Гипотетическая червоточина в пространстве-времени
В лаборатории Университета штата Вашингтон были созданы условия для образования конденсата Бозе - Эйнштейна в объёме менее 0,001 мм³. Частицы замедлили лазером и дождались, когда наиболее энергичные из них покинули объём, что ещё больше охладило материал. На этом этапе сверхкритическая жидкость ещё имела положительную массу. При нарушении герметичности сосуда атомы рубидия разлетелись бы в разные стороны, поскольку центральные атомы выталкивали бы крайние атомы наружу, а те ускорялись бы в направлении приложения силы.
Для создания отрицательной эффективной массы физики применили другой набор лазеров, который изменял спин части атомов. Как предсказывает симуляция, в отдельных районах сосуда частицы должны приобрести отрицательную массу. Это хорошо видно по резкому увеличению плотности вещества как функции от времени в симуляциях (на нижней диаграмме).
Рисунок 1. Анизотропное расширение конденсата Бозе - Эйнштейна с разными коэффициентами силы сцепления. Реальные результаты эксперимента обозначены красным, результаты предсказания в симуляции - чёрным
Нижняя диаграмма - это увеличенный фрагмент среднего кадра в нижнем ряду рисунка 1.
На нижней диаграмме показана одномерная симуляция общей плотности как функции от времени в регионе, где впервые проявилась динамическая нестабильность. Пунктирами разделены три группы атомов со скоростями в квазимомент , где эффективная масса начинает становиться отрицательной (верхняя линия). Показана точка минимальной отрицательной эффективной массы (посередине) и точка, где масса возвращается к положительным значениям (нижняя линия). Красные точки обозначают места, где локальный квазимомент лежит в районе отрицательной эффективной массы.
На самом первом ряду графиков видно, что во время физического эксперимента вещество вело себя в точном соответствии с результатами симуляции, которая предсказывает появление частиц с отрицательной эффективной массой.
В конденсате Бозе - Эйнштейна частицы ведут себя как волны и поэтому распространяются не в том направлении, в каком должны распространяться нормальные частицы положительной эффективной массы.
Справедливости ради нужно сказать, что неоднократно физики регистрировали во время экспериментов результаты, когда проявлялись свойства вещества отрицательной массы , но те эксперименты можно было интерпретировать по-разному. Сейчас же неопределённость в большей мере устранена.
Научная статья опубликована 10 апреля 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, доступно по подписке). Копия статьи перед отправкой в журнал размещена 13 декабря 2016 года в свободном доступе на сайте arXiv.org (arXiv:1612.04055).
Британский астрофизик Джейми Фарнс предложил космологическую модель, в которой отрицательная масса производится с постоянной скоростью в течение всей эволюции Вселенной. Эта модель противоречит общепринятому взгляду на природу материи, однако она хорошо объясняет большинство эффектов, которые принято списывать на темную материю и темную энергию, - в частности, расширение Вселенной, образование крупномасштабной структуры Вселенной и галактического гало, кривые вращения галактик и наблюдаемый спектр реликтового излучения. Статья опубликована в Astronomy & Astrophysics , препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В настоящее время большинство космологов считает, что эволюция Вселенной описывается моделью ΛCDM . Согласно этой модели, около 70 процентов массы Вселенной приходится на темную энергию, 25 процентов - на холодную темную материю (то есть материю, частицы которой медленно движутся), и только оставшиеся 5 процентов - на привычную для нас барионную материю. Эти соотношения ученые определили с помощью анализа гармоник в картине реликтового излучения. Подробнее об измерении «состава» Вселенной можно прочитать в статьях Бориса Штерна про спутники WMAP и Planck , которые внесли основной вклад в эту работу.
К сожалению, ученые плохо понимают, что такое темная материя и темная энергия. Ни один из сверхточных экспериментов по поиску частиц темной материи, предсказанных целых рядом теоретических моделей (например, SUSY), так и не получил положительный результат. В настоящее время сечение рассеяния обычных частиц и «темных» частиц с массой от 6 до 200 мегаэлектронвольт величиной порядка 10 −47 квадратных сантиметров, что практически исключает частицы в этом диапазоне масс и заставляет физиков разрабатывать альтернативные теории. Впрочем, темная материя все-таки проявляет себя через гравитационное взаимодействие, модифицируя кривые вращения галактик и картину , а потому ученые от этой гипотезы.
С темной энергией все еще хуже. Единственное наблюдение, которое напрямую подтверждает ее существование независимо от анализа реликтового излучения - это ускоренное расширение Вселенной , измеренное по (косвенно темную энергию подтверждает соотношение химических элементов в наблюдаемой Вселенной). Более того, физики плохо понимают, что представляет собой темная энергия на фундаментальном уровне . Конечно, качественно ее можно описать с помощью космологической постоянной (лямбда-члена) в , однако этот способ не дает новых знаний и не позволяет установить, из чего состоит темная энергия. Эйнштейн объяснял такие добавки с помощью частиц с отрицательной массой - в этом подходе уравнения движения становятся симметричными, как уравнения электродинамики, а лямбда-член возникает в качестве постоянной интегрирования, которая не заключает в себе физического смысла.
Материя с отрицательной массой - это материя, которая ускоряется в направлении, противоположном действию силы. Частица с отрицательной массой отталкивает частицы с положительной и отрицательной массой, тогда как «положительные» частицы притягивают «отрицательные». К сожалению, в рамках модели ΛCDM этот способ описания темной энергии заведомо обречен на провал. Дело в том, что в ходе расширения Вселенной плотность различных компонент меняется по разным законам : плотность холодной материи падает, а плотность темной энергии остается постоянной. Поэтому отождествить материю с отрицательной массой и темную энергию нельзя.
Взаимодействие частиц с отрицательной массой: черными стрелками отмечены силы, красными - ускорения
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Взаимодействие частиц с положительной и отрицательной массой: черными стрелками отмечены силы, красными - ускорения
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Взаимодействие частиц с положительной массой: черными стрелками отмечены силы, красными - ускорения
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Тем не менее, астрофизик Джейми Фарнс (Jamie Farnes) утверждает, что ему удалось увязать идею Эйнштейна с данными наблюдений. Для этого он объединил идею отрицательной массы с другой контринтуитивной идеей о непрерывном и однородном производстве массы в объеме Вселенной. Эта мысль тоже далеко не нова, впервые ее предложили еще в 40-х годах прошлого века.
Теоретически, такие процессы действительно могут идти на фоне сильного гравитационного поля (например, за счет ). Рассматривая подобные добавки к стандартному тензору энергии-импульса для положительных масс, физик выписал и решил уравнение Фридмана , а затем рассчитал, по какому закону расширяется Вселенная в этой модели. Вклады привычной темной материи и темной энергии ученые не учитывал. В результате оказалось, что известные законы воспроизводятся, если отрицательная масса будет производиться с постоянной скоростью Γ = −3H , где H - это постоянная Хаббла . В этом случае плотность отрицательной массы будет оставаться постоянной во время расширения, и она будет эффективно моделировать космологическую постоянную. При этом скорость расширения и время жизни Вселенной получается такими же, как в модели ΛCDM.
Затем астрофизик рассчитал, как отрицательная масса будет проявляться на более мелких масштабах. Для этого он смоделировал в рамках своей модели взаимодействие большого числа частиц положительной и отрицательной массы. Поскольку все существующие астрофизические пакеты не учитывают такие необычные модификации, Фарнсу пришлось разрабатывать свою собственную программу. Чтобы избежать каких-либо приближений в ходе расчетов, исследователь вычислял координаты и скорости каждой частицы в каждый момент времени - это позволяло повысить надежность предсказаний, хотя требовательность программы к вычислительным ресурсам росла как квадрат числа частиц. В частности, из-за этого ученому пришлось ограничиться моделированием 50 тысяч частиц.
Используя разработанную программу, Фарнс увидел несколько эффектов, которые традиционно приписывают темной материи. Во-первых, он смоделировал эволюцию плотной группы частиц с положительной массой, погруженных в «море» из частиц отрицательной массы. Такая система должна качественно описывать эволюцию галактик на поздних стадиях расширения Вселенной, когда «отрицательные» частицы значительно преобладает над «положительными». В этой задаче ученый выбрал число «положительных» частиц N + = 5000, число отрицательных N − = 45000. В результате он получил распределение плотности, которое хорошо совпадает с данными наблюдений - плотность частиц медленно растет при приближении к центру галактики и совпадает с профилем Буркерта . Это решает проблему «острого гало» (cuspy halo problem), которая возникает в модели ΛCDM.
Эволюция «галактики» положительной материи, погруженной в «море» отрицательной материи
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Профиль массы галактики, рассчитанный Фарнсом (синий) и наблюдаемый на практике (розовый пунктир)
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Во-вторых, при тех же начальных данных ученый рассчитал кривую вращения галактики и обнаружил, что он тоже хорошо совпадает с данными наблюдений . В то время как в модели с чисто «положительными» частицами материя на краю галактики движется медленнее, чем в центре, в модели с преобладанием «отрицательных» частиц скорость получается примерно постоянной.
Кривая вращения галактики, погруженной в «море» отрицательной материи (красный), и «свободной» галактики (черный)
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
В-третьих, Фарнс показал, что в его модели естественным путем возникает нитевидная крупномасштабная структура Вселенной : галактики объединяются в скопления, скопления - в сверхскопления, а сверхскопления - в цепочки и стены. Для этого он рассчитал эволюцию системы, которая содержит одинаковое число «положительных» и «отрицательных» частиц. Из-за ограничений на доступную вычислительную мощность ученый положил число обоих видов частиц N + = N − = 25000. Как и в предыдущем случае, «отрицательные» частицы окружали частицы обычной материи и формировали гало, однако на этот раз исследователю удалось разглядеть закономерности на более крупных масштабах, которые напоминали структуру наблюдаемой Вселенной.
Однородная структура Вселенной в начале симуляции
Jamie Farnes / Astronomy & Astrophysics
Регистрируются на практике. К сожалению, ему не удалось увидеть этот эффект в симуляциях с 50000 частиц. Тем не менее, ученый надеется, что в более масштабных симуляциях с миллионом частиц такие процессы удастся заметить, а также предполагает, что они позволят подтвердить или опровергнуть новую теорию.
Наконец, ученый проверил, как сильно предложенная модификация модели ΛCDM исказит реально наблюдаемые эффекты - расширение Вселенной, измеренное по стандартным свечам, реликтовый фоне и наблюдения за слияниями скоплений галактик. Во всех этих случаях астрофизик обнаружил, что его гипотеза не противоречит наблюдаемым данным. Впрочем, довольно много вопросов все еще остаются открытыми - в частности, не понятно, как увязать такую гипотезу со Стандартной моделью (может ли механизм Хиггса генерировать отрицательные массы?), как экспериментально зарегистрировать частицы с отрицательной массой и как объяснить противоречия между отталкиванием «отрицательных» частиц и теорией . Тем не менее, ученый считает, что все эти проблемы можно решить в рамках новой модели.
Таким образом, модель с постоянным производством отрицательной массы объясняет не только наблюдаемое расширение Вселенной, но и образование ее крупномасштабной структуры, гало темной материи вокруг галактик и кривые вращения - большинство эффектов, которые принято списывать на темную энергию и темную материю. Как ни странно, такая интуитивно неестественная гипотеза, которая противоречит общепринятому взгляду на материю, вполне согласуется с данными наблюдений. Более того, она предлагает объяснить их более простым способом, привлекая меньше сущностей . Как пишет в заключении сам автор, «Хотя это предложение является отступническим и еретическим, [в статье] было предположено, что негативные значения этих параметров в принципе могут объяснить данные космологических наблюдений, которые всегда интерпретировались в рамках разумного предположения о положительности массы».
Иногда физики высказывают довольно необычные идеи, чтобы объяснить наблюдаемые противоречия между теорией и экспериментом. Например, в ноябре прошлого года американский физик-теоретик Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl) ввести новую силу, которая переносится сверхлегкой скалярной частицей и отталкивает темную материю от Земли. Это предположение хорошо объясняет неудачи всех земных экспериментов по поиску темной материи - если такая сила действительно существует, детекторы в принципе не могли ничего зарегистрировать. К сожалению, проверить это утверждение при текущем уровне развития техники невозможно.
Дмитрий Трунин
Исследователи из Университета штата Вашингтон (США) добились от атомов рубидия поведения вещества с отрицательной эффективной массой . Это значит, что данные атомы при внешнем воздействии не летели в сторону вектора этого воздействия. В условиях эксперимента они вели себя так, будто налетали на невидимую стену каждый раз, когда приближались к границам области с очень малым объёмом. Соответствующая опубликована в Physical Review Letters. Опыт был неверно истолкован СМИ как "создание вещества с отрицательной массой" (в теории оно позволяет создавать червоточины для дальних космических путешествий). На деле получение вещества с отрицательной массой если и возможно, то лежит далеко за пределами достижимого для современных науки и технологий.
Атомы рубидия заставили двигаться в сторону, противоположную вектору прикладываемой к ним силы. СМИ ошибочно восприняли это как создание вещества с "отрицательной массой"
Авторы работы замедлили лазером атомы рубидия (уменьшение скорости частицы означает её охлаждение). На втором этапе охлаждения наиболее энергичным атомам дали покинуть охлаждаемый объём. Это ещё больше охладило его, как испарение атомов хладагента охлаждает содержимое бытового холодильника. На третьем этапе использовался другой набор лазеров, импульсы которых меняли спин (упрощённо - направление вращения вокруг собственной оси) части атомов.
Поскольку одни атомы в охлаждаемом объёме продолжали иметь нормальный спин, а другие получили обратный, их взаимодействие между собой получило необычный характер. При нормальном поведении атомы рубидия, сталкиваясь, разлетались бы в разные стороны. Центральные атомы выталкивали бы крайние наружу, ускоряя их в направлении приложения силы (вектора движения первого атома). Из-за разнобоя в спинах на практике атомы рубидия, охлаждённые до малых долей кельвина, после столкновений не разлетались, оставаясь в исходном объёме, равном примерно тысячной кубического миллиметра. Со стороны это выглядело так, как будто они налетали на невидимую стену.
Очень отдалённая аналогия для группы атомов с разными спинами - столкновение двух и более футбольных мячей, боковым ударом предварительно закрученных до вращения вокруг своей оси в разные стороны. Понятно, что направления и скорости их движения после соударения будут существенно отличаться от тех же результатов у обычных мячей. Но это не значит, что мячи изменили свою физическую массу. Поменялся лишь характер их взаимодействия между собой. Также и в эксперименте масса атомов не стала отрицательной. В гравитационном поле они по-прежнему опускались бы вниз. По настоящему изменилось лишь то, куда они двигались после соударений с другими такими же атомами, но "вращавшимися" вокруг своей оси в другую сторону.
То, как вели себя в опыте атомы рубидия, соответствует определению отрицательной эффективной массы в физике. Им пользуются, например, при описании поведения электрона в кристаллической решётке. Для него формальная масса зависит от направления движения относительно осей кристалла. Двигаясь в одном направлении, он покажет одну дисперсию (рассеивание), в другом - иную. Понятие эффективной массы для них ввели потому, что иначе при описании их рассеивания формулами масса начинала бы зависеть от энергии, что не слишком удобно для вычислений. Примером отрицательной эффективной массы можно назвать поведение дырок в полупроводниках, с которыми имеет дело каждый пользователь современной электроники.
Большинство СМИ, включая российские, интерпретировали эксперимент как создание вещества с отрицательной массой. В теории материя с подобными свойствами может быть использована для удержания в рабочем состоянии червоточин, позволяющих дальние перемещения в пространстве и времени за околонулевое время. Практическая возможность создания такого вещества, как и самих червоточин, пока не доказана. Даже если оно возможно, его получение при современных технических возможностях человечества малореально.
Физики Вашингтонского университета создали жидкость с отрицательной массой. Толкните ее, и, в отличие от всех физических объектов в мире, которые мы знаем, она не ускорится по направлению толчка. Она ускорится в обратную сторону. Это явление редко создается в лабораторных условиях и может быть использовано для изучения некоторых более сложных концепций о космосе, говорит Майкл Форбс, доцент, физик и астроном Вашингтонского университета. Исследование появилось в Physical Review Letters.
Гипотетически вещество может иметь отрицательную массу в том же смысле, в котором электрический заряд может быть как отрицательным, так и положительным. Люди редко задумываются об этом, и наш повседневный мир демонстрирует только положительные аспекты Второго закона движения Исаака Ньютона, согласно котором сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение, или F = ma.
Другими словами, если вы толкнете объект, он ускорится в направлении вашего толчка. Масса ускорит его в направлении силы.
«Мы привыкли именно к такому положению дел», говорит Форбс, предвосхищая сюрприз. «С отрицательной массой, если вы что-то толкнете, оно ускорится по направлению к вам».
Условия для отрицательной массы
Вместе с коллегами он создал условия для отрицательной массы, охлаждая атомы рубидия до состояния практически абсолютного нуля и создавая тем самым конденсат Бозе - Эйнштейна. В этом состоянии, предсказанном Шатьендранатом Бозе и Альбертом Эйнштейном, частицы движутся очень медленно и, следуя принципам квантовой механики, ведут себя как волны. Они также синхронизируются и движутся в унисон в виде сверхтекучей жидкости, которая течет без потери энергии.
Под руководством Питера Энгельса, профессора физики и астрономии Вашингтонского университета, ученые на шестом этаже Вебстер-Холла создали эти условия, используя лазеры для замедления частиц, сделав их более холодными и позволив горячим, высокоэнергетическим частицам ускользнуть подобно пару, еще больше охладив материал.
Лазеры захватили атомы, как если бы они находились в чаше размером менее ста микрон. На этом этапе сверхтекучий рубидий имел обычную массу. Разрыв чаши позволил рубидию вырваться, расширяясь по мере того, как рубидий в центре проталкивался наружу.
Чтобы создать отрицательную массу, ученые применили второй набор лазеров, которые толкали атомы назад и вперед, меняя их спин. Теперь, когда рубидий выбегает достаточно быстро, он ведет себя так, будто имеет негативную массу. «Толкните его, и он ускорится в обратном направлении», говорит Форбс. «Будто рубидий бьется о невидимую стену».
Устранение основных дефектов
Метод, который использовали ученые Вашингтонского университета, позволил избежать некоторые из основных дефектов, обнаруженных в предыдущих попытках понять отрицательную массу.
«Первое, что мы поняли, это что мы имеем тщательный контроль над природой этой отрицательной массы без каких-либо других осложнений», говорит Форбс. Их исследование разъясняет, уже с позиции отрицательной массы, подобное поведение в других системах. Повышенный контроль дает исследователям новый инструмент для разработки экспериментов по изучению подобной физики в астрофизике, на примере нейтронных звезд, и космологических явлений вроде черных дыр и темной энергии, где эксперименты попросту невозможны.
