Egzotikus anyag

Az egzotikus anyag az elemi részecskefizika fogalma , amely leír minden olyan (általában hipotetikus) anyagot , amely megsért egy vagy több klasszikus feltételt , vagy nem áll ismert barionokból . Az ilyen anyagok olyan tulajdonságokkal rendelkezhetnek, mint például a negatív energiasűrűség , vagy a gravitáció hatására inkább taszítják, mint vonzzák . Egzotikus anyagokat használnak egyes elméletekben, például a féreglyukak szerkezetére vonatkozó elméletben . Az egzotikus anyagok leghíresebb képviselője a vákuum a Kázmér-effektus által kiváltott negatív nyomású régióban .

Egzotikus anyagoknak is neveznek minden olyan anyagot , amelyet nehéz előállítani (például fémes hidrogén nagy nyomáson vagy Bose-Einstein kondenzátum ), vagy amelyek szokatlan tulajdonságokkal rendelkeznek, még akkor is, ha ezeket az anyagokat létrehozták és viszonylag jól tanulmányozták.

Egzotikus anyagnak nevezhetjük bizonyos típusú egzotikus atomokból létrejött anyagot , amelyben az atommag (pozitív töltésű részecske) szerepét egy pozitron ( pozitrónium ) vagy egy pozitív müon ( muónium ) tölti be. Vannak olyan atomok is, amelyekben az egyik elektron (a müonatom) helyett negatív müon található.

Negatív tömeg

Mióta Newton először megfogalmazta gravitációs elméletét, legalább három fogalmilag elkülönülő tömegnek nevezett mennyiség létezik : a tehetetlenségi tömeg , az „aktív” gravitációs tömeg (azaz a gravitációs tér forrása) és a „passzív” gravitációs tömeg. Einstein ekvivalencia elve kimondja, hogy a tehetetlenségi tömegnek egyenlőnek kell lennie a passzív gravitációs tömeggel, és a lendület megmaradásának törvénye megköveteli, hogy az aktív és a passzív gravitációs tömeg egyenlő legyen. Minden eddigi kísérleti bizonyíték arra utal, hogy valójában mindig ugyanaz. A negatív tömegű hipotetikus részecskék mérlegelésekor fontos kitalálni, hogy ezek közül a tömegelméletek közül melyik hibás. A legtöbb esetben azonban a negatív tömeg elemzésekor azt feltételezzük, hogy az ekvivalencia elve és a lendület megmaradásának törvénye továbbra is érvényes.

1957-ben Hermann Bondy a Reviews of Modern Physics című folyóiratban azt javasolta, hogy a tömeg lehet pozitív vagy negatív [1] . Megmutatta, hogy ez nem vezet logikai ellentmondáshoz , ha mindhárom tömegtípus negatív is, de már a negatív tömeg létezésének elfogadása intuitív módon értelmezhetetlen mozgástípusokat okoz.

Newton második törvényéből :

F=m_{i}a\!\;

látható, hogy egy negatív tehetetlenségi tömegű tárgy a lökéssel ellentétes irányba gyorsul, ami furcsának tűnhet.

Ha külön vizsgáljuk a tehetetlenségi tömeget , a passzív gravitációs tömeget és az aktív gravitációs tömeget , akkor Newton egyetemes gravitációs törvénye a következő formában jelenik meg: $m_i$ $m_{p}$ $m_{a}$

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

Így a negatív gravitációs tömegű (passzív és aktív), de pozitív tehetetlenségi tömegű objektumokat a pozitív aktív tömegek taszítják, és a negatív aktív tömegek vonzzák.

Az első kísérleteket elvégezték, ahol külön atomcsoportok egy ideig negatív tömegű részecskékként viselkednek. [2] [3]

Forward elemzése

Bár a negatív tömegű részecskék nem ismertek, a fizikusok (eredetileg G. Bondy és Robert Forward ) le tudták írni az ilyen részecskék várható tulajdonságait. Feltételezve, hogy mindhárom típusú tömeg egyenlő, lehetséges egy olyan rendszer felépítése, amelyben a negatív tömegek vonzódnak a pozitív tömegekhez, míg a pozitív tömegeket a negatív tömegek taszítják. Ugyanakkor a negatív tömegek vonzó erőt hoznak létre egymás felé, de negatív tehetetlenségi tömegük miatt taszítják őket.

Negatív érték és pozitív érték esetén az erő negatív (taszító) lesz. Első pillantásra úgy tűnik, hogy a negatív tömeg felgyorsulna a pozitív tömegtől, de mivel egy ilyen objektumnak negatív tehetetlenségi tömege is lenne, az ellenkező irányba gyorsulna . Sőt, Bondy kimutatta, hogy ha mindkét tömeg abszolút értékben egyenlő, de előjelben különbözik, akkor a pozitív és negatív részecskék teljes rendszere korlátlanul felgyorsul anélkül, hogy kívülről bármiféle további hatást gyakorolna a rendszerre. $m_{p}$ $m_{a}$ $F$ $F$

Ez a viselkedés abból a szempontból furcsa, hogy egyáltalán nem egyezik a pozitív tömegekkel való munkánkból származó "hétköznapi univerzumról" alkotott elképzelésünkkel. De matematikailag teljesen konzisztens, és nem vezet be semmilyen ellentmondást.

Úgy tűnhet, hogy egy ilyen ábrázolás sérti az impulzus és/vagy energia megmaradás törvényét , de a tömegek abszolút értékben egyenlőek, az egyik pozitív, a másik negatív, ami azt jelenti, hogy a rendszer impulzusa nulla, ha mindketten együtt mozognak és együtt gyorsulnak, sebességtől függetlenül:

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

És ugyanez az egyenlet kiszámítható a kinetikus energiára is : $K_{e}$

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

Forward kiterjesztette Bondi kutatását további esetekre, és kimutatta, hogy még ha két tömeg és abszolút érték nem is egyenlő, az egyenletek továbbra is konzisztensek maradnak. $m_{{-}}$ $m_{{+}}$

Egyes tulajdonságok, amelyeket ezek a feltételezések vezetnek be, szokatlannak tűnnek, például egy pozitív anyagból és egy negatív anyagból álló gáz keverékében a pozitív rész korlátlanul növeli a hőmérsékletét. Ebben az esetben azonban a keverék negatív része ugyanolyan sebességgel hűl le, ezáltal kiegyenlíti az egyensúlyt. Geoffrey A. Landismegjegyezte Forward elemzésének [4] más alkalmazásait is , beleértve azt a jelzést, hogy bár a negatív tömegű részecskék gravitációsan taszítják egymást, az elektromos erők, például a töltések vonzzák egymást (ellentétben a pozitív tömegű részecskékkel, ahol az ilyen részecskéket taszítják) . Ennek eredményeként a negatív tömegű részecskék esetében ez azt jelenti, hogy a gravitációs és elektrosztatikus erők megfordulnak.

Forward egy negatív tömegű űrhajómotor- konstrukciót javasolt , amely nem igényel energia beáramlást és munkafolyadékot az önkényesen nagy gyorsulás eléréséhez, bár természetesen a fő akadály az, hogy a negatív tömeg teljesen hipotetikus marad.

Forward a "semmisítés" kifejezést is megalkotta, hogy leírja, mi történik, amikor a normál és a negatív anyag találkozik. Várhatóan kölcsönösen megsemmisíthetik vagy "semmisíthetik" egymás létezését, és utána már nem marad energia. Könnyen kimutatható azonban, hogy maradhat némi lendület (nem marad meg, ha ugyanabba az irányba haladnak, ahogy fentebb leírtuk, hanem egymás felé kell haladniuk, hogy találkozzanak és kölcsönösen semmissé váljanak). Ez viszont magyarázatot adhat arra, hogy miért nem jelenik meg hirtelen a semmiből egyenlő mennyiségű közönséges és negatív anyag (a semmisítés ellentéte): ebben az esetben mindegyikük lendülete nem marad meg.

Egzotikus anyag az általános relativitáselméletben

Az általános relativitáselméletben az egzotikus anyagot olyan anyagnak nevezik, amely megsérti a gyenge energiafeltételt (SEC) , vagyis olyan, hogy energiasűrűsége valamilyen referenciakeretben negatív. Ha valamilyen ortonormális alapon az energia-impulzus tenzor átlós, akkor a SES megsérül, ha komponense (azaz az energiasűrűség) vagy (vagyis az energiasűrűség és a nyomás összege valamelyik irányban) negatív. . Az energiasűrűség pozitívságának feltétele azonban nem szükséges feltétele az elmélet matematikai konzisztenciájának (további részletekért lásd Visser monográfiáját [5] ). $T_{{00}}$ $T_{{00}}+T_{{11}}$

Morris , Thorn és Yurtsever [ 6] kimutatta, hogy a kvantummechanikai Casimir-effektus felhasználható negatív tömegű helyi téridő-régió létrehozására . Ebben a cikkben és mások munkájában megmutatták, hogy egzotikus anyagokat is fel lehet használni a féreglyuk stabilizálására . Kramer és munkatársai alátámasztották, hogy az ilyen, a korai Univerzumban keletkezett féreglyukakat a kozmikus húrok negatív tömegű hurkjai stabilizálják [7] . Stephen Hawking bebizonyította, hogy egzotikus anyagok szükségesekegy kompaktan generált Cauchy-horizonttal rendelkező időgép megjelenéséhez [8] . Ez például azt mutatja, hogy egy véges forgó henger, ellentétben a végtelen billenőhengerrel , nem használható időgépként.

Képzelt tömeg

A tachion egy hipotetikus részecske, amelynek képzeletbeli nyugalmi tömege mindig gyorsabban mozog, mint a fénysebesség . A tachionok létezésére nincs bizonyíték.

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

Ha a nyugalmi tömeg képzeletbeli mennyiség, akkor a nevezőnek képzeletbelinek kell lennie (hogy elkerüljük az energia komplex értékét ). Így a négyzetgyök alatti értéknek negatívnak kell lennie, ami csak akkor fordulhat elő, ha nagyobb, mint . A tachionok Feinberg által javasolt elmélete egy dimenzióban van kidolgozva , de nehéz három dimenzióban elemezni. Amint arra Benford és munkatársai rámutattak, többek között a speciális relativitáselmélet lehetővé teszi a tachionok használatát, ha léteznek, hogy időben visszafelé kommunikáljanak [9] (a javasolt eszközt tachion antitestfonnak hívják ). Ezért egyes fizikusok úgy vélik, hogy a tachionok vagy egyáltalán nem léteznek, vagy nem tudnak kölcsönhatásba lépni a közönséges anyaggal. $v$ $c$

Képzeletbeli tömeg a kvantumtérelméletben

A kvantumtérelméletben a képzeletbeli tömeg tachionkondenzációt vezet be .

"Melyik irányba esik az antianyag?"

A legtöbb modern fizikus úgy véli, hogy az antianyagnak pozitív gravitációs tömege van, és le kell esnie, mint a közönséges anyagnak. Egyes kutatók úgy vélik, hogy ennek a ténynek a mai napig nincs meggyőző kísérleti megerősítése [10] [11] . Ennek oka a gravitációs erők részecskeszintű közvetlen tanulmányozásának nehézsége. Ilyen kis távolságokon az elektromos erők elsőbbséget élveznek a sokkal gyengébb gravitációs erővel szemben. Ezenkívül az antirészecskéket külön kell tartani a hagyományos társaiktól, különben gyorsan megsemmisülnek . Nyilvánvalóan ez megnehezíti az antianyag passzív gravitációs tömegének közvetlen mérését. Az ATHENA ( angol. ATHENA ) és az ATRAP ( angol. ATRAP ) antianyaggal kapcsolatos kísérletek segítenek megtalálni a válaszokat.

A tehetetlenségi tömegre adott válaszok azonban régóta ismertek a buborékkamrával végzett kísérletekből . Meggyőzően kimutatják, hogy az antirészecskék pozitív tehetetlenségi tömeggel rendelkeznek, amely megegyezik a "közönséges" részecskék tömegével, de ellentétes elektromos töltéssel. Ezekben a kísérletekben a kamrát állandó mágneses térnek vetik alá, ami a részecskék spirális mozgását okozza . Ennek a mozgásnak a sugara és iránya megfelel az elektromos töltés és a tehetetlenségi tömeg arányának. A részecske-antirészecske párok spirális vonalak mentén mozognak ellentétes irányban, de azonos sugarakkal. Ebből a megfigyelésből arra a következtetésre jutottunk, hogy az elektromos töltés és a tehetetlenségi tömeg aránya ebben a párban csak előjelben különbözik.

Lásd még

Jegyzetek

↑ H. Bondi (1957), " Negatív tömeg az általános relativitáselméletben ", Rev. Mod. Phys. 29 sz. 1957. július 3., pp. 423ff
↑ Népszerű mechanika A fizikusok létrehoztak egy "negatív tömegű" anyagot.
↑ M. A. Khamehchi, Khalid Hossain, M. E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes és P. Engels Negatív tömegű hidrodinamika spin-pályán – Coupled Bose-Einstein kondenzátum Phys. Fordulat. Lett. 118, 155301 – Közzétéve: 2017. április 10
↑ G. Landis, "Comments on Negative Mass Propulsion", J. Propulsion and Power, Vol. 7 sz. 2, 304 (1991).
↑ M. Visser (1995) Lorentzian Wormholes: Einsteintől Hawkingig , AIP Press, Woodbury NY, ISBN 1-56396-394-9
↑ M. Morris, K. Thorne és U. Yurtsever, Wormholes, Time Machines and the Weak Energy Condition , Physical Review , 61 , 13, 1988. szeptember, pp. 1446-1449
↑ John G. Cramer, Robert L. Forward, Michael S. Morris, Matt Visser, Gregory Benford és Geoffrey A. Landis, " Natural Wormholes as Gravitational Lenses ", Phys. Fordulat. D51 (1995) 3117-3120
↑ Hawking, Stephen. A téridő jövője. - WW Norton , 2002. - P. 96. - ISBN 0-393-02022-3 .
↑ GA Benford, DL Book és WA Newcomb, " The Tachyonic Antitelephone ", Physical Review, D 2 263 rész, DOI: 10.1103, 1970. július 15., pp. 263-265
↑ Archivált másolat . Letöltve: 2006. december 16. Az eredetiből archiválva : 2006. december 16.. (határozatlan)
↑ Antimatter GYIK Archivált : 2011. március 21.