Eksotisk stof

Eksotisk stof er et begreb inden for elementarpartikelfysik, der beskriver ethvert (normalt hypotetisk) stof , der overtræder en eller flere klassiske betingelser eller ikke består af kendte baryoner . Sådanne stoffer kan have egenskaber som negativ energitæthed eller blive frastødt snarere end tiltrukket på grund af tyngdekraften . Eksotisk stof bruges i nogle teorier, såsom teorien om strukturen af ormehuller . Den mest berømte repræsentant for eksotiske stoffer er vakuumet i en region med negativt tryk produceret af Casimir-effekten .

Eksotisk stof kaldes også ethvert materiale , der er svært at fremstille (for eksempel metallisk brint ved højt tryk eller Bose-Einstein-kondensat ) eller som har usædvanlige egenskaber, selvom disse materialer er skabt og relativt godt undersøgt.

Eksotisk stof kan kaldes et materiale skabt af nogle typer eksotiske atomer , hvor kernens rolle (positivt ladet partikel) udføres af en positron ( positronium ) eller en positiv myon ( muonium ). Der er også atomer med en negativ myon i stedet for en af elektronerne (det muoniske atom).

Negativ masse

Siden Newton først formulerede sin gravitationsteori , har der været mindst tre begrebsmæssigt adskilte størrelser kaldet masse : inertimasse , "aktiv" gravitationsmasse (dvs. kilden til gravitationsfeltet) og "passiv" gravitationsmasse. Einsteins ækvivalensprincip siger, at inertimassen skal være lig med den passive gravitationsmasse, og loven om bevarelse af momentum kræver, at den aktive og passive gravitationsmasse er ens. Alle eksperimentelle beviser tyder på, at de alle i virkeligheden altid er ens. Når man overvejer hypotetiske partikler med negativ masse, er det vigtigt at gætte, hvilken af disse masseteorier der er forkerte. Men i de fleste tilfælde, når man analyserer negativ masse, antages det, at ækvivalensprincippet og loven om bevarelse af momentum stadig gælder.

I 1957 foreslog Hermann Bondy , som skrev i Reviews of Modern Physics , at masse kunne være enten positiv eller negativ [1] . Han viste, at dette ikke fører til en logisk modsigelse , hvis alle tre massetyper også er negative, men selve accepten af eksistensen af en negativ masse forårsager intuitivt uforståelige bevægelsestyper.

Fra Newtons anden lov :

F=m_{i}a\!\;

det kan ses, at en genstand med en negativ inertimasse vil accelerere i modsat retning af den, den blev skubbet i, hvilket kan virke mærkeligt.

Hvis vi studerer inertialmassen , passiv gravitationsmasse og aktiv gravitationsmasse hver for sig, så vil Newtons universelle gravitationslov antage følgende form: $m_i$ $m_{p}$ $m_{a}$

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

Således vil objekter med negativ gravitationsmasse (både passiv og aktiv), men med positiv inertimasse, blive frastødt af positive aktive masser og tiltrukket af negative aktive masser.

De første forsøg blev udført, hvor separate grupper af atomer i nogen tid opfører sig som partikler med negativ masse. [2] [3]

Forwards analyse

Selvom negative massepartikler ikke kendes, var fysikere (oprindeligt G. Bondy og Robert Forward ) i stand til at beskrive nogle af de forventede egenskaber, som sådanne partikler kunne have. Forudsat at alle tre typer masser er lige store, er det muligt at konstruere et system, hvor negative masser tiltrækkes af positive masser, mens positive masser frastødes af negative masser. Samtidig vil negative masser skabe en tiltrækningskraft mod hinanden, men vil blive frastødt på grund af deres negative inertimasser.

Med en negativ værdi og en positiv værdi på vil kraften være negativ (frastødende). Ved første øjekast ser det ud som om den negative masse ville accelerere væk fra den positive masse, men da et sådant objekt også ville have en negativ inertimasse, ville det accelerere i den modsatte retning . Desuden viste Bondy, at hvis begge masser er lige i absolut værdi, men adskiller sig i fortegn, så vil det samlede system af positive og negative partikler accelerere i det uendelige uden nogen yderligere indflydelse på systemet udefra. $m_{p}$ $m_{a}$ $F$ $F$

Denne adfærd er mærkelig, fordi den absolut ikke passer med vores idé om det "almindelige univers" fra at arbejde med positive masser. Men det er fuldstændig matematisk konsistent og introducerer ingen modsætninger.

Det kan virke som om en sådan repræsentation overtræder loven om bevarelse af momentum og/eller energi , men vi har masserne er lige store i absolut værdi, den ene er positiv og den anden er negativ, hvilket betyder at systemets momentum er nul hvis de bevæger sig begge sammen og accelererer sammen, uanset hastighed:

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

Og den samme ligning kan beregnes for kinetisk energi : $K_{e}$

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

Videresend udvidede Bondis forskning til yderligere tilfælde og viste, at selvom to masser ikke er ens i absolut værdi, forbliver ligningerne stadig konsistente. $m_{{-}}$ $m_{{+}}$

Nogle egenskaber, der introduceres af disse antagelser, ser usædvanlige ud, for eksempel i en blanding af en gas af positivt stof og en gas af negativt stof, vil den positive del øge sin temperatur på ubestemt tid. Men i dette tilfælde vil den negative del af blandingen afkøle med samme hastighed, hvorved balancen udlignes. Geoffrey A. Landisbemærkede andre anvendelser af Forwards analyse [4] , herunder indikationer på, at selvom partikler med negativ masse vil frastøde hinanden tyngdekraften, vil elektriske kræfter, såsom ladninger , tiltrække hinanden (i modsætning til partikler med positiv masse, hvor sådanne partikler frastødes) . Som følge heraf betyder dette for partikler med negativ masse, at tyngdekraften og elektrostatiske kræfter vendes.

Forward foreslog et rumfartøjsmotordesign med negativ masse , der ikke kræver en tilstrømning af energi og en arbejdsvæske for at opnå en vilkårlig stor acceleration, selvom den største hindring selvfølgelig er, at den negative masse forbliver fuldstændig hypotetisk.

Forward opfandt også udtrykket "ophævelse" for at beskrive, hvad der sker, når normalt og negativt stof mødes. Det forventes, at de gensidigt kan udslette eller "ophæve" hinandens eksistens, og derefter vil der ikke være energi tilbage. Det er dog let at vise, at noget momentum kan forblive (det vil ikke blive ved, hvis de bevæger sig i samme retning, som beskrevet ovenfor, men de skal bevæge sig mod hinanden for at mødes og gensidigt ophæve). Dette kan til gengæld forklare, hvorfor lige store mængder af almindeligt og negativt stof ikke pludselig dukker op ud af ingenting (det modsatte af annullering): i dette tilfælde vil fremdriften af hver af dem ikke blive bevaret.

Eksotisk stof i generel relativitetsteori

I den generelle relativitetsteori kaldes eksotisk stof stof, der overtræder den svage energitilstand (SEC) , det vil sige sådan, at dets energitæthed i en eller anden referenceramme er negativ. Hvis energimomentum-tensoren på en eller anden ortonormal basis er diagonal, så bliver SES overtrådt, når dens komponent (det vil sige energitætheden) eller (det vil sige summen af energitætheden og trykket i en af retningerne) er negativ . Betingelsen for positivitet af energitætheden er dog ikke en nødvendig betingelse for teoriens matematiske konsistens (for flere detaljer, se Vissers monografi [5] ). $T_{{00}}$ $T_{{00}}+T_{{11}}$

Morris , Thorn og Yurtsever [ 6] viste, at den kvantemekaniske Casimir-effekt kan bruges til at skabe et lokalt område af rum-tid med negativ masse . I denne artikel og efterfølgende arbejde af andre viste de, at eksotisk stof kunne bruges til at stabilisere et ormehul . Kramer et al. underbyggede, at sådanne ormehuller, der er opstået i det tidlige univers, kunne stabiliseres af sløjfer af den negative masse af kosmiske strenge [7] . Stephen Hawking beviste, at eksotisk stof er nødvendigt for udseendet af en tidsmaskine med en kompakt genereret Cauchy-horisont [8] . Dette viser for eksempel, at en finit roterende cylinder, i modsætning til en uendelig Tipler cylinder , ikke kan bruges som en tidsmaskine.

Imaginær masse

Tachyon er en hypotetisk partikel med en imaginær hvilemasse, der altid bevæger sig hurtigere end lysets hastighed . Der er ingen beviser for eksistensen af tachyoner.

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

Hvis hvilemassen er en imaginær størrelse, så skal nævneren være imaginær (for at undgå den komplekse værdi af energi ). Værdien under kvadratroden skal således være negativ, hvilket kun kan ske, når det er større end . Teorien om tachyoner foreslået af Feinberg er udviklet i én dimension , men vanskelig at analysere i tre dimensioner. Som påpeget af Benford et al., tillader særlig relativitet blandt andet brugen af tachyoner, hvis de findes, til at kommunikere baglæns i tid [9] (den foreslåede enhed kaldes tachyon-antistoftelefonen ). Derfor mener nogle fysikere, at tachyoner enten slet ikke eksisterer eller ikke kan interagere med almindeligt stof. $v$ $c$

Imaginær masse i kvantefeltteori

I kvantefeltteori introducerer den imaginære masse tachyonkondensation .

"I hvilken retning falder antistof?"

De fleste moderne fysikere mener, at antistof har en positiv gravitationsmasse og bør falde ned som almindeligt stof. Nogle forskere mener, at der til dato ikke er nogen overbevisende eksperimentel bekræftelse af dette faktum [10] [11] . Dette skyldes vanskeligheden ved direkte at studere gravitationskræfter på partikelniveau. På så små afstande har elektriske kræfter forrang over den meget svagere tyngdekraft. Desuden skal antipartikler holdes adskilt fra deres konventionelle modstykker, ellers vil de hurtigt udslettes . Dette gør det naturligvis vanskeligt at måle den passive gravitationsmasse af antistof direkte. Eksperimenter med antistof ATHENA ( eng. ATHENA ) og ATRAP ( eng. ATRAP ) vil hjælpe med at finde svar.

Svarene på inertimassen har dog længe været kendt fra eksperimenter med et boblekammer . De viser overbevisende, at antipartikler har en positiv inertimasse, svarende til massen af "almindelige" partikler, men den modsatte elektriske ladning. I disse forsøg udsættes kammeret for et konstant magnetfelt, som får partiklerne til at bevæge sig i en helix . Radius og retning af denne bevægelse svarer til forholdet mellem den elektriske ladning og inertimassen. Partikel-antipartikel-par bevæger sig langs spiralformede linjer i modsatte retninger, men med samme radier. Fra denne observation konkluderes det, at forholdet mellem den elektriske ladning og inertialmassen i dette par kun adskiller sig i fortegn.

Se også

Noter

↑ H. Bondi (1957), " Negative Mass in General Relativity ", Rev. Mod. Phys. 29 nr. 3. juli 1957, s. 423ff
↑ Populær mekanik Fysikere har skabt et stof med en "negativ masse"
↑ M. A. Khamehchi, Khalid Hossain, M. E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes og P. Engels Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit-Coupled Bose-Einstein Condensate Phys. Rev. Lett. 118, 155301 – Udgivet 10. april 2017
↑ G. Landis, "Comments on Negative Mass Propulsion," 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 og 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 og Geoffrey A. Landis, " Natural Wormholes as Gravitational Lenses ," Phys. Rev. D51 (1995) 3117-3120
↑ Hawking, Stephen. Rumtidens fremtid. - WW Norton , 2002. - S. 96. - ISBN 0-393-02022-3 .
↑ GA Benford, DL Book og WA Newcomb, " The Tachyonic Antitelephone ," Physical Review, del D 2 263, DOI: 10.1103, 15. juli 1970, s. 263-265
↑ Arkiveret kopi . Hentet 16. december 2006. Arkiveret fra originalen 16. december 2006. (ubestemt)
↑ Antimatter FAQ Arkiveret 21. marts 2011.