Антивещество и экзотическая материя
Антивещество́ - вещество, состоящее из античастиц, стабильно не образующееся в природе (наблюдательные данные не свидетельствуют об обнаружении антивещества в нашей Галактике и за её пределами).
Структура атома антиводорода
Ядра атомов антивещества, синтезированные учёными, состоят из антипротонов и антинейтронов, а оболочки - из позитронов.
При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц.
В наблюдаемой нами части Вселенной существенных скоплений антивещества не обнаружено, однако ведутся споры о том, состоит ли Вселенная почти исключительно из вещества, и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом. Асимметрия вещества и антивещества во Вселенной - одна из самых больших нерешенных задач физики (см. Барионная асимметрия Вселенной); предполагается, что асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.
Получение
В 1965 году группа под руководством Л. Ледермана наблюдала события образования ядер антидейтерия. В 1970 году группа учёных под руководством Ю. Д. Прокошкина из Института физики высоких энергий (г. Протвино) зарегистрировала несколько событий образования ядер.
В 1970-1974 группой под руководством Ю. Д. Прокошкина на серпуховском ускорителе были получены и более тяжелые антиядра - трития (изотоп водорода), гелия (антигелий-3).
В 2001 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.
В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов ( -73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40К (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе - Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды.
В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить - на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации.
Стоимость
Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле - по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объем, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков.
Свойства
Структура атома антигелия
По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.
Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях).
При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом). Аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов ведёт к образованию нескольких π-мезонов, а аннигиляция электронов и позитронов - к образованию γ-квантов. В результате последующих распадов π-мезоны превращаются в γ-кванты. Во время процесса аннигиляции высвобождается значительно больше энергии, чем при проведении термоядерной реакции. Встреча одного грамма антивещества с одним граммом вещества может привести к высвобождению энергии в размере 180 триллионов джоулей.
При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8⋅1017 джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (масса 26,5 т), при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57-58,6 мегатоннам. Теллеровский предел для термоядерного оружия подразумевает, что самый эффективный выход энергии не превысит 6 кт/кг массы устройства.
В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии.
В ноябре 2015 года международная группа физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов.
В 2016 году учёным коллаборации ALPHA[англ.] впервые удалось измерить оптический спектр атома антиводорода, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено.
Также проводятся эксперименты по обнаружению массивных скоплений антивещества во Вселенной, таких как антизвезды, но свидетельств их существования не было обнаружено.
В 2023 году учёным коллаборации ALPHA[англ.] удалось экспериментально доказать, что антигравитации не существует, или если точнее, что гравитация оказывает на антиматерию влияние в том же направлении, что и на обычную материю, то есть притягивает её, а не отталкивает.
Экзотическая материя - понятие физики элементарных частиц, описывающее любое (как правило, гипотетическое) вещество, которое нарушает одно или несколько классических условий либо не состоит из известных барионов. Подобные вещества могут обладать такими качествами, как отрицательная плотность энергии, или отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Экзотическая материя используется в некоторых теориях, например, в теории о строении кротовых нор. Наиболее известным представителем экзотической материи является вакуум в области с отрицательным давлением, производимым эффектом Казимира.
Экзотической материей ещё называют любой материал, который трудно произвести (например, металлический водород при высоком давлении или конденсат Бозе - Эйнштейна) или который имеет необычные свойства, даже если эти материалы созданы и относительно хорошо изучены.
Экзотической материей могут называть материал, созданный из некоторых видов экзотических атомов, в которых роль ядра (положительно заряженной частицы) выполняет позитрон (позитроний) или положительный мюон (мюоний). Имеются также атомы с отрицательным мюоном вместо одного из электронов (мюонный атом).
Отрицательная масса
С тех пор как Ньютон впервые сформулировал свою теорию гравитации, было как минимум три концептуально разных величины, называемых массой: инертная масса, «активная» гравитационная масса (то есть источник гравитационного поля) и «пассивная» гравитационная масса. Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что инертная масса должна быть равна пассивной гравитационной массе, а закон сохранения импульса требует, чтобы были равны активная и пассивная гравитационные массы. Все экспериментальные доказательства на настоящий момент свидетельствуют, что все они на самом деле всегда одинаковы. При рассмотрении гипотетических частиц с отрицательной массой важно предположить, какая из этих теорий массы неверна. Однако в большинстве случаев при анализе отрицательной массы предполагается, что принцип эквивалентности и закон сохранения импульса по-прежнему применимы.
В 1957 году Герман Бонди в работе в журнале «Reviews of Modern Physics» предположил, что масса может быть как положительной, так и отрицательной. Он показал, что это не ведёт к логическому противоречию, если все три вида массы тоже будут отрицательными, но само принятие существования отрицательной массы вызывает интуитивно непонятные виды движения.
Из второго закона Ньютона
видно, что объект с отрицательной инертной массой будет ускоряться в направлении, противоположном тому, в котором его толкнули, что, возможно, покажется странным.
Если изучать инертную массу
, пассивную гравитационную массу
и активную гравитационную массу
отдельно, то закон всемирного тяготения Ньютона примет вид
Таким образом, объекты с отрицательной гравитационной массой (и пассивной, и активной), но с положительной инертной массой будут отталкиваться положительными активными массами и притягиваться отрицательными активными массами.
Проведены первые опыты, где отдельные группы атомов некоторое время ведут себя как частицы с отрицательной массой.
Анализ Форварда
Хотя неизвестны частицы с отрицательной массой, физики (первоначально Г. Бонди и Роберт Форвард) смогли описать некоторые из ожидаемых свойств, которыми могут обладать такие частицы. Предполагая, что все три вида масс равны, можно построить систему, где отрицательные массы притягиваются к положительным массам, в то же время положительные массы отталкиваются от отрицательных масс. В то же время отрицательные массы будут создавать силу притяжения друг к другу, но будут при этом отталкиваться из-за своих отрицательных инерциальных масс.
При отрицательном значении
и положительном значении
сила
будет отрицательной (отталкивающей). На первый взгляд это выглядит так, как будто отрицательная масса будет ускоряться в сторону от положительной массы, но поскольку такой объект будет также обладать отрицательной инерциальной массой, он будет ускоряться в направлении, противоположном
. Более того, Бонди показал, что если обе массы равны по абсолютной величине, но отличаются знаком, то общая система положительных и отрицательных частиц будет ускоряться бесконечно без какого-либо дополнительного влияния на систему снаружи.
Это поведение странно тем, что оно абсолютно не сочетается с нашим представлением об «обычной вселенной» из работы с положительными массами. Но оно полностью математически состоятельно и не вводит каких-либо противоречий.
Может сложиться впечатление, что такое представление нарушает закон сохранения импульса и/или энергии, но у нас массы равны по абсолютной величине, одна при этом положительна, а другая отрицательна, а значит, импульс системы равен нулю, если они обе двигаются вместе и ускоряются вместе, независимо от скорости:
И такое же уравнение может быть вычислено для кинетической энергии
Форвард расширил исследования Бонди на дополнительные случаи и показал, что даже если две массы
и
не равны по абсолютной величине, то уравнения всё равно остаются непротиворечивыми.
Некоторые свойства, которые вводятся этими предположениями, выглядят необычно, например, в смеси газа из положительной материи и газа из отрицательной материи положительная часть будет увеличивать свою температуру бесконечно. Однако, в таком случае отрицательная часть смеси будет охлаждаться с той же скоростью, тем самым выравнивая баланс. Джеффри А. Лэндис[англ.] отметил другие приложения анализа Форварда, включая указания на то, что хотя частицы с отрицательной массой и будут отталкиваться друг от друга гравитационно, но электрические силы, например, заряды будут притягиваться друг к другу (в отличие от частиц с положительной массой, где такие частицы отталкиваются). В результате для частиц с отрицательной массой это означает, что гравитационные и электростатические силы поменяются местами.
Форвард предложил конструкцию двигателя космических кораблей с использованием отрицательной массы, который не требует притока энергии и рабочего тела, чтобы получить сколь угодно большое ускорение, хотя, конечно, основным препятствием является то, что отрицательная масса остаётся полностью гипотетической.
Форвард также ввёл термин «нуллификация» для описания того, что происходит, когда встречаются обычная и отрицательная материя. Ожидается, что они могут взаимно уничтожиться или «обнулить» существование друг друга, причём после этого не останется никакой энергии. Однако легко показать, что некоторый импульс может остаться (его не останется, если они движутся в одном направлении, как описано выше, но им нужно двигаться навстречу друг другу, чтобы встретиться и взаимно обнулиться). Это может, в свою очередь, объяснить, почему равные количества обычной и отрицательной материи не появляются внезапно из ниоткуда (противоположность нуллификации): в этом событии не будет сохранён импульс у каждой из них.
Экзотическая материя в общей теории относительности
В общей теории относительности экзотической называется материя, нарушающая слабое энергетическое условие (СЭУ), то есть такая, что её плотность энергии в некоторой системе отсчёта отрицательна. Если в некотором ортонормированном базисе тензор энергии-импульса диагонален, то СЭУ нарушается, когда отрицательна его компонента
(то есть плотность энергии) или
(то есть, сумма плотности энергии и давления в одном из направлений). Однако условие положительности плотности энергии не является необходимым условием для математической состоятельности теории (см. подробнее в монографии Виссера). Моррис (англ. Morris), Торн и Юртсевер показали, что квантово-механический эффект Казимира может быть использован для создания локальной области пространства-времени с отрицательной массой. В этой статье и последующих работах других авторов они показали, что экзотическая материя может быть использована для стабилизации кротовой норы. Крамер и др. обосновали, что такие кротовые норы, возникнув в ранней Вселенной, могли быть стабилизированы петлями отрицательной массы космических струн. Стивен Хокинг доказал, что экзотическая материя необходима для появления машины времени с компактно порождённым горизонтом Коши. Это показывает, например, что конечный вращающийся цилиндр, в отличие от бесконечного цилиндра Типлера, не может быть использован в качестве машины времени.
Мнимая масса
Тахион - гипотетическая частица с мнимой массой покоя, которая всегда движется быстрее скорости света. Подтверждений существования тахионов нет.
Если в релятивистском выражении энергии
масса является мнимой величиной, то знаменатель должен быть мнимым (чтобы избежать комплексного значения энергии). Таким образом, величина под квадратным корнем должна быть отрицательной, что может произойти только тогда, когда скорость
больше скорости света
. Теория тахионов, предложенная Файнбергом (англ. Feinberg), разработана в одном измерении, но трудна для анализа в трёх измерениях. Как указано Бенфордом и др., среди прочего, специальная теория относительности позволяет использовать тахионы, если они существуют, для связи назад во времени (предполагаемое устройство носит название тахионный антителефон). Поэтому некоторые физики полагают, что тахионы либо не существуют вообще, либо не могут взаимодействовать с обычной материей.
«В какую сторону падает антиматерия?»
Большинство современных физиков полагает, что антиматерия обладает положительной гравитационной массой и должна падать вниз, как и обычная материя. Некоторые исследователи считают, что к настоящему времени нет убедительных экспериментальных подтверждений этому факту. Это связано с трудностью непосредственного исследования гравитационных сил на уровне частиц. На таких малых расстояниях электрические силы берут верх над гораздо более слабым гравитационным взаимодействием. Более того, античастицы должны храниться отдельно от их обычных аналогов, иначе они быстро аннигилируют. Очевидно, что это делает трудным прямое измерение пассивной гравитационной массы антиматерии. Эксперименты над антиматерией ATHENA (англ. ATHENA) и ATRAP (англ. ATRAP) помогут найти ответы.
Ответы для инерционной массы, впрочем, давно известны из экспериментов с пузырьковой камерой. Они убедительно показывают, что античастицы имеют положительную инертную массу, равную массе «обычных» частиц, но противоположный электрический заряд. В этих экспериментах камера подвергается воздействию постоянного магнитного поля, что заставляет частицы двигаться по винтовой линии. Радиус и направление этого движения соответствуют отношению электрического заряда к инертной массе. Пары частица-античастица двигаются по винтовым линиям в противоположных направлениях, но с одинаковыми радиусами. Из этого наблюдения делается вывод, что отношения электрического заряда к инертной массе в этой паре отличаются только по знаку.
Wikipedia.org
Posted via m.livejournal.com.
Структура атома антиводорода
Ядра атомов антивещества, синтезированные учёными, состоят из антипротонов и антинейтронов, а оболочки - из позитронов.
При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц.
В наблюдаемой нами части Вселенной существенных скоплений антивещества не обнаружено, однако ведутся споры о том, состоит ли Вселенная почти исключительно из вещества, и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом. Асимметрия вещества и антивещества во Вселенной - одна из самых больших нерешенных задач физики (см. Барионная асимметрия Вселенной); предполагается, что асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.
Получение
В 1965 году группа под руководством Л. Ледермана наблюдала события образования ядер антидейтерия. В 1970 году группа учёных под руководством Ю. Д. Прокошкина из Института физики высоких энергий (г. Протвино) зарегистрировала несколько событий образования ядер.
В 1970-1974 группой под руководством Ю. Д. Прокошкина на серпуховском ускорителе были получены и более тяжелые антиядра - трития (изотоп водорода), гелия (антигелий-3).
В 2001 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.
В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов ( -73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40К (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе - Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды.
В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить - на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации.
Стоимость
Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле - по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объем, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков.
Свойства
Структура атома антигелия
По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.
Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях).
При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом). Аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов ведёт к образованию нескольких π-мезонов, а аннигиляция электронов и позитронов - к образованию γ-квантов. В результате последующих распадов π-мезоны превращаются в γ-кванты. Во время процесса аннигиляции высвобождается значительно больше энергии, чем при проведении термоядерной реакции. Встреча одного грамма антивещества с одним граммом вещества может привести к высвобождению энергии в размере 180 триллионов джоулей.
При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8⋅1017 джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (масса 26,5 т), при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57-58,6 мегатоннам. Теллеровский предел для термоядерного оружия подразумевает, что самый эффективный выход энергии не превысит 6 кт/кг массы устройства.
В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии.
В ноябре 2015 года международная группа физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов.
В 2016 году учёным коллаборации ALPHA[англ.] впервые удалось измерить оптический спектр атома антиводорода, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено.
Также проводятся эксперименты по обнаружению массивных скоплений антивещества во Вселенной, таких как антизвезды, но свидетельств их существования не было обнаружено.
В 2023 году учёным коллаборации ALPHA[англ.] удалось экспериментально доказать, что антигравитации не существует, или если точнее, что гравитация оказывает на антиматерию влияние в том же направлении, что и на обычную материю, то есть притягивает её, а не отталкивает.
Экзотическая материя - понятие физики элементарных частиц, описывающее любое (как правило, гипотетическое) вещество, которое нарушает одно или несколько классических условий либо не состоит из известных барионов. Подобные вещества могут обладать такими качествами, как отрицательная плотность энергии, или отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Экзотическая материя используется в некоторых теориях, например, в теории о строении кротовых нор. Наиболее известным представителем экзотической материи является вакуум в области с отрицательным давлением, производимым эффектом Казимира.
Экзотической материей ещё называют любой материал, который трудно произвести (например, металлический водород при высоком давлении или конденсат Бозе - Эйнштейна) или который имеет необычные свойства, даже если эти материалы созданы и относительно хорошо изучены.
Экзотической материей могут называть материал, созданный из некоторых видов экзотических атомов, в которых роль ядра (положительно заряженной частицы) выполняет позитрон (позитроний) или положительный мюон (мюоний). Имеются также атомы с отрицательным мюоном вместо одного из электронов (мюонный атом).
Отрицательная масса
С тех пор как Ньютон впервые сформулировал свою теорию гравитации, было как минимум три концептуально разных величины, называемых массой: инертная масса, «активная» гравитационная масса (то есть источник гравитационного поля) и «пассивная» гравитационная масса. Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что инертная масса должна быть равна пассивной гравитационной массе, а закон сохранения импульса требует, чтобы были равны активная и пассивная гравитационные массы. Все экспериментальные доказательства на настоящий момент свидетельствуют, что все они на самом деле всегда одинаковы. При рассмотрении гипотетических частиц с отрицательной массой важно предположить, какая из этих теорий массы неверна. Однако в большинстве случаев при анализе отрицательной массы предполагается, что принцип эквивалентности и закон сохранения импульса по-прежнему применимы.
В 1957 году Герман Бонди в работе в журнале «Reviews of Modern Physics» предположил, что масса может быть как положительной, так и отрицательной. Он показал, что это не ведёт к логическому противоречию, если все три вида массы тоже будут отрицательными, но само принятие существования отрицательной массы вызывает интуитивно непонятные виды движения.
Из второго закона Ньютона
видно, что объект с отрицательной инертной массой будет ускоряться в направлении, противоположном тому, в котором его толкнули, что, возможно, покажется странным.
Если изучать инертную массу
, пассивную гравитационную массу
и активную гравитационную массу
отдельно, то закон всемирного тяготения Ньютона примет вид
Таким образом, объекты с отрицательной гравитационной массой (и пассивной, и активной), но с положительной инертной массой будут отталкиваться положительными активными массами и притягиваться отрицательными активными массами.
Проведены первые опыты, где отдельные группы атомов некоторое время ведут себя как частицы с отрицательной массой.
Анализ Форварда
Хотя неизвестны частицы с отрицательной массой, физики (первоначально Г. Бонди и Роберт Форвард) смогли описать некоторые из ожидаемых свойств, которыми могут обладать такие частицы. Предполагая, что все три вида масс равны, можно построить систему, где отрицательные массы притягиваются к положительным массам, в то же время положительные массы отталкиваются от отрицательных масс. В то же время отрицательные массы будут создавать силу притяжения друг к другу, но будут при этом отталкиваться из-за своих отрицательных инерциальных масс.
При отрицательном значении
и положительном значении
сила
будет отрицательной (отталкивающей). На первый взгляд это выглядит так, как будто отрицательная масса будет ускоряться в сторону от положительной массы, но поскольку такой объект будет также обладать отрицательной инерциальной массой, он будет ускоряться в направлении, противоположном
. Более того, Бонди показал, что если обе массы равны по абсолютной величине, но отличаются знаком, то общая система положительных и отрицательных частиц будет ускоряться бесконечно без какого-либо дополнительного влияния на систему снаружи.
Это поведение странно тем, что оно абсолютно не сочетается с нашим представлением об «обычной вселенной» из работы с положительными массами. Но оно полностью математически состоятельно и не вводит каких-либо противоречий.
Может сложиться впечатление, что такое представление нарушает закон сохранения импульса и/или энергии, но у нас массы равны по абсолютной величине, одна при этом положительна, а другая отрицательна, а значит, импульс системы равен нулю, если они обе двигаются вместе и ускоряются вместе, независимо от скорости:
И такое же уравнение может быть вычислено для кинетической энергии
Форвард расширил исследования Бонди на дополнительные случаи и показал, что даже если две массы
и
не равны по абсолютной величине, то уравнения всё равно остаются непротиворечивыми.
Некоторые свойства, которые вводятся этими предположениями, выглядят необычно, например, в смеси газа из положительной материи и газа из отрицательной материи положительная часть будет увеличивать свою температуру бесконечно. Однако, в таком случае отрицательная часть смеси будет охлаждаться с той же скоростью, тем самым выравнивая баланс. Джеффри А. Лэндис[англ.] отметил другие приложения анализа Форварда, включая указания на то, что хотя частицы с отрицательной массой и будут отталкиваться друг от друга гравитационно, но электрические силы, например, заряды будут притягиваться друг к другу (в отличие от частиц с положительной массой, где такие частицы отталкиваются). В результате для частиц с отрицательной массой это означает, что гравитационные и электростатические силы поменяются местами.
Форвард предложил конструкцию двигателя космических кораблей с использованием отрицательной массы, который не требует притока энергии и рабочего тела, чтобы получить сколь угодно большое ускорение, хотя, конечно, основным препятствием является то, что отрицательная масса остаётся полностью гипотетической.
Форвард также ввёл термин «нуллификация» для описания того, что происходит, когда встречаются обычная и отрицательная материя. Ожидается, что они могут взаимно уничтожиться или «обнулить» существование друг друга, причём после этого не останется никакой энергии. Однако легко показать, что некоторый импульс может остаться (его не останется, если они движутся в одном направлении, как описано выше, но им нужно двигаться навстречу друг другу, чтобы встретиться и взаимно обнулиться). Это может, в свою очередь, объяснить, почему равные количества обычной и отрицательной материи не появляются внезапно из ниоткуда (противоположность нуллификации): в этом событии не будет сохранён импульс у каждой из них.
Экзотическая материя в общей теории относительности
В общей теории относительности экзотической называется материя, нарушающая слабое энергетическое условие (СЭУ), то есть такая, что её плотность энергии в некоторой системе отсчёта отрицательна. Если в некотором ортонормированном базисе тензор энергии-импульса диагонален, то СЭУ нарушается, когда отрицательна его компонента
(то есть плотность энергии) или
(то есть, сумма плотности энергии и давления в одном из направлений). Однако условие положительности плотности энергии не является необходимым условием для математической состоятельности теории (см. подробнее в монографии Виссера). Моррис (англ. Morris), Торн и Юртсевер показали, что квантово-механический эффект Казимира может быть использован для создания локальной области пространства-времени с отрицательной массой. В этой статье и последующих работах других авторов они показали, что экзотическая материя может быть использована для стабилизации кротовой норы. Крамер и др. обосновали, что такие кротовые норы, возникнув в ранней Вселенной, могли быть стабилизированы петлями отрицательной массы космических струн. Стивен Хокинг доказал, что экзотическая материя необходима для появления машины времени с компактно порождённым горизонтом Коши. Это показывает, например, что конечный вращающийся цилиндр, в отличие от бесконечного цилиндра Типлера, не может быть использован в качестве машины времени.
Мнимая масса
Тахион - гипотетическая частица с мнимой массой покоя, которая всегда движется быстрее скорости света. Подтверждений существования тахионов нет.
Если в релятивистском выражении энергии
масса является мнимой величиной, то знаменатель должен быть мнимым (чтобы избежать комплексного значения энергии). Таким образом, величина под квадратным корнем должна быть отрицательной, что может произойти только тогда, когда скорость
больше скорости света
. Теория тахионов, предложенная Файнбергом (англ. Feinberg), разработана в одном измерении, но трудна для анализа в трёх измерениях. Как указано Бенфордом и др., среди прочего, специальная теория относительности позволяет использовать тахионы, если они существуют, для связи назад во времени (предполагаемое устройство носит название тахионный антителефон). Поэтому некоторые физики полагают, что тахионы либо не существуют вообще, либо не могут взаимодействовать с обычной материей.
«В какую сторону падает антиматерия?»
Большинство современных физиков полагает, что антиматерия обладает положительной гравитационной массой и должна падать вниз, как и обычная материя. Некоторые исследователи считают, что к настоящему времени нет убедительных экспериментальных подтверждений этому факту. Это связано с трудностью непосредственного исследования гравитационных сил на уровне частиц. На таких малых расстояниях электрические силы берут верх над гораздо более слабым гравитационным взаимодействием. Более того, античастицы должны храниться отдельно от их обычных аналогов, иначе они быстро аннигилируют. Очевидно, что это делает трудным прямое измерение пассивной гравитационной массы антиматерии. Эксперименты над антиматерией ATHENA (англ. ATHENA) и ATRAP (англ. ATRAP) помогут найти ответы.
Ответы для инерционной массы, впрочем, давно известны из экспериментов с пузырьковой камерой. Они убедительно показывают, что античастицы имеют положительную инертную массу, равную массе «обычных» частиц, но противоположный электрический заряд. В этих экспериментах камера подвергается воздействию постоянного магнитного поля, что заставляет частицы двигаться по винтовой линии. Радиус и направление этого движения соответствуют отношению электрического заряда к инертной массе. Пары частица-античастица двигаются по винтовым линиям в противоположных направлениях, но с одинаковыми радиусами. Из этого наблюдения делается вывод, что отношения электрического заряда к инертной массе в этой паре отличаются только по знаку.
Wikipedia.org
Posted via m.livejournal.com.