Это явление редко создается в лабораторных условиях, и его можно использовать для изучения некоторых из наиболее сложных концепций космоса, — сказал Майкл Форбс, доцент кафедры физики и астрономии Университета штата Вашингтон и аффилированный доцент Вашингтонского университета. Исследование опубликовано сегодня в журнале Physical Review Letters, где оно отмечено как «Предложение редактора».
Гипотетически материя может иметь отрицательную массу в том же смысле, в каком электрический заряд может быть отрицательным или положительным. Люди редко думают в этих терминах, и наш повседневный мир видит только положительные аспекты Второго закона движения Исаака Ньютона, в котором сила равна массе объекта, умноженной на его ускорение, или F = ma. Другими словами, если вы толкаете объект, он будет ускоряться в том направлении, в котором вы его толкаете.
Масса будет ускоряться в направлении силы.«Это то, что мы обычно делаем», — сказал Форбс, намекая на грядущие странности. «С отрицательной массой, если вы что-то толкнете, оно ускорится к вам».Условия для отрицательной массы
Он и его коллеги создали условия для отрицательной массы, охладив атомы рубидия до уровня чуть выше абсолютного нуля, создав так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. В этом состоянии, предсказанном Сатьендрой Нат Бозом и Альбертом Эйнштейном, частицы движутся чрезвычайно медленно и, следуя принципам квантовой механики, ведут себя как волны.
Они также синхронизируются и движутся в унисон как так называемая сверхтекучая жидкость, которая течет без потери энергии.Под руководством Питера Энгельса, профессора физики и астрономии Университета штата Вашингтон, исследователи на шестом этаже Вебстер-холла создали эти условия, используя лазеры для замедления частиц, делая их более холодными и позволяя горячим частицам высокой энергии улетучиваться, как пар, охлаждая материал. дальше.Лазеры захватили атомы, как если бы они находились в чаше размером менее ста микрон. В этот момент сверхтекучая жидкость рубидия имеет обычную массу.
Если вы сломаете чашу, рубидий выскочит наружу, расширяясь по мере того, как рубидий в центре выталкивается наружу.Чтобы создать отрицательную массу, исследователи применили второй набор лазеров, которые толкали атомы вперед и назад и меняли способ их вращения. Теперь, когда рубидий выбегает достаточно быстро, он ведет себя так, как если бы он имел отрицательную массу. «Когда вы толкаете, он ускоряется в обратном направлении», — сказал Форбс, который выступал в роли теоретика, анализирующего систему. «Похоже, рубидий попадает в невидимую стену».Как избежать основных дефектов
Метод, используемый исследователями WSU, позволяет избежать некоторых основных дефектов, обнаруженных в предыдущих попытках понять отрицательную массу.«Прежде всего, мы можем без каких-либо осложнений точно контролировать природу этой отрицательной массы», — сказал Forbes. Их исследование проясняет с точки зрения отрицательной массы аналогичное поведение, наблюдаемое в других системах.
Этот усиленный контроль дает исследователям новый инструмент для проведения экспериментов по изучению аналогичной физики в астрофизике, например нейтронных звезд, и космологических явлений, таких как черные дыры и темная энергия, где эксперименты невозможны. «Это дает другую среду для изучения фундаментального феномена, который очень своеобразен», — сказал Forbes.