Как известно, драконов не существует. Эта примитивная 
констатация может удовлетворить лишь ум простака, но отнюдь не учёного; банальность бытия установлена слишком давно и не заслуживает более ни единого словечка. Гениальный
Цереброн Эмдеэртий, атаковав проблему методами точных наук, установил, что имеется три типа драконов: нулевые, мнимые и отрицательные. Все они, как было сказано, не существуют, однако каждый тип - на свой особый манер.
(Станислав Лев «Кибериада»)
Изучая природу, учёный, если это настоящий учёный, обязательно будет подходить к той черте, за которой начинается невозможное. И, если это настоящий учёный, то он, конечно, будет стараться заглянуть в это невозможное. Но, поскольку он - настоящий учёный, то он вынужден будет признать, что в этом самом невозможном его наука бессильна.
Физика даёт прекрасный набор инструментов для изучения возможного, но для невозможного все эти инструменты непригодны. Для невозможного нужно что-то другое, что лежит за пределами физики. Поэтому физика невозможное не изучает. Физика честно говорит: «это лежит за пределами моей компетенции». А если кто-то, выдавая себя за учёного, начинает объяснять невозможное с помощью физики, или какой-то другой естественной науки, то можно смело утверждать, что перед нами не учёный, а шарлатан.
А кто же тогда может изучать невозможное? У кого есть необходимый для этого набор инструментов? Таким набором инструментов может обладать художник. Художник в широком смысле слова. Многие, наверное, знают, что слово «артист» с латыни переводится как «художник», и означает не только того, кто пишет картины, а любого творческого человека. В украинском языке есть аналогичное слово: «митець», то есть, человек искусства. Человек искусства со своим художественным восприятием мира может ориентироваться в том, что лежит за гранью возможного.
Но у артиста, у художника другая беда, он не знает туда дороги. Ведь, чтоб попасть в невозможное, надо пройти путь по возможному, а возможное лежит в компетенции учёного, а не художника. Выходит, что художник может попасть в невозможное только случайно. И такие случайные попадания туда, такие прогулки по невозможному для него могут быть весьма опасными. Тут можно вспоминать судьбу Гоголя, Достоевского, Булгакова - для каждого из них проникновение в невозможное не прошло безболезненно. Для того чтобы входить в невозможное и выходить из него без тяжёлых последствий, надо хорошо знать дорогу туда и обратно. А дорогу эту знают учёные, в первую очередь, физики. Значит, чтобы соприкасаться с невозможным, надо хорошенько освоиться в возможном.
Вообще, что у нас получается? У нас есть учёные, которые знают дорогу в невозможное и обратно, но не знают, как ориентироваться в невозможном, и есть художники, которые умеют там ориентироваться, но не знают туда дороги. Такая вот засада. Поэтому главной интеллектуальной задачей XXI века я считаю создание такого познавательного аппарата, который соединит науку и искусство. А главной педагогической задачей XXI века я считаю создание такой системы образования, которая сможет готовить людей развитых всесторонне, владеющих как научным подходом, так и художественным чутьём. Если сейчас есть деление людей на технарей и гуманитариев, или, как ещё говорят на физиков и лириков, то в будущем каждый уважающий себя человек должен стать и физиком, и лириком одновременно.
Собственно для этого я и создаю данный цикл.
В прошлый раз, говоря об объектах абсолютного холода, я сказал, что такие объекты должны состоять не из молекул, а из чего-то принципиально другого, обладающего принципиально иными свойствами. О каких свойствах идёт речь? Прежде всего, о массе.
Температура, как мы помним, это - мера энергии молекул, из которых состоит тело. А энергия движения молекул, или их кинетическая энергия зависит от двух параметров: от скорости и от массы. От скорости в большей степени, чем от массы. Зависимость кинетической энергии от массы - линейная, а зависимость кинетической энергии от скорости - квадратичная. То есть, если массу увеличить вдвое, то и кинетическая энергия возрастёт вдвое, а если скорость увеличить вдвое, то кинетическая энергия возрастёт в четыре раза. А если втрое, то - в девять раз, вчетверо - в шестнадцать, и так далее, - это квадратичная зависимость.
Так вот, какими должны быть масса и скорость молекул, чтобы их кинетическая энергия, а, следовательно, и температура тела, из них состоящего, была отрицательной? Либо у этих молекул должна быть отрицательная масса, либо - мнимая скорость. Но мнимые числа - это такая математическая абстракция, что представить себе мнимую скорость даже я не могу, при всём моём воображении, а вот отрицательная масса - это, хотя и невозможное, но такое, что можно себе представить.
Прежде всего, что такое масса? Те, кто совсем не знают физики путают массу с весом, но я надеюсь, что тут таких нет. Итак, масса - это мера инертности (не путать с инерцией!). У каждого физического тела есть такое неотъемлемое свойство как инертность. Инертность - это свойство тела сохранять своё состояние. Либо это состояние покоя, неподвижности, либо наоборот - состояние движения. К примеру, мячик сдвинуть легко, а шкаф тяжело. Велосипед остановить легче, чем грузовой автомобиль. Это есть инертность. А количественная мера инертности называется массой. Масса тела может быть больше, может меньше, но она всегда больше нуля. Следовательно, и инерция тела всегда положительная.
А что значит, отрицательная масса, если таковая где-то будет обнаружена? Это означает, что тело обладает отрицательной инертностью. Как выражается положительная инертность? Мы мячик толкаем, он катится, мы препятствуем его движению, он останавливается. Это - естественно, это - положительная инертность. Значит, как будет вести себя тело с отрицательной инертность и отрицательной массой? Оно будет вести себя строго наоборот: мы его толкаем вперёд, оно движется назад, мы его пытаемся остановить, оно разгоняется. Таких тел, тел с отрицательной инерцией обнаружено не было, и, вполне возможно, что в нашей Вселенной таких тел не существует. А вот за пределами Вселенной…
Если вспомнить мои предыдущие выпуски, то в них я несколько раз пытался заглянуть за границы нашей Вселенной, за границы возможного. Когда я говорил о горизонте событий, о чёрных дырах, о сверхсветовых скоростях, об обратном течении времени и, наконец, о температурах ниже абсолютного нуля.
Так вот, из чего должно состоять тело с отрицательной массой? Не из молекул, а из чего-то принципиально другого, из частиц, масса которых тоже - отрицательная. Но если масса частиц - отрицательная, значит, и их кинетическая энергия - тоже отрицательная (если кто помнит, формулу кинетической энергии -
mv 2 /2). Но если их кинетическая энергия - отрицательная, значит, и мера средней кинетической энергии таких частиц, то есть, температура - тоже будет отрицательная. Вернее, это будет уже не совсем температура, поскольку такое тело состоит из не совсем молекул.
Ещё интересно поразмыслить над тем, как будут вести себя такие не совсем молекулы, ведь у них будет отрицательная инертность, значит, при взаимных столкновениях они будут двигаться не так, как обычные молекулы. И притягиваться между собой и отталкиваться они будут совершенно ненормальным образом. Какие структуры смогут образовывать такие частицы, об этом вы можете пофантазировать самостоятельно.
А пока остановимся ещё на одной физической величине, которую так же называют массой. Странно, не правда ли? Две физических величины, а называются одинаково? Бывает ли такое? Оказывается, бывает. Есть масса, которая является мерой инертности, а есть и другая масса, которая является мерой другого неотъемлемого свойства тела - мерой гравитации. Гравитации я уже частично касался, когда говорил о чёрных дырах. Вот теперь остановимся на ней поподробнее.
Гипотетическая червоточина в пространстве-времени
В лаборатории Университета штата Вашингтон были созданы условия для образования конденсата Бозе - Эйнштейна в объёме менее 0,001 мм³. Частицы замедлили лазером и дождались, когда наиболее энергичные из них покинули объём, что ещё больше охладило материал. На этом этапе сверхкритическая жидкость ещё имела положительную массу. При нарушении герметичности сосуда атомы рубидия разлетелись бы в разные стороны, поскольку центральные атомы выталкивали бы крайние атомы наружу, а те ускорялись бы в направлении приложения силы.
Для создания отрицательной эффективной массы физики применили другой набор лазеров, который изменял спин части атомов. Как предсказывает симуляция, в отдельных районах сосуда частицы должны приобрести отрицательную массу. Это хорошо видно по резкому увеличению плотности вещества как функции от времени в симуляциях (на нижней диаграмме).
Рисунок 1. Анизотропное расширение конденсата Бозе - Эйнштейна с разными коэффициентами силы сцепления. Реальные результаты эксперимента обозначены красным, результаты предсказания в симуляции - чёрным
Нижняя диаграмма - это увеличенный фрагмент среднего кадра в нижнем ряду рисунка 1.
На нижней диаграмме показана одномерная симуляция общей плотности как функции от времени в регионе, где впервые проявилась динамическая нестабильность. Пунктирами разделены три группы атомов со скоростями в квазимомент , где эффективная масса начинает становиться отрицательной (верхняя линия). Показана точка минимальной отрицательной эффективной массы (посередине) и точка, где масса возвращается к положительным значениям (нижняя линия). Красные точки обозначают места, где локальный квазимомент лежит в районе отрицательной эффективной массы.
На самом первом ряду графиков видно, что во время физического эксперимента вещество вело себя в точном соответствии с результатами симуляции, которая предсказывает появление частиц с отрицательной эффективной массой.
В конденсате Бозе - Эйнштейна частицы ведут себя как волны и поэтому распространяются не в том направлении, в каком должны распространяться нормальные частицы положительной эффективной массы.
Справедливости ради нужно сказать, что неоднократно физики регистрировали во время экспериментов результаты, когда проявлялись свойства вещества отрицательной массы , но те эксперименты можно было интерпретировать по-разному. Сейчас же неопределённость в большей мере устранена.
Научная статья опубликована 10 апреля 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, доступно по подписке). Копия статьи перед отправкой в журнал размещена 13 декабря 2016 года в свободном доступе на сайте arXiv.org (arXiv:1612.04055).
Гипотетическая червоточина в пространстве-времени
В лаборатории Университета штата Вашингтон были созданы условия для образования конденсата Бозе - Эйнштейна в объёме менее 0,001 мм³. Частицы замедлили лазером и дождались, когда наиболее энергичные из них покинули объём, что ещё больше охладило материал. На этом этапе сверхкритическая жидкость ещё имела положительную массу. При нарушении герметичности сосуда атомы рубидия разлетелись бы в разные стороны, поскольку центральные атомы выталкивали бы крайние атомы наружу, а те ускорялись бы в направлении приложения силы.
Для создания отрицательной эффективной массы физики применили другой набор лазеров, который изменял спин части атомов. Как предсказывает симуляция, в отдельных районах сосуда частицы должны приобрести отрицательную массу. Это хорошо видно по резкому увеличению плотности вещества как функции от времени в симуляциях (на нижней диаграмме).
Рисунок 1. Анизотропное расширение конденсата Бозе - Эйнштейна с разными коэффициентами силы сцепления. Реальные результаты эксперимента обозначены красным, результаты предсказания в симуляции - чёрным
Нижняя диаграмма - это увеличенный фрагмент среднего кадра в нижнем ряду рисунка 1.
На нижней диаграмме показана одномерная симуляция общей плотности как функции от времени в регионе, где впервые проявилась динамическая нестабильность. Пунктирами разделены три группы атомов со скоростями в квазимомент , где эффективная масса начинает становиться отрицательной (верхняя линия). Показана точка минимальной отрицательной эффективной массы (посередине) и точка, где масса возвращается к положительным значениям (нижняя линия). Красные точки обозначают места, где локальный квазимомент лежит в районе отрицательной эффективной массы.
На самом первом ряду графиков видно, что во время физического эксперимента вещество вело себя в точном соответствии с результатами симуляции, которая предсказывает появление частиц с отрицательной эффективной массой.
В конденсате Бозе - Эйнштейна частицы ведут себя как волны и поэтому распространяются не в том направлении, в каком должны распространяться нормальные частицы положительной эффективной массы.
Справедливости ради нужно сказать, что неоднократно физики регистрировали во время экспериментов результаты, когда проявлялись свойства вещества отрицательной массы , но те эксперименты можно было интерпретировать по-разному. Сейчас же неопределённость в большей мере устранена.
Научная статья опубликована 10 апреля 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, доступно по подписке). Копия статьи перед отправкой в журнал размещена 13 декабря 2016 года в свободном доступе на сайте arXiv.org (arXiv:1612.04055).
Cтраница 1
Отрицательная масса готовится из 90 % окиси кадмия, 7 5 % гидрата закиси никеля, 2 5 % солярового масла.
Отрицательная масса аккумуляторов фирм Alclum и DEAC состоит из кадмия и железа в соотношении Cd: Fe 4: 1; отрицательная масса фирмы Tudor - из гидрата окиси кадмия с добавкой 4 5 % никеля и 3 5 % графита.
Понятие отрицательной массы возникает, если хотят представлять дело так, что электрон движется все время в одном и том же внешнем поле; в этом случае не остается ничего другого, как считать, что торможение до нулевой скорости происходит за счет отрицательной массы. Разумеется, силы в решетках, которые вызывают это торможение, являются совершенно реальными, однако не в представлениях классической механики, а в представлениях волновой механики кристаллических электронов.
Частицы отрицательной массы вообще вели бы себя очень странно с точки зрения наших привычных макроскопических представлений. Если такая частица, взаимодействуя с окружающей средой, испытывала бы сопротивление трения, то она должна была бы непрерывно ускоряться, а не замедляться, как обычная частица. И все это благодаря тому, что отрицательные массы вообще противоречат привычной классической термодинамике.
Допуская частицы отрицательной массы, мы полагаем, что физические системы могут иметь как сколь угодно большие положительные энергии, так и сколь угодно малые, ничем не ограниченные снизу отрицательные энергии. Это свойство систем, содержащих минус-частицы, находится, однако, в противоречии с одной из исходных аксиом термодинамики - постулатом существования состояния термодинамического равновесия. Однако такое состояние равновесия возможно не у всех физических систем. Такие системы имеют состояние термодинамического равновесия.
Модифицированная неустойчивость отрицательной массы была независимо обнаружена в экспериментах на установке DCX-II , где, как оказалось, она приводит к совершенно неожиданным, любопытным последствиям.
Для иллюстрации метода отрицательных масс определим центр тяжести круглой однородной пластинки радиуса R с вырезом в форме круга радиуса - R (фиг. Так как пластинка с вырезом имеет ось симметрии, то ее центр тяжести лежит на этой оси.
Свойства частицы с отрицательной массой покоя совершенно необычны. Так, например, при т0г0 вектор скорости частицы и вектор ее импульса направлены всегда в противоположные стороны.
Допустим, что частицы отрицательной массы могут испускаться или поглощаться системами обычных частиц, так же как, например, фотоны или л; - мезоны. Однако испускание минус-частицы означает увеличение энергии и импульса системы А, точно такое же, какое было бы вызвано поглощением плюс-частицы той же (по абсолютному значению) массы. И, аналогично, поглощение минус-частицы системой В эквивалентно испусканию этой системой плюс-частицы.
Однако на примере частиц отрицательной массы мы уже видели, что существуют объекты, которые не могут быть зарегистрированы обычными приборами, однако могут быть обнаружены при помощи принципиально новых измерительных устройств. Следует поэтому рассмотреть возможность существования особых измеряющих систем, способных регистрировать частицы мнимой массы.
При работах по приготовлению щелочной отрицательной массы и щелочной пасты, в которые входит щелочной электролит, следует соблюдать все требования безопасности работы со щелочами (см. гл.
