Может ли масса быть отрицательной?

В теоретической физике, отрицательная масса — это концепция о гипотетическом веществе, масса которого имеет противоположное значение массе нормального вещества (также как электрический заряд бывает положительный и отрицательный). Например, −2 кг. Такое вещество, если бы оно существовало, нарушало бы одно или несколько энергетических условий и проявляло бы некоторые странные свойства. По некоторым спекулятивным теориям, вещество с отрицательной массой можно использовать для создания червоточин (кротовых нор) в пространстве-времени.

Звучит как абсолютная фантастика, но …

Физики из Вашингтонского университета (University of Washington) впервые в истории науки воссоздали условия, при котором материя, определенный вид жидкости, демонстрирует свойства "отрицательной массы". Поведение этой жидкости полностью соответствует понятию отрицательной массы, при приложении к ней вектора силы, действующей в определенном направлении, эта жидкость начинает двигаться с ускорением в противоположном направлении. Такое эффект трудно получить даже в лабораторных условиях, "но его можно использовать для изучения и объяснения некоторых ранее необъяснимых астрофизических явлений" — объясняет Майкл Форбс (Michael Forbes), профессор физики и астрономии из Вашингтонского университета.

С гипотетической точки зрения материя может иметь отрицательную массу точно так же, как электрические заряды имеют положительную или отрицательную полярность. Люди очень редко задумываются об этом аспекте, ведь в окружающем нас мире проявляется только "положительная" сторона массы. Согласно второму закону Ньютона, если вы приложите к какому-нибудь объекту постоянную силу, он начнет двигаться с постоянным ускорением в направлении действия этой силы.

"На основе Второго закона Ньютона действует почти все, что мы видим вокруг себя" — рассказывает Майкл Форбс, — "Однако, материя с отрицательной массой реагирует на приложенную к ней силу абсолютно противоположным образом, она начинает двигаться в сторону приложенной к ней силы".

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.

В качестве жидкости с отрицательной массой выступал так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, облако из атомов рубидия, охлажденных практически до температуры абсолютного нуля. В таких условиях тепловое движение частиц практически останавливается и, благодаря выдвижению на первый план законов квантовой механики, это облако атомов приобретает волновую функцию и ведет себя как один большой цельный атом. Кроме этого, конденсат Бозе-Эйнштейна за счет синхронного движения атомов обладает свойствами супержидкости, сверхтекучей жидкости, коэффициент вязкости которой равен нулю.

При помощи света лазеров с определенными параметрами ученые замедлили практически до полной остановки атомы рубидия, а те "горячие" атомы, которые не удалось замедлить, были изгнаны из пространства ловушки при помощи того же лазерного света. Ловушка, в которую был "загнан" конденсат Бозе-Эйнштейна, имела сферическую форму и размер всего в 100 микрон. В этот момент у конденсата еще имелась обычная "положительная" масса, но намеренное нарушение целостности ловушки привело к нарушению идеальной сферической формы конденсата и атомы рубидия устремились наружу ловушки.

И в этот момент началось все самое интересное. Ученые использовали набор дополнительных лазеров, которые изменили направление вращения атомов рубидия. И после такой "обработки" супержидкость конденсата обрела свойства отрицательной массы. "Как только атомы доходят до границы перехода массы из положительной в отрицательную область, они резко ускоряются в обратном направлении" — рассказывает Майкл Форбс, — "Это похоже на то, что атомы рубидия словно отражаются от невидимой стены".

Вышеописанная методика получения материи с "отрицательной" массой позволила ученым избежать некоторых проблем и неприятностей, с которыми сталкивались ученые во время предыдущих подобных попыток. "Благодаря полному и точному контролю всех параметров эксперимента, нам удалось воссоздать условия, при которых в экспериментальной области возникает четкая граница "смены полярности" массы материи" — рассказывает Майкл Форбс, — "Нечто подобное может происходить и в недрах экзотических астрономических объектов, таких, как нейтронные звезды, черные дыры и плотные скопления темной материи. Теперь мы имеем возможность экспериментировать и моделировать в лабораторных условиях фундаментальные явления, которые происходят только в очень специфической окружающей среде вышеуказанных космических объектов"