Правообладатель иллюстрации SCIENCE PHOTO LIBRARY Image caption Конденсаты Бозе-Эйнштейна уже давно известны физикам

Американские физики получили жидкость с "отрицательной массой", которая при придании ей ускорения движется в обратном направлении.

В привычном нам мире при воздействии на объект какой-либо силы он начинает двигаться в направлении приложения этой силы. Это явление описывается вторым законом Ньютона.

Теоретически материя может обладать отрицательной массой - в том же смысле, в каком электрический заряд может быть положительным или отрицательным. Физики называют это явление "экзотической материей".

Профессор Питер Энгельс из Университета штата Вашингтон и его коллеги сумели охладить атомы рубидия почти до температуры абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия), создав так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна.

В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Атомы движутся чрезвычайно медленно и ведут себя, как волны.

Они также движутся синхронно, образуя так называемую супержидкость, которая течет, не теряя при этом энергии.

Атомы рубидия охладили лазером и удерживали образец до тех пор, пока частицы высоких энергий не переместились за пределы лазерной ловушки. На этом этапе атомы еще вели себя как частицы с нормальной, положительной массой: если бы сила, удерживавшая атомы вместе, прекратила действовать, крайние атомы рассыпались бы в разные стороны под давлением центральных атомов.

Чтобы заставить атомы рубидия вести себя как вещество с отрицательной массой, учёные направили на них другой набор лазеров, с помощью которых можно было изменять спин некоторых атомов.

Сравнив расчётные данные с экспериментальными, физики пришли к выводу, что по крайней мере некоторые из атомов в лазерной ловушке стали ускоряться в направлении, обратном приложению силы атомов, занимавших центральное положение в ловушке - правда, это происходило только на очень короткий момент, после чего атомы быстро возвращались к поведению, характерному для частиц с положительной массой.

"Если вы толкаете вещество с отрицательной массой, оно получает ускорение в обратном направлении, - объясняет один из исследователей профессор Майкл Форбс. - Это напоминает столкновение атомов рубидия с невидимой стеной".

Результаты этого эксперимента могут прояснить природу некоторых наблюдаемых астрономических объектов и явлений - например, нейтронных звезд, черных дыр и темной материи.

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.

Ученые из США утверждают, что создали в лабораторных условиях вещество с отрицательной массой. Вещество это является жидкостью с очень необычными свойствами. Например, если толкнуть эту жидкость, то она получит отрицательное ускорение, то есть назад, а не вперед. Такая странность может многое рассказать ученым о том, что происходит внутри не менее странных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды.
Однако может ли что-то иметь отрицательную массу? Возможно ли это?

Теоретически, материя в состоянии иметь отрицательную массу таким же образом, как электрический заряд может иметь отрицательную или положительную величину.

На бумаге это работает, но в мире науки идут жаркие споры о том, не нарушает ли основополагающих законов физики само предположение о существовании чего-либо с отрицательной массой. Для нас же, простых людей, это понятие кажется слишком сложным для восприятия.

Дифференциальный закон механического движения или, проще говоря, второй закон Ньютона выражается формулой A=F/M. То есть ускорение тела равно отношению приложенной к нему силы к массе тела. Если задать отрицательное значение массы, то тело, совершенно логично, получит отрицательное ускорение. Только представьте себе, бьете мяч, а он катится на вашу ногу.

Однако то, что кажется нам чуждым, необязательно должно быть невозможным, и вышеизложенные теоретические упражнения как нельзя лучше доказывают, что отрицательная масса может существовать в нашей Вселенной, не нарушая общей теории относительности.

Желание разобраться во всем этом породило активные попытки исследователей воссоздать отрицательную массу в лаборатории, как видим, даже с некоторым успехом.

Ученые из университета штата Вашингтон заявили, что им удалось получить жидкость, которая ведет себя именно так, как должно вести себя тело с отрицательной массой. И их открытие может, наконец, быть использовано для изучения некоторых странных явлений в глубинах Вселенной.

Для создания этой странной жидкости, ученые использовали лазеры, чтобы охладить атомы рубидия практически до точки абсолютного нуля, создав то, что называется конденсатом Бозе-Эйнштейна.

В этом состоянии частицы движутся невероятно медленно и непривычно, следуя скорее странным принципам квантовой механики, а не классической физики, то есть начинают вести себя как волны.

Частицы также синхронизируются и двигаются в унисон, образуя вещество со сверхтекучестью, которое может двигаться без потерь энергии на трение.
Ученые использовали лазеры для создания сверхтекучей жидкости при низких температурах, а также для того чтобы поместить ее в чашеобразное поле размером менее 100 мкм в поперечнике.

Пока супервещество оставалось помещенным в это пространство, оно имело обычную массу и вполне соответствовало понятию конденсата Бозе-Эйнштейна. До тех пор пока его не заставили двигаться.

Используя второй набор лазеров, ученые заставили атомы двигаться туда-сюда, в результате чего изменился их спин и рубидий, преодолев барьер «чаши», стремительно выплеснулся наружу. Однако так, как будто бы имел отрицательную массу. По словам ученых, впечатление создалось такое, что жидкость наткнулась на невидимую преграду и оттолкнулась от нее.

Таким образом, исследователи подтвердили предположения о существоввании отрицательной массы, но это лишь самое начало пути. Еще предстоит убедиться в том, что поведение жидкости в лабораторных условиях повторимо и достаточно надежно для того, чтобы проверить некоторые предположения об отрицательных массах. Так что, не стоит радоваться раньше времени, другим командам нужно повторить результаты самостоятельно.

Одно можно сказать наверняка, физика становится все более интересной и стоит того, чтобы ею интересоваться.

1. Почему время течет только вперед. Физики объясняют “Время-это то, что не дает всему сразу произойти одновременно”, — писал Рэй Каммингс в 1922 году в своей научно-фантастической повести...
2. «Кротовые норы», червоточины и путешествия во времени Червоточина это теоретический проход через пространство-время, который может значительно сокращать дальние путешествия по всей вселенной за счет создания кратчайших путей...

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.