18 септември 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Отрицателната маса - екзотична, но възможна материя

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 16 март 2015 в 10:35139080
Илюстрация: Thomas Philbin

През 1957 г. Херман Бонди (Hermann Bondi) написва в списание "Reviews of Modern Physics", че масата може да бъде както положителна, така и отрицателна. Той доказва, че това не води нито до логически противоречия, нито до противоречия със законите на физиката.

Първо Бонди, а после и Робърт Форвард (Robert L. Forward) успяват да опишат някои от очакваните свойства, които може да има частица с отрицателна маса.

Защо не?

Чудили ли сте се защо гравитацията работи само в една посока? Нека си припомним формулите на закона на Нютон за гравитацията и закона на Кулон за електростатиката. Приличат си, нали? И в двата случая се твърди, че силата F между два обекта е пропорционална на произведението от масите им m или зарядите Q , разделени на квадрата на разстоянието R между тях. Отрицателна маса

Макар и да изглеждат удивително подобни, има някои различия. На първо място е знак минус в уравнението на Нютон, който липсва от уравнението на Кулон, което означава, че две масивни тела се привличат помежду си, докато две заредени тела се отблъскват взаимно.

Втората разлика е в мащаба на константите. Константата на Кулон C е много голяма: 8.988×109 Nm2/C2, което предполага голяма сила. Обратно, константата на Нютон G е много малка: 6.670×10-11Nm2/kg2, което означава, че е доста по-слаба сила.

Третата разлика е, че в уравнението на Кулон, зарядите може да имат както положителни, така и отрицателни стойности, а електростатичната сила може да бъде и привличаща, и отблъскваща. В уравнението на Нютон, обаче, масата е винаги положителна и гравитационната сила е винаги сила на привличане.

Но защо трябва да е така? Няма нищо в математиката, което да подсказва, че масата не може да бъде отрицателна. Може би, защото никога не сме я срещали, не ни е хрумвало, че тя може и да съществува. Може би тази трета разлика не е никаква разлика, а просто неоправдано предположение.

Някои екзотични свойства на отрицателната маса

Частици с отрицателна маса биха се движили с всякаква скорост по-малка от скоростта на светлината, те са тардиони, както всички наблюдаеми частици в нашата Вселена.

Биха имали отрицателна енергия и импулс, насочени в обратната посока на движението - те ще се ускоряват в посока, обратна на приложената сила, а две тела с отрицателна маса ще се отблъскват гравитационно. От това следва, че нормалните междуатомни взаимодействия не могат да свържат такива частици в каквито и да са тела.

Електромагнитни свойства

Частиците на отрицателната материя също могат да взаимодействат с електромагнитни полета, но такива полета не могат да се регистрират с нашите обикновени прибори, защото те носят отрицателна енергия и участват в процеси, свързани с отрицателен ход на времето. Ако частици с отрицателна маса са под въздействието на електромагнитни сили, частиците с еднакви заряди ще се привличат, а с противоположни заряди ще се отблъскват, обратно на обичайното. Получава се така, че за частици с отрицателна маса гравитационните и електромагнитните сили си разменят местата.

Гравитационни взаимодействия на отрицателната материя според ОТО

Отрицателна маса
Илюстрация: gravitation3d.com

Но как биха изглеждали обекти с отрицателна маса в светлината на общата теория на относителността, която гласи, че гравитацията не е сила, а по-скоро, изкривено пространство-време? Просто отрицателната маса ще криви пространството в другата посока.

Гравитацията в теорията на относителността се визуализира в двуизмерното пространство като опънат каучуков лист, който се деформира под тежестта на телата, които са върху него. И тези деформации биха отклонили по-леки тела и дори светлината от правата линия. Да не забравяме, че пространство-времето не е двуизмерно, а четири (три пространствени и една времева координата), като и четирите се изкривяват от наличието на маса.

Отрицателна маса
Илюстрация: triplenine.org

В този модел отрицателната маса е от другата страна на листа, създава хълмче, от което по-леки тела биха се "търкулнали" надалеч. Ако обърнем наопаки това Вселенско одеало, тогава отрицателната маса ще прави вдлъбнатини, а положителната маса - хълмчета. 

Нека да разгледаме по-подробно какво би се случило при среща на различни комбинации на частици с различен знак на масата:

Отрицателна маса Положителна маса и положителна маса: Силата между две тела с положителна маса е привличане. И двата обекта се движат един към друг и разстоянието между тях намалява.
Отрицателна маса Отрицателна маса и отрицателна маса: И двата обекта се ускоряват в противоположни посоки и се увеличава разстоянието помежду им. Силата между тях е привличане, но ефектът е отблъскване. Потенциалната енергия между тях има отрицателна стойност.
Отрицателна маса Равни по големина отрицателна маса и положителна маса: Обект с отрицателна маса се ускорява в посока на положителната маса, а обектът с положителна маса се ускорява в посока далече от отрицателната маса. При равни маси, дистанцията се запазва.
Отрицателна маса По-малка отрицателна маса и по-голяма положителна маса: Ако абсолютната стойност на обект с положителна маса е по-голяма от тази на обект с отрицателна маса, те ще се срещнат в някакъв краен отрязък от време (привличане).
Отрицателна маса Ако абсолютната стойност на обекта с положителна маса е по-малка от тази на обекта с отрицателна маса, разстоянието между тях ще расте и те не могат да се срещнат.Типът на силата е отблъскване, потенциалната енергия има положителна стойност.

Стабилното състояние е максимумът на потенциалната енергия

Отрицателна маса
Илюстрация: vixra.org 

Природата предпочита стабилни състояния и се стреми към стабилно състояние. Може да се каже, че природата предпочита ниско енергийно състояние и се стреми към ниско енергийно състояние. Това е вярно, но в един свят на положителна маса.

Стандартното отхвърляне на идеята за отрицателна маса се основава на твърдението, че стремейки се към стабилно състояние (най-ниското състояние на енергия), тела с отрицателна маса спонтанно ще излъчват енергия, а енергията им ще клони към минус безкрайност и вселената ще колапсира. Но тъй като в момента нашата Вселена съществува без да се деформира, това се представя като неопровержимо доказателство за несъществуването на отрицателна маса и отрицателна енергия.

В центъра на този възглед е предразсъдъкът, че "състоянието на ниска енергия е стабилното състояние". Това е вярно, но в случая на положителна маса. В случая на отрицателна маса, състоянието на максимум на енергията е стабилното състояние. Поради това, проблемът на прехода към енергийно ниво минус безкрайност не се случва и следователно, в нашата вселена, наличието на отрицателна маса е възможно.

Стабилно състояние и ниско енергийно състояние не е едно и също. При положителни маси е така, но при отрицателна маса нестабилно състояние означава ниско енергийно състояние. При положителна маса, минималната стойност, в която енергията е най-ниска, е стабилна. При отрицателна маса, стабилно равновесие е точката с максималната стойност на енергията.

Нагледно съм показала в анимацията вдясно. Макар че графиката е параболата на потенциалната енергия, можем да си представим, че пускаме топче с положителна маса в чаша и то ще се изтърколи на дъното, а ако започнем да пълним чашата с вино, ще се запълни първо дъното и постепенно течността ще повишава нивото си. В случая на топче с отрицателна маса, то ще се изтърколи на дъното, но в една обърната чаша, то като че ли ще полети нагоре и ще остане стабилно най-горе. Ако сипваме "отрицателно вино" в обърнатата чаша, ще се запълнят първо най-високите нива.

Отрицателната енергия. Ефектът на Казимир

За разликата от отрицателната материя, отрицателната енергия е установено, че със сигурност съществува, макар и в малки количества.

Според квантовата теория, физическият вакуум не е абсолютно празен. В него постоянно се появяват и изчезват двойки виртуални частици и античастици - има постоянни колебания (флуктуации), на свързаните с тези частици полета. В частност, има колебания, свързани с фотоните на електромагнитното поле. Във вакуум се появяват и изчезват виртуални фотони, съответстващи на всички дължини на вълните на електромагнитния спектър.

Интересен е случаят на близко разположени отразяващи повърхности - в пространството помежду им може да се получат резонансни вълни, които цяло или полуцяло число пъти се поместват между повърхностите, като електромагнитните вълни се усилват.

Отрицателна маса
Илюстрация: wikipedia

Всички останали дължини, които са по-големи, се потискат, т.е. се потиска раждането на съответните виртуални фотони. Това се дължи на факта, че в пространството между пластините може да съществуват само стоящи вълни, чиято амплитуда е равна на нула. В резултат на това налягането на виртуалните фотони между двете повърхности е по-малко от налягането върху тях отвън, там, където раждането на фотони е неограничено. Колкото по-близо една до друга са повърхностите, толкова по-малка е дължината на вълните в резонанс и толкова повече се оказват потушени. В резултат на това, се увеличава силата на привличане между повърхностите. Това състояние на вакуум се нарича ефект или вакуум на Казимир, обосновано теоретично от холандския физик Хендрик Казимир (Hendrik Casimir), през 1933 г.

Казимир установил, че ще настъпи състояние на нулева енергия тогава, когато двете пластини се намират в покой, а когато пластините се приближават една към друга, енергията ще е по-малка от нула. В експеримент от 1948 г. тази отрицателна енергия била измерена и ефектът на Казимир е вече установен научен факт.

През 2012 г. група учени от Университета на Флорида са проектирали първия измерващ силата на Казимир чип, работещ при стайна температура. Резултатите от измерването доста точно съвпадат с теоретично изчислените стойности. Този експеримент показва, че на къси разстояния, силата на Казимир може да бъде основна сила на взаимодействие между обектите. Проблемът обаче се състои в това, че силата на Казимир е твърде слаба.

Вселената е започнала с равен брой частици с положителни и отрицателни маси

Къде може да има голямо количество отрицателна маса? Такива места са гигантските празнини, открити в крупномащабни триизмерни карти на разпределението на галактиките във Вселената.

Такива празнини могат да се видят на снимката вляво като размерът на тези празнини е около 100 милиона светлинни години (в сравнение с размера на нашата галактика - около 0.06 милиона светлинни години). Границите на мехурчета празнота ясно са обозначени от струпвания на огромен брой клъстери галактики. Излиза, че в голям мащаб Вселената има пенеста структура.

Отрицателна маса

Тази триизмерна карта, резултат на проучване на Sloan Digital Sky, е на разпределението на галактиките в големи мащаби. Тя показва Земята в центъра и представя всяка галактика с една точка, като изчислява разстоянията им от техните червени отмествания. Ясно се забелязва "пенестата структурата на Вселената. ( z е червеното отместване)
Илюстрация: M. Blanton, Sloan Digital Sky Survey

Може да се предположи, че пенестата структурата на Вселената е резултат на формирането й от равен брой частици с положителни и отрицателни маси. От тази симетрия следва един интересен извод: общата маса на Вселената винаги е била и остава нула. Тогава мехурчета празнота стават естественото място за частиците с отрицателна маса, които се стремят да се разлетят възможно най-далече една от друга, а положителната маса се притиска на повърхността на мехурчета, където под действието на гравитацията се образуват галактики и звезди.

С помощта на този космологичен модел се обяснява експерименталната оценка на космологичната константа и червеното преместване на Хъбъл, както и някои от наблюдаваните аномалии във взаимодействието на галактиките.

Друг възможен признак за големи количества отрицателна маса е наличието в мащабните структури на Вселената на много бързи течения. Например суперклъстери от нашата галактика се движат в потоци със скорост от 600 км /с спрямо реликтовия фон. Робърт Форвард предлага да се опита да обясни това явление с колективното отблъскване на мехурчета, съдържащи отрицателна маса.

Може би най-добрата характеристика на отрицателната маса е, че тя не изисква кой знае какво преустройство на досегашното ни мислене, за разлика от идеята за тахионите. Хипотезата за отрицателната маса изглежда напълно съвместима с Големия взрив, инфлацията, общата теория на относителността, квантовата теория и Стандартния модел на елементарните частици, както и най-новите наблюдения. Ако се окаже, че отрицателна маса съществува, то тя ще реши проблемите на мащабна структура на Вселената и странните галактически потоци. Тя би решила и още една загадка - мистериозната тъмна материя и енергия.

Тъмната материя е с отрицателна маса?

Ако частиците с отрицателна маса и частиците с положителна маса са родени заедно в началото на Вселената, тези с положителната маса, благодарение на привличането помежду си, ще образуват звездите, галактиките и въобще ще оформят структурата на Вселената, а тези с отрицателна маса заради отблъскването помежду им не могат дори и ядра на атоми да образуват, така че те не могат да оформят масивна структура като звезда или галактика.

Съществуването на отрицателна маса би обяснило спокойно всички характеристики на тъмната материя и тъмната енергия, като например ефектът на центростремителна сила в галактиките или галактичните купове, както и отблъскването, пропорционално на разстоянието, даващо мощ на разширяването на Вселената.

Характеристиките на отрицателната маса обясняват и защо тъмната енергия има положителна стойност и взаимодейства само гравитационно, а също и слабото взаимодействие при сблъсък между тъмната материя и галактическите клъстери.

Ако тъмната материя е с отрицателна маса, това може да обясни защо няма звезди и галактики от тъмна материя, а също и по-бавното разширяване в първата половина от началото на живота на Вселената и настоящото ускоряване на разширяването. Става ясно и защо е толкова трудна за наблюдение.

Открит мост от тъмна материя между две групи от галактики

Гигантска група от невидима тъмна материя е открита в средата на Вселената между двойка галактични купове, наречени Abell 222 и Abell223. Доскоро астрономите смятаха, че засичането на нишки тъмна материя е невъзможно със съвременните телескопи, но астрономът Йорг Дитрих (Jörg Dietrich) от обсерваторията на Университета в Мюнхен и колегите му са успели да се възползват от рядко пространствено разположение на изследваните групи, което им позволило да идентифицират признаци на т. нар. слаба гравитационна леща. Отрицателна маса
Снимка: cerncourier.com

Компютърни симулации, показващи формирането на структурата на Вселената с участието на тъмната материя

Отрицателна маса Тези четири снимки са от симулация, направена от суперкомпютър Cray в Garching Computer Centre, който проследява движенията на 17 милиона частици в обем от 5 милиона кубически мегапарсека. Времето започва да тече от ляво на дясно и от горе до долу. В космологичния модел времето е показано като червено отместване z = 3, 2, 1 и 0, като Вселената е съответно на 1.6, 2.5, 4.6 и 13 милиарда години. В момента времето съответства на Z = 0. Всеки панел е отрязък с дължина и височина от 170 мегапарсека и 16 мегапарсека дебел.Светлите петна показват областите, където материята плътност е няколко пъти по-голяма от средната.
Илюстрация: Garching Computer Centre

Симулираното разпределение на материята е подобно на това в реалната Вселена. Тя е заета най-вече от материя, която не излъчва светлина. Тази тъмна материя определя начина, по който структурите растат от малки зародиши-пертурбации в ранната Вселена. Симулации като горната следват движението на тъмната материя.

Тази анимация показва формирането на структури, дължащо се на гравитацията на тъмната материя, след като се образуват първите галактики, те започват да се сливат, сблъсквайки се една с друга. Тази група от галактики е доста сходна с нашата местна група, в която е и нашата галактика, Млечния път, която се приближава до най-близкия ни съсед - галактиката Андромеда.

Z е червеното отместване определящо отдалечеността от времето.

Анимацията е на  National Center for Supercomputer Applications, Andrey Kravtsov (The University of Chicago) и Anatoly Klypin (New Mexico State University) с добавени функционалности

Как да си произведем отрицателна маса

Отрицателна маса
Един от авторите на опита Вилхелм Кюн (Wilhelm Kühn) настройва експеримента. Снимка: Uwe Bellhäuser

През 2010 година специалисти от института Макс Борн (Max-Born-Institut Berlin) показват опитно, че при определени условия, електроните започват да се държат така, сякаш имат отрицателна инерционна маса.

Немски учени са изследвали движението на електроните в полупроводника галиев арсенид при стайна температура. Те приложили върху образеца електрически импулс за 3.10-13сек. и сила 30 милиона волта на метър.

Като измерили с висока точност реакцията на електроните, физиците открили, че първите 10-13 секунди частиците, както се очаква, ускорявали в "правилната" посока, като достигнали скорост 1111 км в секунда. Но след това те рязко се забавили за аналогичен период от време и дори започнали да се движат в обратна посока, което може да се тълкува само като отрицателна стойност на инерционна маса.

Източници:

Exotic matter

Negative Mass.An amusing thought experiment, or the Secret of the Universe? Hypothesis of dark matter and dark energy with negative mass, Hyoyoung Choi

Negative Mass, Jim Lucas

"ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО" Авт. Митио Каку Двигатель Алькубьерре Отрицательная энергия

Экзотическая материя, ru.wikipedia.

Casimir effect, wikipedia

Дуальность пространства-времени и тёмная материя, Сивцов В. П.

Отрицательная масса: бесплатный полет в бесконечность, Понкрат Борисов

План Вселенной, Майкл Стросс

Dark-matter filament binds galaxy clusters, cerncourier

Negative Masse und hohe Geschwindigkeit

Физики продемонстрировали явление отрицательной массы

Минус-материя, znanie-sila.ru


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.