Существуют ли частицы с отрицательной массой? Если да, это имело бы драматические последствия как для фундаментальной физики, так и для технологий будущего.
Сегодня утром мне пришло в голову, что если бы существовали частицы с отрицательной массой, то масса астрофизических чёрных дыр стремительно увеличивалась бы, что противоречит наблюдаемым данным.
Астрофизические чёрные дыры рождаются в двух семействах. Первое образуется в результате гравитационного коллапса ядер массивных звёзд после того, как они исчерпывают ядерное топливо, поддерживающее их против действия гравитации. Эти чёрные дыры звёздной массы охватывают диапазон от нескольких до нескольких сотен солнечных масс, согласно данным, собранным гравитационно-волновыми обсерваториями и рентгеновскими телескопами. Второе семейство включает сверхмассивные чёрные дыры, которые формируются за счёт притока газа к центрам галактик. Эти гиганты наблюдаются с массами от долей миллиона до десятков миллиардов солнечных масс.
В 1974 году Стивен Хокинг понял, что чёрные дыры испаряются, излучая тепловое излучение. Это излучение характеризуется длиной волны, сравнимой с размером горизонта событий чёрной дыры. Этот процесс испарения логичен, поскольку «тюремное» пространство-время, ограниченное горизонтом событий, не может удержать «пухлого заключённого», чей размер превышает расстояние между «стенами тюрьмы». Вакуумные флуктуации с длинными волнами материализуются и ускользают из-под горизонта событий. Это утечка излучения уносит энергию, что со временем уменьшает массу чёрной дыры. Температура излучения возрастает по мере уменьшения массы чёрной дыры, поскольку размер горизонта пропорционален массе, а меньшая масса соответствует излучению с более короткой длиной волны.
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 таких пар подавляется экспоненциально — за счёт отношения энергии покоя электрона, mc², к тепловой энергии, kT. Этот экспоненциальный подавляющий фактор отражает сниженную вероятность возникновения флуктуации вакуума с нужной энергией и называется болцмановским фактором подавления — exp{-mc²/kT}.
Но если бы существовали частицы с отрицательной массой, то вероятность их излучения, напротив, возрастала бы экспоненциально при температурах ниже их энергии покоя — из-за смены знака в болцмановском факторе: exp{mc²/kT}. То, что являлось фактором подавления для частиц с положительной массой, превращается в фактор усиления для частиц с отрицательной массой. При испускании частиц с отрицательной массой масса чёрной дыры увеличивалась бы, а температура Хокинга снижалась бы, что ещё сильнее усиливало бы болцмановский фактор. С ростом массы и падением температуры этот эффект «усиления» только ускорялся бы. Такой неуправляемый процесс привёл бы к стремительному увеличению массы астрофизических чёрных дыр — чего мы не наблюдаем во Вселенной. Следовательно, частицы с отрицательной массой, значительно превышающей по модулю температуру Хокинга самых массивных чёрных дыр (10⁻¹⁸ Кельвина), не существуют в природе.
Возможность существования экзотической материи с отрицательной массой ранее обсуждалась как потенциальная основа для создания проходимых червоточин, машин времени или сверхсветового перемещения. Насколько нам известно, все эти возможности исключаются, если существуют только частицы с положительной массой.
В новой статье, которую я написал вместе с Марком Херцбергом и Айданом Морхауcом, только что опубликованной в престижном журнале Physical Review, мы также показали, что массивные сверхсветовые частицы — тахионы — также исключаются из-за устойчивости астрофизических чёрных дыр к излучению Хокинга.
Как известно, физическая реальность не принимает все плоды нашего воображения. Это отличает физику от математики или философии. Многие прекрасные идеи теряют свою силу под гильотиной экспериментальных данных. К разочарованию писателей-фантастов, насколько нам известно, предельная скорость для межзвёздных путешествий — это скорость света. В отличие от ограничений скорости на шоссе, законы физики невозможно нарушить.
Существуют ли другие формы экзотической материи, которые могли бы помочь в межзвёздных путешествиях, — возможно, известно внеземным цивилизациям. Древнейшие космические цивилизации могли воспользоваться миллиардами лет развития науки и технологий, чтобы к настоящему времени понять состав Вселенной. Нам срочно нужно их мнение по поводу природы тёмной материи и тёмной энергии, которые до сих пор остаются загадкой для землян.
Неделю назад в новой статье было объявлено об обнаружении самой ранней галактики в данных телескопа «Джеймс Уэбб». Эта галактика, названная MoM-z14, существовала спустя всего 280 миллионов лет после Большого взрыва. Это открытие соответствует теоретическому предсказанию из моей книги десятилетней давности, в которой утверждается, что первые звёзды могли образоваться уже через 100 миллионов лет после Большого взрыва. MoM-z14 сформировалась как минимум за 8,9 миллиарда лет до появления Солнца — и любая цивилизация, возникшая в ней, имела массу времени, чтобы во всём разобраться до того, как люди появились на космической сцене.
С этой точки зрения нам совершенно неуместно воображать, что мы находимся на вершине космической пищевой цепочки.
Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos