Exotická záležitost

Exotická hmota je koncept fyziky elementárních částic , který popisuje jakoukoli (obvykle hypotetickou) hmotu , která porušuje jednu nebo více klasických podmínek nebo se neskládá ze známých baryonů . Takové látky mohou mít vlastnosti, jako je záporná hustota energie , nebo mohou být vlivem gravitace spíše odpuzovány než přitahovány . Exotická hmota se používá v některých teoriích, jako je teorie o struktuře červích děr . Nejznámějším představitelem exotické hmoty je vakuum v oblasti s podtlakem vyvolané Casimirovým efektem .

Exotickou hmotou se také nazývá jakýkoli materiál , který je obtížné vyrobit (například kovový vodík za vysokého tlaku nebo Bose-Einsteinův kondenzát ) nebo který má neobvyklé vlastnosti, i když jsou tyto materiály vytvořeny a relativně dobře prozkoumány.

Exotickou hmotou můžeme nazvat materiál vytvořený z některých typů exotických atomů , ve kterém roli jádra (kladně nabité částice) plní pozitron ( pozitronium ) nebo kladný mion ( muonium ). Existují také atomy se záporným mionem namísto jednoho z elektronů (mionový atom).

Negativní hmotnost

Od doby , kdy Newton poprvé formuloval svou teorii gravitace , existují nejméně tři koncepčně odlišné veličiny nazývané hmotnost : setrvačná hmotnost , „aktivní“ gravitační hmotnost (tj. zdroj gravitačního pole) a „pasivní“ gravitační hmotnost. Einsteinův princip ekvivalence říká, že setrvačná hmota se musí rovnat pasivní gravitační hmotě a zákon zachování hybnosti vyžaduje, aby aktivní a pasivní gravitační hmota byly stejné. Všechny dosavadní experimentální důkazy naznačují, že jsou všechny ve skutečnosti vždy stejné. Při zvažování hypotetických částic se zápornou hmotností je důležité uhodnout, která z těchto teorií hmotnosti je nesprávná. Ve většině případů se však při analýze záporné hmotnosti předpokládá, že stále platí princip ekvivalence a zákon zachování hybnosti .

V roce 1957, Hermann Bondy , psaní v Recenze moderní fyziky , navrhl, že hmota mohla být jeden pozitivní nebo negativní [1] . Ukázal, že to nevede k logickému rozporu , pokud jsou všechny tři typy hmoty také negativní, ale samotné přijetí existence negativní hmoty způsobuje intuitivně nepochopitelné typy pohybu.

Z druhého Newtonova zákona :

F=m_{i}a\!\;

je vidět, že objekt se zápornou setrvačnou hmotností bude zrychlovat v opačném směru, než ve kterém byl tlačen, což se může zdát zvláštní.

Pokud budeme studovat setrvačná hmota , pasivní gravitační hmota a aktivní gravitační hmota odděleně, pak bude mít Newtonův zákon univerzální gravitace následující podobu: $m_i$ $m_{p}$ $m_{a}$

m_{i}a=-G{\frac {m_{p}m_{a}}{r^{2}}}

Tedy objekty se zápornou gravitační hmotností (pasivní i aktivní), ale s kladnou setrvačnou hmotou, budou odpuzovány kladnými aktivními hmotami a přitahovány zápornými aktivními hmotami.

Byly provedeny první experimenty, kde se jednotlivé skupiny atomů chovaly nějakou dobu jako částice se zápornou hmotností. [2] [3]

Forwardova analýza

Přestože částice se zápornou hmotností nejsou známy, fyzikové (původně G. Bondy a Robert Forward ) byli schopni popsat některé očekávané vlastnosti, které by takové částice mohly mít. Za předpokladu, že všechny tři typy hmotností jsou stejné, je možné sestavit systém, kde záporné hmoty jsou přitahovány k kladným hmotám, zatímco kladné hmoty jsou odpuzovány zápornými hmotami. Zároveň záporné hmoty vytvoří přitažlivou sílu vůči sobě, ale budou odpuzovány díky svým negativním setrvačným hmotám.

Při záporné hodnotě a kladné hodnotě bude síla záporná (odpudivá). Na první pohled to vypadá, jako by se záporná hmota zrychlovala od kladné hmoty, ale protože by takový objekt měl i zápornou setrvačnou hmotu, zrychloval by se opačným směrem . Bondy navíc ukázal, že pokud jsou obě hmotnosti stejné v absolutní hodnotě, ale liší se ve znaménku, pak se celkový systém kladných a záporných částic bude neomezeně zrychlovat bez jakéhokoli dalšího vlivu na systém zvenčí. $m_{p}$ $m_{a}$ $F$ $F$

Toto chování je zvláštní v tom, že absolutně nezapadá do naší představy o „obyčejném vesmíru“ z práce s kladnými masami. Ale je zcela matematicky konzistentní a nezavádí žádné rozpory.

Může se zdát, že takové zobrazení porušuje zákon zachování hybnosti a / nebo energie , ale máme hmotnosti stejné v absolutní hodnotě, jedna je kladná a druhá záporná, což znamená, že hybnost systému je nulová, pokud oba se pohybují společně a zrychlují společně, bez ohledu na rychlost:

P_{{sys}}=mv+(-m)v=[m+(-m)]v=0\krát v=0.

A stejnou rovnici lze vypočítat pro kinetickou energii : $K_{e}$

K_{{e\ sys}}={1 \přes 2}mv^{2}+{1 \přes 2}(-m)v^{2}={1 \přes 2}[m+(-m)] v^{2}={1 \over 2}(0)v^{2}=0

Forward rozšířil Bondiho výzkum na další případy a ukázal, že i když dvě hmotnosti a nejsou stejné v absolutní hodnotě, rovnice stále zůstávají konzistentní. $m_{{-}}$ $m_{{+}}$

Některé vlastnosti, které jsou zavedeny těmito předpoklady, vypadají neobvykle, například ve směsi plynu kladné hmoty a plynu záporné hmoty bude kladná část neomezeně zvyšovat svou teplotu. V tomto případě se však záporná část směsi ochladí stejnou rychlostí, čímž dojde k vyrovnání rovnováhy. Geoffrey A. Landiszaznamenal další aplikace Forwardovy analýzy [4] , včetně náznaků, že ačkoli se částice se zápornou hmotností budou gravitačně odpuzovat, elektrické síly, jako jsou náboje , se budou navzájem přitahovat (na rozdíl od částic s kladnou hmotností, kde se takové částice odpuzují) . Ve výsledku to pro částice se zápornou hmotností znamená, že gravitační a elektrostatické síly jsou obráceny.

Forward navrhl konstrukci motoru kosmické lodi se zápornou hmotností , která nevyžaduje příliv energie a pracovní tekutiny k dosažení libovolně velkého zrychlení, i když samozřejmě hlavní překážkou je, že záporná hmotnost zůstává zcela hypotetická.

Forward také vytvořil termín „nulifikace“, aby popsal, co se stane, když se setká normální a negativní hmota. Očekává se, že mohou vzájemně vyhladit nebo "anulovat" existenci toho druhého a poté už nezbude žádná energie. Je však snadné ukázat, že určitá hybnost může zůstat (nezůstane, pokud se pohybují stejným směrem, jak je popsáno výše, ale musí se pohybovat směrem k sobě, aby se setkali a vzájemně se zrušili). To může zase vysvětlovat, proč se najednou odnikud neobjeví stejné množství běžné a negativní hmoty (opak nulifikace): v tomto případě nebude hybnost každé z nich zachována.

Exotická hmota v obecné relativitě

V obecné teorii relativity se exotická hmota nazývá hmota, která porušuje podmínku slabé energie (SEC) , to znamená, že její hustota energie v nějaké referenční soustavě je záporná. Pokud je na nějaké ortonormální bázi tenzor energie-hybnosti diagonální, pak je SES narušen, když je jeho složka (tj. hustota energie) nebo (tj. součet hustoty energie a tlaku v jednom ze směrů) záporná. . Podmínka kladnosti hustoty energie však není nezbytnou podmínkou matematické konzistence teorie (blíže viz Visserova monografie [5] ). $T_{{00}}$ $T_{{0}}+T_{{11}}$

Morris , Thorn a Yurtsever [ 6] ukázali, že kvantově mechanický Casimirův efekt lze použít k vytvoření místní oblasti časoprostoru se zápornou hmotností . V tomto článku a následné práci ostatních ukázali, že ke stabilizaci červí díry lze použít exotickou hmotu . Kramera spol . Stephen Hawking dokázal, že exotická hmota je nezbytná pro vznik stroje času s kompaktně generovaným Cauchyho horizontem [8] . To například ukazuje, že konečný rotující válec, na rozdíl od nekonečného Tiplerova válce , nelze použít jako stroj času.

Imaginární hmota

Tachyon je hypotetická částice s imaginární klidovou hmotou, která se vždy pohybuje rychleji než rychlost světla . Neexistuje žádný důkaz o existenci tachyonů.

E={\frac {mc^{2}}{{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}.

Pokud je klidová hmotnost imaginární veličinou, pak musí být jmenovatel imaginární (aby se předešlo komplexní hodnotě energie ). Hodnota pod druhou odmocninou tedy musí být záporná, k čemuž může dojít pouze v případě, že je větší než . Teorie tachyonů navržená Feinbergem je vyvinuta v jedné dimenzi , ale je obtížné ji analyzovat ve třech dimenzích. Jak poukázali Benford et al., mimo jiné speciální teorie relativity umožňuje použití tachyonů, pokud existují, ke komunikaci zpětně v čase [9] (navrhované zařízení se nazývá tachyonový protilátkový telefon ). Někteří fyzici se proto domnívají, že tachyony buď vůbec neexistují, nebo nemohou interagovat s běžnou hmotou. $proti$ $C$

Imaginární hmotnost v kvantové teorii pole

V kvantové teorii pole imaginární hmota zavádí tachyonovou kondenzaci .

"Kterým směrem padá antihmota?"

Většina moderních fyziků věří, že antihmota má kladnou gravitační hmotnost a měla by padat dolů jako běžná hmota. Někteří badatelé se domnívají, že dodnes neexistuje žádné přesvědčivé experimentální potvrzení této skutečnosti [10] [11] . To je způsobeno obtížností přímého studia gravitačních sil na úrovni částic. Na tak malé vzdálenosti mají elektrické síly přednost před mnohem slabší gravitační silou. Navíc musí být antičástice drženy odděleně od jejich konvenčních protějšků, jinak rychle zničí . To samozřejmě ztěžuje přímé měření pasivní gravitační hmotnosti antihmoty. Odpovědi pomohou najít experimenty na antihmotě ATHENA ( angl. ATHENA ) a ATRAP ( angl. ATRAP ).

Odpovědi na setrvačné hmoty jsou však již dlouho známy z experimentů s bublinkovou komorou . Přesvědčivě ukazují, že antičástice mají kladnou setrvačnou hmotnost, rovnou hmotnosti „obyčejných“ částic, ale opačný elektrický náboj. V těchto experimentech je komora vystavena konstantnímu magnetickému poli, které způsobuje pohyb částic ve šroubovici . Poloměr a směr tohoto pohybu odpovídá poměru elektrického náboje k setrvačné hmotě. Páry částice-antičástice se pohybují po šroubovicích v opačných směrech, ale se stejnými poloměry. Z tohoto pozorování se usuzuje, že poměry elektrického náboje k setrvačné hmotě v této dvojici se liší pouze znaménkem.

Viz také

Poznámky

↑ H. Bondi (1957), „ Negativní mše v obecné relativitě “, Rev. Mod. Phys. 29 č. 3. července 1957, str. 423 a násl
↑ Fyzici populární mechaniky vytvořili látku se „zápornou hmotností“
↑ M. A. Khamehchi, Khalid Hossain, M. E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes a P. Engels Negativní hmotnostní hydrodynamika ve Spin-Orbit-Coupled Bose-Einstein Condensate Phys. Rev. Lett. 118, 155301 – Zveřejněno 10. dubna 2017
↑ G. Landis, "Comments on Negative Mass Propulsion," J. Propulsion and Power, sv. 7 č. 2, 304 (1991).
↑ M. Visser (1995) Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking , AIP Press, Woodbury NY, ISBN 1-56396-394-9
↑ M. Morris, K. Thorne a U. Yurtsever, Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition , Physical Review , 61 , 13, září 1988, str. 1446-1449
↑ John G. Cramer, Robert L. Forward, Michael S. Morris, Matt Visser, Gregory Benford a Geoffrey A. Landis, " Přirozené červí díry jako gravitační čočky ," Phys. Rev. D51 (1995) 3117-3120
↑ Hawking, Stephen. Budoucnost časoprostoru. - WW Norton , 2002. - S. 96. - ISBN 0-393-02022-3 .
↑ GA Benford, DL Book a WA Newcomb, „ Tachyonic Antitelephone “, Physical Review, část D 2 263, DOI: 10.1103, 15. července 1970, str. 263-265
↑ Archivovaná kopie . Získáno 16. prosince 2006. Archivováno z originálu 16. prosince 2006. (neurčitý)
↑ Časté otázky o antihmotě Archivováno 21. března 2011.