Толкнёшь от себя — полетит на тебя. Именно так в 2017 году повело себя облако атомов рубидия в лаборатории Вашингтонского университета.
Физики намеренно создали систему с отрицательной эффективной массой — квантовый объект, который при толчке ускоряется в обратную сторону. Для этого им понадобилось охладить вещество примерно до ста нанокельвинов.
Это холоднее, чем в открытом космосе. При таких условиях физика начинает работать совсем иначе.
Масса со знаком минус
Масса, по сути, это инертность. Чем её больше, тем больше нужно приложить силы, чтобы ее сдвинуть.
Проще говоря - чем больше масса, тем труднее объект разогнать или остановить.
Камень не потому тяжелее мяча, что он «тверже», а потому что его атомам нужно больше силы, чтобы изменить скорость.
Второй закон Ньютона всем мы помним: сила равна массе, умноженной на ускорение.
Нас учат этому в школе, и с тех пор мы считаем, что масса всегда положительна. Жизненный опыт это подтверждает.
Но в уравнении Ньютона нет запрета на отрицательное число. Поставьте минус перед массой — и ускорение поменяет знак: толкнёшь вправо, полетит влево.
Математика не возражает против этого. Возражает интуиция. Именно поэтому теоретики возились с этой концепцией больше ста лет, а экспериментаторы разводили руками — попробуй создай такое вещество в лаборатории.
Физики 70 лет думали, существует ли отрицательная масса.
Россияне подумали 5 секунд и сказали:
«Да. Это мой банковский счёт через день после зарплаты».
Сразу важная оговорка: «отрицательная эффективная масса» — это не новый вид вещества с перевёрнутой гравитацией. Атомы рубидия в эксперименте в покое сохраняют обычную положительную массу.
Меняется их коллективное поведение в сверхтекучем облаке: система реагирует на толчок в обратную сторону. Выключи лазеры — и всё вернётся в норму. Это похоже на поплавок в воде: сам по себе он тяжелее воздуха, но «эффективный вес» с учётом выталкивающей силы уходит в минус, и он плывёт вверх.
Ключевой механизм — дисперсионное соотношение, то есть зависимость энергии частицы от её скорости. В нормальных материалах этот график растёт вверх.
Когда физики связали спин атомов с их движением при помощи лазеров — так называемая спин-орбитальная связь — график перевернулся: энергия стала падать с ростом импульса. В такой системе ускорение направлено против силы. Никаких нарушений физических законов — просто их работа в непривычном режиме.
Впервые теоретическую возможность отрицательной массы строго обосновал британский математик Герман Бонди в 1957 году: он показал, что она не противоречит уравнениям общей теории относительности, а лишь нарушает давно принятое — и никогда толком не проверявшееся — допущение, что масса обязана быть положительной. С тех пор прошло 70 лет, и физики наконец перешли от бумажных расчётов к рубидиевому облаку в оптической ловушке.
Вечный двигатель без нарушений. Возможно ли?
Представьте две частицы: одну с положительной массой, другую — с отрицательной, равными по величине. Положительная масса притягивает обе — обычная гравитация. Отрицательная масса обе отталкивает. Результат: положительная частица летит к отрицательной под действием притяжения. Отрицательная чувствует притяжение, но её «перевёрнутая» инерция заставляет ускоряться в противоположном направлении — прочь от положительной. Обе разгоняются, причём с нарастающей скоростью. Вечная гонка.
Полный импульс системы при этом равен нулю. Кинетическая энергия — тоже. Ни один закон сохранения не нарушен ни разу. Это явление получило название «беглое ускорение».
Беглое ускорение объясняет, почему теоретики так долго не могли отказаться от идеи отрицательной массы: система без затрат энергии, которая тем не менее ничего не нарушает, — уникальное явление в физике.
На практике это явление не удалось реализовать макроскопически: нужны объекты с истинной отрицательной массой, а не просто эффективной. Но теоретически оно остаётся одним из самых острых аргументов в пользу того, что отрицательная масса (в покое) где-то в природе существовать всё-таки может.
Не только рубидий
Параллельно с командой Энгельса физики Рочестерского университета получили отрицательную эффективную массу совсем другим способом. Они зажали тончайший слой полупроводника между двумя зеркалами — свет начал отражаться внутри, как в ловушке, — и при нужных условиях фотоны буквально сплавились с частицами вещества.
Получились поляритоны: гибриды света и материи, которые ведут себя как частицы с отрицательной массой. И здесь удалось обойтись без сверхохлаждения — только оптика и полупроводник.
Практический выигрыш оказался немедленным: такая система начинает испускать луч при гораздо меньшей энергетической накачке, чем обычный лазер.
Обычный лазер — это как разжечь костёр с сырыми дровами: нужно долго и сильно греть, прежде чем пойдёт свет. Поляритон с отрицательной массой загорается почти сам. Для медицины, телекома и промышленности, где каждый лишний ватт — это лишнее тепло и лишние деньги, это меняет расчёты.
Что это изменит на практике
В ближайшей перспективе — это даст нам новые лазеры и технологии шумопоглощения.
Поляритонные лазеры с пониженным порогом накачки войдут в телеком-оборудование, хирургические инструменты и промышленные резаки появятся везде, где важна энергоэффективность и минимальный нагрев.
Метаматериалы с отрицательной эффективной массой уже тестируют в строительных конструкциях для защиты от землетрясений, в авиации и точном приборостроении.
Отрицательная масса в акустических метаматериалах поглощает вибрации: тесты показывают снижение разрушительных последствий землетрясений на 70% в моделях зданий. Дополнительно: шумозащита в турбинах самолётов, антивибрация для лазерных интерферометров и защита электроники от ударов.
На среднем горизонте — квантовые технологии. Конденсат Бозе–Эйнштейна с управляемой дисперсией открывает путь к новым типам кубитов и квантовых симуляторов.
Кроме того, сверхчувствительность таких систем к внешним полям делает их идеальной основой для атомных интерферометров — приборов, измеряющих гравитацию, магнитные поля и ускорение с точностью, недоступной ни одному классическому датчику. Подобные системы уже разрабатываются для подводной навигации и геологоразведки — там, где GPS не работает, а точность измерений стоит дорого.
На дальнем горизонте — космология. Мы получим шанс, наконец, понять, как устроен мир и решить загадку темной материи.
Этот даёт исследователям новый инструмент для изучения физики нейтронных звёзд и космологических явлений — чёрных дыр и тёмной энергии — там, где прямые эксперименты невозможны.
Метаматериалы с отрицательной массой могут поглощать вибрации.
Учёные уже думают,
можно ли построить из них стены для соседей с дрелью.
Астрофизик Дж. Фарнс предложил объединить тёмную материю и тёмную энергию в единый компонент с отрицательной массой: такое «тёмное вещество» одновременно отталкивало бы скопления галактик и создавало бы дополнительный гравитационный эффект на их краях.
Гипотеза теперь проверяемая, потому что у физиков есть лабораторные системы для моделирования её следствий.
70 лет назад астрофизик Герман Бонди доказал на бумаге, что отрицательная масса не запрещена. Сегодня её создают в лаборатории — пусть в эффективной форме, пусть при температурах, которых нет нигде во Вселенной, — и уже получают из неё практические результаты: от более экономичных лазеров до прочной электроники.