Екзотична матерія: відмінності між версіями

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
[перевірена версія][перевірена версія]
(Створено шляхом перекладу сторінки «Экзотическая материя»)
 
(вікіфікація, оформлення, шаблон, джерела)
Рядок 1: Рядок 1:
'''Екзотична [[Матерія (фізика)|матерія]]''' — поняття [[Фізика елементарних частинок|фізики елементарних частинок]], яке описує будь-яку (як правило, гіпотетичну) [[Речовина (фізика)|речовину]], яка порушує одну чи декілька [[Науковий закон|класичних умов]], або не складається з відомих [[Баріони|баріонів]]. Подібні речовини можуть мати такі якості, як від'ємна [[густина енергії]], чи відштовхуватися, а не притягуватися, внаслідок [[Гравітація|гравітації]]. Екзотична матерія використовується в деяких теоріях, наприклад, у теорії про будову [[Кротовина (фізика)|кротовин]]. Найвідомішим представником екзотичної матерії є вакуум в області з від'ємним тиском, який виробляється [[Ефект Казимира|ефектом Казимира]].
'''Екзотична [[Матерія (фізика)|матерія]]''' — поняття [[Фізика елементарних частинок|фізики елементарних частинок]], яке описує будь-яку (як правило, гіпотетичну) {{нп|Речовина (фізика)|речовину|ru|Вещество}}, яка порушує одну чи декілька [[Науковий закон|класичних умов]], або не складається з відомих [[баріон]]ів. Подібні речовини можуть мати такі якості, як від'ємна [[густина енергії]], чи відштовхуватися, а не притягуватися, внаслідок [[Гравітація|гравітації]]. Екзотична матерія використовується в деяких теоріях, наприклад, у теорії про будову [[Кротовина (фізика)|кротовин]]. Найвідомішим представником екзотичної матерії є вакуум в області з від'ємним тиском, який виробляється [[Ефект Казимира|ефектом Казимира]].


Екзотичною матерією ще називають будь-який [[матеріал]], який важко виробити (наприклад, [[металічний водень]] за високого тиску чи [[Конденсація Бозе — Ейнштейна|конденсат Бозе — Ейнштейна]]) чи який має незвичайні властивості, навіть, якщо ці матеріали створені та відносно добре вивчені.
Екзотичною матерією ще називають будь-який [[матеріал]], який важко виробити (наприклад, [[металічний водень]] за високого тиску чи [[конденсат Бозе — Ейнштейна]]) чи який має незвичайні властивості, навіть, якщо ці матеріали створені та відносно добре вивчені.


Також, так ще можуть називати матеріал, створений із деяких видів [[Екзотичний атом|екзотичних атомів]], у яких роль ядра (позитивно зарядженої частинки) виконує [[позитрон]] ([[позитроній]]) або позитивний [[мюон]] ([[мюоній]]). Маються також атоми з негативним мюоном замість одного з [[Електрон|електронів]] (мюонний атом).
Також, так ще можуть називати матеріал, створений із деяких видів [[Екзотичний атом|екзотичних атомів]], у яких роль ядра (позитивно зарядженої частинки) виконує [[позитрон]] ([[позитроній]]) або позитивний [[мюон]] ([[мюоній]]). Маються також атоми з негативним мюоном замість одного з [[електрон]]ів (мюонний атом).


== Від'ємна маса ==
== Від'ємна маса ==
З тих пір, як [[Ісаак Ньютон|Ньютон]] уперше сформулював свою теорію [[Гравітація|гравітації]], було принаймні три концептуально різні величини, звані [[Маса|масою]]: [[Маса|інертна маса]], «активна» [[Маса|гравітаційна маса]] (тобто джерело гравітаційного поля) та «пасивна» гравітаційна маса. [[Принцип еквівалентності]] [[Альберт Ейнштейн|Ейнштейна]] говорить, що інертна маса повинна дорівнювати пасивній гравітаційній масі, а [[закон збереження імпульсу]] вимагає рівності активної та пасивної гравітаційних мас. Всі експериментальні доведення на даний момент свідчать, що всі вони насправді завжди однакові. Під час розгляду гіпотетичних частинок із від'ємною масою важливо припустити, яка з цих теорій маси хибна. Проте, в більшості випадків під час аналізу від'ємної маси припускається, що принцип еквівалентності та [[закон збереження імпульсу]] все ще застосовні.
З тих пір, як [[Ісаак Ньютон|Ньютон]] уперше сформулював свою теорію [[Гравітація|гравітації]], було принаймні три концептуально різні величини, звані [[Маса|масою]]: [[Маса#Інертна маса|інертна маса]], «активна» [[Маса#Гравітаційна маса|гравітаційна маса]] (тобто джерело гравітаційного поля) та «пасивна» гравітаційна маса. [[Принцип еквівалентності]] [[Альберт Ейнштейн|Ейнштейна]] говорить, що інертна маса повинна дорівнювати пасивній гравітаційній масі, а [[закон збереження імпульсу]] вимагає рівності активної та пасивної гравітаційних мас. Всі експериментальні доведення на даний момент свідчать, що всі вони насправді завжди однакові. Під час розгляду гіпотетичних частинок із від'ємною масою важливо припустити, яка з цих теорій маси хибна. Проте, в більшості випадків під час аналізу від'ємної маси припускається, що принцип еквівалентності та закон збереження імпульсу все ще застосовні.


1957 року [[Герман Бонді]] припустив у роботі в журналі «<nowiki/>[[Reviews of Modern Physics]]<nowiki/>», що маса може бути як додатною, так і від'ємною<ref>H. Bondi (1957), «[http://prola.aps.org/abstract/RMP/v29/i3/p423_1 Negative Mass in General Relativity]», ''Rev. Mod. Phys. 29'' No. 3 July 1957, pp. 423ff</ref>. Він показав, що це не призводить до логічної [[Суперечність|суперечності]], якщо всі три види маси теж будуть від'ємними, але саме прийняття існування від'ємної маси викликає не інтуїтивно-зрозумілі види руху.
1957 року {{нп|Герман Бонді|||Hermann Bondi}} припустив у роботі в журналі «[[Reviews of Modern Physics]]», що маса може бути як додатною, так і від'ємною<ref>{{Стаття|ім'я=H.|прізвище=Bondi|url=http://prola.aps.org/abstract/RMP/v29/i3/p423_1|назва=Negative Mass in General Relativity|видання=[[Reviews of Modern Physics]]|том=29|номер=3|місяць=липень|рік=1957|сторінки=423ff}}</ref>. Він показав, що це не призводить до логічної [[Суперечність|суперечності]], якщо всі три види маси теж будуть від'ємними, але саме прийняття існування від'ємної маси викликає не інтуїтивно-зрозумілі види руху.


З [[Другий закон Ньютона|другого закону Ньютона]]:
З [[Другий закон Ньютона|другого закону Ньютона]]:
: <math>F = m_ia</math>

: <math>F = m_ia \!\;</math>

Видно, що об'єкт із від'ємною інертною масою прискорюватиметься в напрямку, протилежному тому, в якому його штовхнули, що, можливо, здасться дивним.
Видно, що об'єкт із від'ємною інертною масою прискорюватиметься в напрямку, протилежному тому, в якому його штовхнули, що, можливо, здасться дивним.


Якщо вивчати інертну масу <math>m_i</math>, пасивну гравітаційну масу <math>m_p</math> й активну гравітаційну масу <math>m_a</math> окремо, то [[Закон всесвітнього тяжіння|Ньютонів закон всесвітнього тяжіння]] набуде такого вигляду:
Якщо вивчати інертну масу <math>m_i</math>, пасивну гравітаційну масу <math>m_p</math> й активну гравітаційну масу <math>m_a</math> окремо, то [[Закон всесвітнього тяжіння|Ньютонів закон всесвітнього тяжіння]] набуде такого вигляду:

: <math>m_ia=-G\frac{m_pm_a}{r^2}</math>
: <math>m_ia=-G\frac{m_pm_a}{r^2}</math>


Таким чином, об'єкти з від'ємною гравітаційною масою (й пасивною, й активною), але з додатною інертною масою відштовхуватимуться додатними активними масами та притягуватимуться від'ємними активними масами.
Таким чином, об'єкти з від'ємною гравітаційною масою (й пасивною, й активною), але з додатною інертною масою відштовхуватимуться додатними активними масами та притягуватимуться від'ємними активними масами.


Проведено перші досліди, де окремі групи атомів деякий час поводяться як частинки з від'ємною масою<ref>[[Популярная механика]] [http://www.popmech.ru/science/355282-fiziki-sozdali-veshchestvo-s-otritsatelnoy-massoy/ Физики создали вещество с «отрицательной массой»]</ref><ref>''M. A. Khamehchi, Khalid Hossain, M. E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes, and P. Engels'' [https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.155301 Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–Coupled Bose-Einstein Condensate]
Проведено перші досліди, де окремі групи атомів деякий час поводяться як частинки з від'ємною масою<ref>{{Cite news|url=https://www.popmech.ru/science/news-355282-fiziki-sozdali-veshchestvo-s-otritsatelnoy-massoy/|назва=Физики создали вещество с «отрицательной массой»|ім'я=Анастасия|прізвище=Шартогашева|журнал=[[Популярна механіка]]|дата=17 квітня 2017|мовою=російською|мертвий-url=no|дата-доступу=23 червня 2019}}</ref><ref>{{Стаття|ім'я=M.  A.|прізвище=Khamehchi|співавтори=Khalid Hossain, M.  E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes і P. Engels|url=https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.155301|назва=Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–Coupled Bose-Einstein Condensate|журнал=[[Physical Review Letters]]|том=118|номер=155301|дата=10.4.2017|мова=en}}</ref>.
[[Phys. Rev. Lett.]] 118, 155301 – Published 10 April 2017 </ref>.


== Аналіз Форварда ==
== Аналіз Форварда ==
Хоча невідомі частинки з від'ємною масою, фізики (спочатку Г. Бонді та [[Роберт Л. Форвард|Роберт Форвард]]) змогли описати деякі з очікуваних властивостей, якими можуть володіти такі частинки. Припускаючи рівність усіх трьох видів мас, можна побудувати систему, де від'ємні маси притягуються до додатних, у той же час додатні маси відштовхуються від від'ємних. У той же час від'ємні маси створюватимуть силу тяжіння одна до одної, але при цьому відштовхуватимуться через свої від'ємні інерційні маси.
Хоча невідомі частинки з від'ємною масою, фізики (спочатку Г. Бонді та [[Роберт Л. Форвард]]) змогли описати деякі з очікуваних властивостей, якими можуть володіти такі частинки. Припускаючи рівність усіх трьох видів мас, можна побудувати систему, де від'ємні маси притягуються до додатних, у той же час додатні маси відштовхуються від від'ємних. У той же час від'ємні маси створюватимуть силу тяжіння одна до одної, але при цьому відштовхуватимуться через свої від'ємні інерційні маси.


За від'ємного значення <math>m_p</math> та додатного <math>m_a</math> сила <math>F</math> буде від'ємною (відштовхувальною). На перший погляд це виглядає так, нібито від'ємна маса прискорюватиметься вбік від додатної, але, оскільки такий об'єкт також володітиме від'ємною інерційною масою, він прискорюватиметься в напрямку, протилежному <math>F</math>. Більше того, Бонді показав, що, якщо обидві маси дорівнюють за абсолютною величиною, але відрізняються знаком, то загальна система позитивних і негативних частинок прискорюватиметься нескінченно без будь-якого додаткового впливу на систему зовні.
За від'ємного значення <math>m_p</math> та додатного <math>m_a</math> сила <math>F</math> буде від'ємною (відштовхувальною). На перший погляд це виглядає так, нібито від'ємна маса прискорюватиметься вбік від додатної, але, оскільки такий об'єкт також володітиме від'ємною інерційною масою, він прискорюватиметься в напрямку, протилежному <math>F</math>. Більше того, Бонді показав, що, якщо обидві маси дорівнюють за абсолютною величиною, але відрізняються знаком, то загальна система позитивних і негативних частинок прискорюватиметься нескінченно без будь-якого додаткового впливу на систему зовні.
Рядок 32: Рядок 28:
Ця поведінка дивна в тому, що вона абсолютно не узгоджується з нашим уявленням про «звичайний всесвіт» із роботи з додатними масами. Але вона повністю математично довідна та не вводить яких-небудь суперечностей.
Ця поведінка дивна в тому, що вона абсолютно не узгоджується з нашим уявленням про «звичайний всесвіт» із роботи з додатними масами. Але вона повністю математично довідна та не вводить яких-небудь суперечностей.


Може скластися враження, що таке уявлення порушує закон збереження імпульсу та / або [[Закон збереження енергії|енергії]], але в нас маси дорівнюють за абсолютною величиною, одна при цьому додатна, а інша від'ємна, а тому імпульс системи дорівнює нулю, якщо вони обидві рухаються та прискорюються разом, незалежно від швидкості:
Може скластися враження, що таке уявлення порушує [[закон збереження імпульсу]] та&nbsp;/&nbsp;або [[Закон збереження енергії|енергії]], але в нас маси дорівнюють за абсолютною величиною, одна при цьому додатна, а інша від'ємна, а тому імпульс системи дорівнює нулю, якщо вони обидві рухаються та прискорюються разом, незалежно від швидкості:

: <math>P_{sys} = mv + (-m)v = [m+(-m)]v = 0\times v = 0.</math>
: <math>P_{sys} = mv + (-m)v = [m+(-m)]v = 0\times v = 0.</math>


І таке саме рівняння можна обчислити для [[Кінетична енергія|кінетичної енергії]] <math>K_e</math>:
І таке саме рівняння можна обчислити для [[Кінетична енергія|кінетичної енергії]] <math>K_e</math>:

: <math>K_{e\ sys} = {1 \over 2} mv^2 + {1 \over 2}(-m)v^2 = {1 \over 2}[m+(-m)]v^2 = {1 \over 2}(0)v^2 = 0</math>
: <math>K_{e\ sys} = {1 \over 2} mv^2 + {1 \over 2}(-m)v^2 = {1 \over 2}[m+(-m)]v^2 = {1 \over 2}(0)v^2 = 0</math>


Форвард розширив дослідження Бонді на додаткові випадки та показав, що, навіть, якщо дві маси <math>m_{-}</math> і <math>m_{+}</math> не дорівнюють за абсолютною величиною, то рівняння все одно залишаються несуперечливими.
Форвард розширив дослідження Бонді на додаткові випадки та показав, що, навіть, якщо дві маси <math>m_{-}</math> і <math>m_{+}</math> не дорівнюють за абсолютною величиною, то рівняння все одно залишаються несуперечливими.


Деякі властивості, які вводяться цими припущеннями, виглядають незвичайно, наприклад, у суміші [[Газ|газів]] із позитивної та негативної матерій позитивна частина збільшуватиме свою температуру нескінченно. Проте, в такому випадку негативна частина суміші охолоджуватиметься з тією самою швидкістю, тим самим вирівнюючи баланс. Джеффрі А. Лендіс (англ.<span style="white-space: nowrap"><span class="noprint" style="font-size:95%; position: relative; top: .4em;"><span class="ref-info" style="cursor:help;" title="на английском языке">)</span></span></span> відмітив інші застосунки аналізу Форварда<ref>G. Landis, "Comments on Negative Mass Propulsion, " ''J. Propulsion and Power, Vol. 7'' No. 2, 304 (1991).</ref>, включно з указівками на те, що, хоча частинки з від'ємною масою і відштовхуватимуться одна від одної гравітаційно, але електричні сили, наприклад, [[Електричний заряд|заряди]], притягуватимуться один до одного (на відміну від частинок із додатною масою, де такі частинки відштовхуються). В результаті для частинок із від'ємною масою це означає, що гравітаційні й [[Електростатика|електростатичні сили]] поміняються місцями.
Деякі властивості, які вводяться цими припущеннями, виглядають незвичайно, наприклад, у суміші [[газ]]ів із позитивної та негативної матерій позитивна частина збільшуватиме свою температуру нескінченно. Проте, в такому випадку негативна частина суміші охолоджуватиметься з тією самою швидкістю, тим самим вирівнюючи баланс. {{нп|Джеффрі А. Лендіс|||Geoffrey A. Landis}} відмітив інші застосунки аналізу Форварда<ref>{{Стаття|ім'я=G.|прізвище=Landis|назва=Comments on Negative Mass Propulsion|журнал=J. Propulsion and Power|том=7|номер=2|сторінка=304|рік=1991}}</ref>, включно з указівками на те, що, хоча частинки з від'ємною масою і відштовхуватимуться одна від одної гравітаційно, але електричні сили, наприклад, [[Електричний заряд|заряди]], притягуватимуться один до одного (на відміну від частинок із додатною масою, де такі частинки відштовхуються). В результаті для частинок із від'ємною масою це означає, що гравітаційні й [[Електростатика|електростатичні сили]] поміняються місцями.


Форвард запропонував конструкцію [[Ракетний двигун|двигуна космічних кораблів]] із використанням від'ємної маси, який не вимагає надходження енергії та [[Робоче тіло|робочого тіла]] для отримання скільки завгодно більшого прискорення, хоча, звичайно, основною перешкодою є те, що від'ємна маса залишається повністю гіпотетичною.
Форвард запропонував конструкцію [[Ракетний двигун|двигуна космічних кораблів]] із використанням від'ємної маси, який не вимагає надходження енергії та [[Робоче тіло|робочого тіла]] для отримання скільки завгодно більшого прискорення, хоча, звичайно, основною перешкодою є те, що від'ємна маса залишається повністю гіпотетичною.
Рядок 49: Рядок 43:


== Екзотична матерія в загальній теорії відносності ==
== Екзотична матерія в загальній теорії відносності ==
У [[Загальна теорія відносності|загальній теорії відносності]] екзотичною називається матерія, яка порушує ''слабку енергетичну умову (СЕУ)'', тобто така, що її густина енергії в деякій системі відліку від'ємна. Якщо в деякому ортонормованому базисі [[тензор енергії-імпульсу]] діагональний, то СЕУ порушується, коли від'ємний його компонент <math>T_{00}</math> (тобто густина енергії) або <math>T_{00}+ T_{11}</math> (тобто сума густини енергії та тиску в одному з напрямків). Проте, умова додатності густини енергії не є необхідною умовою для математичної довідності теорії (див. детальніше в монографії Віссера<ref>M. Visser (1995) ''Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking'', AIP Press, Woodbury NY, ISBN 1-56396-394-9</ref>).
У [[Загальна теорія відносності|загальній теорії відносності]] екзотичною називається матерія, яка порушує ''слабку енергетичну умову (СЕУ)'', тобто така, що її густина енергії в деякій системі відліку від'ємна. Якщо в деякому ортонормованому базисі [[тензор енергії-імпульсу]] діагональний, то СЕУ порушується, коли від'ємний його компонент <math>T_{00}</math> (тобто густина енергії) або <math>T_{00} + T_{11}</math> (тобто сума густини енергії та тиску в одному з напрямків). Проте, умова додатності густини енергії не є необхідною умовою для математичної довідності теорії (див. детальніше в монографії Віссера<ref>{{Cite journal|ім'я=M.|прізвище=Visser|рік=1995|назва=Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking|видавництво=AIP Press|місце=Woodbury NY|isbn=1-56396-394-9}}</ref>).


Морріс (англ. <span style="font-style:italic">[[:en:Mike Morris (physicist)|<span title="Версия статьи «Майк Моррис (физик)» на английском языке">Morris</span>]]</span><span>)</span>, [[Кіп Торн|Торн]] і Юртсевер<ref>M. Morris, K. Thorne, and U. Yurtsever, [http://prola.aps.org/abstract/PRL/v61/i13/p1446_1 Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition], ''[[Physical Review]], 61'', 13, September 1988, pp. 1446—1449</ref> показали, що квантово-механічний [[ефект Казимира]] може використовуватися для створення локальної області простору часу з від'ємною масою. У цій статті та подальших роботах інших авторів вони показали, що екзотична матерія може використовуватися для стабілізації [[Кротовина (фізика)|кротовини]]. Крамер й інші обґрунтували, що такі кротовини, виникнувши у ранньому Всесвіті, могли стабілізуватися петлями від'ємної маси [[Космічна струна|космічних струн]]<ref>John G. Cramer, Robert L. Forward, Michael S. Morris, Matt Visser, Gregory Benford, and Geoffrey A. Landis, "[http://www.arxiv.org/abs/astro-ph/9409051 Natural Wormholes as Gravitational Lenses], " ''Phys. Rev. D51'' (1995) 3117-3120</ref>. [[Стівен Гокінг]] довів, що екзотична матерія необхідна для появи [[Машина часу|машини часу]] з [[Горизонт Коші|компактно породженим горизонтом Коші]]<ref name="futureofspacetime">{{Cite book|title=The Future of Spacetime|last=Hawking|first=Stephen|date=2002|publisher=W. W. Norton|pages=96|isbn=0-393-02022-3}}</ref>. Це показує, наприклад, що кінцевий обертальний циліндр, на відміну від нескінченного [[Циліндр Тіплера|циліндра Тіплера]], не може використовуватися як машина часу.
{{нп|Майк Морріс|Морріс|en|Mike Morris (physicist)}}, [[Кіп Торн|Торн]] і Юртсевер<ref>{{Стаття|ім'я=M.|прізвище=Morris|співавтори=K. Thorne і U. Yurtsever|url=http://prola.aps.org/abstract/PRL/v61/i13/p1446_1|назва=Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition|журнал=[[Physical Review]]|том=61|номер=13|місяць=вересень|рік=1988|сторінки=1446—1449}}</ref> показали, що квантово-механічний [[ефект Казимира]] може використовуватися для створення локальної області простору часу з від'ємною масою. У цій статті та подальших роботах інших авторів вони показали, що екзотична матерія може використовуватися для стабілізації [[Кротовина (фізика)|кротовини]]. Крамер й інші обґрунтували, що такі кротовини, виникнувши у ранньому Всесвіті, могли стабілізуватися петлями від'ємної маси [[Космічна струна|космічних струн]]<ref>{{Cite journal|ім'я1=John G.|прізвище1=Cramer|ім'я2=Robert L.|прізвище2=Forward|автор-посилання2=Роберт Л. Форвард|ім'я3=Michael S.|прізвище3=Morris|ім'я4=Matt|прізвище4=Visser|ім'я5=Gregory|прізвище5=Benford|ім'я6=Geoffrey A.|прізвище6=Landis|автор-посилання6=Джеффрі А. Лендіс|url=http://www.arxiv.org/abs/astro-ph/9409051|назва=Natural Wormholes as Gravitational Lenses|журнал=Phys. Rev. D51|рік=1995|сторінки=3117—3120}}</ref>. [[Стівен Гокінг]] довів, що екзотична матерія необхідна для появи [[Машина часу|машини часу]] з [[Горизонт Коші|компактно породженим горизонтом Коші]]<ref name="futureofspacetime">{{Cite book|назва=The Future of Spacetime|прізвище=Hawking|ім'я=Stephen|автор-посилання=Стівен Гокінг|рік=2002|видавець=W. W. Norton|сторінки=96|isbn=0-393-02022-3}}</ref>. Це показує, наприклад, що кінцевий обертальний циліндр, на відміну від нескінченного {{|Циліндр Тіплера|циліндра Тіплера|en|Tipler cylinder}}, не може використовуватися як машина часу.


== Уявна маса ==
== Уявна маса ==
'''Тахіон''' — [[Гіпотеза|гіпотетична]] частинка з [[Комплексне число|уявною]] масою спокою, яка завжди рухається [[Швидкість світла|швидше за світло]]. Підтверджень існування тахіонів немає.
'''Тахіон'''&nbsp;— [[Гіпотеза|гіпотетична]] частинка з [[Комплексне число|уявною]] масою спокою, яка завжди рухається [[Швидкість світла|швидше за світло]]. Підтверджень існування тахіонів немає.

: <math>E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}.</math>
: <math>E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}.</math>


Якщо маса спокою є уявною величиною, то знаменник повинен бути уявним (аби уникнути [[Комплексне число|комплексного]] значення [[Енергія|енергії]]). Таким чином, величина під квадратним коренем повинна бути від'ємною, що може відбутися тільки тоді, коли <math>v</math> більше за <math>c</math>.
Якщо маса спокою є уявною величиною, то знаменник повинен бути уявним (аби уникнути [[Комплексне число|комплексного]] значення [[Енергія|енергії]]). Таким чином, величина під квадратним коренем повинна бути від'ємною, що може відбутися тільки тоді, коли <math>v > c</math>.

Теорія тахіонів, запропонована Файнбергом (англ. <span style="font-style:italic">[[:en:Gerald Feinberg|<span title="Версия статьи «Жеральд Файнберг» на английском языке">Feinberg</span>]]</span><span>)</span>, розроблена в одному [[Розмірність простору|вимірі]], але складна для аналізу у трьох вимірах. Як указано [[Грегорі Бенфорд|Бенфордом]] й іншими, між іншим, [[спеціальна теорія відносності]] дозволяє використовувати тахіони, якщо вони існують, для зв'язку назад у часі<ref>G. A. Benford, D. L. Book, and W. A. Newcomb, "[http://link.aps.org/abstract/PRD/v2/p263 The Tachyonic Antitelephone], " Physical Review, part D 2 263, DOI: 10.1103, July 15, 1970, pp. 263—265</ref> (імовірний пристрій має назву {{Не перекладено|Тахіонний антителефон|тахіонного антителефону|en|Tachyonic antitelephone}}). Тому деякі фізики вважають, що тахіони або не існують узагалі, або не можуть взаємодіяти зі звичайною матерією.
Теорія тахіонів, запропонована {{нп|Джеральд Файнберг|Файнбергом|en|Gerald Feinberg}}, розроблена в одному [[Розмірність простору|вимірі]], але складна для аналізу у трьох вимірах. Як указано [[Грегорі Бенфорд|Бенфордом]] й іншими, між іншим, [[спеціальна теорія відносності]] дозволяє використовувати тахіони, якщо вони існують, для зв'язку назад у часі<ref>{{Стаття|ім'я=G. A.|прізвище=Benford|співавтори=D. L. Book і W. A. Newcomb|url=http://link.aps.org/abstract/PRD/v2/p263|назва=The Tachyonic Antitelephone|журнал=[[Physical Review]], частина D|том=2|номер=263|doi=10.1103|дата=15.7.1970|сторінки=263—265}}</ref> (імовірний пристрій має назву {{нп|Тахіонний антителефон|тахіонного антителефону|en|Tachyonic antitelephone}}). Тому деякі фізики вважають, що тахіони або не існують узагалі, або не можуть взаємодіяти зі звичайною матерією.


=== Уявна маса у квантовій теорії поля ===
=== Уявна маса у квантовій теорії поля ===
{{Розділ-доробити|дата=23 червня 2019}}
У [[Квантова теорія поля|квантовій теорії поля]] уявна маса вводить [[Тахіонна конденсація|тахіонну конденсацію]].
У [[Квантова теорія поля|квантовій теорії поля]] уявна маса вводить [[Тахіонна конденсація|тахіонну конденсацію]].


== «В який бік падає антиматерія?» ==
== «В який бік падає антиматерія?» ==
Більшість сучасних фізиків припускає, що [[антиматерія]] володіє додатною гравітаційною масою та повинна падати вниз, як і звичайна матерія. При цьому, проте, деякі дослідники вважають, що до теперішнього часу немає переконливих експериментальних підтверджень цього факту<ref>{{Cite web|url=http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/antimatterFall.html|title=Архивированная копия|accessdate=2006-12-16|archiveurl=https://web.archive.org/web/20061216003443/http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/antimatterFall.html|archivedate=2006-12-16}}</ref><ref>[http://athena-positrons.web.cern.ch/ATHENA-positrons/wwwathena/FAQ.html Antimatter FAQ] {{WebCite}}</ref>. Це пов'язано зі складністю безпосереднього дослідження гравітаційних сил на рівні частинок. На таких малих відстанях електричні сили беруть гору над набагато слабшою гравітаційною взаємодією. Більше того, античастинки повинні зберігатися окремо від їхніх звичайних аналогів, інакше вони швидко [[Анігіляція|анігілюють]]. Очевидно, що це ускладнює пряме вимірювання пасивною гравітаційною маси антиматерії. Експерименти над антиматерією {{Нп|ATHENA||en|}} й {{Не перекладено|ATRAP||en|}} можуть незабаром дати відповіді.
Більшість сучасних фізиків припускає, що [[антиматерія]] володіє додатною гравітаційною масою та повинна падати вниз, як і звичайна матерія. При цьому, проте, деякі дослідники вважають, що до теперішнього часу немає переконливих експериментальних підтверджень цього факту<ref>{{Cite web|url=http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/antimatterFall.html|назва=Antimatter Fall|url-архіву=https://web.archive.org/web/20061216003443/http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/antimatterFall.html|дата-архіву=2006-12-16|дата-доступу=16 грудня 2006}}</ref><ref>{{Cite web|url=http://athena-positrons.web.cern.ch/ATHENA-positrons/wwwathena/FAQ.html|назва=Antimatter FAQ|веб-сайт=athena-positrons.web.cern.ch|url-архіву=https://web.archive.org/web/20110321161343/http://athena-positrons.web.cern.ch/ATHENA-positrons/wwwathena/FAQ.html|дата-архіву=2011-03-21}}</ref>. Це пов'язано зі складністю безпосереднього дослідження гравітаційних сил на рівні частинок. На таких малих відстанях електричні сили беруть гору над набагато слабшою гравітаційною взаємодією. Більше того, античастинки повинні зберігатися окремо від їхніх звичайних аналогів, інакше вони швидко [[Анігіляція|анігілюють]]. Очевидно, що це ускладнює пряме вимірювання пасивною гравітаційною маси антиматерії. Експерименти над антиматерією {{нп|ATHENA}} й {{нп|ATRAP}}&nbsp;можуть незабаром дати відповіді.


Відповіді для інерційної маси, втім, давно відомі з експериментів із [[Бульбашкова камера|бульбашковою камерою]]. Вони переконливо показують, що античастинки мають додатну інертну масу, яка дорівнює масі «звичайних» частинок, але протилежний електричний заряд. У цих експериментах камера зазнає впливу постійного магнітного поля, що змушує частинки рухатися [[Гвинтова лінія|гвинтовою лінією]]. Радіус і напрямок цього руху відповідають відношенню електричного заряду до інертної маси. Пари частинка-античастинка рухаються гвинтовими лініями у протилежних напрямках, але з однаковими радіусами. З цього спостереження робиться висновок про те, що їх відношення електричного заряду до інертної маси відрізняються лише за знаком.
Відповіді для інерційної маси, втім, давно відомі з експериментів із [[Бульбашкова камера|бульбашковою камерою]]. Вони переконливо показують, що античастинки мають додатну інертну масу, яка дорівнює масі «звичайних» частинок, але протилежний електричний заряд. У цих експериментах камера зазнає впливу постійного магнітного поля, що змушує частинки рухатися [[Гвинтова лінія|гвинтовою лінією]]. Радіус і напрямок цього руху відповідають відношенню електричного заряду до інертної маси. Пари частинка-античастинка рухаються гвинтовими лініями у протилежних напрямках, але з однаковими радіусами. З цього спостереження робиться висновок про те, що їх відношення електричного заряду до інертної маси відрізняються лише за знаком.


== Див. також ==
== Див. також ==

* [[Темна матерія]]
* [[Темна матерія]]
* [[Темна енергія]]
* [[Темна енергія]]
Рядок 77: Рядок 71:


== Примітки ==
== Примітки ==
{{Reflist|2}} 
{{Reflist|2}}

{{Бібліоінформація}}
[[Категорія:Гіпотези ядерної фізики]]
[[Категорія:Гіпотези ядерної фізики]]
[[Категорія:Гіпотези фізики елементарних частинок]]
[[Категорія:Гіпотези фізики елементарних частинок]]

Версія за 19:51, 23 червня 2019

Екзотична матерія — поняття фізики елементарних частинок, яке описує будь-яку (як правило, гіпотетичну) речовину[ru], яка порушує одну чи декілька класичних умов, або не складається з відомих баріонів. Подібні речовини можуть мати такі якості, як від'ємна густина енергії, чи відштовхуватися, а не притягуватися, внаслідок гравітації. Екзотична матерія використовується в деяких теоріях, наприклад, у теорії про будову кротовин. Найвідомішим представником екзотичної матерії є вакуум в області з від'ємним тиском, який виробляється ефектом Казимира.

Екзотичною матерією ще називають будь-який матеріал, який важко виробити (наприклад, металічний водень за високого тиску чи конденсат Бозе — Ейнштейна) чи який має незвичайні властивості, навіть, якщо ці матеріали створені та відносно добре вивчені.

Також, так ще можуть називати матеріал, створений із деяких видів екзотичних атомів, у яких роль ядра (позитивно зарядженої частинки) виконує позитрон (позитроній) або позитивний мюон (мюоній). Маються також атоми з негативним мюоном замість одного з електронів (мюонний атом).

Від'ємна маса

З тих пір, як Ньютон уперше сформулював свою теорію гравітації, було принаймні три концептуально різні величини, звані масою: інертна маса, «активна» гравітаційна маса (тобто джерело гравітаційного поля) та «пасивна» гравітаційна маса. Принцип еквівалентності Ейнштейна говорить, що інертна маса повинна дорівнювати пасивній гравітаційній масі, а закон збереження імпульсу вимагає рівності активної та пасивної гравітаційних мас. Всі експериментальні доведення на даний момент свідчать, що всі вони насправді завжди однакові. Під час розгляду гіпотетичних частинок із від'ємною масою важливо припустити, яка з цих теорій маси хибна. Проте, в більшості випадків під час аналізу від'ємної маси припускається, що принцип еквівалентності та закон збереження імпульсу все ще застосовні.

1957 року Герман Бонді[en] припустив у роботі в журналі «Reviews of Modern Physics», що маса може бути як додатною, так і від'ємною[1]. Він показав, що це не призводить до логічної суперечності, якщо всі три види маси теж будуть від'ємними, але саме прийняття існування від'ємної маси викликає не інтуїтивно-зрозумілі види руху.

З другого закону Ньютона:

Видно, що об'єкт із від'ємною інертною масою прискорюватиметься в напрямку, протилежному тому, в якому його штовхнули, що, можливо, здасться дивним.

Якщо вивчати інертну масу , пасивну гравітаційну масу й активну гравітаційну масу окремо, то Ньютонів закон всесвітнього тяжіння набуде такого вигляду:

Таким чином, об'єкти з від'ємною гравітаційною масою (й пасивною, й активною), але з додатною інертною масою відштовхуватимуться додатними активними масами та притягуватимуться від'ємними активними масами.

Проведено перші досліди, де окремі групи атомів деякий час поводяться як частинки з від'ємною масою[2][3].

Аналіз Форварда

Хоча невідомі частинки з від'ємною масою, фізики (спочатку Г. Бонді та Роберт Л. Форвард) змогли описати деякі з очікуваних властивостей, якими можуть володіти такі частинки. Припускаючи рівність усіх трьох видів мас, можна побудувати систему, де від'ємні маси притягуються до додатних, у той же час додатні маси відштовхуються від від'ємних. У той же час від'ємні маси створюватимуть силу тяжіння одна до одної, але при цьому відштовхуватимуться через свої від'ємні інерційні маси.

За від'ємного значення та додатного сила буде від'ємною (відштовхувальною). На перший погляд це виглядає так, нібито від'ємна маса прискорюватиметься вбік від додатної, але, оскільки такий об'єкт також володітиме від'ємною інерційною масою, він прискорюватиметься в напрямку, протилежному . Більше того, Бонді показав, що, якщо обидві маси дорівнюють за абсолютною величиною, але відрізняються знаком, то загальна система позитивних і негативних частинок прискорюватиметься нескінченно без будь-якого додаткового впливу на систему зовні.

Ця поведінка дивна в тому, що вона абсолютно не узгоджується з нашим уявленням про «звичайний всесвіт» із роботи з додатними масами. Але вона повністю математично довідна та не вводить яких-небудь суперечностей.

Може скластися враження, що таке уявлення порушує закон збереження імпульсу та / або енергії, але в нас маси дорівнюють за абсолютною величиною, одна при цьому додатна, а інша від'ємна, а тому імпульс системи дорівнює нулю, якщо вони обидві рухаються та прискорюються разом, незалежно від швидкості:

І таке саме рівняння можна обчислити для кінетичної енергії :

Форвард розширив дослідження Бонді на додаткові випадки та показав, що, навіть, якщо дві маси і не дорівнюють за абсолютною величиною, то рівняння все одно залишаються несуперечливими.

Деякі властивості, які вводяться цими припущеннями, виглядають незвичайно, наприклад, у суміші газів із позитивної та негативної матерій позитивна частина збільшуватиме свою температуру нескінченно. Проте, в такому випадку негативна частина суміші охолоджуватиметься з тією самою швидкістю, тим самим вирівнюючи баланс. Джеффрі А. Лендіс[en] відмітив інші застосунки аналізу Форварда[4], включно з указівками на те, що, хоча частинки з від'ємною масою і відштовхуватимуться одна від одної гравітаційно, але електричні сили, наприклад, заряди, притягуватимуться один до одного (на відміну від частинок із додатною масою, де такі частинки відштовхуються). В результаті для частинок із від'ємною масою це означає, що гравітаційні й електростатичні сили поміняються місцями.

Форвард запропонував конструкцію двигуна космічних кораблів із використанням від'ємної маси, який не вимагає надходження енергії та робочого тіла для отримання скільки завгодно більшого прискорення, хоча, звичайно, основною перешкодою є те, що від'ємна маса залишається повністю гіпотетичною.

Форвард також увів термін «нуліфікація» для опису того, що відбувається, коли зустрічаються звичайна та негативна матерій. Очікується, що вони можуть взаємно знищитися чи «обнулити» існування одна одної, причому після цього не залишиться жодної енергії. Проте легко показати, що деякий імпульс може залишитися (його не залишиться, якщо вони рухаються в одному напрямку, як описано вище, але їм потрібно рухатися назустріч одна до одної, щоби зустрітися та взаємно обнулитися). Це може, у свою чергу, пояснити, чому рівні кількості звичайної та негативної матерії не з'являються раптово з нізвідки (протилежність нуліфікації): в цій події не буде збережено імпульсу в жодної з них.

Екзотична матерія в загальній теорії відносності

У загальній теорії відносності екзотичною називається матерія, яка порушує слабку енергетичну умову (СЕУ), тобто така, що її густина енергії в деякій системі відліку від'ємна. Якщо в деякому ортонормованому базисі тензор енергії-імпульсу діагональний, то СЕУ порушується, коли від'ємний його компонент (тобто густина енергії) або (тобто сума густини енергії та тиску в одному з напрямків). Проте, умова додатності густини енергії не є необхідною умовою для математичної довідності теорії (див. детальніше в монографії Віссера[5]).

Морріс[en], Торн і Юртсевер[6] показали, що квантово-механічний ефект Казимира може використовуватися для створення локальної області простору часу з від'ємною масою. У цій статті та подальших роботах інших авторів вони показали, що екзотична матерія може використовуватися для стабілізації кротовини. Крамер й інші обґрунтували, що такі кротовини, виникнувши у ранньому Всесвіті, могли стабілізуватися петлями від'ємної маси космічних струн[7]. Стівен Гокінг довів, що екзотична матерія необхідна для появи машини часу з компактно породженим горизонтом Коші[8]. Це показує, наприклад, що кінцевий обертальний циліндр, на відміну від нескінченного {{|Циліндр Тіплера|циліндра Тіплера|en|Tipler cylinder}}, не може використовуватися як машина часу.

Уявна маса

Тахіон — гіпотетична частинка з уявною масою спокою, яка завжди рухається швидше за світло. Підтверджень існування тахіонів немає.

Якщо маса спокою є уявною величиною, то знаменник повинен бути уявним (аби уникнути комплексного значення енергії). Таким чином, величина під квадратним коренем повинна бути від'ємною, що може відбутися тільки тоді, коли .

Теорія тахіонів, запропонована Файнбергом[en], розроблена в одному вимірі, але складна для аналізу у трьох вимірах. Як указано Бенфордом й іншими, між іншим, спеціальна теорія відносності дозволяє використовувати тахіони, якщо вони існують, для зв'язку назад у часі[9] (імовірний пристрій має назву тахіонного антителефону[en]). Тому деякі фізики вважають, що тахіони або не існують узагалі, або не можуть взаємодіяти зі звичайною матерією.

Уявна маса у квантовій теорії поля

У квантовій теорії поля уявна маса вводить тахіонну конденсацію.

«В який бік падає антиматерія?»

Більшість сучасних фізиків припускає, що антиматерія володіє додатною гравітаційною масою та повинна падати вниз, як і звичайна матерія. При цьому, проте, деякі дослідники вважають, що до теперішнього часу немає переконливих експериментальних підтверджень цього факту[10][11]. Це пов'язано зі складністю безпосереднього дослідження гравітаційних сил на рівні частинок. На таких малих відстанях електричні сили беруть гору над набагато слабшою гравітаційною взаємодією. Більше того, античастинки повинні зберігатися окремо від їхніх звичайних аналогів, інакше вони швидко анігілюють. Очевидно, що це ускладнює пряме вимірювання пасивною гравітаційною маси антиматерії. Експерименти над антиматерією ATHENA й ATRAP[en] можуть незабаром дати відповіді.

Відповіді для інерційної маси, втім, давно відомі з експериментів із бульбашковою камерою. Вони переконливо показують, що античастинки мають додатну інертну масу, яка дорівнює масі «звичайних» частинок, але протилежний електричний заряд. У цих експериментах камера зазнає впливу постійного магнітного поля, що змушує частинки рухатися гвинтовою лінією. Радіус і напрямок цього руху відповідають відношенню електричного заряду до інертної маси. Пари частинка-античастинка рухаються гвинтовими лініями у протилежних напрямках, але з однаковими радіусами. З цього спостереження робиться висновок про те, що їх відношення електричного заряду до інертної маси відрізняються лише за знаком.

Див. також

Примітки

  1. Bondi H. Negative Mass in General Relativity // Reviews of Modern Physics. — 1957. — Т. 29, № 3 (липень). — С. 423ff.
  2. Шартогашева, Анастасия (17 квітня 2017). Физики создали вещество с «отрицательной массой». Популярна механіка (російською). Процитовано 23 червня 2019. 
  3. Khamehchi M.  A. Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–Coupled Bose-Einstein Condensate / Khalid Hossain, M.  E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes і P. Engels // Physical Review Letters. — 2017. — Vol. 118, no. 155301 (10 April).
  4. Landis G. Comments on Negative Mass Propulsion // J. Propulsion and Power. — 1991. — Т. 7, № 2.
  5. Visser, M. (1995). Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking. Woodbury NY: AIP Press. ISBN 1-56396-394-9. 
  6. Morris M. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition / K. Thorne і U. Yurtsever // Physical Review. — 1988. — Т. 61, № 13 (вересень). — С. 1446—1449.
  7. Cramer, John G.; Forward, Robert L.; Morris, Michael S.; Visser, Matt; Benford, Gregory; Landis, Geoffrey A. (1995). Natural Wormholes as Gravitational Lenses. Phys. Rev. D51: 3117—3120. 
  8. Hawking, Stephen (2002). The Future of Spacetime. W. W. Norton. с. 96. ISBN 0-393-02022-3. 
  9. Benford G. A. The Tachyonic Antitelephone / D. L. Book і W. A. Newcomb // Physical Review, частина D. — 1970. — Т. 2, № 263 (15 липня). — С. 263—265. — DOI:10.1103.
  10. Antimatter Fall. Архів оригіналу за 16 грудня 2006. Процитовано 16 грудня 2006. 
  11. Antimatter FAQ. athena-positrons.web.cern.ch. Архів оригіналу за 21 березня 2011.