Отрицательная энергия в физике. Учёные продемонстрировали вещество с отрицательной эффективной массой

Исследователи из Университета штата Вашингтон (США) добились от атомов рубидия поведения вещества с отрицательной эффективной массой . Это значит, что данные атомы при внешнем воздействии не летели в сторону вектора этого воздействия. В условиях эксперимента они вели себя так, будто налетали на невидимую стену каждый раз, когда приближались к границам области с очень малым объёмом. Соответствующая опубликована в Physical Review Letters. Опыт был неверно истолкован СМИ как "создание вещества с отрицательной массой" (в теории оно позволяет создавать червоточины для дальних космических путешествий). На деле получение вещества с отрицательной массой если и возможно, то лежит далеко за пределами достижимого для современных науки и технологий.

Атомы рубидия заставили двигаться в сторону, противоположную вектору прикладываемой к ним силы. СМИ ошибочно восприняли это как создание вещества с "отрицательной массой"

Авторы работы замедлили лазером атомы рубидия (уменьшение скорости частицы означает её охлаждение). На втором этапе охлаждения наиболее энергичным атомам дали покинуть охлаждаемый объём. Это ещё больше охладило его, как испарение атомов хладагента охлаждает содержимое бытового холодильника. На третьем этапе использовался другой набор лазеров, импульсы которых меняли спин (упрощённо - направление вращения вокруг собственной оси) части атомов.

Поскольку одни атомы в охлаждаемом объёме продолжали иметь нормальный спин, а другие получили обратный, их взаимодействие между собой получило необычный характер. При нормальном поведении атомы рубидия, сталкиваясь, разлетались бы в разные стороны. Центральные атомы выталкивали бы крайние наружу, ускоряя их в направлении приложения силы (вектора движения первого атома). Из-за разнобоя в спинах на практике атомы рубидия, охлаждённые до малых долей кельвина, после столкновений не разлетались, оставаясь в исходном объёме, равном примерно тысячной кубического миллиметра. Со стороны это выглядело так, как будто они налетали на невидимую стену.

Очень отдалённая аналогия для группы атомов с разными спинами - столкновение двух и более футбольных мячей, боковым ударом предварительно закрученных до вращения вокруг своей оси в разные стороны. Понятно, что направления и скорости их движения после соударения будут существенно отличаться от тех же результатов у обычных мячей. Но это не значит, что мячи изменили свою физическую массу. Поменялся лишь характер их взаимодействия между собой. Также и в эксперименте масса атомов не стала отрицательной. В гравитационном поле они по-прежнему опускались бы вниз. По настоящему изменилось лишь то, куда они двигались после соударений с другими такими же атомами, но "вращавшимися" вокруг своей оси в другую сторону.

То, как вели себя в опыте атомы рубидия, соответствует определению отрицательной эффективной массы в физике. Им пользуются, например, при описании поведения электрона в кристаллической решётке. Для него формальная масса зависит от направления движения относительно осей кристалла. Двигаясь в одном направлении, он покажет одну дисперсию (рассеивание), в другом - иную. Понятие эффективной массы для них ввели потому, что иначе при описании их рассеивания формулами масса начинала бы зависеть от энергии, что не слишком удобно для вычислений. Примером отрицательной эффективной массы можно назвать поведение дырок в полупроводниках, с которыми имеет дело каждый пользователь современной электроники.

Большинство СМИ, включая российские, интерпретировали эксперимент как создание вещества с отрицательной массой. В теории материя с подобными свойствами может быть использована для удержания в рабочем состоянии червоточин, позволяющих дальние перемещения в пространстве и времени за околонулевое время. Практическая возможность создания такого вещества, как и самих червоточин, пока не доказана. Даже если оно возможно, его получение при современных технических возможностях человечества малореально.

Гипотетическая червоточина в пространстве-времени

В лаборатории Университета штата Вашингтон были созданы условия для образования конденсата Бозе - Эйнштейна в объёме менее 0,001 мм³. Частицы замедлили лазером и дождались, когда наиболее энергичные из них покинули объём, что ещё больше охладило материал. На этом этапе сверхкритическая жидкость ещё имела положительную массу. При нарушении герметичности сосуда атомы рубидия разлетелись бы в разные стороны, поскольку центральные атомы выталкивали бы крайние атомы наружу, а те ускорялись бы в направлении приложения силы.

Для создания отрицательной эффективной массы физики применили другой набор лазеров, который изменял спин части атомов. Как предсказывает симуляция, в отдельных районах сосуда частицы должны приобрести отрицательную массу. Это хорошо видно по резкому увеличению плотности вещества как функции от времени в симуляциях (на нижней диаграмме).

Рисунок 1. Анизотропное расширение конденсата Бозе - Эйнштейна с разными коэффициентами силы сцепления. Реальные результаты эксперимента обозначены красным, результаты предсказания в симуляции - чёрным

Нижняя диаграмма - это увеличенный фрагмент среднего кадра в нижнем ряду рисунка 1.

На нижней диаграмме показана одномерная симуляция общей плотности как функции от времени в регионе, где впервые проявилась динамическая нестабильность. Пунктирами разделены три группы атомов со скоростями в квазимомент , где эффективная масса начинает становиться отрицательной (верхняя линия). Показана точка минимальной отрицательной эффективной массы (посередине) и точка, где масса возвращается к положительным значениям (нижняя линия). Красные точки обозначают места, где локальный квазимомент лежит в районе отрицательной эффективной массы.

На самом первом ряду графиков видно, что во время физического эксперимента вещество вело себя в точном соответствии с результатами симуляции, которая предсказывает появление частиц с отрицательной эффективной массой.

В конденсате Бозе - Эйнштейна частицы ведут себя как волны и поэтому распространяются не в том направлении, в каком должны распространяться нормальные частицы положительной эффективной массы.

Справедливости ради нужно сказать, что неоднократно физики регистрировали во время экспериментов результаты, когда проявлялись свойства вещества отрицательной массы , но те эксперименты можно было интерпретировать по-разному. Сейчас же неопределённость в большей мере устранена.

Научная статья опубликована 10 апреля 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, доступно по подписке). Копия статьи перед отправкой в журнал размещена 13 декабря 2016 года в свободном доступе на сайте arXiv.org (arXiv:1612.04055).

Cтраница 1

Отрицательная масса готовится из 90 % окиси кадмия, 7 5 % гидрата закиси никеля, 2 5 % солярового масла.  

Отрицательная масса аккумуляторов фирм Alclum и DEAC состоит из кадмия и железа в соотношении Cd: Fe 4: 1; отрицательная масса фирмы Tudor - из гидрата окиси кадмия с добавкой 4 5 % никеля и 3 5 % графита.  

Понятие отрицательной массы возникает, если хотят представлять дело так, что электрон движется все время в одном и том же внешнем поле; в этом случае не остается ничего другого, как считать, что торможение до нулевой скорости происходит за счет отрицательной массы. Разумеется, силы в решетках, которые вызывают это торможение, являются совершенно реальными, однако не в представлениях классической механики, а в представлениях волновой механики кристаллических электронов.  

Частицы отрицательной массы вообще вели бы себя очень странно с точки зрения наших привычных макроскопических представлений. Если такая частица, взаимодействуя с окружающей средой, испытывала бы сопротивление трения, то она должна была бы непрерывно ускоряться, а не замедляться, как обычная частица. И все это благодаря тому, что отрицательные массы вообще противоречат привычной классической термодинамике.  

Допуская частицы отрицательной массы, мы полагаем, что физические системы могут иметь как сколь угодно большие положительные энергии, так и сколь угодно малые, ничем не ограниченные снизу отрицательные энергии. Это свойство систем, содержащих минус-частицы, находится, однако, в противоречии с одной из исходных аксиом термодинамики - постулатом существования состояния термодинамического равновесия. Однако такое состояние равновесия возможно не у всех физических систем. Такие системы имеют состояние термодинамического равновесия.  

Модифицированная неустойчивость отрицательной массы была независимо обнаружена в экспериментах на установке DCX-II , где, как оказалось, она приводит к совершенно неожиданным, любопытным последствиям.  

Для иллюстрации метода отрицательных масс определим центр тяжести круглой однородной пластинки радиуса R с вырезом в форме круга радиуса - R (фиг. Так как пластинка с вырезом имеет ось симметрии, то ее центр тяжести лежит на этой оси.  

Свойства частицы с отрицательной массой покоя совершенно необычны. Так, например, при т0г0 вектор скорости частицы и вектор ее импульса направлены всегда в противоположные стороны.  

Допустим, что частицы отрицательной массы могут испускаться или поглощаться системами обычных частиц, так же как, например, фотоны или л; - мезоны. Однако испускание минус-частицы означает увеличение энергии и импульса системы А, точно такое же, какое было бы вызвано поглощением плюс-частицы той же (по абсолютному значению) массы. И, аналогично, поглощение минус-частицы системой В эквивалентно испусканию этой системой плюс-частицы.  

Однако на примере частиц отрицательной массы мы уже видели, что существуют объекты, которые не могут быть зарегистрированы обычными приборами, однако могут быть обнаружены при помощи принципиально новых измерительных устройств. Следует поэтому рассмотреть возможность существования особых измеряющих систем, способных регистрировать частицы мнимой массы.  

При работах по приготовлению щелочной отрицательной массы и щелочной пасты, в которые входит щелочной электролит, следует соблюдать все требования безопасности работы со щелочами (см. гл.  

Как известно, драконов не существует. Эта примитивная
констатация может удовлетворить лишь ум простака, но отнюдь не учёного; банальность бытия установлена слишком давно и не заслуживает более ни единого словечка. Гениальный Цереброн Эмдеэртий, атаковав проблему методами точных наук, установил, что имеется три типа драконов: нулевые, мнимые и отрицательные. Все они, как было сказано, не существуют, однако каждый тип - на свой особый манер.
(Станислав Лев «Кибериада»)

Изучая природу, учёный, если это настоящий учёный, обязательно будет подходить к той черте, за которой начинается невозможное. И, если это настоящий учёный, то он, конечно, будет стараться заглянуть в это невозможное. Но, поскольку он - настоящий учёный, то он вынужден будет признать, что в этом самом невозможном его наука бессильна.

Физика даёт прекрасный набор инструментов для изучения возможного, но для невозможного все эти инструменты непригодны. Для невозможного нужно что-то другое, что лежит за пределами физики. Поэтому физика невозможное не изучает. Физика честно говорит: «это лежит за пределами моей компетенции». А если кто-то, выдавая себя за учёного, начинает объяснять невозможное с помощью физики, или какой-то другой естественной науки, то можно смело утверждать, что перед нами не учёный, а шарлатан.

Прежде всего, что такое масса? Те, кто совсем не знают физики путают массу с весом, но я надеюсь, что тут таких нет. Итак, масса - это мера инертности (не путать с инерцией!). У каждого физического тела есть такое неотъемлемое свойство как инертность. Инертность - это свойство тела сохранять своё состояние. Либо это состояние покоя, неподвижности, либо наоборот - состояние движения. К примеру, мячик сдвинуть легко, а шкаф тяжело. Велосипед остановить легче, чем грузовой автомобиль. Это есть инертность. А количественная мера инертности называется массой. Масса тела может быть больше, может меньше, но она всегда больше нуля. Следовательно, и инерция тела всегда положительная.

А что значит, отрицательная масса, если таковая где-то будет обнаружена? Это означает, что тело обладает отрицательной инертностью. Как выражается положительная инертность? Мы мячик толкаем, он катится, мы препятствуем его движению, он останавливается. Это - естественно, это - положительная инертность. Значит, как будет вести себя тело с отрицательной инертность и отрицательной массой? Оно будет вести себя строго наоборот: мы его толкаем вперёд, оно движется назад, мы его пытаемся остановить, оно разгоняется. Таких тел, тел с отрицательной инерцией обнаружено не было, и, вполне возможно, что в нашей Вселенной таких тел не существует. А вот за пределами Вселенной…

Очередная «научная» сенсация из-за рубежа заставила вздрогнуть – настолько глупой она оказалась. Некие учёные заявили, что смогли, мол, добиться эффекта «отрицательной массы», а сетевые журналисты разнесли эту апрельскую шутку по изданиям. Проанализируем статью Ильи Хель из hi-news.ru об этом событии.

В новости говорится, что физики Вашингтонского университета создали жидкость с отрицательной массой. Признаком такой массы физики считают вот что: «Толкните ее, и, в отличие от всех физических объектов в мире, которые мы знаем, она не ускорится по направлению толчка. Она ускорится в обратную сторону». Такое заявил Майкл Форбс, доцент, физик и астроном Вашингтонского университета, а само исследование появилось в Physical Review Letters.

Дальше поясняется, что гипотетически вещество, якобы, может иметь отрицательную массу, мол, в том же смысле, в котором электрический заряд может быть как отрицательным, так и положительным. А иллюстрацией этому физики приводят «Второй закон» Исаака Ньютона – сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение.

Дальше, видимо, сам Илья Хель разъясняет этот «закон»: «Если вы толкнете объект, он ускорится в направлении вашего толчка. Масса ускорит его в направлении силы». А Форбс утверждает, что «мы привыкли именно к такому положению дел» и добавляет: «С отрицательной массой, если вы что-то толкнете, оно ускорится по направлению к вам».

Так вот, уважаемые физики из США слабо знают физику. Давайте разберёмся в их заявлениях. Во-первых, нет ни одной работы в мире, в которой бы была раскрыта физическая сущность массы. Во-вторых, в мире нет ни одного определения этой физической величины. То есть никто в мире на сегодняшний момент не знает, что такое масса. Поиск определения и выявление сущности массы – это одна из самых актуальных задач современной физики.

Как выходят из этой ситуации физики? Они выводят массу из «Второго закона» Ньютона, того самого, который и упомянут в статье. Однако, видимо, эти физики не читали работы Ньютона. А он ввёл ТАКУЮ массу как коэффициент пропорциональности, а не как физическую величину. То есть с массой, взятой из «Второго закона» Ньютона, никакие операции производить нельзя.

Сегодня массой обозначают инерцию – а она как раз и препятствует ускорению, то есть, по версии авторов статьи, ведёт себя как отрицательная масса. И эта ошибка – следствие непонимания физиками из США физической сущности массы.

Теперь о самом «Втором законе» Ньютона. Это не закон. Это обычное выражение для новой физической величины, которая в этом выражении обозначена буквой «F» и названа словом «Сила». Таким образом записываются многие физические величины, например, l = vt (путь равен произведению скорости на время), или S = ab (площадь равна произведению длины на ширину) и т.д.

На самом деле это не так. Даже если придерживаться «законов» Ньютона, то из них видно, что масса порождает центральную силу гравитации, то есть масса обладает центрально-стремительными свойствами, где есть только 0 и бесконечность. Никаких плюсов и минусов. Поэтому физика давно пришла к выводу: масса может быть либо равна нулю, либо иметь положительное значение.

Теперь поясню, что такое масса. Работая над Единой теорией поля, мне удалось несколько продвинуться в этом направлении. Масса – это сложная физическая величина, в состав которой входит: 1) количество частиц в «теле», 2) их движение, 3) геометрия траектории движения, 4) вероятность нахождения частиц в том или ином месте этой траектории. И самое главное – у одного тела существует бесконечное количество масс. Это свойство открыл в XIX веке известный физик Мах, но тогда он не смог его объяснить.

Поэтому, воздействуя на массу силой, по направлению её движения нельзя судить о знаке этой массы. Приведу пример. Если взять вращающееся тело – волчок, – и приложить к нему силу, то тело двинется в направлении, перпендикулярном приложенной силе. И это свойство гироскопа проходят по физике в школе. Вот вам и отрицательная масса! Физики из США просто не ходили в 8 класс.

Более того, они сами описывают свой эксперимент, который они проводили с вращающимся телом. Вот как описывается работа «гениев»: «Вместе с коллегами он создал условия для отрицательной массы, охлаждая атомы рубидия до состояния практически абсолютного нуля и создавая тем самым конденсат Бозе – Эйнштейна. В этом состоянии, предсказанном Шатьендранатом Бозе и Альбертом Эйнштейном , частицы движутся очень медленно и, следуя принципам квантовой механики, ведут себя как волны. Они также синхронизируются и движутся в унисон в виде сверхтекучей жидкости, которая течет без потери энергии».

Не обращайте внимания на страшные слова типа «конденсат». Смотрите в суть. Здесь снова фатальная ошибка. Автор соотносит низкую температуру со скоростью движения частиц, мол, они движутся медленно.

Но температура – это не скорость движения частиц в потоке, а скорость движения части в перпендикулярном ему направлении! Например, если жидкость течёт параллельно стенке, то никакого давления на неё она не осуществляет. Давление – это результат перпендикулярного удара по стенке сосуда. Это нам прекрасно донесли преподаватели в институте на кафедре «Ракетные двигатели». В них скорость потока – главный показатель, с которым работают.

Поэтому низкотемпературным является ламинарный поток, а высокотемпературным – турбулентный. И ничего здесь нет, связанного с конденсатом.

Дальше: «Под руководством Питера Энгельса, профессора физики и астрономии Вашингтонского университета, ученые на шестом этаже Вебстер-Холла создали эти условия, используя лазеры для замедления частиц, сделав их более холодными и позволив горячим, высокоэнергетическим частицам ускользнуть подобно пару, еще больше охладив материал».

Здесь как раз и описывается то, что лазерами выбиты частицы, обладающие излишним поперечным градиентом.

Дальше: «Лазеры захватили атомы , как если бы они находились в чаше размером менее ста микрон. На этом этапе сверхтекучий рубидий имел обычную массу. Разрыв чаши позволил рубидию вырваться, расширяясь по мере того, как рубидий в центре проталкивался наружу».

В переводе на общепонятный язык, это означает, что атомы рубидия были помещены в интерференционную структуру, создаваемую лазерами. Эта структура имеет сложную геометрию скоростей внутри себя. Здесь нельзя говорить о каком-либо одном направлении.

Дальше: «Чтобы создать отрицательную массу, ученые применили второй набор лазеров, которые толкали атомы назад и вперед, меняя их спин. Теперь, когда рубидий выбегает достаточно быстро, он ведет себя так, будто имеет негативную массу. "Толкните его, и он ускорится в обратном направлении", – говорит Форбс. "Будто рубидий бьется о невидимую стену"».

Здесь выходит на сцену ещё одна физическая величина – спин. Работая над книгой «Вакуум: концепция, строение, свойства» , по поводу спина мне пришлось консультироваться на кафедре физики одного из ведущих физических институтов страны. Руководитель кафедры сказал мне примерно так: «Я занимаюсь спином больше двадцати лет, кандидатскую и докторскую писал о нём, лучше меня специалистов нет, но и я не могу объяснить, что такое спин».

И он прав. Не существует чёткого понятия, что такое спин. Поэтому невозможно целенаправленно поменять то, природу чего не понимаешь. Пример: никто не знает языка марсиан, поэтому никто не может поменять часть слов этого языка.

В моей интерпретации, спин – это показатель возвращения системы в исходное состояние: через какое количество дробных движений система перейдёт в состояние, не отличимое от предыдущего. Например, у обычного кругового движения 1 круг – это спин, равный 1. В ленте Мёбиуса спин равен 2 – нужно последовательно переместиться по обеим сторонам ленты. У синуса и косинуса спин равен ½.

Есть много разных вариантов, но толчками взад и вперёд спин изменить невозможно. Спин меняется только посредством изменения геометрии пространства, по которому осуществляется движение (лента Мёбиуса), или посредством применения иного алгоритма для описания движения (синус, косинус).

В очередной раз физики из США сморозили глупость. Причина в том, что они взялись решать задачи, не понимая сути исходных положений. А журналисты разнесли эту «сенсацию», как спорынью.