|
Может ли наблюдаться отрицательная масса
|
|
|
|
В отличие от электрического заряда, насколько нам известно, любая масса положительна, а положительные массы притягиваются друг к другу. Может ли существовать отрицательная масса, и если да, то каковы будут последствия?
|
|
|
|
На протяжении многих лет антигравитация между положительной и гипотетической отрицательной массами привлекала немало внимания как в физике, так и в научной фантастике. Например, в романе 1901 года "Первые люди на Луне" автор Герберт Уэллс представляет вещество, которое он называет "каворит", создающее отрицательную силу тяжести и, таким образом, действующее как гравитационный щит. В теории тяготения Ньютона отрицательная масса фактически отображалась бы в том же уравнении, но с заменой гравитационной постоянной G на -G. Но эйнштейновская версия теории тяготения, общая теория относительности, не столь любезна и, похоже, не всегда допускает антигравитацию.
|
|
|
|
В новой статье в журнале Physics of the Dark Universe Синъити Нодзири (Shin'ichi Nojiri) из Японии и С.Д. Одинцов (S.D. Odintsovc) из Испании углубляются в изучение возможности существования объектов с отрицательной массой (NMOS) и приходят к выводу, что эта идея, возможно, не так экзотична, как считается. Используя теоретические инструменты, они показывают, что отрицательная масса "не всегда приводит к какой-либо несогласованности".
|
|
|
|
|
|
|
Где может возникнуть отрицательная масса
|
|
|
|
Масса возникает в результате взаимодействия частицы с полем Хиггса, и большая часть массы частицы на самом деле представляет собой энергию связи (вспомните формулу Эйнштейна: m=E/c2) между ее составными частями. Протоны, которые в 1836 раз массивнее электронов, состоят из трех кварков и глюонов, связанных друг с другом. Согласно решеточным калибровочным теориям квантовой хромодинамики, масса кварков составляет всего около 9% от массы протона. Остальная часть приходится на энергию поля глюонов, которые обеспечивают динамику внутри протона.
|
|
|
|
Авторы начинают с того, что пузырь в воде по сути представляет собой отрицательную массу: «Пузырь ведет себя так, как будто у него отрицательная масса, потому что вода вокруг него опускается [под действием силы тяжести]». Затем они рассматривают мир с точечной массой (например, компактную звезду) в «жидкости» с отрицательным давлением, такой как темная энергия с отрицательной космологической постоянной. (На самом деле космологическая постоянная, пропорциональная энергии вакуума Вселенной, положительна, но очень мала.) Жидкость усложняет простую систему с положительной и отрицательной массой.
|
|
|
|
Авторы утверждают, что из-за отрицательного давления точечная масса отталкивает жидкость. Следовательно, могут существовать стабильные области с отрицательной плотностью энергии. Простая версия уравнений гравитации Эйнштейна, всего на один шаг отходящая от закона всемирного тяготения Ньютона, показывает, что объект с отрицательной массой будет оказывать отталкивающее воздействие на объект с положительной массой. Принцип эквивалентности Эйнштейна показывает, что объект с отрицательной массой также обладает отрицательной инертной массой — той, которая фигурирует в формуле F=ma.
|
|
|
|
Отрицательная масса в простых космологических моделях
|
|
|
|
На основе этого они решают несколько простых космологических задач. В одной из них они используют упрощённую версию уравнений общей теории относительности Эйнштейна, чтобы найти примеры объектов с отрицательной массой, в которых космологическая постоянная отрицательна. В другой задаче они предполагают, что давление жидкости пропорционально плотности энергии, и при значениях коэффициента пропорциональности меньше -2/3 может возникнуть объект с отрицательной массой.
|
|
|
|
В этом простом искусственно созданном сценарии пространство не является асимптотически плоским. Наша Вселенная также не является асимптотически плоской — в ней повсюду присутствует материя и излучение, а не вакуум на самых больших расстояниях, — и она расширяется под действием тёмной энергии.
|
|
Модифицированная гравитация — ещё один возможный вариант.
|
|
|
|
Авторы также рассматривают так называемую «модифицированную гравитацию» с условиями, основанными на теории струн. Несмотря на то, что общая теория относительности Эйнштейна на сегодняшний день прошла все экспериментальные и наблюдательные проверки, она не объясняет, например, природу тёмной материи и тёмной энергии, а также не даёт простых объяснений космическому ускорению и динамике галактик.
|
|
|
|
Поэтому авторы рассматривают теорию Эйнштейна с добавлением двух дополнительных простых [«скалярных»] полей. Эти поля могут быть связаны с ранней космологической инфляцией, а также с тёмной материей и тёмной энергией или с новой структурой нейтронных звёзд и чёрных дыр. В особых случаях такие модели содержат объекты с отрицательной массой, возникающие в результате эволюции простых полей.
|
|
|
|
Образовавшееся пространство-время действует как гравитационная выпуклая линза: луч света движется по гиперболической траектории вокруг объекта с отрицательной массой под действием силы отталкивания, в отличие от искривления лучей света от звёзд в сторону массивного объекта, характерного для общей теории относительности. Инерционная масса отрицательна, поэтому между объектом с положительной массой и объектом с отрицательной массой возникает сила притяжения. Два чистых объекта с отрицательной массой отталкиваются друг от друга.
|
|
Экстремальные плотности и возможные признаки существования таких объектов
|
|
|
|
Но можно ли вообще наблюдать объекты с отрицательной массой? Это непросто. Согласно одному из расчётов автора, плотность области или объекта с отрицательной массой должна превышать 1018 кг/м3, что примерно в 200 триллионов раз больше средней плотности Земли! Для упомянутых ранее моделей масса нейтральной массы зависит от параметров, определяющих теорию.
|
|
|
|
Но то, что можно было бы наблюдать, — это нейтральная масса, которая движется по направлению к объекту с положительной массой и таким образом экранирует его гравитационное поле, или связанная система из объекта с положительной массой и нейтральных масс. «Такую систему можно было бы наблюдать благодаря довольно странному эффекту гравитационного линзирования», — пишут авторы. Нейтральные массы могут влиять на джеты черных дыр, а также на столкновения нейтронных звезд с черными дырами, изменяя результаты общей теории относительности, которые на сегодняшний день подтверждены.
|
|
|
|
Источник
|
