Bahan dengan sifat jisim negatif telah dicipta. Para saintis telah menunjukkan bahan dengan jisim berkesan negatif

Adalah wajar untuk menonton dengan resolusi 1280 X 800

"Teknologi untuk belia", 1990, No. 10, hlm. 16-18.

Diimbas oleh Igor Stepikin

Tribune untuk hipotesis berani

Ponkrat BORISOV, jurutera
Jisim negatif: penerbangan percuma ke infiniti

Artikel mengenai topik ini telah muncul dari semasa ke semasa dalam jurnal fizik asing dan Soviet selama lebih daripada 30 tahun. Tetapi anehnya, mereka nampaknya masih tidak menarik perhatian peminat. Tetapi masalah jisim negatif, dan walaupun dalam rumusan saintifik yang ketat, adalah hadiah yang sangat baik untuk kedua-dua pencinta paradoks fizik moden dan penulis fiksyen sains. Tetapi itulah hak kesusasteraan istimewa: sensasi di dalamnya boleh kekal tersembunyi selama beberapa dekad ...

Jadi, kita bercakap tentang bentuk jirim hipotesis, jisimnya bertentangan dalam tanda dengan yang biasa. Persoalan segera timbul: apakah maksud ini sebenarnya? Dan ia segera menjadi jelas: tidak begitu mudah untuk menentukan konsep jisim negatif dengan betul.

Tidak dinafikan, ia mesti mempunyai sifat tolakan graviti. Tetapi ternyata ini sahaja tidak mencukupi. Dalam fizik moden, sebanyak empat jenis jisim dibezakan dengan ketat:

graviti aktif - yang menarik (jika ia positif, sudah tentu);

pasif graviti - yang menarik;

lengai, yang memperoleh pecutan tertentu di bawah tindakan daya yang dikenakan (a = F / m);

akhirnya, jisim rehat Einstein, yang menetapkan jumlah tenaga badan (E = mC 2).

Dalam rangka teori yang diterima umum, semuanya adalah sama besar. Tetapi adalah perlu untuk membezakan antara mereka, dan ini menjadi jelas hanya apabila cuba menentukan jisim negatif. Hakikatnya ialah ia akan bertentangan sepenuhnya dengan yang biasa hanya jika keempat-empat jenisnya menjadi negatif.

Berdasarkan pendekatan ini, dalam artikel pertama mengenai topik ini, diterbitkan pada tahun 1957, ahli fizik Inggeris H. Bondi menentukan sifat asas "tolak-jisim" melalui bukti yang ketat.

Ia mungkin tidak terlalu sukar untuk mengulanginya di sini, kerana ia hanya berdasarkan mekanik Newtonian. Tetapi ini akan mengacaukan cerita kita, dan kemudian terdapat banyak "kehalusan" fizikal dan matematik. Oleh itu, mari kita terus ke keputusan, terutamanya kerana ia agak jelas.

Pertama, "jirim tolak" harus menolak secara graviti mana-mana jasad lain, iaitu, bukan sahaja dengan negatif, tetapi juga dengan jisim positif (sedangkan jirim biasa, sebaliknya, sentiasa menarik jirim kedua-dua jenis). Selanjutnya, di bawah tindakan mana-mana daya, sehingga daya inersia, ia mesti bergerak ke arah yang bertentangan dengan vektor daya ini. Dan akhirnya, jumlah tenaga Einsteinnya juga mestilah negatif.

Oleh itu, dengan cara ini, ia mesti ditekankan bahawa perkara menakjubkan kita bukanlah antimateri, yang jisimnya masih dianggap positif. Sebagai contoh, menurut konsep moden, "Anti-Bumi" yang diperbuat daripada antijirim akan berputar mengelilingi Matahari dalam orbit yang sama seperti planet asal kita.

Semua ini, mungkin, hampir jelas. Tetapi kemudian yang luar biasa bermula.

Mari kita ambil graviti yang sama. Jika dua jasad biasa tertarik dan mendekat, dan dua anti-jisim ditolak dan berselerak, maka apakah yang akan berlaku dengan interaksi graviti jisim tanda yang bertentangan?

Biarkan ini menjadi kes paling mudah: badan (katakan, bola) diperbuat daripada jirim dengan jisim negatif -M berada di belakang objek (mari kita panggil ia "roket" - sekarang kita akan mengetahui sebabnya) dengan jisim positif yang sama + M. Adalah jelas bahawa medan graviti bola menolak roket, manakala ia menarik bola itu sendiri. Tetapi dari sini ia mengikuti (ini sekali lagi dibuktikan dengan tegas) bahawa keseluruhan sistem akan bergerak sepanjang garis lurus yang menghubungkan pusat dua jisim, dengan pecutan berterusan berkadar dengan kekuatan interaksi graviti di antara mereka!

Sudah tentu, pada pandangan pertama, gambaran pergerakan spontan dan tanpa sebab ini "membuktikan" hanya satu perkara: anti-jisim dengan sifat-sifat yang kita kaitkan dengannya dari awal lagi dalam definisi tidak boleh wujud. Lagipun, kami menerima, nampaknya, sejumlah besar pelanggaran undang-undang yang paling tidak boleh diubah.

Nah, bukankah ia secara terbuka dipijak di sini, sebagai contoh, undang-undang pemuliharaan momentum? Tanpa sebab, kedua-dua badan meluru ke satu arah, manakala tiada apa yang bergerak ke arah yang bertentangan. Tetapi ingat bahawa salah satu daripada orang ramai adalah negatif! Tetapi ini bermakna bahawa impulsnya, tanpa mengira kelajuan, mempunyai tanda tolak: (-M) V, dan kemudian jumlah impuls sistem dua badan masih kekal sifar!

Begitu juga dengan jumlah tenaga kinetik sistem. Selagi badan dalam keadaan rehat, ia adalah sama dengan sifar. Tetapi tidak kira berapa cepat mereka bergerak, tiada apa yang berubah: jisim negatif bola, mengikut sepenuhnya formula (-M) V 2/2, mengumpul tenaga kinetik negatif, yang betul-betul mengimbangi peningkatan tenaga positif roket. .

Jika semua ini kelihatan tidak masuk akal, maka mungkin kita akan "menghancurkan baji dengan baji" - mari kita cuba mengesahkan satu tidak masuk akal dengan yang lain? Sejak gred enam, kita tahu bahawa pusat jisim titik yang sama (positif, sudah tentu) berada di tengah-tengah antara mereka. Jadi - bagaimana anda menyukai kesimpulan berikut? Pusat jisim titik yang sama bagi TANDA BERBEZA terletak, walaupun pada garis lurus yang melaluinya, tetapi tidak di dalam, tetapi DI LUAR segmen yang menghubungkannya, pada titik ± Ґ ?!

Adakah ia lebih mudah?

By the way, kesimpulan ini sudah agak asas, dan semua orang, jika mereka mahu, boleh mengulanginya, setelah menguasai fizik pada tahap gred enam yang sama.

Sesiapa yang tidak percaya pada perkataan itu dan ingin yakin dengan ketepatan semua pengiraan boleh merujuk kepada salah satu penerbitan terkini mengenai topik ini - artikel oleh ahli fizik Amerika R. Forward "Enjin roket pada bahan jisim negatif ", diterbitkan dalam jurnal terjemahan "Aerospace Engineering" No. 4 untuk tahun 1990.

Tetapi mungkin pembaca yang canggih berfikir bahawa dia memahami tanpa sebarang pengiraan di mana mereka menyelitkan "linden" kepadanya? Sesungguhnya: dalam semua hujah yang elegan ini, persoalannya didiamkan: dari mana datangnya jisim yang begitu indah? Lagipun, walau apa pun asalnya, tenaga perlu dibelanjakan untuk "pengeluaran", "pengeluaran" atau, sebagai contoh, semasa penghantaran ke tempat kejadian, yang bermaksud ...

Aduhai, pembaca yang canggih! Tenaga, sudah tentu, akan diperlukan, tetapi sekali lagi negatif. Tiada apa yang perlu dilakukan: dalam formula Einstein untuk jumlah tenaga badan E = Mc 2, jisim kita yang luar biasa mempunyai tanda tolak yang sama. Ini bermakna "pengeluaran" sepasang jasad dengan jisim yang SAMA dengan tanda BERBEZA akan memerlukan jumlah tenaga SIFAR. Perkara yang sama berlaku untuk penghantaran dan sebarang manipulasi lain.

Tidak kira betapa paradoks semua keputusan ini, kesimpulan yang ketat menegaskan bahawa kehadiran anti-jisim tidak bercanggah bukan sahaja mekanik Newtonian, tetapi juga teori relativiti umum. Ia tidak mungkin untuk mencari sebarang larangan logik mengenai kewujudannya.

Jadi bagaimana - jika teori "membolehkan", kemudian fikirkan, sebagai contoh, - apa yang boleh berlaku apabila dua zarah jirim yang sama dengan jisim tambah dan tolak bersentuhan fizikal? Dengan antimateri "biasa", semuanya jelas: pemusnahan akan berlaku dengan pembebasan jumlah tenaga kedua-dua badan. Tetapi jika salah satu daripada dua jisim yang sama adalah negatif, maka jumlah tenaga mereka, seperti yang baru kita fahami, adalah sifar. Tetapi APA yang akan berlaku kepada mereka secara realiti sudah menjadi persoalan yang melampaui batas teori.

Hasil daripada peristiwa sedemikian hanya boleh dipelajari secara empirik. Ia tidak boleh "dikira" - lagipun, kita tidak tahu tentang "mekanisme tindakan" jisim negatif, "struktur dalaman"nya (sama seperti, secara kebetulan, kita tidak tahu ini tentang jisim biasa). Secara teorinya, satu perkara yang jelas: dalam apa jua keadaan, jumlah tenaga sistem akan kekal sifar. Kami mempunyai hak untuk mengemukakan hanya HIPOTESIS, seperti yang dilakukan oleh Forward yang sama. Menurutnya, interaksi fizikal di sini tidak membawa kepada pemusnahan, tetapi kepada apa yang dipanggil "pembatalan", iaitu, "tenang" pemusnahan bersama zarah, kehilangan mereka tanpa sebarang pelepasan tenaga.

Tetapi, kami ulangi, hanya percubaan boleh mengesahkan atau menyangkal hipotesis ini.

Atas sebab yang sama, kami tidak tahu apa-apa tentang cara "membuat" jisim negatif (jika boleh). Teori ini hanya menegaskan bahawa dua jisim sama tanda bertentangan, pada dasarnya, boleh timbul tanpa sebarang kos tenaga. Dan sebaik sahaja sepasang jasad itu muncul, ia akan terbang, semuanya memecut, dalam garis lurus ke infiniti ...

R. Forward, dalam artikelnya, telah "mereka" enjin jisim negatif yang boleh menghantar kita ke mana-mana titik di Alam Semesta pada sebarang pecutan yang kami tentukan. Ternyata ini hanya memerlukan ... sepasang mata air yang baik (semua interaksi "tolak-jisim" dengan yang biasa melalui daya elastik, tentu saja, juga dikira secara terperinci).

Jadi, mari letakkan jisim indah kita, sama dengan saiz roket, di tengah-tengah "ruang enjin"nya. Jika anda perlu terbang ke hadapan, kami akan meregangkan spring dari dinding belakang dan mengaitkan badan jisim negatifnya. Dengan serta-merta, disebabkan sifat inersianya yang "terpesong", ia tidak akan tergesa-gesa ke mana ia ditarik, tetapi ke arah yang bertentangan, menyeret roket bersama-sama dengannya dengan pecutan yang berkadar dengan daya tegangan spring.

Untuk menghentikan pecutan, cukup untuk mencabut spring. Dan untuk memperlahankan dan menghentikan kapal, anda perlu menggunakan spring kedua yang dipasang pada dinding hadapan petak enjin.

Namun terdapat penyangkalan separa "enjin percuma"! Benar, ia datang dari sisi yang sama sekali tidak dijangka. Tetapi lebih lanjut mengenai itu pada akhirnya.

Sementara itu, mari kita cari tempat di mana sejumlah besar jisim negatif boleh ditempatkan. Tempat seperti itu dicadangkan oleh lompang gergasi yang ditemui pada peta tiga dimensi berskala besar taburan galaksi di Alam Semesta - fenomena paling menarik dalam diri mereka. Seperti yang dilihat dari Rajah. 2, dimensi rongga ini, yang juga dipanggil "buih", adalah kira-kira 100 juta tahun cahaya (manakala dimensi Galaxy kita adalah kira-kira 0.06 juta tahun cahaya). Oleh itu, pada skala terbesar, alam semesta mempunyai struktur "berbuih".

Sempadan gelembung ditandakan dengan jelas oleh gugusan sejumlah besar galaksi. Hampir tiada satu pun daripada mereka di dalam buih, tetapi jika ia berlaku di sana, maka ia adalah objek yang sangat luar biasa. Mereka dicirikan oleh spektrum sinaran frekuensi tinggi berkuasa tinggi. Gelembung itu kini dipercayai mengandungi galaksi "gagal" atau awan gas hidrogen biasa.

Tetapi adakah mungkin untuk mengandaikan bahawa struktur "berbuih" Alam Semesta adalah hasil pembentukannya daripada bilangan zarah jisim negatif dan positif yang sama? Ngomong-ngomong, penjelasan ini secara semula jadi membawa kepada akibat yang sangat menarik: jumlah jisim Alam Semesta sentiasa dan kekal sama dengan sifar. Kemudian gelembung adalah tempat semula jadi untuk tolak jisim, zarah-zarahnya cenderung menyebar sejauh mungkin antara satu sama lain. Dan jisim positif ditolak ke permukaan buih, di mana ia membentuk galaksi dan bintang di bawah pengaruh daya graviti. Di sini anda boleh mengingati artikel oleh A. A. Baranov, yang muncul pada tahun 1971 di No. 11 jurnal Izvestiya Vuzov. Fizik". Ia menganggap model kosmologi Alam Semesta dengan zarah yang mempunyai jisim kedua-dua tanda. Menggunakan model ini, penulis menerangkan anggaran percubaan pemalar kosmologi dan anjakan merah Hubble, serta beberapa fenomena anomali yang diperhatikan dalam galaksi berinteraksi.

Satu lagi tanda yang mungkin bagi sejumlah besar jisim negatif ialah kehadiran "arus" yang sangat cepat dalam struktur berskala besar Alam Semesta. Oleh itu, supercluster yang mengandungi Galaxy kita "mengalir" pada kelajuan 600 km / s berbanding dengan latar belakang rehat CMB. Kelajuan ini tidak sesuai dengan kerangka teori pembentukan galaksi daripada jirim gelap yang sejuk. R. Forward mencadangkan cuba menerangkan fenomena ini dengan mengambil kira penolakan kolektif supercluster daripada buih yang mengandungi jisim negatif.

Jadi, perkara negatif hanya boleh berselerak. Tetapi ini, ternyata, adalah penyangkalan sebahagian daripada banyak kesimpulan yang dibincangkan. Lagipun, sifat tolakan graviti zarah jirim, apa jua sifatnya, tidak dapat dielakkan membawa kepada hakikat bahawa zarah ini tidak boleh bersatu di bawah pengaruh daya graviti. Selain itu, oleh kerana zarah berjisim negatif di bawah tindakan mana-mana daya bergerak ke arah yang bertentangan dengan vektor daya ini, maka interaksi interatomik biasa tidak boleh mengikat zarah tersebut ke dalam jasad "normal".

Tetapi kami berharap pembaca masih mendapat kesenangan dari semua alasan ini ...

Lubang cacing hipotesis dalam ruang-masa

Dalam fizik teori, ini adalah konsep bahan hipotesis, jisim yang mempunyai nilai yang bertentangan dengan jisim bahan biasa (sama seperti cas elektrik adalah positif dan negatif). Sebagai contoh, -2 kg. Bahan sedemikian, jika wujud, akan melanggar satu atau lebih dan akan mempamerkan beberapa sifat pelik. Menurut beberapa teori spekulatif, bahan dengan jisim negatif boleh digunakan untuk mencipta (lubang cacing) dalam ruang-masa.

Bunyi seperti fantasi semata-mata, tetapi kini sekumpulan ahli fizik dari Washington State University, Washington University, OIST University (Okinawa, Jepun) dan Universiti Shanghai mempamerkan beberapa sifat bahan jisim negatif hipotesis. Sebagai contoh, jika anda menolak bahan ini, maka ia akan mempercepatkan bukan ke arah aplikasi daya, tetapi ke arah yang bertentangan. Iaitu, ia memecut ke arah yang bertentangan.

Untuk mencipta bahan dengan sifat jisim negatif, saintis menyediakan kondensat Bose - Einstein dengan menyejukkan atom rubidium kepada hampir sifar mutlak. Dalam keadaan ini, zarah bergerak dengan sangat perlahan, dan kesan kuantum mula menampakkan diri pada tahap makroskopik. Iaitu, mengikut prinsip mekanik kuantum, zarah mula berkelakuan seperti gelombang. Sebagai contoh, mereka disegerakkan antara satu sama lain dan mengalir melalui kapilari tanpa geseran, iaitu, tanpa kehilangan tenaga - kesan superfluidity yang dipanggil.

Di makmal Universiti Washington, syarat telah dicipta untuk pembentukan kondensat Bose - Einstein dalam jumlah kurang daripada 0.001 mm³. Zarah-zarah itu diperlahankan oleh laser dan menunggu sehingga yang paling bertenaga daripada mereka meninggalkan volum, yang seterusnya menyejukkan bahan. Pada peringkat ini, cecair superkritikal masih mempunyai jisim positif. Jika kekejangan kapal dipecahkan, atom rubidium akan berselerak ke arah yang berbeza, kerana atom pusat akan menolak atom terluar ke luar, dan ia akan memecut ke arah penggunaan daya.

Untuk mencipta jisim berkesan negatif, ahli fizik menggunakan set laser yang berbeza, yang mengubah putaran beberapa atom. Seperti yang diramalkan oleh simulasi, di beberapa kawasan kapal, zarah-zarah harus memperoleh jisim negatif. Ini dapat dilihat dengan jelas daripada peningkatan mendadak dalam ketumpatan jirim sebagai fungsi masa dalam simulasi (dalam rajah bawah).

Rajah 1. Pengembangan anisotropik Bose - Einstein kondensat dengan pekali kohesi yang berbeza. Keputusan sebenar eksperimen ditandakan dengan warna merah, keputusan ramalan dalam simulasi - dalam warna hitam.

Gambar rajah bawah ialah bahagian bingkai tengah yang diperbesarkan di baris bawah Rajah 1.

pada masa seakan-akan

Di manakah jisim berkesan

mula bertukar negatif (garisan atas). Ditunjukkan ialah titik jisim berkesan negatif minimum (tengah) dan titik di mana jisim kembali kepada nilai positif (garis bawah). Titik merah menunjukkan tempat di mana momen kuasi tempatan terletak di kawasan jisim berkesan negatif.

Baris pertama plot menunjukkan bahawa semasa eksperimen fizikal, bahan itu bertindak mengikut keputusan simulasi, yang meramalkan penampilan zarah dengan jisim berkesan negatif.

Dalam kondensat Bose - Einstein, zarah berkelakuan seperti gelombang dan oleh itu tidak merambat ke arah di mana zarah normal jisim berkesan positif sepatutnya merambat.

Demi keadilan, mesti dikatakan bahawa ahli fizik telah berulang kali mendaftar semasa eksperimen, tetapi eksperimen tersebut boleh ditafsirkan dengan cara yang berbeza. Kini ketidakpastian telah sebahagian besarnya dihapuskan.

Artikel saintifik 10 April 2017 dalam jurnal Surat Semakan Fizikal(doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301, tersedia melalui langganan). Salinan artikel sebelum dihantar ke jurnal pada 13 Disember 2016 tersedia secara percuma di arXiv.org (arXiv: 1612.04055).

Ahli fizik di Universiti Washington telah mencipta cecair dengan jisim negatif. Tolak dan, tidak seperti semua objek fizikal di dunia yang kita tahu, ia tidak akan memecut ke arah tolakan. Ia akan memecut ke arah yang bertentangan. Fenomena ini jarang dicipta dalam persekitaran makmal dan boleh digunakan untuk meneroka beberapa konsep yang lebih kompleks tentang ruang, kata Michael Forbes, penolong profesor, ahli fizik dan ahli astronomi di Universiti Washington. Kajian itu muncul dalam Surat Kajian Fizikal.

Secara hipotesis, bahan boleh mempunyai jisim negatif dalam erti kata yang sama bahawa cas elektrik boleh sama ada negatif atau positif. Orang jarang memikirkannya, dan dunia seharian kita hanya menunjukkan aspek positif Hukum Gerakan Kedua Isaac Newton, yang menurutnya daya yang bertindak ke atas jasad adalah sama dengan hasil jisim badan dengan pecutan yang diberikan oleh daya ini, atau F = ma.

Dalam erti kata lain, jika anda menolak objek, ia akan memecut ke arah tolakan anda. Jisim akan mempercepatkannya mengikut arah daya.

"Kami sudah biasa dengan keadaan ini," kata Forbes, menjangkakan kejutan itu. "Dengan jisim negatif, jika anda menolak sesuatu, ia akan mempercepatkan ke arah anda."

Syarat untuk jisim negatif

Bersama-sama dengan rakan-rakannya, dia mencipta syarat untuk jisim negatif, menyejukkan atom rubidium kepada keadaan hampir sifar mutlak dan dengan itu mencipta kondensat Bose-Einstein. Dalam keadaan ini, diramalkan oleh Schatiendranath Bose dan Albert Einstein, zarah bergerak sangat perlahan dan, mengikut prinsip mekanik kuantum, berkelakuan seperti gelombang. Mereka juga menyegerak dan bergerak secara serentak sebagai cecair superfluid yang mengalir tanpa kehilangan tenaga.

Di bawah arahan Peter Engels, profesor fizik dan astronomi di Universiti Washington, saintis di tingkat enam Webster Hall mencipta keadaan ini dengan menggunakan laser untuk memperlahankan zarah, menjadikannya lebih sejuk dan membenarkan zarah panas dan bertenaga tinggi untuk melarikan diri. seperti wap, menyejukkan lagi bahan.

Laser menangkap atom-atom seolah-olah berada di dalam mangkuk bersaiz kurang daripada seratus mikron. Pada peringkat ini, superfluid rubidium mempunyai jisim biasa. Pecah mangkuk membolehkan rubidium terlepas, mengembang apabila rubidium di tengah ditolak ke luar.

Untuk mencipta jisim negatif, saintis menggunakan set laser kedua yang menolak atom ke depan dan ke belakang, mengubah putaran mereka. Sekarang rubidium kehabisan cukup cepat, ia berkelakuan seperti ia mempunyai jisim negatif. "Tolak dan ia memecut ke arah yang bertentangan, " kata Forbes. "Seolah-olah rubidium memukul dinding yang tidak kelihatan."

Penghapusan kecacatan utama

Kaedah yang digunakan oleh saintis Universiti Washington mengelakkan beberapa kelemahan utama yang ditemui dalam percubaan sebelumnya untuk memahami jisim negatif.

"Perkara pertama yang kami sedar ialah kami mempunyai kawalan rapat ke atas sifat jisim negatif ini tanpa sebarang komplikasi lain," kata Forbes. Penyelidikan mereka menjelaskan, sudah dari perspektif jisim negatif, tingkah laku serupa dalam sistem lain. Kawalan yang dipertingkatkan memberikan penyelidik alat baharu untuk membangunkan eksperimen untuk mengkaji fizik yang serupa dalam astrofizik, contohnya, bintang neutron, dan fenomena kosmologi seperti lubang hitam dan tenaga gelap, di mana eksperimen adalah mustahil.

Lubang cacing hipotesis dalam ruang-masa

Gambar rajah bawah ialah bahagian bingkai tengah yang diperbesarkan di baris bawah Rajah 1.

Graf bawah menunjukkan simulasi satu dimensi jumlah ketumpatan sebagai fungsi masa di rantau tempat ketidakstabilan dinamik mula-mula muncul. Garis putus-putus memisahkan tiga kumpulan atom dengan halaju pada momen kuasi, di mana jisim berkesan mula menjadi negatif (garis atas). Ditunjukkan ialah titik jisim berkesan negatif minimum (tengah) dan titik di mana jisim kembali kepada nilai positif (garis bawah). Titik merah menunjukkan tempat di mana momen kuasi tempatan terletak di kawasan jisim berkesan negatif.

Baris pertama plot menunjukkan bahawa semasa eksperimen fizikal, bahan itu bertindak mengikut keputusan simulasi, yang meramalkan penampilan zarah dengan jisim berkesan negatif.

Dalam kondensat Bose - Einstein, zarah berkelakuan seperti gelombang dan oleh itu tidak merambat ke arah di mana zarah normal jisim berkesan positif sepatutnya merambat.

Demi keadilan, mesti dikatakan bahawa ahli fizik telah berulang kali mendaftarkan keputusan semasa eksperimen apabila sifat bahan berjisim negatif menampakkan diri, tetapi eksperimen tersebut boleh ditafsirkan dengan cara yang berbeza. Kini ketidakpastian telah sebahagian besarnya dihapuskan.

Artikel saintifik yang diterbitkan pada 10 April 2017 dalam jurnal Surat Semakan Fizikal(doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301, tersedia melalui langganan). Salinan artikel sebelum dihantar ke jurnal telah disiarkan pada 13 Disember 2016 dalam domain awam di arXiv.org (arXiv: 1612.04055).

Ahli astrofizik British Jamie Farnes telah mencadangkan model kosmologi di mana jisim negatif dihasilkan pada kadar yang tetap sepanjang evolusi alam semesta. Model ini bercanggah dengan pandangan yang diterima umum tentang sifat jirim, tetapi ia menerangkan dengan baik kebanyakan kesan yang biasanya dikaitkan dengan jirim gelap dan tenaga gelap - khususnya, pengembangan Alam Semesta, pembentukan struktur berskala besar Alam Semesta dan halo galaksi, lengkung putaran galaksi, dan spektrum sinaran peninggalan yang diperhatikan. Artikel diterbitkan dalam Astronomi & Astrofizik, pracetak kerja disiarkan di tapak web arXiv.org.

Pada masa ini, kebanyakan ahli kosmologi percaya bahawa evolusi Alam Semesta digambarkan oleh model ΛCDM. Menurut model ini, kira-kira 70 peratus daripada jisim Alam Semesta adalah tenaga gelap, 25 peratus adalah jirim gelap sejuk (iaitu, jirim yang zarahnya perlahan-lahan bergerak), dan hanya 5 peratus yang tinggal adalah jirim baryonik yang biasa kepada kita. . Para saintis telah menentukan nisbah ini dengan menganalisis harmonik dalam corak CMB. Butiran lanjut tentang mengukur "komposisi" Alam Semesta boleh didapati dalam artikel oleh Boris Stern mengenai satelit WMAP dan Planck, yang memberikan sumbangan utama kepada kerja ini.

Malangnya, saintis kurang memahami apa itu jirim gelap dan tenaga gelap. Tiada satu pun daripada eksperimen ultra-tepat pada pencarian zarah jirim gelap yang diramalkan oleh beberapa model teori (contohnya, SUSY) telah menerima hasil yang positif. Pada masa ini, keratan rentas serakan untuk zarah biasa dan zarah "gelap" dengan jisim 6 hingga 200 megaelektronvolt adalah dari susunan 10 −47 sentimeter persegi, yang boleh dikatakan mengecualikan zarah dalam julat jisim ini dan memaksa ahli fizik untuk membangunkan teori alternatif. Walau bagaimanapun, jirim gelap masih menunjukkan dirinya melalui interaksi graviti, mengubah suai lengkung putaran galaksi dan gambar, dan oleh itu saintis dari hipotesis ini.

Dengan tenaga gelap, keadaan menjadi lebih teruk. Satu-satunya pemerhatian yang secara langsung mengesahkan kewujudannya, tanpa mengira analisis CMB, adalah pengembangan dipercepatkan Alam Semesta, diukur dengan (secara tidak langsung, tenaga gelap disahkan oleh nisbah unsur kimia dalam Alam Semesta yang diperhatikan). Selain itu, ahli fizik mempunyai pemahaman yang lemah tentang apa itu tenaga gelap peringkat asas ... Sudah tentu, secara kualitatif ia boleh diterangkan menggunakan pemalar kosmologi (istilah lambda) dalam, tetapi kaedah ini tidak memberikan pengetahuan baharu dan tidak membenarkan penubuhan terdiri daripada apa tenaga gelap. Einstein menjelaskan bahan tambahan tersebut menggunakan zarah dengan jisim negatif - dalam pendekatan ini, persamaan gerakan menjadi simetri, seperti persamaan elektrodinamik, dan istilah lambda timbul sebagai pemalar penyepaduan yang tidak mengandungi makna fizikal.

Jirim dengan jisim negatif ialah jirim yang memecut ke arah yang bertentangan dengan tindakan daya. Zarah dengan jisim negatif menolak zarah dengan jisim positif dan negatif, manakala zarah "positif" menarik zarah "negatif". Malangnya, dalam rangka model ΛCDM, cara menggambarkan tenaga gelap ini pastinya akan mengalami kegagalan. Hakikatnya ialah semasa pengembangan Alam Semesta, ketumpatan pelbagai komponen berubah mengikut undang-undang yang berbeza: ketumpatan bahan sejuk berkurangan, manakala ketumpatan tenaga gelap kekal malar. Oleh itu, adalah mustahil untuk mengenal pasti jirim dengan jisim negatif dan tenaga gelap.

Interaksi zarah dengan jisim negatif: anak panah hitam menunjukkan daya, merah - pecutan

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofizik

Interaksi zarah dengan jisim positif dan negatif: anak panah hitam menunjukkan daya, merah - pecutan

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofizik

Interaksi zarah dengan jisim positif: anak panah hitam menunjukkan daya, merah - pecutan

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofizik

Walau bagaimanapun, ahli astrofizik Jamie Farnes mendakwa dia dapat mengikat idea Einstein dengan data pemerhatian. Untuk melakukan ini, dia menggabungkan idea jisim negatif dengan idea kontra-intuitif lain mengenai pengeluaran jisim yang berterusan dan homogen dalam jumlah Alam Semesta. Idea ini juga jauh daripada baharu; ia mula dicadangkan pada 40-an abad yang lalu.

Secara teorinya, proses sedemikian sebenarnya boleh berlaku dengan latar belakang medan graviti yang kuat (contohnya, disebabkan oleh). Mempertimbangkan penambahan sedemikian kepada tensor momentum tenaga piawai untuk jisim positif, ahli fizik menulis dan menyelesaikan persamaan Friedmann, dan kemudian mengira mengikut undang-undang mana Alam Semesta berkembang dalam model ini. Para saintis tidak mengambil kira sumbangan bahan gelap biasa dan tenaga gelap. Akibatnya, ternyata undang-undang yang diketahui dihasilkan semula jika jisim negatif dihasilkan pada kelajuan malar Γ = -3 H, di mana H ialah pemalar Hubble. Dalam kes ini, ketumpatan jisim negatif akan kekal malar semasa pengembangan dan akan mensimulasikan pemalar kosmologi dengan berkesan. Dalam kes ini, kadar pengembangan dan jangka hayat Alam Semesta adalah sama seperti dalam model ΛCDM.

Ahli astrofizik kemudian mengira bagaimana jisim negatif akan nyata pada skala yang lebih kecil. Untuk melakukan ini, dia memodelkan, dalam rangka modelnya, interaksi sejumlah besar zarah jisim positif dan negatif. Memandangkan semua pakej astrofizik sedia ada tidak mengambil kira pengubahsuaian luar biasa itu, Farnes terpaksa membangunkan programnya sendiri. Untuk mengelakkan sebarang anggaran semasa pengiraan, penyelidik mengira koordinat dan halaju setiap zarah pada setiap saat dalam masa - ini memungkinkan untuk meningkatkan kebolehpercayaan ramalan, walaupun permintaan untuk sumber pengiraan program meningkat seperti kuasa dua bilangan zarah. Khususnya, kerana ini, saintis terpaksa mengehadkan dirinya untuk memodelkan 50 ribu zarah.

Menggunakan program yang dibangunkan, Farns melihat beberapa kesan yang secara tradisinya dikaitkan dengan jirim gelap. Pertama, beliau memodelkan evolusi kumpulan tumpat zarah jisim positif yang direndam dalam "laut" zarah jisim negatif. Sistem sedemikian harus menerangkan secara kualitatif evolusi galaksi pada peringkat akhir pengembangan Alam Semesta, apabila zarah "negatif" dengan ketara mengatasi yang "positif". Dalam tugasan ini, saintis memilih bilangan zarah "positif". N+ = 5000, bilangan negatif N- = 45000. Hasilnya, dia memperoleh taburan ketumpatan yang sesuai dengan data pemerhatian - ketumpatan zarah perlahan-lahan meningkat apabila menghampiri pusat galaksi dan bertepatan dengan profil Burkert. Ini menyelesaikan masalah halo cuspy yang berlaku dalam model ΛCDM.

Evolusi "galaksi" bahan positif yang direndam dalam "laut" bahan negatif

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofizik

Profil jisim galaksi dikira oleh Farnes (biru) dan diperhatikan dalam amalan (garis putus-putus merah jambu)

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofizik

Kedua, dengan data awal yang sama, saintis mengira lengkung putaran galaksi dan mendapati ia juga bersetuju dengan data pemerhatian. Manakala dalam model dengan zarah "positif" semata-mata, jirim di pinggir galaksi bergerak lebih perlahan daripada di tengah, dalam model dengan penguasaan zarah "negatif", kelajuan adalah lebih kurang tetap.

Lengkung putaran galaksi yang tenggelam dalam "laut" bahan negatif (merah) dan galaksi "bebas" (hitam)

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofizik

Ketiga, Farnes menunjukkan bahawa struktur berskala besar Filamen Alam Semesta secara semula jadi timbul dalam modelnya: galaksi bersatu menjadi gugusan, berkelompok menjadi supercluster, dan supercluster menjadi rantai dan dinding. Untuk melakukan ini, dia mengira evolusi sistem yang mengandungi bilangan zarah "positif" dan "negatif" yang sama. Disebabkan oleh had kuasa pengkomputeran yang ada, saintis meletakkan bilangan kedua-dua jenis zarah N + = N- = 25000. Seperti dalam kes sebelumnya, zarah "negatif" mengelilingi zarah bahan biasa dan membentuk lingkaran cahaya, tetapi kali ini penyelidik dapat membezakan corak pada skala yang lebih besar, yang menyerupai struktur Alam Semesta yang boleh diperhatikan.

Struktur seragam alam semesta pada permulaan simulasi

Jamie Farnes / Astronomi & Astrofizik

Mereka didaftarkan dalam amalan. Malangnya, dia tidak dapat melihat kesan ini dalam simulasi dengan 50,000 zarah. Walau bagaimanapun, saintis berharap bahawa dalam simulasi yang lebih besar dengan sejuta zarah, proses sedemikian akan dapat diperhatikan, dan juga mencadangkan bahawa mereka akan mengesahkan atau menafikan teori baru.

Akhirnya, saintis menguji betapa kuatnya cadangan pengubahsuaian model ΛCDM akan memesongkan kesan yang sebenarnya diperhatikan - pengembangan Alam Semesta yang diukur dengan lilin standard, latar belakang peninggalan, dan pemerhatian penggabungan gugusan galaksi. Dalam semua kes ini, ahli astrofizik mendapati bahawa hipotesisnya tidak bercanggah dengan data yang diperhatikan. Walau bagaimanapun, beberapa soalan masih terbuka - khususnya, tidak jelas bagaimana untuk menghubungkan hipotesis sedemikian dengan Model Standard (bolehkah mekanisme Higgs menjana jisim negatif?), Bagaimana untuk mendaftar secara eksperimen zarah dengan jisim negatif, dan bagaimana untuk terangkan percanggahan antara tolakan zarah "negatif" dan teori. Walau bagaimanapun, saintis percaya bahawa semua masalah ini boleh diselesaikan dalam rangka kerja model baharu.

Oleh itu, model dengan pengeluaran besar-besaran negatif yang berterusan menerangkan bukan sahaja pengembangan Alam Semesta yang diperhatikan, tetapi juga pembentukan struktur berskala besarnya, halo jirim gelap di sekeliling galaksi dan lengkung putaran - kebanyakan kesan yang biasanya dikaitkan dengan tenaga gelap. dan jirim gelap. Peliknya, begitu intuitif tidak semulajadi hipotesis yang bercanggah dengan pandangan umum tentang jirim adalah agak konsisten dengan data pemerhatian. Selain itu, dia mencadangkan untuk menerangkannya dengan cara yang lebih mudah, menggunakan lebih sedikit entiti. Seperti yang ditulis oleh penulis sendiri dalam kesimpulannya, "Walaupun cadangan ini adalah murtad dan sesat, [dalam artikel] dicadangkan bahawa nilai negatif parameter ini pada dasarnya boleh menjelaskan data pemerhatian kosmologi, yang selalu ditafsirkan dalam rangka kerja andaian munasabah jisim positif."

Kadang-kadang ahli fizik datang dengan idea yang agak luar biasa untuk menjelaskan percanggahan yang diperhatikan antara teori dan eksperimen. Sebagai contoh, pada November tahun lepas, ahli fizik teori Amerika Hooman Davoudiasl memperkenalkan daya baharu yang dibawa oleh zarah skalar ultra ringan dan menolak jirim gelap dari Bumi. Andaian ini menerangkan dengan baik kegagalan semua eksperimen duniawi untuk mencari jirim gelap - jika kuasa sedemikian benar-benar wujud, pengesan, pada dasarnya, tidak dapat mendaftarkan apa-apa. Malangnya, adalah mustahil untuk mengesahkan kenyataan ini pada keadaan terkini.

Dmitry Trunin

Ponkrat BORISOV, jurutera Jisim negatif: penerbangan percuma ke infiniti

Pilihan Editor

Ponkrat BORISOV, jurutera
Jisim negatif: penerbangan percuma ke infiniti