مادة تم إنشاؤها بخصائص كتلة سالبة

ثقب دودي افتراضي في الزمكان

في الفيزياء النظرية ، الكتلة السالبة هي مفهوم عن مادة افتراضية ، كتلتها لها معنى معاكس لكتلة مادة طبيعية (تمامًا مثل الشحنة الكهربائية إيجابية وسلبية). على سبيل المثال ، −2 كجم. مثل هذه المادة ، إذا وجدت ، من شأنها أن تنتهك شرطًا واحدًا أو أكثر من شروط الطاقة وتظهر بعض الخصائص الغريبة. وفقًا لبعض نظريات المضاربة ، يمكن استخدام مادة ذات كتلة سالبة لإنشاء ثقوب دودية (ثقوب دودة) في الزمكان.

يبدو الأمر وكأنه خيال علمي مطلق ، لكن الآن تمكنت مجموعة من علماء الفيزياء من جامعة واشنطن ، وجامعة واشنطن ، وجامعة OIST (أوكيناوا ، اليابان) وجامعة شنغهاي من الحصول على مادة تعرض بعض خصائص مادة افتراضية ذات كتلة سلبية. على سبيل المثال ، إذا قمت بدفع هذه المادة ، فسوف تتسارع ليس في اتجاه تطبيق القوة ، ولكن في الاتجاه المعاكس. أي أنها تتسارع في الاتجاه المعاكس.

لإنشاء مادة ذات خصائص كتلة سلبية ، أعد العلماء مكثف Bose - Einstein عن طريق تبريد ذرات الروبيديوم إلى الصفر المطلق تقريبًا. في هذه الحالة ، تتحرك الجسيمات ببطء شديد ، وتبدأ التأثيرات الكمية في الظهور على المستوى المجهري. أي ، وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم ، تبدأ الجسيمات في التصرف مثل الموجات. على سبيل المثال ، تتزامن مع بعضها البعض وتتدفق من خلال الشعيرات الدموية دون احتكاك ، أي دون فقدان الطاقة - تأثير ما يسمى بالسيولة الزائدة .

في مختبر جامعة واشنطن ، تم إنشاء الظروف لتشكيل مكثف بوز - آينشتاين في حجم أقل من 0.001 ملم مكعب. تم إبطاء الجسيمات بواسطة الليزر وانتظر حتى تركت أكثرها نشاطًا الحجم ، مما أدى إلى تبريد المادة أكثر. في هذه المرحلة ، كان السائل فوق الحرج لديه كتلة إيجابية. إذا لم يكن الوعاء محكمًا ، فستنتشر ذرات الروبيديوم في اتجاهات مختلفة ، لأن الذرات المركزية ستدفع الذرات الخارجية إلى الخارج ، وسوف تتسارع في اتجاه تطبيق القوة.

لإنشاء كتلة فعالة سلبية ، استخدم الفيزيائيون مجموعة مختلفة من أشعة الليزر ، والتي غيرت دوران بعض الذرات. كما تتوقع المحاكاة ، في مناطق معينة من الوعاء ، يجب أن تكتسب الجسيمات كتلة سالبة. يمكن ملاحظة ذلك بوضوح من الزيادة الحادة في كثافة المادة كدالة للوقت في المحاكاة (في الرسم البياني السفلي).


الشكل 1 الشكل 1. التوسع متباين الخواص من بوز - مكثف آينشتاين مع معاملات قوة التصاق مختلفة. يتم تمييز النتائج الفعلية للتجربة باللون الأحمر ، وتظهر نتائج التنبؤ في المحاكاة باللون الأسود



الرسم التخطيطي السفلي عبارة عن جزء متضخم من الإطار الأوسط في الصف السفلي من الشكل 1.

يوضح الرسم البياني السفلي محاكاة أحادية البعد للكثافة الكلية كدالة للوقت في منطقة ظهر فيها عدم الاستقرار الديناميكي لأول مرة. تفصل الخطوط المنقطة ثلاث مجموعات من الذرات بسرعات $$$v_g = E _ \ _ {'} (ك)$ في شبه لحظة $$$k$أين الكتلة الفعالة $$$m _ * ^ {- 1} = E _ \ _ {''} (ك)$ يبدأ في أن يصبح سالبًا (الخط العلوي). تظهر نقطة الحد الأدنى للكتلة الفعالة السالبة (في المنتصف) والنقطة التي تعود فيها الكتلة إلى القيم الموجبة (الخط السفلي). تشير النقاط الحمراء إلى الأماكن التي تقع فيها شبه الكيس المحلية في منطقة الكتلة الفعالة السالبة.

في الصف الأول من الرسوم البيانية ، يمكن ملاحظة أنه خلال التجربة الفيزيائية ، تصرفت المادة بما يتفق تمامًا مع نتائج المحاكاة ، والتي تتوقع ظهور الجسيمات ذات الكتلة الفعالة السلبية.

في مكثف Bose - Einstein ، تتصرف الجسيمات مثل الموجات ، وبالتالي لا تنتشر في الاتجاه الذي ينبغي أن تنتشر فيه الجسيمات العادية للكتلة الفعالة الموجبة.

في الإنصاف ، يجب أن يقال أن الفيزيائيين سجلوا بشكل متكرر خلال التجارب النتائج عندما ظهرت خصائص مادة الكتلة السالبة ، ولكن يمكن تفسير تلك التجارب بطرق مختلفة. الآن تم القضاء على عدم اليقين إلى حد كبير.

تم نشر المقالة العلمية في 10 أبريل 2017 في مجلة Physical Review Letters (doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301 ، متوفرة بالاشتراك). تم نشر نسخة من المقالة قبل إرسالها إلى المجلة في 13 ديسمبر 2016 في المجال العام على arXiv.org (arXiv: 1612.04055).