Substance créée avec des propriétés de masse négatives

Trou de ver hypothétique dans l'espace-temps

En physique théorique, la masse négative est un concept concernant une substance hypothétique, dont la masse a le sens opposé à la masse d'une substance normale (tout comme une charge électrique est positive et négative). Par exemple, −2 kg. Une telle substance, si elle existait, violerait une ou plusieurs conditions énergétiques et présenterait d'étranges propriétés. Selon certaines théories spéculatives, une substance de masse négative peut être utilisée pour créer des trous de ver (trous de ver) dans l'espace-temps.

Cela ressemble à de la science-fiction absolue, mais maintenant un groupe de physiciens de l'Université de Washington, de l'Université de Washington, de l'Université OIST (Okinawa, Japon) et de l'Université de Shanghai ont réussi à obtenir une substance qui présente certaines propriétés d'un matériau de masse négative hypothétique. Par exemple, si vous poussez cette substance, elle accélérera non pas dans le sens de l'application de la force, mais dans le sens opposé. Autrement dit, il accélère dans la direction opposée.

Pour créer une substance aux propriétés de masse négatives, les scientifiques ont préparé un condensat de Bose-Einstein en refroidissant les atomes de rubidium à un zéro presque absolu. Dans cet état, les particules se déplacent extrêmement lentement et les effets quantiques commencent à se manifester au niveau macroscopique. Autrement dit, conformément aux principes de la mécanique quantique, les particules commencent à se comporter comme des ondes. Par exemple, ils se synchronisent entre eux et s'écoulent à travers les capillaires sans frottement, c'est-à-dire sans perte d'énergie - l'effet de la soi-disant superfluidité .

Dans le laboratoire de l'Université de Washington, des conditions ont été créées pour la formation d'un condensat de Bose-Einstein dans un volume inférieur à 0,001 mm³. Les particules ont été ralenties par un laser et ont attendu que les plus énergiques d'entre elles quittent le volume, ce qui a encore refroidi le matériau. A ce stade, le fluide supercritique avait encore une masse positive. Si le vaisseau n'était pas étanche, les atomes de rubidium se disperseraient dans différentes directions, car les atomes centraux repousseraient les atomes extérieurs vers l'extérieur, et ils accéléreraient dans le sens de l'application de la force.

Pour créer une masse efficace négative, les physiciens ont utilisé un ensemble différent de lasers, ce qui a modifié le spin de certains des atomes. Comme le prévoit la simulation, dans certaines zones du vaisseau, les particules doivent acquérir une masse négative. Cela ressort clairement de la forte augmentation de la densité d'une substance en fonction du temps dans les simulations (dans le diagramme du bas).


Figure 1. Expansion anisotrope du condensat de Bose-Einstein avec différents coefficients de force d'adhésion. Les résultats réels de l'expérience sont marqués en rouge, les résultats de la prédiction dans la simulation sont affichés en noir



Le diagramme du bas est un fragment agrandi du cadre du milieu dans la rangée inférieure de la figure 1.

Le diagramme du bas montre une simulation unidimensionnelle de la densité totale en fonction du temps dans une région où l'instabilité dynamique est apparue pour la première fois. Les lignes pointillées séparent trois groupes d'atomes avec des vitesses $$$v_g = E _ \ _ {'} (k)$ au quasi-moment $$$k$où est la masse effective $$$m _ * ^ {- 1} = E _ \ _ {''} (k)$ commence à devenir négatif (ligne supérieure). Le point de la masse efficace négative minimale (au milieu) et le point où la masse revient à des valeurs positives (ligne du bas) sont affichés. Les points rouges indiquent les endroits où le quasimoment local se situe dans la région de masse effective négative.

Dans la toute première ligne des graphiques, on peut voir que pendant l'expérience physique, la substance s'est comportée exactement en accord avec les résultats de la simulation, ce qui prédit l'apparition de particules avec une masse efficace négative.

Dans le condensat de Bose - Einstein, les particules se comportent comme des ondes et ne se propagent donc pas dans la direction dans laquelle les particules normales de masse efficace positive devraient se propager.

En toute honnêteté, il faut dire que les physiciens ont enregistré à plusieurs reprises au cours des expériences les résultats lorsque les propriétés d'une substance de masse négative se manifestaient , mais ces expériences pouvaient être interprétées de différentes manières. Maintenant, l'incertitude a été largement éliminée.

L'article scientifique a été publié le 10 avril 2017 dans la revue Physical Review Letters (doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301, disponible par abonnement). Une copie de l'article avant d'être envoyée au journal a été publiée le 13 décembre 2016 dans le domaine public à arXiv.org (arXiv: 1612.04055).