«Идея бредовая». Что не так с мечтой об экзотической материи?

0

Может ли масса быть отрицательной по аналогии с электрическим зарядом — ученые пытаются выяснить это уже более ста лет. Недавно удалось получить странное вещество, которое ведет себя, как если бы его масса была минусовой. Это открывает новое направление исследований.

Как стабилизировать кротовую нору

Кротовая нора в пространстве-времени долго не живет. Ее горловина схлопывается из-за гравитации, не успевая пропустить даже луч света. Чтобы она стала проходимой, требуется вещество с отрицательной массой, создающее эффект антигравитации, — так называемая экзотическая материя. Через подобную червоточину можно попасть в другую Вселенную. Эту идею использовали в научно-фантастическом фильме "Интерстеллар" — с подачи американского физика-теоретика, нобелевского лауреата Кипа Торна.

«Кип Торн — фундаментальный физик, поэтому забывает о технологиях. Сколько энергии для этого потребуется? Как обеспечить утилизацию избыточного тепла для такой энергетической установки? В теоретической физике много что допускается, но на любую реальную технологию накладываются ограничения в виде начал термодинамики, закона сохранения энергии, специальной теории относительности. Мне это напоминает фантазии вековой давности, когда считалось, что можно превратить в чистую энергию любое вещество и на этом летать к звездам. Теоретически — да, любое. А практически — только уран, плутоний и дейтерид лития, но и с ними большие проблемы», — комментирует РИА Новости Антон Первушин, писатель-фантаст, историк космонавтики.

Охота на скорости света

Если обычные тела все притягивают, то тела с отрицательной массой — отталкивают. Может ли существовать в природе материя с таким странным свойством?

В 1954 году физик Герман Бонди из Кембриджа теоретически показал, что нет законов, запрещающих вещество с отрицательной массой.

Частица обычной материи, пишет физик Ричард Хаммонд из Университета Северная Каролина, должна убегать от частицы с отрицательной массой, а та ее преследовать. Такая пара начнет ускоряться, постепенно приближаясь к скорости света. Можно ли это использовать при создании двигателя для межпланетного корабля?

«Идея, увы, бредовая. При ускорении растет масса — согласно специальной теории относительности. Причем по мере приближения к скорости света масса стремится к бесконечности. За счет чего станет увеличиваться отрицательная масса «отталкивающей» частицы, причем до бесконечности? В действительности эти частицы оттолкнутся друг от друга и будут разлетаться до тех пор, пока не окажутся вне пределов действия своих гравитационных полей, а там либо продолжат свободный полет, либо вступят во взаимодействие с другими частицами», — рассуждает Первушин.

Против всякой интуиции

В 2017 году много шума наделала статья американских физиков из Государственного университета Вашингтона, получивших в лаборатории странное вещество — не ускорявшееся в ту сторону, куда его толкали, как это предписывает второй закон Ньютона. Это возможно только если его инерционная масса отрицательна.

С помощью лазера физики создали суперфлюид из атомов рубидия, охладив их до температуры почти абсолютного нуля, и возникло особое состояние материи — так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором атомы движутся очень медленно.

Тем же лазером облачко конденсата Бозе-Эйнштейна как бы заперли в отдельном участке пространства и заставили изменить спин — есть такая квантовая характеристика частиц. Чем сильнее толкали это облачко, тем сильнее оно ускорялось в обратную приложенной силе сторону. Как если бы теннисист бил по мячу, а тот отлетал к нему, а не к сопернику.

Эти результаты объяснили теоретики из Австралии, Великобритании и России.

Однако в данном случае речь идет об эффективной массе — математическом решении при описании конденсата Бозе-Эйнштейна, а не о фундаментальном свойстве материи.

Электрон в кристалле приобретает отрицательную эффективную массу из-за спин-орбитального взаимодействия, уточняет РИА Новости доктор физико-математических наук Сергей Баранов, ведущий научный сотрудник лаборатории взаимодействия излучения с веществом ФИАН.

«Рассмотрим спутник на орбите. Если мы попытаемся его затормозить (приложим силу навстречу скорости), спутник перейдет на более низкую орбиту и скорость его не уменьшится, а увеличится. И кинетическая энергия, вопреки совершенной над ним отрицательной работе, — тоже. А если ускорим спутник, подталкивая его сзади, скорость уменьшится — ну чем не отрицательная масса. На самом же деле парадоксальная прибыль (или убыль) кинетической энергии восполняется убылью (или прибылью) потенциальной энергии — поскольку спутник находится в поле тяжести. Отрицательная эффективная масса — это результат взаимодействия со средой (и она невозможна без внешней среды), будь то кристалл или поле тяжести, или какое-либо иное внешнее поле. Но в современной физике есть более сильное утверждение: любая масса — всегда результат взаимодействия со средой, » — говорит ученый.

Он подчеркивает: вещество с отрицательной гравитационной массой (или энергией) в природе считается невозможным, так как его возникновение приведет к неустойчивости вакуума.

«Есть куда падать — из нулевой энергии в отрицательную. И падение это ничем не ограничено», — рассуждает Баранов и добавляет, что современный вакуум не обнаруживает свойств, необходимых для отрицательной массы.

С этим спорит английский астрофизик Джейми Фарнс из Оксфорда. Он предлагает модель, где рождение вещества с отрицательной гравитационной массой ускоряет расширение Вселенной. Кандидатом на роль этой экзотической материи он считает темную материю и энергию, сосредоточенные в галактиках и межгалактическом пространстве.