11:37, 13 февраля 2011

Отрицательная масса

В современной физике под массой понимают различные свойства физического объекта:

  • Инертная масса характеризует меру инертности тел и фигурирует во втором законе Ньютона. Если произвольная сила в инерциальной системе отсчёта одинаково ускоряет разные исходно неподвижные тела, то этим телам приписывают одинаковую инертную массу.
  • Гравитационная масса показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними гравитационными полями — фактически эта масса положена в основу измерения массы взвешиванием в современной метрологии, и какое гравитационное поле создаёт само это тело (активная гравитационная масса) — эта масса фигурирует в законе всемирного тяготения.
  • Масса покоя задает полную энергию тела по закону Эйнштейна.

В современной физике под массой понимают различные свойства физического объекта:

  • Инертная масса характеризует меру инертности тел и фигурирует во втором законе Ньютона. Если произвольная сила в инерциальной системе отсчёта одинаково ускоряет разные исходно неподвижные тела, то этим телам приписывают одинаковую инертную массу.
  • Гравитационная масса показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними гравитационными полями — фактически эта масса положена в основу измерения массы взвешиванием в современной метрологии, и какое гравитационное поле создаёт само это тело (активная гравитационная масса) — эта масса фигурирует в законе всемирного тяготения.
  • Масса покоя задает полную энергию тела по закону Эйнштейна.

Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что инертная масса должна быть равна пассивной гравитационной массе, а закон сохранения импульса требует, чтобы были равны активная и пассивная гравитационная масса. Все экспериментальные доказательства на настоящий момент свидетельствуют, что все они на самом деле всегда одинаковы. При рассмотрении гипотетических частиц с отрицательной массой важно предположить, какая из этих теорий массы неверна. Однако в большинстве случаев при анализе отрицательной массы предполагается, что принцип эквивалентности и закон сохранения импульса по-прежнему применимы.

В 1957 году Герман Бонди предположил в работе в журнале «Reviews of Modern Physics», что масса может быть как положительной, так и отрицательной. Он показал, что это не ведёт к логическому противоречию, если все три вида массы тоже будут отрицательными, но само принятие существования отрицательной массы вызывает не интуитивно-понятные виды движения.

Из второго закона Ньютона видно, что объект с отрицательной инертной массой будет ускоряться в направлении, противоположном тому, в котором его толкнули, что, возможно, покажется странным.

... электроны в полупроводниковом кристалле приобретают при ускорении сильным электрическим полем отрицательную массу ...

В 2010 году физики из Института Макса Борна (Берлин) сообщили, что электроны в полупроводниковом кристалле приобретают при ускорении сильным электрическим полем отрицательную массу. Если электрическое поле мало, то движение электрона в зоне проводимости в кристалле подчиняется законам Ньютона. В этом режиме масса кристаллического электрона составляет малую часть массы свободного электрона.

Исследователи показали, что кристаллические электроны при крайне высоких скоростях ведут себя полностью отличным образом. Их масса даже становится отрицательной. В одном из номеров журнала Physical Review Letters они сообщили, что ускорили электрон на очень малом отрезке времени - 100 фемтосекунд до скорости 4 млн км в час. После этого электрон останавливался и даже начинал двигаться назад, в направлении, противоположном действующей силе. Это можно объяснить только отрицательной инертной массой электрона.

Таким образом, внутри кристалла электрон, в зависимости от электрического поля, проявляет свойства:

  • квазичастицы с положительной массой, но меньшей массы покоя
  • квазичастицы с отрицательной инертной массой.

В экспериментах электроны в полупроводниковом кристалле арсенида галлия ускорялись экстремально коротким электрическим импульсом с напряженностью поля 30 МВ/м и длительностью 300 фемтосекунд. Скорость электрона как функция от времени измерялась с высокой точностью. Результаты находятся в согласии с вычислениями нобелевского лауреата Феликса Блоха, выполненными им более 80 лет назад. Немецкие учёные исследовали движение электронов в полупроводнике арсениде галлия при комнатной температуре. Они прикладывали к образцу импульс электрического поля длительностью 300 фемтосекунд и напряжённостью 30 миллионов вольт на метр. Измеряя отклик электронов с высокой точностью, физики обнаружили, что первые 100 фемтосекунд частицы, как и положено, ускорялись в «правильном» направлении, причём успевали набрать скорость 1111 километров в секунду. Но затем они резко тормозились за аналогичный период времени и даже начинали двигаться в обратном направлении, что можно интерпретировать только как отрицательное значение инерционной массы у электронов в данный момент.

Авторы эксперимента утверждают: полученные результаты согласуются с теоретическими расчётами, которые выполнил швейцарский физик, нобелевский лауреат Феликс Блох (Felix Bloch) более 80 лет назад. Учёные объясняют эффект как проявление частичной осцилляции Блоха и возникновение в кристалле нового режима переноса зарядов – когерентного их транспорта на ультракоротких временных отрезках. Исследователи считают, что данное явление можно будет использовать в электронике нового поколения, работающей в диапазоне единиц-десятков терагерц.

Если же говорить о больших телах с отрицательной массой, то само их существование представляется невозможным, с точки зрения обычной науки. Отрицательная материя может только разлетаться, в то время как, свойство гравитационного отталкивания у частиц вещества, какова бы ни была их природа, неизбежно приводит к тому, что эти частицы не могут собраться вместе под влиянием сил тяготения. К тому же, поскольку частица отрицательной массы под действием любой силы движется в направлении, противоположном вектору этой силы, то и обычные межатомные взаимодействия не могут связать такие частицы в «нормальные» тела.

  • Нет комментариев.
Войдите, чтобы оставить комментарий

Используя веб-сайт https://donnoval.ru/, вы соглашаетесь с правилами сайта и даёте разрешение на использование файлов Cookies.