Materie exotică

Materia exotică este un concept de fizică a particulelor elementare care descrie orice materie (de obicei ipotetică) care încalcă una sau mai multe condiții clasice sau nu constă din barioni cunoscuți . Astfel de substanțe pot avea proprietăți precum densitatea de energie negativă sau pot fi respinse mai degrabă decât atrase din cauza gravitației . Materia exotică este folosită în unele teorii, cum ar fi teoria despre structura găurilor de vierme . Cel mai cunoscut reprezentant al materiei exotice este vidul dintr-o regiune cu presiune negativă produsă de efectul Casimir .

Materia exotică este numită și orice material greu de produs (de exemplu, hidrogen metalic la presiune ridicată sau condensat Bose-Einstein ) sau care are proprietăți neobișnuite, chiar dacă aceste materiale sunt create și relativ bine studiate.

Materia exotică poate fi numită un material creat din anumite tipuri de atomi exotici , în care rolul nucleului (particulă încărcată pozitiv) este îndeplinit de un pozitron ( pozitroniu ) sau un muon pozitiv ( muonium ). Există și atomi cu un muon negativ în loc de unul dintre electroni (atomul muonic).

Masă negativă

De când Newton și-a formulat pentru prima dată teoria gravitației , au existat cel puțin trei cantități distincte conceptual numite masă : masa inerțială, masa gravitațională „activă” (adică sursa câmpului gravitațional) și masa gravitațională „pasivă”. Principiul echivalenței lui Einstein afirmă că masa inerțială trebuie să fie egală cu masa gravitațională pasivă, iar legea conservării impulsului cere ca masa gravitațională activă și pasivă să fie egală. Toate dovezile experimentale de până acum sugerează că toate sunt de fapt întotdeauna la fel. Când luăm în considerare particulele ipotetice cu masă negativă, este important să ghicim care dintre aceste teorii de masă este incorectă. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, atunci când se analizează masa negativă, se presupune că principiul echivalenței și legea conservării impulsului încă se aplică.

În 1957, Hermann Bondy , scriind în Reviews of Modern Physics , a sugerat că masa poate fi fie pozitivă, fie negativă [1] . El a arătat că acest lucru nu duce la o contradicție logică dacă toate cele trei tipuri de masă sunt și negative, dar însăși acceptarea existenței unei mase negative provoacă tipuri de mișcare intuitiv de neînțeles.

Din a doua lege a lui Newton :

F=m_{i}a\!\;

se poate observa că un obiect cu o masă inerțială negativă va accelera în direcția opusă celei în care a fost împins, ceea ce poate părea ciudat.

Dacă studiem separat masa inerțială , masa gravitațională pasivă și masa gravitațională activă , atunci legea gravitației universale a lui Newton va lua următoarea formă: $m_i$ $m_{p}$ $m_{a}$

m_{i}a=-G{\frac {m_{p}m_{a}}{r^{2}}}

Astfel, obiectele cu masă gravitațională negativă (atât pasiva, cât și activă) dar cu masă inerțială pozitivă vor fi respinse de mase active pozitive și atrase de mase active negative.

Au fost efectuate primele experimente, în care grupuri separate de atomi se comportă de ceva timp ca particule cu o masă negativă. [2] [3]

Analiza lui Forward

Deși particulele cu masă negativă nu sunt cunoscute, fizicienii (inițial G. Bondy și Robert Forward ) au fost capabili să descrie unele dintre proprietățile așteptate pe care le-ar putea avea astfel de particule. Presupunând că toate cele trei tipuri de mase sunt egale, este posibil să se construiască un sistem în care masele negative sunt atrase de masele pozitive, în timp ce masele pozitive sunt respinse de masele negative. În același timp, masele negative vor crea o forță de atracție unele față de altele, dar vor fi respinse datorită maselor lor inerțiale negative.

Cu o valoare negativă și o valoare pozitivă a , forța va fi negativă (repulsivă). La prima vedere, se pare că masa negativă s-ar accelera departe de masa pozitivă, dar întrucât un astfel de obiect ar avea și o masă inerțială negativă, ar accelera în direcția opusă . Mai mult, Bondy a arătat că, dacă ambele mase sunt egale în valoare absolută, dar diferă în semn, atunci sistemul total de particule pozitive și negative se va accelera la infinit fără nicio influență suplimentară asupra sistemului din exterior. $m_{p}$ $m_{a}$ $F$ $F$

Acest comportament este ciudat prin faptul că nu se potrivește cu ideea noastră despre „universul obișnuit” din lucrul cu mase pozitive. Dar este complet consistent din punct de vedere matematic și nu introduce nicio contradicție.

Poate părea că o astfel de reprezentare încalcă legea conservării impulsului și/sau energiei , dar avem că masele sunt egale în valoare absolută, una este pozitivă și cealaltă este negativă, ceea ce înseamnă că impulsul sistemului este zero dacă amândoi se mișcă împreună și accelerează împreună, indiferent de viteză:

P_{{sys}}=mv+(-m)v=[m+(-m)]v=0\times v=0.

Și aceeași ecuație poate fi calculată pentru energia cinetică : $K_{e}$

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

Forward a extins cercetarea lui Bondi la cazuri suplimentare și a arătat că, chiar dacă două mase și nu sunt egale în valoare absolută, ecuațiile rămân în continuare consistente. $m_{{-}}$ $m_{{+}}$

Unele proprietăți care sunt introduse de aceste ipoteze par neobișnuite, de exemplu, într-un amestec de gaz de materie pozitivă și un gaz de materie negativă, partea pozitivă își va crește temperatura la nesfârșit. Cu toate acestea, în acest caz, partea negativă a amestecului se va răci în aceeași viteză, egalând astfel echilibrul. Geoffrey A. Landisa notat alte aplicații ale analizei lui Forward [4] , inclusiv indicații că, deși particulele cu masă negativă se vor respinge gravitațional, forțele electrice, cum ar fi sarcinile , se vor atrage reciproc (spre deosebire de particulele cu masă pozitivă, unde astfel de particule sunt respinse) . Ca rezultat, pentru particulele cu masă negativă, aceasta înseamnă că forțele gravitaționale și electrostatice sunt inversate.

Forward a propus un design de motor de navă spațială cu masă negativă care nu necesită un aflux de energie și un fluid de lucru pentru a obține o accelerație arbitrar de mare, deși, desigur, principalul obstacol este că masa negativă rămâne complet ipotetică.

Forward a inventat, de asemenea, termenul de „anulare” pentru a descrie ceea ce se întâmplă atunci când materia normală și cea negativă se întâlnesc. Este de așteptat ca ei să se poată anihila sau „anuliza” reciproc existența unul altuia, iar după aceea nu va mai rămâne energie. Cu toate acestea, este ușor să arăți că poate rămâne un anumit impuls (nu va rămâne dacă se mișcă în aceeași direcție, așa cum este descris mai sus, dar trebuie să se îndrepte unul spre celălalt pentru a se întâlni și a se anula reciproc). Acest lucru poate, la rândul său, să explice de ce cantități egale de materie obișnuită și negative nu apar dintr-o dată de nicăieri (opusul anulării): în acest caz, impulsul fiecăruia dintre ele nu va fi conservat.

Materia exotică în relativitatea generală

În teoria generală a relativității , materia exotică se numește materie care încalcă condiția de energie slabă (SEC) , adică astfel încât densitatea sa de energie într-un cadru de referință este negativă. Dacă într-o bază ortonormală tensorul energie-impuls este diagonal, atunci SES este încălcat atunci când componenta sa (adică densitatea de energie) sau (adică suma densității energiei și presiunii într-una dintre direcții) este negativă. . Totuși, condiția de pozitivitate a densității energetice nu este o condiție necesară pentru consistența matematică a teoriei (pentru mai multe detalii, vezi monografia lui Visser [5] ). $T_{{00}}$ $T_{{0}}+T_{{11}}$

Morris , Thorn și Yurtsever [ 6] au arătatcă efectul mecanic cuantic Casimir poate fi folosit pentru a crea o regiune locală de spațiu-timp cu masă negativă . În acest articol și în lucrările ulterioare ale altora, ei au arătat că materia exotică poate fi folosită pentru a stabiliza o gaură de vierme . Kramer și colab. au susținut că astfel de găuri de vierme, apărute în Universul timpuriu, ar putea fi stabilizate prin bucle ale masei negative a corzilor cosmice [7] . Stephen Hawking a demonstrat că materia exotică este necesară pentru apariția unei mașini a timpului cu un orizont Cauchy generat compact [8] . Aceasta arată, de exemplu, că un cilindru rotativ finit, spre deosebire de un cilindru Tipler infinit , nu poate fi folosit ca o mașină a timpului.

Masă imaginară

Tahionul este o particulă ipotetică cu o masă imaginară de repaus care se mișcă întotdeauna mai repede decât viteza luminii . Nu există dovezi pentru existența tahionilor.

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

Dacă masa în repaus este o mărime imaginară, atunci numitorul trebuie să fie imaginar (pentru a evita valoarea complexă a energiei ). Astfel, valoarea de sub rădăcina pătrată trebuie să fie negativă, ceea ce se poate întâmpla numai atunci când este mai mare decât . Teoria tahionilor propusă de Feinberg este dezvoltată într- o singură dimensiune , dar greu de analizat în trei dimensiuni. Așa cum au subliniat de către Benford și colab., printre altele, relativitatea specială permite utilizarea tahionilor, dacă există, să comunice înapoi în timp [9] (dispozitivul propus se numește tahion antibodyphone ). Prin urmare, unii fizicieni cred că tahionii fie nu există deloc, fie nu pot interacționa cu materia obișnuită. $v$ $c$

Masa imaginară în teoria câmpului cuantic

În teoria câmpului cuantic, masa imaginară introduce condensarea tahionica .

„În ce direcție cade antimateria?”

Majoritatea fizicienilor moderni cred că antimateria are o masă gravitațională pozitivă și ar trebui să cadă ca materia obișnuită. Unii cercetători consideră că până în prezent nu există o confirmare experimentală convingătoare a acestui fapt [10] [11] . Acest lucru se datorează dificultății de a studia direct forțele gravitaționale la nivel de particule. La distanțe atât de mici, forțele electrice au prioritate față de forța gravitațională mult mai slabă. În plus, antiparticulele trebuie păstrate separate de omologii lor convenționali, altfel se vor anihila rapid . Evident, acest lucru face dificilă măsurarea directă a masei gravitaționale pasive a antimateriei. Experimentele pe antimaterie ATHENA ( ing. ATHENA ) și ATRAP ( ing. ATRAP ) vor ajuta la găsirea răspunsurilor.

Cu toate acestea, răspunsurile pentru masa inerțială sunt cunoscute de mult din experimentele cu o cameră cu bule . Ele arată în mod convingător că antiparticulele au o masă inerțială pozitivă, egală cu masa particulelor „obișnuite”, dar sarcina electrică opusă. În aceste experimente, camera este supusă unui câmp magnetic constant, care face ca particulele să se miște într- o spirală . Raza și direcția acestei mișcări corespund raportului dintre sarcina electrică și masa inerțială. Perechile particule-antiparticule se deplasează de-a lungul liniilor elicoidale în direcții opuse, dar cu aceleași raze. Din această observație, se concluzionează că raporturile dintre sarcina electrică și masa inerțială din această pereche diferă doar în semn.

Vezi și

Note

↑ H. Bondi (1957), „ Masa negativă în relativitatea generală ”, Rev. Mod. Fiz. 29 nr. 3 iulie 1957, pp. 423 și urm
↑ Fizicienii populari din mecanică au creat o substanță cu o „masă negativă”
↑ M. A. Khamehchi, Khalid Hossain, M. E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes și P. Engels Hidrodinamica de masă negativă într-un condensat Bose-Einstein cuplat cu orbită de rotație. Rev. Lett. 118, 155301 – Publicat 10 aprilie 2017
↑ G. Landis, „Comentarii asupra propulsiei în masă negativă”, J. Propulsion and Power, voi. 7 nr. 2, 304 (1991).
↑ M. Visser (1995) Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking , AIP Press, Woodbury NY, ISBN 1-56396-394-9
↑ M. Morris, K. Thorne și U. Yurtsever, Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition , Physical Review , 61 , 13, septembrie 1988, pp. 1446-1449
↑ John G. Cramer, Robert L. Forward, Michael S. Morris, Matt Visser, Gregory Benford și Geoffrey A. Landis, „ Găuri de vierme naturale ca lentile gravitaționale ”, Phys. Rev. D51 (1995) 3117-3120
↑ Hawking, Stephen. Viitorul spațiu-timpului. - WW Norton , 2002. - P. 96. - ISBN 0-393-02022-3 .
↑ GA Benford, DL Book și WA Newcomb, „ The Tachyonic Antitelephone ”, Physical Review, partea D 2 263, DOI: 10.1103, 15 iulie 1970, pp. 263-265
↑ Copie arhivată . Consultat la 16 decembrie 2006. Arhivat din original pe 16 decembrie 2006. (nedefinit)
↑ Întrebări frecvente despre antimaterie Arhivat 21 martie 2011.