Существуют ли частицы с отрицательной массой? Если да, это имело бы драматические последствия как для фундаментальной физики, так и для будущих технологий.
Сегодня утром мне пришло в голову, что если бы частицы с отрицательной массой действительно существовали, то масса астрофизических чёрных дыр быстро бы возросла до бесконечности, что противоречит наблюдательным данным.
Астрофизические чёрные дыры рождаются в двух семьях. Одна возникает в результате гравитационного коллапса ядер массивных звёзд, после того как звёзды исчерпывают запасы ядерного топлива, которые удерживают их от гравитационного сжатия. Эти чёрные дыры звёздной массы охватывают диапазон от нескольких до нескольких сотен солнечных масс, согласно данным, собранным гравитационно-волновыми обсерваториями и рентгеновскими телескопами. Вторая семья включает сверхмассивные чёрные дыры, которые формируются в результате притока газа к центрам галактик. Эти гиганты наблюдаются с массами от долей миллиона солнечных масс до десятков миллиардов.
В 1974 году Стивен Хокинг понял, что чёрные дыры испаряются, излучая тепловое излучение. Это излучение характеризуется длиной волны, сравнимой с размером горизонта чёрной дыры. Этот процесс испарения логичен, поскольку гравитационная "тюрьма" с границами в виде горизонта событий не может удержать "пухлого заключённого", чей размер превышает расстояние между стенами этой тюрьмы. Вакуумные флуктуации с длинными волнами материализуются и ускользают за пределы горизонта событий. Утекающее излучение уносит энергию, уменьшая массу чёрной дыры со временем. Температура этого излучения возрастает по мере уменьшения массы чёрной дыры, так как размер горизонта пропорционален массе чёрной дыры и соответствует более коротким длинам волн при меньших массах.
Когда температура Хокинга достигает энергии покоя массивных частиц, таких как электрон или его античастица — позитрон, чёрная дыра начинает испускать пары электрон-позитрон. Однако при более низких температурах испускание пар подавляется экспоненциально за счёт отношения энергии покоя электрона, mc², к тепловой энергии, kT. Этот экспоненциальный фактор подавления отражает пониженную вероятность возникновения тепловой вакуумной флуктуации с необходимой энергией и называется фактором Больцмана подавления: exp{-mc²/kT}.
Но если бы существовали частицы с отрицательной массой, то вероятность их испускания наоборот, усиливалась бы экспоненциально при температурах ниже их энергии покоя, из-за смены знака в факторе Больцмана: exp{mc²/kT}. То, что для частиц с положительной массой было фактором подавления, для частиц с отрицательной массой стало бы фактором усиления. За счёт испускания частиц с отрицательной массой масса чёрной дыры начала бы расти, а температура Хокинга снижаться, что делало бы фактор Больцмана ещё больше. По мере роста массы и снижения температуры Хокинга ускорялось бы экспоненциальное усиление. Этот процесс вышел бы из-под контроля и привёл бы к стремительному расхождению масс астрофизических чёрных дыр — чего мы не наблюдаем во Вселенной. Следовательно, частицы с отрицательной массой, значительно превышающей по модулю температуру Хокинга самых массивных астрофизических чёрных дыр (10⁻¹⁸ Кельвинов), не существуют в природе.
Возможное существование экзотической материи с частицами отрицательной массы ранее рассматривалось как способ создания проходимых червоточин, машин времени или сверхсветовых путешествий. Насколько нам известно, все эти возможности исключаются, если существует только материя с положительной массой.
В новой статье, которую я написал совместно с Марком Херцбергом и Айданом Морхауcом и которая была недавно опубликована в престижном журнале Physical Review, мы также показали, что массивные сверхсветовые частицы, называемые тахионами, исключаются стабильностью астрофизических чёрных дыр по отношению к излучению Хокинга.
Как хорошо известно, физическая реальность не допускает все плоды нашего воображения. Это и отличает физику от математики или философии. Многие красивые идеи теряют свою жизнеспособность под гильотиной экспериментальных данных. К огорчению писателей-фантастов, насколько нам известно, предел скорости для межзвёздных путешествий — это скорость света. В отличие от ограничений скорости на автостраде, законы физики нарушить нельзя.
Возможно, иные формы экзотической материи, способствующие межзвёздным путешествиям, известны инопланетным учёным. Древнейшие космические цивилизации могли воспользоваться миллиардами лет развития науки и технологий, чтобы разобраться в устройстве Вселенной. Нам срочно нужно их мнение о природе тёмной материи и тёмной энергии, которые по-прежнему неизвестны землянам. Неделю назад была опубликована новая статья, в которой объявили об открытии самой ранней галактики по данным телескопа Джеймса Уэбба. Эта галактика, названная MoM-z14, существовала через 280 миллионов лет после Большого взрыва. Это открытие согласуется с предсказанием в моём учебнике десятилетней давности, что первые звёзды образовались уже через 100 миллионов лет после Большого взрыва. MoM-z14 возникла как минимум за 8,9 миллиарда лет до Солнца, и любая цивилизация, появившаяся в ней, имела массу времени, чтобы во всём разобраться задолго до появления человечества на космической сцене. С этой точки зрения совершенно неуместно воображать, будто мы находимся на вершине космической пищевой цепи.
Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos