Exotisk materia

Exotisk materia är ett begrepp inom elementarpartikelfysik som beskriver varje (vanligtvis hypotetisk) materia som bryter mot ett eller flera klassiska villkor eller som inte består av kända baryoner . Sådana ämnen kan ha egenskaper som negativ energitäthet , eller stötas bort snarare än attraheras på grund av gravitationen . Exotisk materia används i vissa teorier, till exempel teorin om strukturen hos maskhål . Den mest kända representanten för exotisk materia är vakuumet i en region med negativt tryck som produceras av Casimir-effekten .

Exotiska ämnen kallas också för alla material som är svåra att producera (till exempel metalliskt väte vid högt tryck eller Bose-Einstein-kondensat ) eller som har ovanliga egenskaper, även om dessa material är skapade och relativt väl studerade.

Exotisk materia kan kallas ett material skapat av vissa typer av exotiska atomer , där kärnans roll (positivt laddad partikel) utförs av en positron ( positronium ) eller en positiv myon ( muonium ). Det finns också atomer med en negativ myon istället för en av elektronerna (den muoniska atomen).

Negativ massa

Sedan Newton först formulerade sin gravitationsteori har det funnits minst tre begreppsmässigt distinkta storheter som kallas massa : tröghetsmassa , "aktiv" gravitationsmassa (dvs. källan till gravitationsfältet) och "passiv" gravitationsmassa. Einsteins ekvivalensprincip säger att tröghetsmassan måste vara lika med den passiva gravitationsmassan, och lagen om bevarande av momentum kräver att den aktiva och passiva gravitationsmassan är lika. Alla experimentella bevis hittills tyder på att de alla i själva verket alltid är likadana. När man överväger hypotetiska partiklar med negativ massa är det viktigt att gissa vilken av dessa massteorier som är felaktig. Men i de flesta fall, när man analyserar negativ massa, antas det att principen om likvärdighet och lagen om bevarande av momentum fortfarande gäller.

År 1957 föreslog Hermann Bondy , som skrev i Review of Modern Physics , att massa kunde vara antingen positiv eller negativ [1] . Han visade att detta inte leder till en logisk motsägelse om alla tre typerna av massa också är negativa, men själva acceptansen av att det finns en negativ massa orsakar intuitivt obegripliga typer av rörelser.

Från Newtons andra lag :

F=m_{i}a\!\;

man kan se att ett föremål med negativ tröghetsmassa kommer att accelerera i motsatt riktning mot den som det trycktes i, vilket kan tyckas konstigt.

Om vi studerar tröghetsmassan , passiv gravitationsmassa och aktiv gravitationsmassa separat, kommer Newtons universella gravitationslag att ta följande form: $mi$ $m_{p}$ $m_{a}$

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

Således kommer föremål med negativ gravitationsmassa (både passiv och aktiv) men med positiv tröghetsmassa att stötas bort av positiva aktiva massor och attraheras av negativa aktiva massor.

De första experimenten genomfördes, där separata grupper av atomer under en tid beter sig som partiklar med negativ massa. [2] [3]

Forwards analys

Även om negativ massa partiklar inte är kända, kunde fysiker (ursprungligen G. Bondy och Robert Forward ) beskriva några av de förväntade egenskaperna som sådana partiklar kan ha. Om man antar att alla tre typerna av massor är lika, är det möjligt att konstruera ett system där negativa massor attraheras av positiva massor, medan positiva massor stöts bort av negativa massor. Samtidigt kommer negativa massor att skapa en attraktionskraft mot varandra, men kommer att stötas bort på grund av sina negativa tröghetsmassor.

Med ett negativt värde och ett positivt värde på , blir kraften negativ (repulsiv). Vid första anblicken ser det ut som om den negativa massan skulle accelerera bort från den positiva massan, men eftersom ett sådant föremål också skulle ha en negativ tröghetsmassa, skulle det accelerera i motsatt riktning . Dessutom visade Bondy att om båda massorna är lika i absolut värde men skiljer sig i tecken, så kommer det totala systemet av positiva och negativa partiklar att accelerera i det oändliga utan någon ytterligare påverkan på systemet utifrån. $m_{p}$ $m_{a}$ $F$ $F$

Detta beteende är konstigt eftersom det absolut inte passar med vår idé om det "vanliga universum" från att arbeta med positiva massor. Men det är helt matematiskt konsekvent och introducerar inga motsättningar.

Det kan tyckas att en sådan representation bryter mot lagen om bevarande av rörelsemängd och/eller energi , men vi har att massorna är lika i absolut värde, den ena är positiv och den andra är negativ, vilket betyder att rörelsemängden i systemet är noll om de båda rör sig tillsammans och accelererar tillsammans, oavsett hastighet:

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

Och samma ekvation kan beräknas för kinetisk energi : $K_{e}$

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

Vidareutvidgade Bondis forskning till ytterligare fall och visade att även om två massor och inte är lika i absolut värde, förblir ekvationerna fortfarande konsekventa. $m_{{-}}$ $m_{{+}}$

Vissa egenskaper som introduceras av dessa antaganden ser ovanliga ut, till exempel i en blandning av en gas av positiv materia och en gas av negativ materia, kommer den positiva delen att öka sin temperatur på obestämd tid. Men i det här fallet kommer den negativa delen av blandningen att svalna med samma hastighet, vilket utjämnar balansen. Geoffrey A. Landisnoterade andra tillämpningar av Forwards analys [4] , inklusive indikationer på att även om partiklar med negativ massa kommer att stöta bort varandra gravitationsmässigt, kommer elektriska krafter, såsom laddningar , att attrahera varandra (i motsats till partiklar med positiv massa, där sådana partiklar stöts bort) . Som ett resultat, för partiklar med negativ massa, betyder detta att gravitationskrafterna och elektrostatiska krafterna är omvända.

Forward föreslog en rymdfarkostmotorkonstruktion med negativ massa som inte kräver ett inflöde av energi och en arbetsvätska för att få en godtyckligt stor acceleration, även om det största hindret naturligtvis är att den negativa massan förblir helt hypotetisk.

Forward myntade också termen "nollifiering" för att beskriva vad som händer när normal och negativ materia möts. Det förväntas att de ömsesidigt kan förinta eller "nolla" varandras existens, och efter det kommer det inte finnas någon energi kvar. Det är dock lätt att visa att viss fart kan finnas kvar (det kommer inte att finnas kvar om de rör sig i samma riktning, som beskrivits ovan, utan de behöver röra sig mot varandra för att mötas och ömsesidigt omintetgöra). Detta kan i sin tur förklara varför lika mängder vanlig och negativ materia inte plötsligt dyker upp från ingenstans (motsatsen till upphävande): i detta fall kommer inte var och en av dem att bevaras.

Exotisk materia i allmän relativitetsteori

I den allmänna relativitetsteorin kallas exotisk materia materia som bryter mot det svaga energitillståndet (SEC) , det vill säga sådan att dess energitäthet i någon referensram är negativ. Om energimoment-tensorn på någon ortonormal basis är diagonal, så bryts SES när dess komponent (det vill säga energitätheten) eller (det vill säga summan av energitätheten och trycket i en av riktningarna) är negativ . Villkoret för positivitet av energitätheten är dock inte ett nödvändigt villkor för teorins matematiska överensstämmelse (för mer detaljer, se Vissers monografi [5] ). $T_{{00}}$ $T_{{00}}+T_{{11}}$

Morris , Thorn och Yurtsever [ 6] visadeatt den kvantmekaniska Casimir-effekten kan användas för att skapa en lokal region av rum-tid med negativ massa . I den här artikeln och efterföljande arbete av andra visade de att exotiska ämnen kunde användas för att stabilisera ett maskhål . Kramer et al bekräftade att sådana maskhål, som har uppstått i det tidiga universum, kunde stabiliseras av slingor av den negativa massan av kosmiska strängar [7] . Stephen Hawking bevisade att exotisk materia är nödvändig för uppkomsten av en tidsmaskin med en kompakt genererad Cauchy-horisont [8] . Detta visar till exempel att en ändligt roterande cylinder, till skillnad från en oändlig tiplercylinder , inte kan användas som en tidsmaskin.

Imaginär massa

Tachyon är en hypotetisk partikel med en tänkt vilomassa som alltid rör sig snabbare än ljusets hastighet . Det finns inga bevis för förekomsten av tachyoner.

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

Om vilomassan är en imaginär storhet måste nämnaren vara imaginär (för att undvika det komplexa värdet av energi ). Således måste värdet under kvadratroten vara negativt, vilket bara kan hända när det är större än . Teorin om tachyoner som föreslagits av Feinberg är utvecklad i en dimension , men svår att analysera i tre dimensioner. Som påpekats av bland annat Benford et al. tillåter speciell relativitet användningen av tachyoner, om de finns, för att kommunicera bakåt i tiden [9] (den föreslagna enheten kallas tachyonantikroppstelefonen ). Därför tror vissa fysiker att tachyoner antingen inte existerar alls eller inte kan interagera med vanlig materia. $v$ $c$

Imaginär massa i kvantfältteori

I kvantfältteorin introducerar den imaginära massan tachyonkondensation .

"I vilken riktning faller antimateria?"

De flesta moderna fysiker tror att antimateria har en positiv gravitationsmassa och bör falla ner som vanlig materia. Vissa forskare tror att det hittills inte finns någon övertygande experimentell bekräftelse på detta faktum [10] [11] . Detta beror på svårigheten att direkt studera gravitationskrafter på partikelnivå. På så små avstånd har elektriska krafter företräde framför den mycket svagare gravitationskraften. Dessutom måste antipartiklar hållas åtskilda från sina konventionella motsvarigheter, annars kommer de snabbt att förintas . Uppenbarligen gör detta det svårt att direkt mäta antimaterias passiva gravitationsmassa. Experiment på antimateria ATHENA ( eng. ATHENA ) och ATRAP ( eng. ATRAP ) hjälper till att hitta svar.

Svaren på tröghetsmassan har dock länge varit kända från experiment med en bubbelkammare . De visar övertygande att antipartiklar har en positiv tröghetsmassa, lika med massan av "vanliga" partiklar, men motsatt elektrisk laddning. I dessa experiment utsätts kammaren för ett konstant magnetfält, vilket gör att partiklarna rör sig i en helix . Radien och riktningen för denna rörelse motsvarar förhållandet mellan den elektriska laddningen och tröghetsmassan. Partikel-antipartikelpar rör sig längs spiralformade linjer i motsatta riktningar, men med samma radier. Från denna observation dras slutsatsen att förhållandena mellan den elektriska laddningen och tröghetsmassan i detta par endast skiljer sig i tecken.

Se även

Anteckningar

↑ H. Bondi (1957), " Negativ massa i allmän relativitet ", Rev. Mod. Phys. 29 nr. 3 juli 1957, sid. 423ff
↑ Populär mekanik Fysiker har skapat ett ämne med en "negativ massa"
↑ M. A. Khamehchi, Khalid Hossain, M. E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes och P. Engels Hydrodynamik med negativ massa i en spinnomloppskopplad Bose-Einstein Condensate Phys. Varv. Lett. 118, 155301 – Publicerad 10 april 2017
↑ G. Landis, "kommentarer om negativ massframdrivning," J. Propulsion and Power, Vol. 7 nr. 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 och U. Yurtsever, Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition , Physical Review , 61 , 13, september 1988, s. 1446-1449
↑ John G. Cramer, Robert L. Forward, Michael S. Morris, Matt Visser, Gregory Benford och Geoffrey A. Landis, " Natural Wormholes as Gravitational Lenses ," Phys. Varv. D51 (1995) 3117-3120
↑ Hawking, Stephen. Rumtidens framtid. - WW Norton , 2002. - P. 96. - ISBN 0-393-02022-3 .
↑ GA Benford, DL Book och WA Newcomb, " The Tachyonic Antitelephone ," Physical Review, del D 2 263, DOI: 10.1103, 15 juli 1970, sid. 263-265
↑ Arkiverad kopia . Hämtad 16 december 2006. Arkiverad från originalet 16 december 2006. (obestämd)
↑ Antimateria FAQ Arkiverad 21 mars 2011.