbes deyir: "Onu itələyin və əks istiqamətdə sürətlənəcək". “Bu, rubidiumun görünməz divara dəyməsinə bənzəyir”.

    Əsas qüsurların aradan qaldırılması

    Vaşinqton Universitetinin alimləri tərəfindən istifadə edilən üsul mənfi kütləni anlamaq üçün əvvəlki cəhdlərdə aşkar edilmiş bəzi əsas qüsurların qarşısını aldı.

    Forbes deyir: “Bizim ilk anladığımız şey odur ki, biz bu mənfi kütlənin təbiətinə hər hansı digər fəsadlar olmadan ciddi nəzarət edirik”. Onların araşdırması artıq mənfi kütlə mövqeyindən digər sistemlərdə oxşar davranışı izah edir. Artan nəzarət tədqiqatçılara astrofizikada oxşar fizikanı öyrənmək, misal kimi neytron ulduzları və təcrübələrin sadəcə mümkün olmadığı qara dəliklər və qaranlıq enerji kimi kosmoloji hadisələri öyrənmək üçün eksperimentlər hazırlamaq üçün yeni alət verir.

    Kosmosda hipotetik qurd dəliyi

    Vaşinqton Universitetinin laboratoriyasında 0,001 mm³-dən az həcmdə Bose-Einstein kondensatının əmələ gəlməsi üçün şərait yaradılmışdır. Hissəciklər lazerlə yavaşladılar və onların ən enerjilisinin həcmdən çıxmasını gözlədilər ki, bu da materialı daha da soyudu. Bu mərhələdə superkritik mayenin hələ də müsbət kütləsi var idi. Damda sızma baş verərsə, mərkəzi atomlar ifrat atomları xaricə itələdiyindən rubidium atomları müxtəlif istiqamətlərə səpələyəcək və qüvvənin tətbiqi istiqamətində sürətlənəcəklər.

    Mənfi təsirli kütlə yaratmaq üçün fiziklər bəzi atomların spinini dəyişdirən fərqli lazer dəstindən istifadə etdilər. Simulyasiyanın proqnozlaşdırdığı kimi, gəminin bəzi sahələrində hissəciklər mənfi kütlə əldə etməlidir. Bu simulyasiyalarda (aşağı diaqramda) zamandan asılı olaraq maddənin sıxlığının kəskin artmasında aydın görünür.


    Şəkil 1. Müxtəlif koheziv qüvvə əmsalları ilə Bose-Einstein kondensatının anizotrop genişlənməsi. Təcrübənin real nəticələri qırmızı, simulyasiyada proqnozun nəticələri qara rəngdədir

    Aşağı diaqram Şəkil 1-in alt cərgəsində orta çərçivənin böyüdülmüş hissəsidir.

    Aşağıdakı diaqram dinamik qeyri-sabitliyin ilk yarandığı bölgədə zamana qarşı ümumi sıxlığın 1D simulyasiyasını göstərir. Nöqtəli xətlər üç atom qrupunu kvazi-momentumda sürətlərlə ayırır, burada effektiv kütlə mənfi olmağa başlayır (yuxarı xətt). Minimum mənfi təsirli kütlənin nöqtəsi (ortada) və kütlənin müsbət dəyərlərə qayıtdığı nöqtə (aşağı xətt) göstərilir. Qırmızı nöqtələr mənfi təsirli kütlənin bölgəsində yerli kvazi-momentumun yerləşdiyi yerləri göstərir.

    Qrafiklərin ən birinci cərgəsi göstərir ki, fizika təcrübəsi zamanı maddə tam olaraq simulyasiya edilmiş kimi davranır, bu da mənfi təsirli kütləsi olan hissəciklərin görünüşünü proqnozlaşdırır.

    Bose-Einstein kondensatında hissəciklər dalğalar kimi davranır və buna görə də müsbət təsirli kütlənin normal hissəciklərinin yayılmasından fərqli istiqamətdə yayılır.

    Ədalət naminə demək lazımdır ki, fiziklər eksperimentlər zamanı mənfi kütləli maddənin xassələrinin təzahür etdiyi zaman nəticələri dəfələrlə qeyd etmişlər, lakin bu təcrübələr müxtəlif yollarla şərh edilə bilərdi. İndi qeyri-müəyyənlik böyük ölçüdə aradan qaldırılıb.

    Jurnalda 10 aprel 2017-ci ildə dərc olunmuş elmi məqalə Fiziki baxış məktubları(doi: 10.1103/PhysRevLett.118.155301, abunə ilə mövcuddur). Məqalənin jurnala təqdim edilməzdən əvvəl bir nüsxəsi 13 dekabr 2016-cı il tarixində arXiv.org (arXiv:1612.04055) ictimai domenində yerləşdirilmişdir.

    Britaniyalı astrofizik Ceymi Farnes kainatın təkamülü boyu mənfi kütlənin sabit sürətlə əmələ gəldiyi kosmoloji model təklif edib. Bu model maddənin təbiəti haqqında ümumi qəbul edilmiş baxışla ziddiyyət təşkil edir, lakin o, adətən qaranlıq maddə və qaranlıq enerjiyə aid edilən təsirlərin əksəriyyətini, xüsusən də Kainatın genişlənməsini, geniş miqyaslı strukturun formalaşmasını yaxşı izah edir. Kainatın və qalaktik halonun, qalaktikaların fırlanma əyrilərinin və müşahidə olunan kosmik mikrodalğalı fon radiasiyasının spektri. -də dərc olunmuş məqalə Astronomiya və Astrofizika, əsərin ilkin çapını arXiv.org saytından əldə etmək olar.

    Hazırda əksər kosmoloqlar Kainatın təkamülünün ΛCDM modeli ilə təsvir olunduğuna inanırlar. Bu modelə görə, kainatın kütləsinin təxminən 70 faizini qaranlıq enerji, 25 faizini soyuq qaranlıq maddə (yəni zərrəcikləri yavaş hərəkət edən maddə) təşkil edir, qalan 5 faizi isə bizə tanış olan barion maddədir. Elm adamları fon radiasiya modelində harmonikləri təhlil edərək bu nisbətləri təyin etdilər. Kainatın “tərkibi”nin ölçülməsi haqqında ətraflı məlumatı Boris Stern-in bu işə əsas töhfə vermiş WMAP və Plank peykləri haqqında məqalələrində oxuya bilərsiniz.

    Təəssüf ki, elm adamları qaranlıq maddə və qaranlıq enerjinin nə olduğunu yaxşı başa düşmürlər. Bir sıra nəzəri modellər (məsələn, SUSY) ilə proqnozlaşdırılan qaranlıq maddə hissəciklərinin axtarışına dair ultra dəqiq təcrübələrin heç biri müsbət nəticə əldə etməyib. Hazırda kütlələri 6 ilə 200 meqaelektronvolt arasında olan adi hissəciklər və “qaranlıq” hissəciklər üçün səpilmə kəsiyi 10 −47 kvadrat santimetr təşkil edir ki, bu da bu kütlə diapazonunda olan hissəcikləri praktiki olaraq istisna edir və fizikləri alternativ nəzəriyyələr hazırlamağa məcbur edir. Bununla belə, qaranlıq maddə hələ də qalaktikaların fırlanma əyrilərini və şəkli dəyişdirərək cazibə qüvvəsinin qarşılıqlı təsiri ilə özünü göstərir və buna görə də bu fərziyyədən olan alimlər.

    Qaranlıq enerji daha da pisdir. Fon radiasiyasının təhlilindən asılı olmayaraq, onun mövcudluğunu birbaşa təsdiqləyən yeganə müşahidə Kainatın sürətlənmiş genişlənməsidir, (dolayı yolla, qaranlıq enerji müşahidə olunan Kainatdakı kimyəvi elementlərin nisbəti ilə təsdiqlənir). Üstəlik, fiziklər yer üzündə qaranlıq enerjinin nə olduğunu yaxşı başa düşmürlər. fundamental səviyyə . Şübhəsiz ki, keyfiyyətcə-də kosmoloji sabitdən (lambda termini) istifadə etməklə təsvir edilə bilər, lakin bu üsul yeni biliklər vermir və müəyyən etməyə imkan vermir. nədən ibarətdir qaranlıq enerji. Eynşteyn bu cür əlavələri mənfi kütləli hissəciklərin köməyi ilə izah etdi - bu yanaşmada hərəkət tənlikləri elektrodinamika tənlikləri kimi simmetrik olur və lambda termini fiziki məna daşımayan inteqrasiya sabiti kimi görünür.

    Mənfi kütləli maddə qüvvəyə əks istiqamətdə sürətlənən maddədir. Mənfi kütləli hissəcik müsbət və mənfi kütləli hissəcikləri dəf edir, "müsbət" hissəciklər isə "mənfi"ləri özünə çəkir. Təəssüf ki, ΛCDM modeli çərçivəsində qaranlıq enerjini təsvir etmək üçün bu üsul açıq şəkildə uğursuzluğa məhkumdur. Fakt budur ki, Kainatın genişlənməsi zamanı müxtəlif komponentlərin sıxlığı müxtəlif qanunlara uyğun olaraq dəyişir: soyuq maddənin sıxlığı düşür, qaranlıq enerjinin sıxlığı isə sabit qalır. Buna görə də, mənfi kütlə və qaranlıq enerji ilə maddəni müəyyən etmək mümkün deyil.


    Mənfi kütləli hissəciklərin qarşılıqlı təsiri: qara oxlar qüvvələri, qırmızı oxlar sürətlənmələri göstərir

    Jamie Farnes / Astronomiya və Astrofizika


    Müsbət və mənfi kütləli hissəciklərin qarşılıqlı təsiri: qara oxlar qüvvələri, qırmızı oxlar sürətlənmələri göstərir

    Jamie Farnes / Astronomiya və Astrofizika


    Müsbət kütləli hissəciklərin qarşılıqlı təsiri: qara oxlar qüvvələri, qırmızı oxlar sürətlənmələri göstərir

    Jamie Farnes / Astronomiya və Astrofizika

    Bununla belə, astrofizik Ceymi Farnes Eynşteynin ideyasını müşahidə məlumatları ilə əlaqələndirə bildiyini iddia edir. Bunun üçün o, mənfi kütlə ideyasını kainatın həcmində davamlı və vahid kütlə istehsalı haqqında başqa bir əks-intuitiv fikirlə birləşdirdi. Bu fikir həm də yenilikdən uzaqdır, ilk dəfə ötən əsrin 40-cı illərində irəli sürülüb.

    Nəzəri cəhətdən belə proseslər həqiqətən də güclü qravitasiya sahəsinin fonunda baş verə bilər (məsələn, səbəbiylə). Müsbət kütlələr üçün standart enerji-momentum tenzoruna bu cür əlavələri nəzərə alaraq, fizik Fridman tənliyini yazıb həll etdi və sonra bu modeldə Kainatın hansı qanunla genişləndiyini hesabladı. Alimlər adi qaranlıq maddənin və qaranlıq enerjinin töhfələrini nəzərə almadılar. Nəticədə məlum oldu ki, mənfi kütlə sabit Γ = −3 sürətlə istehsal olunarsa, məlum qanunlar təkrarlanır. H, harada H Hubble sabitidir. Bu halda, mənfi kütlə sıxlığı genişlənmə zamanı sabit qalacaq və kosmoloji sabiti effektiv şəkildə modelləşdirəcəkdir. Bu halda, genişlənmə sürəti və Kainatın ömrü ΛCDM modelindəki kimidir.

    Daha sonra astrofizik mənfi kütlənin daha kiçik miqyaslarda necə görünəcəyini hesabladı. Bunun üçün o, öz modeli çərçivəsində çoxlu sayda müsbət və mənfi kütləli hissəciklərin qarşılıqlı təsirini modelləşdirdi. Bütün mövcud astrofizik paketlərdə belə qeyri-adi modifikasiyalar nəzərə alınmadığı üçün Farnes öz proqramını hazırlamalı oldu. Hesablamalar zamanı hər hansı yaxınlaşmadan qaçmaq üçün tədqiqatçı hər bir zaman anında hər bir hissəciyin koordinatlarını və sürətlərini hesabladı - bu, proqnozların etibarlılığını artırmağa imkan verdi, baxmayaraq ki, proqramın hesablama resurslarına olan tələbləri rəqəmin kvadratı kimi artdı. hissəciklərin sayı. Xüsusilə, buna görə alim özünü 50 min hissəciklərin modelləşdirilməsi ilə məhdudlaşdırmalı oldu.

    Hazırlanmış proqramdan istifadə edərək Farnes ənənəvi olaraq qaranlıq maddəyə aid edilən bir neçə effekt gördü. Əvvəlcə o, mənfi kütləli hissəciklərin “dənizinə” batırılmış müsbət kütləli hissəciklərin sıx qrupunun təkamülünü modelləşdirdi. Belə bir sistem Kainatın genişlənməsinin gec mərhələlərində, "mənfi" hissəciklərin "müsbət" hissəciklərdən əhəmiyyətli dərəcədə üstün olduğu zaman qalaktikaların təkamülünü keyfiyyətcə təsvir etməlidir. Bu problemdə alim “müsbət” hissəciklərin sayını seçdi N+= 5000, mənfi sayı N− = 45000. Nəticədə o, müşahidə məlumatları ilə yaxşı uyğun gələn sıxlıq paylanması əldə etdi - hissəciklərin sıxlığı qalaktikanın mərkəzinə yaxınlaşdıqda yavaş-yavaş artır və Burkert profili ilə üst-üstə düşür. Bu, ΛCDM modelində baş verən "kəsik halo problemini" həll edir.


    Mənfi maddənin “dənizinə” batırılmış müsbət materiya “qalaktikasının” təkamülü

    Jamie Farnes / Astronomiya və Astrofizika


    Farnes tərəfindən hesablanmış Galaxy kütlə profili (mavi) və praktikada müşahidə olunur (çəhrayı nöqtəli xətt)

    Jamie Farnes / Astronomiya və Astrofizika

    İkincisi, eyni ilkin məlumatlarla alim qalaktikanın fırlanma əyrisini hesablayıb və onun da müşahidə məlumatları ilə yaxşı üst-üstə düşdüyünü aşkar edib. Sırf “müsbət” hissəciklərin olduğu modeldə qalaktikanın kənarındakı maddə mərkəzə nisbətən daha yavaş hərəkət etdiyi halda, “mənfi” hissəciklərin üstünlük təşkil etdiyi modeldə sürət təxminən sabitdir.


    Mənfi maddə (qırmızı) və "azad" qalaktika (qara) "dənizinə" batırılmış qalaktikanın fırlanma əyrisi

    Jamie Farnes / Astronomiya və Astrofizika

    Üçüncüsü, Farnes onun modelində Kainatın filamentli irimiqyaslı strukturunun təbii olaraq meydana çıxdığını göstərdi: qalaktikalar çoxluqlara, çoxluqlar superklasterlərə, superklasterlər isə zəncirlərə və divarlara birləşir. Bunun üçün o, eyni sayda "müsbət" və "mənfi" hissəcikləri ehtiva edən sistemin təkamülünü hesabladı. Mövcud hesablama gücünə məhdudiyyətlər səbəbindən alim hər iki növ hissəciklərin sayını qoydu N + = N− = 25000. Əvvəlki halda olduğu kimi, “mənfi” hissəciklər adi maddənin hissəciklərini əhatə edib, halo əmələ gətirirdi, lakin bu dəfə tədqiqatçı müşahidə olunan Kainatın strukturuna bənzəyən daha böyük miqyasda nümunələri ayırd edə bildi.


    Simulyasiyanın başlanğıcında Kainatın homojen quruluşu

    Jamie Farnes / Astronomiya və Astrofizika

    Təcrübə üçün qeydiyyatdan keçin. Təəssüf ki, 50.000 hissəciklə simulyasiyalarda bu effekti görə bilmədi. Bununla belə, alim milyonlarla hissəciklə aparılan daha böyük simulyasiyalarda bu cür proseslərin müşahidə oluna biləcəyinə ümid edir və həmçinin onların yeni nəzəriyyəni təsdiq və ya təkzib etməyə imkan verəcəyini təklif edir.

    Nəhayət, alim ΛCDM modelinin təklif olunan modifikasiyasının faktiki müşahidə olunan effektləri – standart şamlarla ölçülən Kainatın genişlənməsini, relikt fonunu və qalaktika klasterlərinin birləşməsinin müşahidələrini nə qədər təhrif edəcəyini yoxladı. Bütün bu hallarda astrofizik onun fərziyyəsinin müşahidə edilən məlumatlarla ziddiyyət təşkil etmədiyini aşkar edib. Bununla belə, kifayət qədər suallar hələ də açıq qalır - xüsusən, belə bir fərziyyəni Standart Modellə necə əlaqələndirmək (Higgs mexanizmi mənfi kütlələr yarada bilərmi?), mənfi kütləli hissəcikləri eksperimental olaraq necə aşkar etmək və necə etmək aydın deyil. “mənfi” hissəciklərin itələnməsi ilə nəzəriyyə arasındakı ziddiyyətləri izah edin. Bununla belə, alim hesab edir ki, bütün bu problemləri yeni model çərçivəsində həll etmək olar.

    Beləliklə, mənfi kütlənin daimi istehsalı olan model təkcə Kainatın müşahidə olunan genişlənməsini deyil, həm də onun geniş miqyaslı strukturunun, qalaktikalar ətrafında qaranlıq maddə halolarının və fırlanma əyrilərinin formalaşmasını izah edir - adətən qaranlığa aid edilən təsirlərin əksəriyyəti. enerji və qaranlıq maddə. Qəribədir, belə intuitiv olaraq qeyri-təbii materiya haqqında ümumi qəbul edilmiş baxışa zidd olan fərziyyə kifayət qədərdir ardıcıl müşahidə məlumatları ilə. Üstəlik, o, onları daha sadə şəkildə, daha az subyekti əhatə etməklə izah etməyi təklif edir. Müəllifin özünün nəticədə yazdığı kimi, “Bu təklif mürtəd və azğın olsa da, [məqalədə] bu parametrlərin mənfi dəyərlərinin prinsipcə həmişə ağlabatan fərziyyə çərçivəsində şərh edilən kosmoloji müşahidələri izah edə biləcəyini təklif etdi. müsbət kütlə."

    Bəzən fiziklər nəzəriyyə ilə təcrübə arasında müşahidə olunan ziddiyyətləri izah etmək üçün kifayət qədər qeyri-adi ideyalar irəli sürürlər. Məsələn, keçən ilin noyabrında amerikalı nəzəri fizik Human Davudiasl ultrayüngül skalyar hissəcik tərəfindən daşınan və qaranlıq materiyanı Yerdən dəf edən yeni qüvvə təqdim etdi. Bu fərziyyə qaranlıq materiyanın axtarışı ilə bağlı bütün yerüstü təcrübələrin uğursuzluğunu yaxşı izah edir - əgər belə bir qüvvə həqiqətən mövcuddursa, detektorlar, prinsipcə, heç nə qeyd edə bilməzdi. Təəssüf ki, bu ifadəni sənətin mövcud vəziyyəti ilə yoxlamaq mümkün deyil.

    Dmitri Trunin

    Redaktor seçimi

    © 2022 skudelnica.ru -- Sevgi, xəyanət, psixologiya, boşanma, hisslər, mübahisələr