В теоретической физике отрицательная масса — это гипотетический тип экзотической материи , масса которой имеет знак, противоположный массе нормальной материи , например —1 кг. [1] [2] Такая материя нарушала бы одно или несколько энергетических условий и проявляла бы странные свойства, такие как противоположно ориентированное ускорение для направления приложенной силы. Он используется в некоторых спекулятивных гипотетических технологиях, таких как путешествия во времени в прошлое и будущее, [3] строительство проходимых искусственных червоточин , которые также могут позволить путешествовать во времени, трубки Красникова , двигатель Алькубьерре и, возможно, другие типы более быстрых технологий . чем-световые варп-двигатели . В настоящее время ближайшим известным реальным представителем такой экзотической материи является область отрицательной плотности давления , создаваемая эффектом Казимира .
В декабре 2018 года астрофизик Джейми Фарнс из Оксфордского университета предложил теорию « темной жидкости », частично связанную с представлениями о гравитационно-отталкивающих отрицательных массах, представленными ранее Альбертом Эйнштейном , которая может помочь лучше понять проверяемым способом: значительные количества неизвестной темной материи и темной энергии в космосе . [4] [5]
Отрицательная масса — это любая область пространства , в которой некоторые наблюдатели оценивают плотность массы как отрицательную. Это может произойти из-за области пространства, в которой сумма трех компонент нормальных напряжений (давление на каждую из трех осей) тензора энергии-импульса Эйнштейна по величине больше, чем плотность массы. Все это является нарушением того или иного варианта условия положительной энергии общей теории относительности Эйнштейна; однако условие положительной энергии не является необходимым условием математической непротиворечивости теории.
При рассмотрении отрицательной массы важно учитывать, какие из этих понятий массы являются отрицательными. С тех пор, как Ньютон впервые сформулировал свою теорию гравитации , существовало по крайней мере три концептуально различные величины, называемые массой :
Закон сохранения импульса требует, чтобы активная и пассивная гравитационные массы были идентичны. Принцип эквивалентности Эйнштейна постулирует, что инерционная масса должна равняться пассивной гравитационной массе, и все экспериментальные данные на сегодняшний день показывают, что они действительно всегда одни и те же.
В большинстве анализов отрицательной массы предполагается, что принцип эквивалентности и сохранение импульса продолжают применяться без использования какой-либо материи в процессе, и, следовательно, все три формы массы остаются прежними, что приводит к изучению «отрицательной массы». . Но принцип эквивалентности — это просто факт наблюдения, и он не обязательно верен. Если провести такое различие, «отрицательная масса» может быть трех видов: отрицательная ли инертная масса, гравитационная масса или обе.
В своем эссе, получившем 4-е место на конкурсе Фонда исследований гравитации 1951 года , Хоакин Маздак Латтинджер рассмотрел возможность существования отрицательной массы и то, как она будет вести себя под действием гравитационных и других сил. [6]
В 1957 году, следуя идее Латтинджера, Герман Бонди в статье в «Обзорах современной физики» предположил , что масса может быть как положительной, так и отрицательной. [7] Он отметил, что это не влечет за собой логического противоречия, поскольку все три формы массы отрицательны, но что предположение об отрицательной массе предполагает некоторую нелогичную форму движения. Например, ожидается, что объект с отрицательной инерционной массой будет ускоряться в направлении, противоположном тому, в котором его толкали (негравитационно).
Было проведено несколько других анализов отрицательной массы, например, исследования, проведенные Р.М. Прайсом [8] , но ни один из них не рассматривал вопрос о том, какая энергия и импульс необходимы для описания неособой отрицательной массы. Действительно, решение Шварцшильда для отрицательного массового параметра имеет голую особенность в фиксированном пространственном положении. Сразу возникает вопрос, нельзя ли сгладить сингулярность какой-то отрицательной плотностью массы. Ответ — да, но не с энергией и импульсом, которые удовлетворяют доминирующему энергетическому условию . Это связано с тем, что если энергия и импульс удовлетворяют условию доминирующей энергии в асимптотически плоском пространстве-времени, что было бы в случае сглаживания сингулярного решения Шварцшильда с отрицательной массой, тогда оно должно удовлетворять теореме о положительной энергии , т.е. его масса ADM должна быть положительным, что, конечно, не так. [9] [10] Однако Беллетет и Паранжап заметили, что, поскольку теорема о положительной энергии не применима к асимптотическому пространству-времени де Ситтера, на самом деле можно было бы сгладить энергию-импульс, которая действительно удовлетворяет доминирующему энергетическому условию , особенность соответствующего точного решения отрицательной массы Шварцшильда – де Ситтера, которое является сингулярным точным решением уравнений Эйнштейна с космологической постоянной. [11] В последующей статье Мбарек и Паранджапе показали, что на самом деле возможно получить необходимую деформацию за счет введения энергии-импульса идеальной жидкости. [12]
Хотя неизвестно, что ни одна частица не имеет отрицательной массы, физики (в первую очередь Герман Бонди в 1957 году, [7] Уильям Б. Боннор в 1964 и 1989 годах, [13] [14], затем Роберт Л. Форвард [15] ) смогли описать некоторые из ожидаемых свойств, которыми могут обладать такие частицы. Предполагая, что все три понятия массы эквивалентны согласно принципу эквивалентности , гравитационные взаимодействия между массами произвольного знака можно исследовать, основываясь на ньютоновском приближении уравнений поля Эйнштейна . Тогда законы взаимодействия таковы:
Для двух положительных масс ничего не меняется, и существует гравитационное притяжение друг друга, вызывающее притяжение. Две отрицательные массы отталкиваются из-за своих отрицательных инерционных масс. Однако для разных знаков существует толчок, который отталкивает положительную массу от отрицательной массы, и притяжение, которое одновременно притягивает отрицательную массу к положительной.
Следовательно, Бонди указал, что два объекта равной и противоположной массы будут вызывать постоянное ускорение системы по направлению к объекту с положительной массой, [7] эффект, названный Боннором «убегающим движением», который игнорировал его физическое существование, заявляя:
Я считаю убегающее (или самоускоряющееся) движение […] настолько нелепым, что предпочитаю исключить его, предполагая, что инерционная масса либо полностью положительна, либо полностью отрицательна.
- Уильям Б. Боннор, в книге «Отрицательная масса в общей теории относительности ». [14]
Такая пара объектов будет ускоряться без ограничений (кроме релятивистского); однако общая масса, импульс и энергия системы останутся нулевыми. Такое поведение совершенно несовместимо с здравым смыслом и ожидаемым поведением «нормальной» материи. Томас Голд даже намекнул, что линейное движение с ускорением можно использовать в вечном двигателе, если преобразовать его в круговое движение:
Что произойдет, если к ободу колеса прикрепить пару отрицательных и положительных масс? Это несовместимо с общей теорией относительности, поскольку устройство становится более массивным.
- Томас Голд, в книге «Отрицательная масса в общей теории относительности» . [16]
Но Форвард показал, что это явление математически последовательно и не нарушает законов сохранения . [15] Если массы равны по величине, но противоположны по знаку, то импульс системы остается нулевым, если они одновременно движутся и ускоряются вместе, независимо от их скорости:
И то же самое для кинетической энергии :
Однако, возможно, это не совсем верно, если принять во внимание энергию гравитационного поля.
Форвард распространил анализ Бонди на дополнительные случаи и показал, что даже если две массы m (-) и m (+) не одинаковы, законы сохранения остаются ненарушенными. Это верно, даже если учитывать релятивистские эффекты, при условии, что инертная масса, а не масса покоя, равна гравитационной массе.
Такое поведение может привести к странным результатам: например, в газе, содержащем смесь положительных и отрицательных частиц вещества, температура положительной части вещества будет неограниченно увеличиваться. [ нужна цитация ] Однако часть отрицательного вещества приобретает отрицательную температуру с той же скоростью, снова уравновешиваясь. Джеффри А. Лэндис указал на другие последствия анализа Форварда, [17] в том числе отметил, что, хотя частицы с отрицательной массой будут отталкивать друг друга гравитационно, электростатическая сила будет притягивать одноименные заряды и отталкивать противоположные заряды.
Форвард использовал свойства материи с отрицательной массой для создания концепции диаметрального привода - конструкции движения космического корабля с использованием отрицательной массы, которая не требует затрат энергии и реактивной массы для достижения сколь угодно высокого ускорения.
Форвард также ввел термин «аннулирование», чтобы описать то, что происходит, когда встречаются обычная материя и негативная материя: ожидается, что они смогут нейтрализовать или свести на нет существование друг друга. Взаимодействие между равными количествами материи с положительной массой (следовательно, с положительной энергией E = mc 2 ) и материей с отрицательной массой (с отрицательной энергией - E = - mc 2 ) не высвободило бы никакой энергии, но поскольку единственная конфигурация таких частиц, имеющая нулевую импульс (обе частицы движутся с одинаковой скоростью в одном направлении) не приводит к столкновению, такие взаимодействия оставят избыток импульса.
В общей теории относительности Вселенная описывается как риманово многообразие , связанное с метрическим тензорным решением уравнений поля Эйнштейна. В такой системе неуправляемое движение запрещает существование отрицательной материи. [7] [14]
Некоторые биметрические теории Вселенной предполагают, что вместо одной, связанной Большим взрывом и взаимодействующей только посредством гравитации , могут существовать две параллельные вселенные с противоположной стрелой времени . [18] [19] Тогда Вселенная описывается как многообразие, связанное с двумя римановыми метриками (одна с положительной массой материи, другая с отрицательной массой материи). Согласно теории групп, материя сопряженной метрики будет казаться материи другой метрики имеющей противоположную массу и стрелу времени (хотя ее собственное время останется положительным). Связанные метрики имеют собственные геодезические и являются решениями двух связанных уравнений поля. [20]
Отрицательная материя связанной метрики, взаимодействующая с материей другой метрики через гравитацию, может быть альтернативным кандидатом на объяснение темной материи , темной энергии , космической инфляции и ускоряющейся Вселенной . [20]
Гравитационное взаимодействие антиматерии с материей наблюдали физики. [21] Как было ранее принято среди физиков, экспериментально было подтверждено, что гравитация притягивает как материю, так и антиматерию с одинаковой скоростью в пределах экспериментальной ошибки.
Эксперименты с пузырьковой камерой предоставляют дополнительные доказательства того, что античастицы имеют ту же инерционную массу, что и их обычные аналоги. В этих экспериментах камера подвергается воздействию постоянного магнитного поля, которое заставляет заряженные частицы двигаться по винтовым траекториям, радиус и направление которых соответствуют отношению электрического заряда к инерционной массе. Видно, что пары частица-античастица движутся по спиралям с противоположными направлениями, но одинаковыми радиусами, а это означает, что отношения различаются только знаком; но это не указывает на то, инвертируется ли заряд или инертная масса. Однако наблюдается электрическое притяжение пар частица-античастица. Такое поведение подразумевает, что оба имеют положительную инерционную массу и противоположные заряды; если бы было верно обратное, то частица с положительной инерционной массой отталкивалась бы от своего партнера-античастицы.
В 1928 году теория элементарных частиц Поля Дирака , ныне являющаяся частью Стандартной модели , уже включала отрицательные решения. [22] Стандартная модель является обобщением квантовой электродинамики (КЭД), и отрицательная масса уже встроена в теорию.
Моррис , Торн и Юрцевер [23] отметили, что квантовая механика эффекта Казимира может быть использована для создания локально-отрицательной области пространства-времени. В этой статье и последующих работах других они показали, что негативную материю можно использовать для стабилизации червоточины . Крамер и др. утверждают, что такие червоточины могли быть созданы в ранней Вселенной и стабилизированы петлями космических струн с отрицательной массой . [24] Стивен Хокинг утверждал, что отрицательная энергия является необходимым условием для создания замкнутой времениподобной кривой путем манипулирования гравитационными полями в пределах конечной области пространства; В [25] это означает, например, что конечный цилиндр Типлера не может быть использован в качестве машины времени .
Для собственных состояний энергии уравнения Шредингера волновая функция является волновой там, где энергия частицы больше локального потенциала, и экспоненциальной (затухающей) там, где она меньше. Наивно это означало бы, что кинетическая энергия отрицательна в исчезающих областях (чтобы нейтрализовать локальный потенциал). Однако кинетическая энергия является оператором в квантовой механике , и ее математическое ожидание всегда положительное, суммируясь с математическим ожиданием потенциальной энергии и давая собственное значение энергии.
Для волновых функций частиц с нулевой массой покоя (таких как фотоны ) это означает, что любые исчезающие части волновой функции будут связаны с локальной отрицательной массой-энергией. Однако уравнение Шрёдингера неприменимо к безмассовым частицам; вместо этого требуется уравнение Клейна – Гордона .
Механическая модель, вызывающая эффект отрицательной эффективной массы, изображена на рисунке 1 . Сердечник с массой внутренне соединен через пружину с постоянной с оболочкой массой . На систему действует внешняя синусоидальная сила . Если мы решим уравнения движения масс и заменим всю систему одной эффективной массой, получим: [26] [27] [28] [29]
Когда частота приближается сверху, эффективная масса будет отрицательной. [26] [27] [28] [29]
Отрицательная эффективная масса (плотность) также становится возможной на основе электромеханической связи, использующей плазменные колебания газа свободных электронов (см. Рисунок 2 ). [30] [31] Отрицательная масса появляется в результате вибрации металлической частицы с частотой, близкой к частоте плазменных колебаний электронного газа относительно ионной решетки . Плазменные колебания представлены упругой пружиной , где – плазменная частота. [30] [31] Таким образом, металлическая частица, колеблющаяся с внешней частотой ω , описывается эффективной массой
что отрицательно, когда частота ω приближается сверху. Сообщалось о метаматериалах, использующих эффект отрицательной массы вблизи плазменной частоты. [30] [31]