Dutu yenye mali ya molekuli hasi imeundwa. Wanasayansi wameonyesha dutu yenye molekuli hasi yenye ufanisi

Inastahili kutazama na azimio la 1280 X 800

"Teknolojia kwa vijana", 1990, No. 10, p. 16-18.

Iliyochanganuliwa na Igor Stepikin

Tribune kwa nadharia dhabiti

Ponkrat BORISOV, mhandisi
Misa hasi: ndege ya bure kwenda kwa infinity

Nakala juu ya mada hii zimeonekana mara kwa mara katika majarida ya fizikia ya kigeni na ya Soviet kwa zaidi ya miaka 30. Lakini cha kustaajabisha, bado wanaonekana hawajapata umakini wa watu wanaopenda umaarufu. Lakini shida ya misa hasi, na hata katika uundaji madhubuti wa kisayansi, ni zawadi bora kwa wapenzi wote wa vitendawili vya waandishi wa kisasa wa fizikia na sayansi. Lakini hii ndio mali ya fasihi maalum: hisia ndani yake zinaweza kubaki siri kwa miongo kadhaa ...

Kwa hivyo, tunazungumza juu ya aina ya dhahania ya jambo, ambayo wingi wake ni kinyume kwa ishara kwa ile ya kawaida. Swali linatokea mara moja: hii inamaanisha nini? Na mara moja inakuwa wazi: si rahisi kufafanua kwa usahihi dhana ya molekuli hasi.

Bila shaka, lazima iwe na mali ya kukataa mvuto. Lakini zinageuka kuwa hii pekee haitoshi. Katika fizikia ya kisasa, aina nyingi kama nne za misa zinajulikana:

kazi ya mvuto - moja inayovutia (ikiwa ni chanya, bila shaka);

mvuto passiv - moja ambayo huvutia;

inert, ambayo hupata kasi fulani chini ya hatua ya nguvu iliyotumiwa (a = F / m);

hatimaye, molekuli ya mapumziko ya Einstein, ambayo huweka nishati ya jumla ya mwili (E = mC 2).

Katika mfumo wa nadharia zinazokubalika kwa ujumla, zote ni sawa kwa ukubwa. Lakini ni muhimu kutofautisha kati yao, na hii inakuwa wazi tu wakati wa kujaribu kuamua molekuli hasi. Ukweli ni kwamba itakuwa kinyume kabisa na ile ya kawaida tu ikiwa aina zake zote nne zitakuwa mbaya.

Kwa msingi wa mbinu hii, katika makala ya kwanza kabisa juu ya mada hii, iliyochapishwa nyuma mwaka wa 1957, mwanafizikia wa Kiingereza H. Bondi aliamua mali ya msingi ya "minus-mass" kwa njia ya uthibitisho mkali.

Huenda hata isiwe vigumu sana kuyarudia hapa, kwa sababu yanategemea tu mechanics ya Newton. Lakini hii itachanganya hadithi yetu, na kisha kuna "ujanja" nyingi za kimwili na za hisabati. Kwa hiyo, hebu tuende moja kwa moja kwenye matokeo, hasa kwa kuwa ni dhahiri kabisa.

Kwanza, "minus-matter" inapaswa kurudisha nyuma miili mingine yoyote kwa mvuto, ambayo ni, sio tu na hasi, lakini pia na misa chanya (lakini jambo la kawaida, kinyume chake, huvutia kila aina ya aina zote mbili). Zaidi ya hayo, chini ya hatua ya nguvu yoyote, hadi nguvu ya inertia, lazima iende kwa mwelekeo kinyume na vector ya nguvu hii. Na hatimaye, nishati yake ya jumla ya Einstein lazima pia iwe hasi.

Kwa hivyo, kwa njia, ni lazima kusisitizwa kuwa jambo letu la kushangaza sio antimatter, ambayo wingi wake bado unachukuliwa kuwa chanya. Kwa mfano, kulingana na dhana za kisasa, "Anti-Earth" iliyotengenezwa kwa antimatter ingezunguka Jua kwa njia sawa kabisa na sayari yetu ya nyumbani.

Yote hii ni, labda, karibu wazi. Lakini basi ajabu huanza.

Wacha tuchukue mvuto sawa. Ikiwa miili miwili ya kawaida itavutiwa na kuja karibu, na misa mbili za kupinga-upinzani zinarudishwa nyuma na kutawanyika, basi nini kitatokea kwa mwingiliano wa mvuto wa raia wa ishara tofauti?

Wacha hii iwe kesi rahisi zaidi: mwili (sema, mpira) uliotengenezwa kwa maada na misa hasi -M iko nyuma ya kitu (wacha tuite "roketi" - sasa tutajua kwanini) na misa chanya sawa. + M. Ni wazi kwamba uwanja wa mvuto wa mpira hufukuza roketi, wakati unavutia mpira wenyewe. Lakini kutoka kwa hii inafuata (hii imethibitishwa tena) kwamba mfumo mzima utasonga kwenye mstari wa moja kwa moja unaounganisha vituo vya raia wawili, na kuongeza kasi ya mara kwa mara sawia na nguvu ya mwingiliano wa mvuto kati yao!

Kwa kweli, kwa mtazamo wa kwanza, picha hii ya harakati ya hiari, isiyo na sababu "inathibitisha" jambo moja tu: kupinga misa iliyo na mali ambayo tulihusishwa nayo tangu mwanzo katika ufafanuzi haiwezi kuwepo. Baada ya yote, tulipokea, inaweza kuonekana, kundi zima la ukiukwaji wa sheria zisizobadilika.

Naam, si ni wazi kabisa kukanyagwa juu hapa, kwa mfano, sheria ya uhifadhi wa kasi? Bila sababu, miili yote miwili inakimbilia katika mwelekeo mmoja, wakati hakuna kitu kinachoenda kinyume. Lakini kumbuka kwamba moja ya raia ni hasi! Lakini hii inamaanisha kuwa msukumo wake, bila kujali kasi, una ishara ya minus: (-M) V, na kisha msukumo wa jumla wa mfumo wa miili miwili bado unabaki sifuri!

Vile vile ni kwa jumla ya nishati ya kinetic ya mfumo. Kwa muda mrefu miili imepumzika, ni sawa na sifuri. Lakini haijalishi wanasonga haraka vipi, hakuna kinachobadilika: misa hasi ya mpira, kulingana na formula (-M) V 2/2, hujilimbikiza nishati hasi ya kinetic, ambayo hulipa fidia kwa kuongezeka kwa nishati chanya ya roketi. .

Ikiwa haya yote yanaonekana kuwa ya ujinga, basi labda "tutapiga kabari na kabari" - hebu tujaribu kuthibitisha upuuzi mmoja na mwingine? Tangu darasa la sita, tunajua kwamba katikati ya molekuli sawa (chanya, bila shaka) iko katikati kati yao. Kwa hivyo - unapendaje hitimisho lifuatalo? Katikati ya wingi wa pointi sawa za ISHARA TOFAUTI ziko, ingawa kwenye mstari wa moja kwa moja unapita kati yao, lakini sio ndani, lakini NJE ya sehemu inayowaunganisha, kwa uhakika ± Ґ ?!

Je, ni rahisi zaidi?

Kwa njia, hitimisho hili tayari ni la msingi, na kila mtu, ikiwa anataka, anaweza kurudia, akiwa na ujuzi wa fizikia katika kiwango cha daraja sawa la sita.

Mtu yeyote ambaye haamini neno na anataka kuwa na hakika ya usahihi wa mahesabu yote anaweza kutaja moja ya machapisho ya hivi karibuni juu ya mada hii - makala ya mwanafizikia wa Marekani R. Forward "Injini ya roketi juu ya dutu ya molekuli hasi. ", iliyochapishwa katika jarida lililotafsiriwa "Uhandisi wa Anga" No. 4 kwa 1990.

Lakini labda msomaji wa kisasa anadhani kwamba alielewa bila mahesabu yoyote ambapo walimteleza "linden" kwake? Hakika: katika hoja hizi zote za kifahari, swali limesitishwa: umati mzuri kama huo ulitoka wapi? Baada ya yote, chochote asili yake, nishati italazimika kutumika kwa "uchimbaji", "uzalishaji" au, kwa mfano, kwenye utoaji kwenye eneo la hatua, ambayo inamaanisha ...

Ole, msomaji wa kisasa! Nishati, bila shaka, itahitajika, lakini tena hasi. Hakuna cha kufanywa: katika fomula ya Einstein kwa jumla ya nishati ya mwili E = Mc 2, misa yetu ya ajabu ina ishara sawa ya minus. Hii ina maana kwamba "uzalishaji" wa jozi ya miili yenye wingi SAWA wa ishara TOFAUTI utahitaji nishati ZERO. Vile vile hutumika kwa utoaji na udanganyifu mwingine wowote.

Hapana - haijalishi jinsi matokeo haya yote ni ya kushangaza, hitimisho kali zinadai kwamba uwepo wa kupinga misa haipingani sio tu na mechanics ya Newton, lakini pia nadharia ya jumla ya uhusiano. Haikuwezekana kupata makatazo yoyote ya kimantiki juu ya kuwepo kwake.

Kwa hivyo ni nini - ikiwa nadharia "inaruhusu", basi fikiria, kwa mfano, - nini kinaweza kutokea wakati chembe mbili zinazofanana za maada zilizo na misa ya pamoja na minus zinagusana? Kwa antimatter "ya kawaida", kila kitu ni wazi: maangamizi yatatokea na kutolewa kwa nishati ya jumla ya miili yote miwili. Lakini ikiwa moja ya misa mbili sawa ni hasi, basi nishati yao yote, kama tulivyoelewa tu, ni sifuri. Lakini NINI kitatokea kwao katika uhalisia tayari ni swali linalovuka mipaka ya nadharia.

Matokeo ya tukio kama hilo yanaweza tu kujifunza kwa nguvu. Haiwezi "kuhesabiwa" - baada ya yote, hatujui kuhusu "utaratibu wa utekelezaji" wa molekuli hasi, "muundo wake wa ndani" (kama vile, kwa bahati, hatujui hili kuhusu molekuli ya kawaida). Kinadharia, jambo moja ni wazi: kwa hali yoyote, nishati ya jumla ya mfumo itabaki sifuri. Tuna haki ya kuweka mbele HYPOTHESIS tu, kama Mbele huyo huyo anavyofanya. Kulingana na yeye, mwingiliano wa mwili hapa hauelekezi kuangamizwa, lakini kwa kile kinachoitwa "kubatilisha", ambayo ni, "utulivu" uharibifu wa pande zote wa chembe, kutoweka kwao bila kutolewa kwa nishati.

Lakini, tunarudia, ni majaribio pekee yanayoweza kuthibitisha au kukanusha dhana hii.

Kwa sababu sawa, hatujui chochote kuhusu jinsi ya "kufanya" molekuli hasi (ikiwa inawezekana). Nadharia hiyo inadai tu kwamba makundi mawili sawa ya ishara kinyume, kimsingi, yanaweza kutokea bila gharama yoyote ya nishati. Na mara tu jozi kama hiyo ya miili itaonekana, itaruka, yote ikiongeza kasi, kwa mstari wa moja kwa moja hadi usio na mwisho ...

R. Forward, katika makala yake, tayari "ameunda" injini ya molekuli hasi ambayo inaweza kutufikisha mahali popote katika Ulimwengu kwa kasi yoyote ambayo tunabainisha. Inatokea kwamba hii inahitaji tu ... jozi ya chemchemi nzuri (maingiliano yote ya "minus-mass" na moja ya kawaida kwa njia ya nguvu za elastic, bila shaka, pia huhesabiwa kwa undani).

Kwa hiyo, hebu tuweke wingi wetu wa ajabu, sawa na ukubwa wa wingi wa roketi, katikati ya "compartment ya injini". Ikiwa unahitaji kuruka mbele, tutanyoosha chemchemi kutoka kwa ukuta wa nyuma na kuunganisha mwili wake wa molekuli hasi. Mara moja, kwa sababu ya tabia yake ya "kupotoshwa" ya inertial, haitakimbilia mahali inakovutwa, lakini kwa upande mwingine, ikiburuta roketi pamoja nayo kwa kuongeza kasi inayolingana na nguvu ya mvutano wa chemchemi.

Ili kuacha kuongeza kasi, inatosha kufuta chemchemi. Na ili kupunguza kasi na kusimamisha meli, unahitaji kutumia chemchemi ya pili iliyounganishwa na ukuta wa mbele wa compartment injini.

Na bado kuna kukanusha kwa sehemu ya "injini ya bure"! Kweli, inatoka upande usiotarajiwa kabisa. Lakini zaidi juu ya hilo mwishoni.

Wakati huo huo, hebu tutafute mahali ambapo idadi kubwa ya misa hasi inaweza kupatikana. Maeneo kama haya yanapendekezwa na utupu mkubwa uliogunduliwa kwenye ramani kubwa za sura tatu za usambazaji wa gala kwenye Ulimwengu - matukio ya kuvutia zaidi yenyewe. Kama inavyoonekana kutoka kwenye Mtini. 2, vipimo vya mashimo haya, ambayo pia huitwa "Bubbles", ni karibu miaka milioni 100 ya mwanga (wakati vipimo vya Galaxy yetu ni karibu miaka milioni 0.06 ya mwanga). Kwa hivyo, kwa kiwango kikubwa zaidi, ulimwengu una muundo wa "povu".

Mipaka ya Bubbles ni alama ya wazi na makundi ya idadi kubwa ya galaxies. Kwa kweli hakuna hata mmoja wao ndani ya Bubbles, lakini ikiwa hutokea huko, basi ni vitu vya kawaida sana. Wao ni sifa ya spectra ya mionzi ya juu ya nguvu ya juu-frequency. Mapovu hayo sasa yanaaminika kuwa na galaksi "zilizoshindwa" au mawingu ya gesi ya hidrojeni ya kawaida.

Lakini inawezekana kudhani kuwa muundo wa "povu" wa Ulimwengu ni matokeo ya malezi yake kutoka kwa idadi sawa ya chembe za molekuli hasi na chanya? Kwa njia, maelezo haya kwa kawaida husababisha matokeo ya kuvutia sana: jumla ya misa ya Ulimwengu imekuwa na inabaki sawa na sifuri. Kisha Bubbles ni mahali pa asili kwa minus-mass, chembe ambazo huwa hutawanyika iwezekanavyo kutoka kwa kila mmoja. Na misa chanya inasukumwa kwenye uso wa Bubbles, ambapo huunda galaksi na nyota chini ya ushawishi wa nguvu za mvuto. Hapa unaweza kukumbuka makala ya A. A. Baranov, ambayo ilionekana nyuma mwaka wa 1971 katika Nambari 11 ya jarida la Izvestiya Vuzov. Fizikia". Inazingatia mfano wa ulimwengu wa Ulimwengu na chembe zenye wingi wa ishara zote mbili. Kwa kutumia mtindo huu, mwandishi anaelezea makadirio ya majaribio ya mara kwa mara ya cosmological na redshift ya Hubble, pamoja na matukio fulani ya ajabu yaliyozingatiwa katika galaxi zinazoingiliana.

Ishara nyingine inayowezekana ya kiasi kikubwa cha molekuli hasi ni uwepo wa "mikondo" ya haraka sana katika miundo mikubwa ya Ulimwengu. Kwa hivyo, kikundi kikubwa kilicho na Galaxy yetu "inapita" kwa kasi ya kilomita 600 / s kuhusiana na historia ya kupumzika ya CMB. Kasi hii haiingii katika mfumo wa nadharia za uundaji wa galaksi kutoka kwa jambo baridi la giza. R. Forward anapendekeza kujaribu kuelezea jambo hili kwa kuzingatia msukumo wa pamoja wa vikundi vikubwa kutoka kwa viputo vyenye molekuli hasi.

Kwa hivyo, jambo hasi linaweza kutawanyika tu. Lakini hii, inageuka, ni kukanusha kwa sehemu ya hitimisho nyingi ambazo zilijadiliwa. Baada ya yote, mali ya msukumo wa mvuto wa chembe za jambo, bila kujali asili yao, inaongoza kwa ukweli kwamba chembe hizi haziwezi kuja pamoja chini ya ushawishi wa nguvu za mvuto. Zaidi ya hayo, kwa kuwa chembe ya molekuli hasi chini ya hatua ya nguvu yoyote inakwenda kinyume na vector ya nguvu hii, basi mwingiliano wa kawaida wa interatomic hauwezi kuunganisha chembe hizo kwenye miili "ya kawaida".

Lakini tunatumai kuwa msomaji bado alifurahishwa na hoja hizi zote ...

Shimo dhahania la minyoo katika muda wa anga

Katika fizikia ya kinadharia, hii ni dhana ya dutu ya dhahania, ambayo wingi wake una thamani kinyume na wingi wa dutu ya kawaida (kama vile malipo ya umeme ni chanya na hasi). Kwa mfano, -2 kg. Dutu kama hiyo, ikiwa ingekuwepo, ingekiuka moja au zaidi na ingeonyesha sifa fulani za kushangaza. Kulingana na baadhi ya nadharia za kubahatisha, dutu iliyo na misa hasi inaweza kutumika kuunda (mashimo ya minyoo) kwa wakati wa nafasi.

Inaonekana kama njozi tu, lakini sasa kundi la wanafizikia kutoka Chuo Kikuu cha Jimbo la Washington, Chuo Kikuu cha Washington, Chuo Kikuu cha OIST (Okinawa, Japani) na Chuo Kikuu cha Shanghai kinaonyesha baadhi ya sifa za nyenzo dhahania ya wingi hasi. Kwa mfano, ikiwa unasukuma dutu hii, basi itaharakisha si kwa mwelekeo wa matumizi ya nguvu, lakini kinyume chake. Hiyo ni, inaongeza kasi katika mwelekeo kinyume.

Ili kuunda dutu iliyo na mali hasi ya misa, wanasayansi walitayarisha condensate ya Bose - Einstein kwa kupoeza atomi za rubidium hadi karibu sifuri kabisa. Katika hali hii, chembe husonga polepole sana, na athari za quantum huanza kujidhihirisha katika kiwango cha macroscopic. Hiyo ni, kwa mujibu wa kanuni za mechanics ya quantum, chembe huanza kufanya kama mawimbi. Kwa mfano, wao ni synchronized na kila mmoja na mtiririko kupitia capillaries bila msuguano, yaani, bila kupoteza nishati - athari ya kinachojulikana superfluidity.

Katika maabara ya Chuo Kikuu cha Washington, hali ziliundwa kwa ajili ya malezi ya Bose - Einstein condensate kwa kiasi cha chini ya 0.001 mm³. Chembe hizo zilipunguzwa kasi na laser na kusubiri hadi nguvu nyingi kati yao ziliacha kiasi, ambacho kilipoza zaidi nyenzo. Katika hatua hii, maji ya supercritical bado yalikuwa na wingi chanya. Ikiwa mshikamano wa chombo ulivunjwa, atomi za rubidiamu zingetawanyika kwa njia tofauti, kwa kuwa atomi za kati zingesukuma atomi za nje za nje, na zingeongeza kasi katika mwelekeo wa matumizi ya nguvu.

Ili kuunda misa hasi yenye ufanisi, wanafizikia walitumia seti tofauti ya lasers, ambayo ilibadilisha spin ya baadhi ya atomi. Kama simulation inavyotabiri, katika baadhi ya maeneo ya chombo, chembe zinapaswa kupata molekuli hasi. Hii inaweza kuonekana wazi kutokana na kuongezeka kwa kasi kwa msongamano wa jambo kama kazi ya muda katika masimulizi (katika mchoro wa chini).

Kielelezo 1. Upanuzi wa anisotropic wa Bose - Einstein condensate na coefficients tofauti ya mshikamano. Matokeo halisi ya jaribio yana alama nyekundu, matokeo ya utabiri katika simulation - katika nyeusi.

Mchoro wa chini ni sehemu iliyopanuliwa ya fremu ya kati katika safu ya chini ya Mchoro 1.

kwa wakati mmoja

Misa yenye ufanisi iko wapi

huanza kugeuka hasi (mstari wa juu). Inayoonyeshwa ni hatua ya kiwango cha chini cha misa yenye ufanisi hasi (katikati) na mahali ambapo wingi unarudi kwa maadili chanya (mstari wa chini). Dots nyekundu zinaonyesha mahali ambapo quasi-moment ya ndani iko katika eneo la molekuli hasi.

Safu ya kwanza kabisa ya njama inaonyesha kwamba wakati wa majaribio ya kimwili, dutu hii ilifanya kwa mujibu wa matokeo ya simulation, ambayo inatabiri kuonekana kwa chembe na molekuli hasi ufanisi.

Katika Bose - Einstein condensate, chembe hufanya kama mawimbi na kwa hivyo hazienezi katika mwelekeo ambao chembe za kawaida za molekuli chanya zinapaswa kuenea.

Kwa ajili ya haki, ni lazima kusema kwamba wanafizikia wamejiandikisha mara kwa mara wakati wa majaribio, lakini majaribio hayo yanaweza kutafsiriwa kwa njia tofauti. Sasa kutokuwa na uhakika kumeondolewa kwa kiasi kikubwa.

Nakala ya kisayansi Aprili 10, 2017 kwenye jarida Barua za Mapitio ya Kimwili(doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301, inapatikana kwa usajili). Nakala ya makala kabla ya kutumwa kwa jarida tarehe 13 Desemba 2016 inapatikana bila malipo katika arXiv.org (arXiv: 1612.04055).

Wanafizikia katika Chuo Kikuu cha Washington wameunda kioevu na molekuli hasi. Kuisukuma na, tofauti na vitu vyote vya kimwili duniani ambavyo tunajua, haitaongeza kasi katika mwelekeo wa kushinikiza. Itakuwa kasi katika mwelekeo kinyume. Jambo hilo ni nadra kuundwa katika mpangilio wa maabara na linaweza kutumiwa kuchunguza baadhi ya dhana changamano zaidi kuhusu anga, asema Michael Forbes, profesa msaidizi, mwanafizikia na mwanaanga katika Chuo Kikuu cha Washington. Utafiti ulionekana katika Barua za Mapitio ya Kimwili.

Kidhahania, dutu inaweza kuwa na misa hasi kwa maana sawa kwamba chaji ya umeme inaweza kuwa hasi au chanya. Watu mara chache hufikiria juu yake, na ulimwengu wetu wa kila siku unaonyesha tu mambo mazuri ya Sheria ya Pili ya Mwendo ya Isaac Newton, kulingana na ambayo nguvu inayofanya kazi kwenye mwili ni sawa na bidhaa ya wingi wa mwili kwa kuongeza kasi inayotolewa na nguvu hii, au. F = ma.

Kwa maneno mengine, ikiwa unasukuma kitu, itaongeza kasi katika mwelekeo wa kushinikiza kwako. Misa itaongeza kasi katika mwelekeo wa nguvu.

"Tumezoea hali hii ya mambo," Forbes inasema, wakitarajia mshangao huo. "Pamoja na misa hasi, ikiwa unasukuma kitu, kitaongeza kasi kuelekea kwako."

Masharti ya molekuli hasi

Pamoja na wenzake, aliunda hali ya misa hasi, baridi ya atomi za rubidium hadi hali ya karibu sifuri kabisa na kwa hivyo kuunda condensate ya Bose-Einstein. Katika hali hii, iliyotabiriwa na Schatiendranath Bose na Albert Einstein, chembe hutembea polepole sana na, kufuata kanuni za mechanics ya quantum, hufanya kama mawimbi. Pia husawazisha na kusonga kwa pamoja kama giligili isiyo na maji ambayo hutiririka bila kupoteza nishati.

Chini ya uongozi wa Peter Engels, profesa wa fizikia na astronomia katika Chuo Kikuu cha Washington, wanasayansi katika ghorofa ya sita ya Webster Hall waliunda hali hii kwa kutumia lasers kupunguza kasi ya chembe, na kuzifanya kuwa baridi na kuruhusu chembe za moto, zenye nguvu nyingi kutoroka. kama mvuke, baridi zaidi ya nyenzo.

Leza hizo zilinasa atomi kana kwamba ziko kwenye bakuli lenye ukubwa wa chini ya mikroni mia moja. Katika hatua hii, rubidium yenye maji mengi ilikuwa na misa ya kawaida. Kupasuka kwa bakuli kuliruhusu rubidium kutoroka, ikipanuka huku rubidiamu iliyokuwa katikati ikisukumwa nje.

Ili kuunda molekuli hasi, wanasayansi walitumia seti ya pili ya lasers ambayo ilisukuma atomi nyuma na nje, kubadilisha spin yao. Kwa kuwa sasa rubidium inaisha haraka vya kutosha, inakuwa kama ina misa hasi. "Isukume na inaongeza kasi katika mwelekeo tofauti," Forbes inasema. "Kama rubidium inapiga dhidi ya ukuta usioonekana."

Kuondoa kasoro kubwa

Mbinu iliyotumiwa na wanasayansi wa Chuo Kikuu cha Washington iliepuka baadhi ya dosari kuu zilizopatikana katika majaribio ya hapo awali ya kuelewa misa hasi.

"Jambo la kwanza tulilogundua ni kwamba tulikuwa na udhibiti wa karibu juu ya asili ya misa hii hasi bila matatizo yoyote," inasema Forbes. Utafiti wao unaelezea, tayari kutoka kwa mtazamo mbaya wa wingi, tabia sawa katika mifumo mingine. Udhibiti ulioongezeka huwapa watafiti zana mpya ya kubuni majaribio ya kusoma fizikia sawa katika unajimu, kama vile nyota za nyutroni, na matukio ya ulimwengu kama mashimo meusi na nishati nyeusi, ambapo majaribio hayawezekani.

Shimo dhahania la minyoo katika muda wa anga

Mchoro wa chini ni sehemu iliyopanuliwa ya fremu ya kati katika safu ya chini ya Mchoro 1.

Grafu ya chini inaonyesha uigaji wa mwelekeo mmoja wa msongamano wote kama kipengele cha kukokotoa wakati katika eneo ambapo ukosefu wa uthabiti uliibuka mara ya kwanza. Mistari yenye vitone hutenganisha vikundi vitatu vya atomi na kasi kwa wakati wa nusu, ambapo misa inayofaa huanza kuwa hasi (mstari wa juu). Inayoonyeshwa ni hatua ya kiwango cha chini cha misa yenye ufanisi hasi (katikati) na mahali ambapo wingi unarudi kwa maadili chanya (mstari wa chini). Dots nyekundu zinaonyesha mahali ambapo quasi-moment ya ndani iko katika eneo la molekuli hasi.

Safu ya kwanza kabisa ya njama inaonyesha kwamba wakati wa majaribio ya kimwili, dutu hii ilifanya kwa mujibu wa matokeo ya simulation, ambayo inatabiri kuonekana kwa chembe na molekuli hasi ufanisi.

Katika Bose - Einstein condensate, chembe hufanya kama mawimbi na kwa hivyo hazienezi katika mwelekeo ambao chembe za kawaida za molekuli chanya zinapaswa kuenea.

Kwa ajili ya haki, ni lazima kusema kwamba wanafizikia wamejiandikisha mara kwa mara wakati wa majaribio matokeo wakati mali ya dutu ya molekuli hasi ilijidhihirisha wenyewe, lakini majaribio hayo yanaweza kufasiriwa kwa njia tofauti. Sasa kutokuwa na uhakika kumeondolewa kwa kiasi kikubwa.

Nakala ya kisayansi iliyochapishwa mnamo Aprili 10, 2017 kwenye jarida Barua za Mapitio ya Kimwili(doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301, inapatikana kwa usajili). Nakala ya makala kabla ya kutumwa kwa jarida ilichapishwa tarehe 13 Desemba 2016 katika kikoa cha umma katika arXiv.org (arXiv: 1612.04055).

Mwanasayansi wa anga wa Uingereza Jamie Farnes amependekeza kielelezo cha kikosmolojia ambapo molekuli hasi hutolewa kwa kiwango cha mara kwa mara katika mageuzi ya ulimwengu. Mtindo huu unakinzana na mtazamo unaokubalika kwa ujumla wa asili ya maada, lakini unafanya kazi nzuri ya kueleza athari nyingi ambazo kwa kawaida huhusishwa na maada ya giza na nishati ya giza, hasa, upanuzi wa Ulimwengu, uundaji wa kitu kikubwa. -muundo wa ukubwa wa Ulimwengu na halo ya galaksi, mikondo ya mzunguko wa galaksi, na wigo unaozingatiwa wa mionzi ya masalio. Makala iliyochapishwa katika Astronomia & Astrofizikia, nakala ya awali ya kazi hiyo imewekwa kwenye tovuti ya arXiv.org.

Hivi sasa, wanasaikolojia wengi wanaamini kwamba mageuzi ya Ulimwengu yanaelezewa na modeli ya ΛCDM. Kulingana na mfano huu, karibu asilimia 70 ya wingi wa Ulimwengu ni nishati ya giza, asilimia 25 ni jambo la giza baridi (yaani, jambo ambalo chembe zake zinasonga polepole), na asilimia 5 tu iliyobaki ni jambo la baryonic ambalo linajulikana kwetu. . Wanasayansi wameamua uwiano huu kwa kuchanganua ulinganifu katika muundo wa CMB. Maelezo zaidi juu ya kupima "muundo" wa Ulimwengu yanaweza kupatikana katika nakala za Boris Stern kuhusu satelaiti WMAP na Planck, ambayo ilitoa mchango mkubwa kwa kazi hii.

Kwa bahati mbaya, wanasayansi wana uelewa mdogo wa mambo ya giza na nishati ya giza ni. Hakuna majaribio sahihi kabisa ya kutafuta chembe chembe nyeusi zilizotabiriwa na idadi ya miundo ya kinadharia (kwa mfano, SUSY) iliyopokea matokeo chanya. Kwa sasa, sehemu ya msalaba inayotawanya ya chembe za kawaida na chembe "giza" yenye wingi wa megaelectronvolts 6 hadi 200 ni ya mpangilio wa sentimita 10 -47 za mraba, ambayo kivitendo haijumuishi chembe katika safu hii ya wingi na huwalazimisha wanafizikia kuendeleza nadharia mbadala. Walakini, jambo la giza bado linajidhihirisha kupitia mwingiliano wa mvuto, kurekebisha mizunguko ya galaksi na picha, na kwa hivyo wanasayansi kutoka kwa nadharia hii.

Kwa nishati ya giza, mambo ni mabaya zaidi. Uchunguzi pekee ambao unathibitisha moja kwa moja kuwepo kwake, bila kujali uchambuzi wa CMB, ni upanuzi wa kasi wa Ulimwengu, unaopimwa na (isiyo ya moja kwa moja, nishati ya giza inathibitishwa na uwiano wa vipengele vya kemikali katika Ulimwengu unaozingatiwa). Zaidi ya hayo, wanafizikia wana uelewa duni wa nini nishati ya giza iko kwenye ngazi ya msingi ... Hakika, kwa ubora inaweza kuelezewa kwa kutumia neno la cosmological (neno lambda) ndani, lakini njia hii haitoi maarifa mapya na hairuhusu mtu kuanzisha. inahusisha nini nishati ya giza. Einstein alielezea viungio kama hivyo kwa kutumia chembe zilizo na misa hasi - katika mbinu hii, milinganyo ya mwendo inakuwa ya ulinganifu, kama milinganyo ya mienendo ya kielektroniki, na neno la lambda huibuka kama kiunganishi kisichobadilika ambacho hakina maana ya mwili.

Jambo na misa hasi ni jambo ambalo linaongeza kasi katika mwelekeo tofauti na hatua ya nguvu. Chembe yenye molekuli hasi hufukuza chembe zenye misa chanya na hasi, wakati chembe "chanya" huvutia "hasi". Kwa bahati mbaya, katika mfumo wa modeli ya ΛCDM, njia hii ya kuelezea nishati ya giza hakika itashindwa. Ukweli ni kwamba wakati wa upanuzi wa Ulimwengu, wiani wa vipengele mbalimbali hubadilika kulingana na sheria tofauti: wiani wa jambo la baridi hupungua, wakati wiani wa nishati ya giza unabaki mara kwa mara. Kwa hiyo, haiwezekani kutambua jambo na molekuli hasi na nishati ya giza.

Kuingiliana kwa chembe na molekuli hasi: mishale nyeusi inaonyesha nguvu, nyekundu - kuongeza kasi

Jamie Farnes / Astronomy & Astrofizikia

Kuingiliana kwa chembe na molekuli chanya na hasi: mishale nyeusi inaonyesha nguvu, nyekundu - kuongeza kasi

Jamie Farnes / Astronomy & Astrofizikia

Kuingiliana kwa chembe na molekuli chanya: mishale nyeusi inaonyesha nguvu, nyekundu - kuongeza kasi

Jamie Farnes / Astronomy & Astrofizikia

Hata hivyo, mwanafizikia wa nyota Jamie Farnes anadai aliweza kuunganisha wazo la Einstein na data ya uchunguzi. Ili kufanya hivyo, alichanganya wazo la misa hasi na wazo lingine lisilo na angavu la uzalishaji unaoendelea na wa usawa wa wingi katika kiasi cha Ulimwengu. Wazo hili pia ni mbali na mpya; ilipendekezwa kwanza nyuma katika miaka ya 40 ya karne iliyopita.

Kinadharia, michakato kama hii inaweza kweli kutokea dhidi ya msingi wa uwanja wenye nguvu wa mvuto (kwa mfano, kwa sababu ya). Kuzingatia nyongeza kama hizi kwa tensor ya kawaida ya kasi ya nishati kwa raia chanya, mwanafizikia aliandika na kusuluhisha equation ya Friedmann, na kisha akahesabu kulingana na sheria ambayo Ulimwengu unapanuka katika mfano huu. Wanasayansi hawakuzingatia michango ya jambo la kawaida la giza na nishati ya giza. Kama matokeo, ikawa kwamba sheria zinazojulikana zinazalishwa tena ikiwa misa hasi hutolewa kwa kasi ya mara kwa mara Γ = -3. H, wapi H ni Hubble mara kwa mara. Katika kesi hiyo, wiani mbaya wa molekuli utabaki mara kwa mara wakati wa upanuzi na utaiga kwa ufanisi mara kwa mara ya cosmological. Katika hali hii, kasi ya upanuzi na maisha ya Ulimwengu ni sawa na katika muundo wa ΛCDM.

Mwanaastrofizikia kisha akahesabu jinsi misa hasi ingejidhihirisha kwenye mizani ndogo. Ili kufanya hivyo, alitoa mfano, ndani ya mfumo wa mfano wake, mwingiliano wa idadi kubwa ya chembe za molekuli chanya na hasi. Kwa kuwa vifurushi vyote vilivyopo vya kiastrophysi havitoi hesabu kwa marekebisho kama haya ya kawaida, Farnes alilazimika kuunda programu yake mwenyewe. Ili kuzuia makadirio yoyote wakati wa mahesabu, mtafiti alihesabu kuratibu na kasi ya kila chembe kwa kila wakati wa wakati - hii ilifanya iwezekane kuongeza kuegemea kwa utabiri, ingawa mahitaji ya rasilimali za hesabu ya programu yalikua kama. mraba wa idadi ya chembe. Hasa, kwa sababu ya hii, mwanasayansi alilazimika kujiwekea kikomo kwa kuiga chembe elfu 50.

Kwa kutumia programu iliyotengenezwa, Farns aliona athari kadhaa ambazo kijadi huhusishwa na jambo la giza. Kwanza, alitoa mfano wa mageuzi ya kundi mnene la chembe chanya-molekuli iliyotumbukizwa katika "bahari" ya chembe za molekuli hasi. Mfumo kama huo unapaswa kuelezea kwa usawa mabadiliko ya galaksi katika hatua za baadaye za upanuzi wa Ulimwengu, wakati chembe "hasi" zinashinda sana zile "chanya". Katika tatizo hili, mwanasayansi alichagua idadi ya chembe "chanya". N+ = 5000, idadi ya hasi N- = 45000. Matokeo yake, alipata usambazaji wa wiani, ambao unakubaliana vizuri na data ya uchunguzi - wiani wa chembe huongezeka polepole wakati unakaribia katikati ya galaksi na inafanana na maelezo ya Burkert. Hii husuluhisha tatizo la cuspy halo ambalo hutokea katika modeli ya ΛCDM.

Mageuzi ya "galaksi" ya jambo chanya kuzama katika "bahari" ya jambo hasi

Jamie Farnes / Astronomy & Astrofizikia

Wasifu wa wingi wa Galaxy uliokokotwa na Farnes (bluu) na kuzingatiwa kwa vitendo (mstari wa vitone waridi)

Jamie Farnes / Astronomy & Astrofizikia

Pili, na data ile ile ya awali, mwanasayansi alihesabu mzunguko wa mzunguko wa gala na akagundua kuwa pia inakubaliana vizuri na data ya uchunguzi. Wakati katika modeli iliyo na chembe "chanya", jambo lililo kwenye ukingo wa gala husogea polepole zaidi kuliko katikati, kwa mfano na chembe "hasi", kasi ni takriban mara kwa mara.

Mviringo wa mzunguko wa galaksi iliyozamishwa katika "bahari" ya vitu hasi (nyekundu) na gala "huru" (nyeusi)

Jamie Farnes / Astronomy & Astrofizikia

Tatu, Farnes alionyesha kwamba muundo mkubwa wa ulimwengu wa filamentary hujitokeza katika mfano wake: galaksi huungana katika makundi, makundi katika makundi makubwa, na makundi makubwa katika minyororo na kuta. Ili kufanya hivyo, alihesabu mageuzi ya mfumo ambao una idadi sawa ya chembe "chanya" na "hasi". Kwa sababu ya mapungufu kwenye nguvu inayopatikana ya kompyuta, mwanasayansi aliweka idadi ya aina zote mbili za chembe N + = N- = 25000. Kama ilivyokuwa katika kesi iliyotangulia, chembe "hasi" zilizunguka chembe za jambo la kawaida na kuunda halo, lakini wakati huu mtafiti aliweza kutambua mifumo kwa kiwango kikubwa zaidi, ambacho kilifanana na muundo wa Ulimwengu unaoonekana.

Muundo sare wa ulimwengu mwanzoni mwa uigaji

Jamie Farnes / Astronomy & Astrofizikia

Wamesajiliwa kwa vitendo. Kwa bahati mbaya, hakuweza kuona athari hii katika uigaji na chembe 50,000. Walakini, mwanasayansi anatumai kuwa katika uigaji mkubwa na chembe milioni, michakato kama hiyo itaweza kutambuliwa, na pia anapendekeza kwamba watathibitisha au kukanusha nadharia hiyo mpya.

Hatimaye, mwanasayansi alijaribu jinsi urekebishaji uliopendekezwa wa modeli ya ΛCDM ungepotosha kwa kiasi kikubwa athari zinazoonekana - upanuzi wa Ulimwengu unaopimwa kwa mishumaa ya kawaida, usuli wa masalio, na uchunguzi wa muunganisho wa makundi ya galaksi. Katika matukio haya yote, mtaalamu wa astrophysicist aligundua kwamba hypothesis yake haikupingana na data iliyozingatiwa. Walakini, maswali machache bado yanabaki wazi - haswa, haijulikani wazi jinsi ya kuunganisha nadharia kama hiyo na Modeli ya Kawaida (je, utaratibu wa Higgs unaweza kutoa misa hasi?), Jinsi ya kusajili kwa majaribio chembe zilizo na misa hasi, na jinsi ya kufanya hivyo. eleza migongano kati ya kukataa kwa chembe "hasi" na nadharia. Walakini, mwanasayansi anaamini kuwa shida hizi zote zinaweza kutatuliwa ndani ya mfumo wa mtindo mpya.

Kwa hivyo, mfano ulio na uzalishaji hasi wa mara kwa mara hauelezei tu upanuzi unaozingatiwa wa Ulimwengu, lakini pia uundaji wa muundo wake mkubwa, halos za giza karibu na galaxi na mikondo ya mzunguko - athari nyingi ambazo kawaida huhusishwa na nishati ya giza. na jambo la giza. Oddly kutosha, vile angavu isiyo ya asili dhana inayopingana na mtazamo unaokubalika kwa ujumla wa maada ni mzuri kabisa thabiti na data ya uchunguzi. Zaidi ya hayo, anapendekeza kuwaeleza kwa njia rahisi, kwa kutumia vyombo vichache. Kama mwandishi mwenyewe anaandika katika hitimisho, "Ingawa pendekezo hili ni la uasi na uzushi, [katika kifungu] ilipendekezwa kuwa maadili hasi ya vigezo hivi yanaweza kuelezea kimsingi data ya uchunguzi wa ulimwengu, ambayo imekuwa ikifasiriwa kila wakati ndani. mfumo wa dhana inayofaa ya misa chanya."

Wakati mwingine wanafizikia huja na maoni yasiyo ya kawaida kuelezea migongano inayoonekana kati ya nadharia na majaribio. Kwa mfano, mnamo Novemba mwaka jana, mwanafizikia wa kinadharia wa Marekani Hooman Davoudiasl alianzisha nguvu mpya ambayo inabebwa na chembe ya scalar ya mwanga wa juu na kusukuma vitu vya giza mbali na Dunia. Dhana hii inaelezea vizuri kutofaulu kwa majaribio yote ya kidunia ya kutafuta vitu vya giza - ikiwa nguvu kama hiyo ipo, vigunduzi, kimsingi, havingeweza kusajili chochote. Kwa bahati mbaya, haiwezekani kuthibitisha taarifa hii katika hali ya sasa ya sanaa.

Dmitry Trunin

Ponkrat BORISOV, mhandisi Misa hasi: ndege ya bure kwenda kwa infinity

Chaguo la Mhariri

Ponkrat BORISOV, mhandisi
Misa hasi: ndege ya bure kwenda kwa infinity