Физики Вашингтонского университета создали жидкость с отрицательной массой. 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. Это явление редко создается в лабораторных условиях и может быть использовано для изучения некоторых более сложных концепций о космосе, говорит Майкл Форбс, доцент, физик и астроном Вашингтонского университета. Исследование появилось в Physical Review Letters.

Гипотетически вещество может иметь отрицательную массу в том же смысле, в котором электрический заряд может быть как отрицательным, так и положительным. Люди редко задумываются об этом, и наш повседневный мир демонстрирует только положительные аспекты Второго закона движения Исаака Ньютона, согласно котором сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение, или F = ma.

Другими словами, если вы толкнете объект, он ускорится в направлении вашего толчка. Масса ускорит его в направлении силы.

«Мы привыкли именно к такому положению дел», говорит Форбс, предвосхищая сюрприз. «С отрицательной массой, если вы что-то толкнете, оно ускорится по направлению к вам».

Условия для отрицательной массы

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.

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.

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.

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».

Устранение основных дефектов

Метод, который использовали ученые Вашингтонского университета, позволил избежать некоторые из основных дефектов, обнаруженных в предыдущих попытках понять отрицательную массу.

«Первое, что мы поняли, это что мы имеем тщательный контроль над природой этой отрицательной массы без каких-либо других осложнений», говорит Форбс. Их исследование разъясняет, уже с позиции отрицательной массы, подобное поведение в других системах. Повышенный контроль дает исследователям новый инструмент для разработки экспериментов по изучению подобной физики в астрофизике, на примере нейтронных звезд, и космологических явлений вроде черных дыр и темной энергии, где эксперименты попросту невозможны.