Антигравитация требует отрицательной массы. Но отрицательная масса невозможна - она нарушает законы сохранения и позволяет создавать энергию из ничего. О том, почему гравитацию нельзя просто «выключить» даже в теории, - в этом материале.
Вглядываешься в ночное небо и ловишь себя на мысли: а что, если бы можно было просто оттолкнуться от Земли и полететь? Без ракет, без топлива - просто включил антигравитацию и поплыл над городом. Научная фантастика кормит этой мечтой десятилетиями. И каждый раз натыкаешься на одно и то же непреодолимое препятствие.
Отрицательная масса.
Без неё антигравитации не построить. А с ней - разваливается вся физика. Перестают работать законы сохранения, энергию можно добывать буквально из пустоты. Звучит заманчиво, но хранить такую энергию негде. А сам процесс её получения разрушил бы всё, что мы знаем о мироустройстве.
Что вообще такое «антигравитация»
Если совсем просто: гравитация - это притяжение между массами. Два яблока притягиваются друг к другу. Планета притягивает яблоко. Скучно и предсказуемо.
Антигравитация должна работать наоборот: отталкивать. Чтобы яблоко само улетало от планеты. В электродинамике с этим просто: есть плюс и минус, они притягиваются, одноимённые - отталкиваются. А гравитация хитрее. Она передаётся не через векторное поле, а через тензорное. В такой математической конструкции «плюс» и «минус» вели бы себя совсем иначе.
Физики давно прикинули: для гравитационного отталкивания нужно вещество с отрицательной гравитационной массой. Такое, которое в поле Земли будет не падать вниз, а взлетать вверх. Само по себе. Без двигателей.
Три типа массы - и почему все они должны быть положительными
Тут надо сделать небольшое отступление. Масса в физике - понятие сложное. На самом деле их три:
- Инертная масса - та, что сопротивляется ускорению. Толкнул тележку - она не сразу разгоняется из-за массы.
- Пассивная гравитационная масса - та, что определяет, с какой силой тело притягивается к другому телу.
- Активная гравитационная масса - та, что создаёт гравитационное поле вокруг себя.
В обычном мире все они равны. Эйнштейн даже сделал это принципом эквивалентности. Но если мы хотим антигравитацию, с принципом придётся попрощаться. Отрицательной может быть любая из этих масс. Или все сразу.
И вот тут начинаются проблемы. Физики Крейнович и Соловьев из Университета Техаса в Эль-Пасо строго показали: если активная и пассивная массы не равны, можно построить систему, создающую энергию из пустоты. А при отрицательной массе они автоматически становятся неравными. Это прямое противоречие закону сохранения энергии [3].
Главный аргумент: вечный двигатель из ничего
Можно представить два тела: у одного масса положительная, у другого - отрицательная. По второму закону Ньютона, сила равна массе, умноженной на ускорение.
Что произойдёт? Положительное тело притягивает отрицательное. Отрицательное - отталкивает положительное. Они начинают разгоняться... бесконечно. Чем быстрее движутся, тем больше их кинетическая энергия. Вопрос: откуда она берётся?
Ниоткуда. Просто возникает.
Вот наглядная иллюстрация: тело с положительной массой и тело с отрицательной массой такой же величины. Положительная масса притягивает отрицательную. Отрицательная - отталкивает положительную. Силы направлены в одну сторону. Оба ускоряются до бесконечности. Получается бесконечный разгоняющийся паровозик: положительная масса отталкивается от отрицательной и летит прочь, а отрицательная притягивается к положительной и летит за ней [2].
Это не противоречит закону сохранения импульса, но кинетическая энергия растёт бесконечно - из ниоткуда. Крейнович и Соловьев доказали это математически: отрицательная масса позволяет создавать энергию из пустоты, что прямо противоречит закону сохранения энергии [3].
Вывод однозначен: отрицательная масса несовместима с фундаментальным законом сохранения энергии.
Парадокс самоускоряющейся пары
Но самое смешное (и страшное для инженеров) начинается, если попытаться представить поведение такой системы в реальности.
Ричард Хаммонд из Университета Северной Каролины предложил мысленный эксперимент. Пуля с отрицательной массой выстреливается в кирпичную стену. Когда пуля ударяется о стену, стена действует на неё с силой, пытаясь оттолкнуть обратно. Эта сила будет ускорять пулю с отрицательной массой в противоположном направлении - прямо сквозь стену. Независимо от толщины, пуля пронзит её насквозь, разгоняясь ещё сильнее.
«Это объяснило бы, почему отрицательную массу до сих пор не нашли на Земле, - пишет Хаммонд. - Сначала она упала бы на Землю. Затем получила бы мощный импульс, пробуриваясь сквозь планету, и вылетела бы с другой стороны с огромной скоростью» [1].
Классический анализ Германа Бонди из Кембриджа ещё в 1957 году показал: положительная масса притягивает все массы, отрицательная - отталкивает все массы. В результате отрицательная масса будет преследовать положительную по всей Вселенной с постоянно растущим ускорением [1].
А как же антиматерия
Бывает, спрашивают: «Антивещество - оно же с минусом? Может, антигравитация работает для антипротонов?»
В 2023 году учёные из коллаборации ALPHA в ЦЕРНе провели первый прямой эксперимент по измерению гравитации на нейтральной антиматерии. Результат: антиматерия падает вниз точно так же, как обычная материя - с ускорением 9,8 м/с². Гипотеза о левитации антивещества в гравитационном поле не подтвердилась [4].
В 2025 году коллаборация AEgIS представила детектор OPHANIM с разрешением 3840 мегапикселей, способный отслеживать мельчайшие перемещения антигидрогена [4]. Но пока все эксперименты говорят об одном: гравитация для материи и антиматерии одинакова.
Кристофер Бэрд, профессор физики из West Texas A&M University, резюмирует:
«Если бы существовала отрицательная масса, можно было бы построить пол из отрицательной массы достаточного размера, и люди над этим полем не чувствовали бы гравитации - они парили бы в воздухе. Но отрицательной массы не существует, поэтому настоящая антигравитация невозможна. Гравитация проникает в каждую клетку и в самые глубокие подземелья с толстыми стенами» .
Теоретически возможность разной гравитационной массы у частиц и античастиц не исключена до конца. Но для бозонов (например, π⁰-мезона) это создало бы неразрешимые парадоксы, потому что бозоны являются своими собственными античастицами [3].
Так что даже если где-то в природе существует отрицательная масса, учёные пока не знают, где её искать и как с ней работать. Теоретически такие модели возможны - например, Сабина Хоссенфельдер предлагала расширение общей теории относительности, где могут сосуществовать два типа материи с разными знаками гравитационного заряда [6]. Но это пока чистая математика. Экспериментальных подтверждений ноль.
В общем, антигравитация в том виде, в каком её показывают в кино, невозможна. Не потому, что физики злые и не хотят дать человечеству ковры-самолёты. А потому, что сама идея упирается в отрицательную массу. А отрицательная масса - это не просто «другая масса». Это смертный приговор для закона сохранения энергии и принципа причинности.
Может быть, когда-нибудь физики найдут способ обмануть гравитацию по-другому. Без отрицательных масс. Но пока всё, что у нас есть - это ракеты. Которые, кстати, работают отлично. Просто шумно и дорого…
Источники
- Hammond R. What is negative mass? // Science News. — https://www.sciencenews.org/blog/context/fact-and-fiction-about-negative-mass
- Kreinovich V., Soloviev S. Can mass be negative? // Mathematical Structures and Modeling. — https://scholarworks.utep.edu/cs_techrep/1184/
- Эксперименты в ЦЕРНе: антиматерия падает вниз. — https://rg.ru/2023/09/29/eksperiment-cern.html?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F
- Hossenfelder S. Antigravitation // arXiv:0909.3456 [gr-qc]. — 2009. — https://arxiv.org/abs/0909.3456