Substanz mit negativen Masseneigenschaften

Hypothetisches Wurmloch in der Raumzeit

In der theoretischen Physik ist negative Masse ein Konzept über eine hypothetische Substanz, deren Masse die entgegengesetzte Bedeutung zur Masse einer normalen Substanz hat (genau wie eine elektrische Ladung positiv und negativ ist). Zum Beispiel –2 kg. Eine solche Substanz würde, falls vorhanden, eine oder mehrere Energiebedingungen verletzen und einige seltsame Eigenschaften aufweisen. Nach einigen spekulativen Theorien kann eine Substanz mit negativer Masse verwendet werden, um Wurmlöcher (Wurmlöcher) in der Raumzeit zu erzeugen.

Es klingt wie absolute Science-Fiction, aber jetzt ist es einer Gruppe von Physikern der University of Washington, der Washington University, der OIST University (Okinawa, Japan) und der Shanghai University gelungen, eine Substanz zu erhalten , die einige Eigenschaften eines hypothetischen Materials mit negativer Masse aufweist. Wenn Sie diese Substanz beispielsweise drücken, beschleunigt sie nicht in Richtung der Krafteinwirkung, sondern in die entgegengesetzte Richtung. Das heißt, es beschleunigt in die entgegengesetzte Richtung.

Um eine Substanz mit negativen Masseeigenschaften zu erzeugen, stellten die Wissenschaftler ein Bose-Einstein-Kondensat her, indem sie die Rubidiumatome auf nahezu absoluten Nullpunkt abkühlten. In diesem Zustand bewegen sich Teilchen extrem langsam und Quanteneffekte beginnen sich auf makroskopischer Ebene zu manifestieren. Das heißt, gemäß den Prinzipien der Quantenmechanik beginnen sich Teilchen wie Wellen zu verhalten. Zum Beispiel synchronisieren sie sich miteinander und fließen reibungslos durch die Kapillaren, dh ohne Energie zu verlieren - der Effekt der sogenannten Superfluidität .

Im Labor der University of Washington wurden Bedingungen für die Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats in einem Volumen von weniger als 0,001 mm³ geschaffen. Die Partikel wurden durch einen Laser verlangsamt und warteten, bis der energischste von ihnen das Volumen verließ, wodurch das Material weiter abgekühlt wurde. Zu diesem Zeitpunkt hatte die überkritische Flüssigkeit noch eine positive Masse. Wenn das Gefäß nicht dicht wäre, würden die Rubidiumatome in verschiedene Richtungen streuen, da die Zentralatome die äußeren Atome nach außen drücken würden und sie in Richtung der Krafteinwirkung beschleunigen würden.

Um eine negative effektive Masse zu erzeugen, verwendeten die Physiker einen anderen Satz von Lasern, der den Spin einiger Atome veränderte. Wie die Simulation vorhersagt, müssen die Partikel in bestimmten Bereichen des Gefäßes eine negative Masse annehmen. Dies ist deutlich an der starken Zunahme der Dichte eines Stoffes als Funktion der Zeit in Simulationen zu erkennen (im unteren Diagramm).


Figure 1. Anisotrope Expansion des Bose-Einstein-Kondensats mit unterschiedlichen Adhäsionskraftkoeffizienten. Die tatsächlichen Ergebnisse des Experiments sind rot markiert, die Ergebnisse der Vorhersage in der Simulation sind schwarz dargestellt



Das untere Diagramm ist ein vergrößertes Fragment des mittleren Rahmens in der unteren Reihe von Abbildung 1.

Das untere Diagramm zeigt eine eindimensionale Simulation der Gesamtdichte als Funktion der Zeit in einem Bereich, in dem erstmals eine dynamische Instabilität auftrat. Gepunktete Linien trennen drei Gruppen von Atomen mit Geschwindigkeiten $$$v_g = E _ \ _ {'} (k)$ im Quasi-Moment $$$k$Wo ist die effektive Masse? $$$m _ * ^ {- 1} = E _ \ _ {''} (k)$ beginnt negativ zu werden (obere Zeile). Der Punkt der minimalen negativen effektiven Masse (in der Mitte) und der Punkt, an dem die Masse zu positiven Werten zurückkehrt (unterste Zeile), werden angezeigt. Rote Punkte zeigen Stellen an, an denen das lokale Quasimoment im Bereich der negativen effektiven Masse liegt.

In der allerersten Zeile der Diagramme ist zu sehen, dass sich die Substanz während des physikalischen Experiments genau gemäß den Simulationsergebnissen verhält, was das Auftreten von Partikeln mit einer negativen effektiven Masse vorhersagt.

Im Bose-Einstein-Kondensat verhalten sich die Partikel wie Wellen und breiten sich daher nicht in die Richtung aus, in die sich normale Partikel mit positiver effektiver Masse ausbreiten sollen.

Fairerweise muss gesagt werden, dass Physiker während der Experimente wiederholt die Ergebnisse aufgezeichnet haben, als sich die Eigenschaften einer Substanz mit negativer Masse manifestierten , aber diese Experimente konnten auf unterschiedliche Weise interpretiert werden. Jetzt ist die Unsicherheit weitgehend beseitigt.

Der wissenschaftliche Artikel wurde am 10. April 2017 in der Zeitschrift Physical Review Letters (doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301, im Abonnement erhältlich) veröffentlicht. Eine Kopie des Artikels, bevor er an die Zeitschrift gesendet wurde, wurde am 13. Dezember 2016 öffentlich zugänglich gemacht unter arXiv.org (arXiv: 1612.04055).