Экзотическая материя

Экзотическая материя — это гипотетическое понятие физики элементарных частиц. Она описывает любое вещество, которое нарушает одно или несколько классических условий, либо не состоит из известных барионов. Такие вещества могут обладать такими качествами, как отрицательная масса или отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Экзотическая материя используется в некоторых спекулятивных теориях, например, в теории о построении кротовых нор. Наиболее известным представителем экзотической материи является область с псевдо-отрицательным давлением, производимым эффектом Казимира.

Экзотической материей ещё называют любой материал, который трудно произвести (например, металлический водород или конденсат Бозе — Эйнштейна), либо который показывает необычные свойства (например, фуллерены или нанотрубки), даже если эти материалы созданы и относительно изучены.

Так ещё могут называть материал, созданный из некоторых видов экзотических атомов.

Отрицательная масса

С тех пор как Ньютон впервые сформулировал свою теорию гравитации, было как минимум три концептульно разных величин, называемых массой: инерциальная масса, «активная» гравитационная масса (то есть, источник гравитационного поля) и «пассивная» гравитационная масса (то есть, количество силы, произведённой в ответ на гравитацию). Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что инерциальная 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 продолжают быть применимыми.

В 1957 году Германн Бонди предположил в работе в журнале «Reviews of Modern Physics», что масса может быть как отрицательной, так и положительной. 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:

$F=m_{i}a\!\;$

Видно, что объект с отрицательной инерциальной массой будет ускоряться в направлении, противоположном тому, в котором его толкнули, что, возможно, покажется несколько странной мыслью.

Если изучать инерционную массу $m_{i}$, пассивную гравитационную массу $m_{p}$ и активную гравитационную массу $m_{a}$ отдельно, то закон всемирного тяготения Ньютона примет такой вид:

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

Таким образом, объекты с отрицательной гравитационной массой (и пассивной, и активной), но с положительной инерциальной массой, будут отталкиваться положительными активными массами и притягиваться отрицательными активными массами.

Анализ Форварда

Хотя неизвестны частицы с отрицательной массой, физики (первоначально Бонди и Роберт Л. Форвард) смогли описать некоторые из ожидаемых свойств, которыми могут обладать такие частицы. Предполагая, что все три вида масс равны, можно построить систему, где отрицательные массы притягиваются к положительным массам, в то же время положительные массы отталкиваются от отрицательных масс. В то же время отрицательные массы будут создавать силу притяжения друг к другу, но будут при этом отталкиваться из-за своих отрицательных инерциальных масс.

При отрицательном значении $m_{p}$ и положительном значении $m_{a}$, сила $F$ будет отрицательной (отталкивающей). На первый взгляд это выглядит так, как будто отрицательная масса будет ускоряться в сторону от положительной массы, но поскольку такой объект будет также обладать отрицательной инерциальной массой, он будет ускоряться в направлении, противоположном $F$. Более того, Бонди показал, что если обе массы равны по абсолютной величине, но отличаются знаком, то общая система положительных и отрицательных частиц будет ускоряться бесконечно без какого-либо дополнительного влияния на систему снаружи.

Это поведение странно в том, что оно абсолютно не сочетается с нашим представлением об "обычной вселенной" из работы с положительными массами. Но оно полностью математически состоятельно и не вводит каких-либо противоречий.

Может сложиться впечатление, что такое представление нарушает закон сохранения импульса и/или энергии, но у нас массы равны по абсолютной величине, одна при этом положительна, а другая отрицательна, а значит, импульс системы равен нулю, если они обе двигаются вместе и ускоряются вместе, независимо от скорости:

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

И такое же уравнение может быть вычислено для кинетической энергии $K_{e}$:

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

Форвард расширил исследования Бонди на дополнительные случаи и показал, что даже если две массы $m_{-}$ и $m_{+}$ не равны по абсолютной величине, то уравнения всё равно остаются непротиворечимыми.

Некоторые свойства, которые вводятся этими предположениями, выглядят необычно, например, в смеси газа из положительной материи и газа из отрицательной материи положительная часть будет увеличивать свою температуру бесконечно. Однако, в таком случае отрицательная часть смеси будет охлаждаться с той же скоростью, тем самым выравнивая баланс. Джеффри А. Лендис (англ. Geoffrey A. Landis) отметил другие приложения анализа Форварда, включая указания на то, что хотя частицы с отрицательной массой и будут отталкиваться друг от друга гравитационно, но электрические силы, например, заряды будут притягиваться друг к другу (в отличие от частиц с положительной массой, где такие частицы отталкиваются). В результате для частиц с отрицательной массой это означает, что гравитационные и электростатические силы поменяются местами.

Форвард предложил дизайн для двигателя космических кораблей с использованием отрицательной массы, который не требует притока энергии и рабочего тела, чтобы получить сколь угодно большое ускорение, хотя, конечно, основным препятствием является то, что отрицательная масса остаётся полностью гипотетической. См. diametric drive.

Форвард также ввёл термин "нуллификация" для описания того, что происходит, когда встречаются обычная и отрицательна материя. Ожидается, что они могут взаимно уничтожиться или "обнулить" существование друг друга, причём после этого не останется никакой энергии. Однако легко показать, что некоторый импульс может остаться (его не останется, если они движутся в одном направлении, как описано выше, но им нужно двигаться навстречу друг другу, чтобы встретиться и взаимно обнулиться). Это может, в свою очередь, объяснить, почему равные количества обычной и отрицательной материи не появляются внезапно из ниоткуда (противоположность нуллификации): в этом событии не будет сохранён импульс у каждой из них.

Экзотическая материя в общей теории относительности

В общей теории относительности экзотическая материя обобщается как любая область пространства, где плотность массы исчисляется отрицательной величиной. Это может возникнуть из-за отрицательной массы, или же это может быть область пространства, где импульсный компонент в эйнштейновом тензоре энергии-импульса больше по абсолютной величине, чем плотность массы. Все эти варианты — нарушение того или иного варианта условия положительной энергии в эйнштейновой общей теории относительности. Однако, условие положительности энергии не является необходимым условием для математической состоятельности теории. (Некоторые версии условия положительности энергии, условия слабой энергии, условия сильной энергии и т. д. обсуждаются в математических выкладках Виссера.)

Моррис (англ. Morris), Торн и Юртсевер показали, что квантовая механика эффекта Казимира может быть использована для создания локальной области пространства — времени с отрицательной массой. В этой статье и последующих работах других авторов они показали, что отрицательная материя может быть использована для стабилизации кротовой норы. Крамер и др. обосновали, что такие кротовые норы могли быть, создавшись в ранней Вселенной, стабилизированы петлями отрицательной массы космических струн. Стивен Хокинг доказал, что отрицательная энергия является обязательным условием для замкнутой времяподобной кривой (англ. closed timelike curve) с помощью манипуляций гравитационными полями внутри конечной области пространства. Это доказывает, например, что конечный цилиндр Типлера (англ. Tipler cylinder) не может быть использован в качестве машины времени.

Мнимая масса

Основная статья: Тахион

Теоретическая частица с мнимой массой покоя, которая всегда движется быстрее скорости света. Такие (гипотетические) частицы называются тахионами. Подтверждений существования тахионов нет.

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

Если масса покоя является мнимой величиной, то знаменатель должен быть мнимым (чтобы избежать комплексного значения энергии). Таким образом, величина под квадратным корнем должна быть отрицательной, что может произойти только тогда, когда $v$ больше $c$. Теория тахионов, предложенная Файнбергом (англ. Feinberg), разработана в одном измерении, но трудна для анализа в трёх измерениях. Как указано Бенфордом (англ. Benford) и др., среди прочего, специальная теория относительности позволяет использовать тахионы, если они существуют, для связи назад во времени (см. статью Тахионный антителефон (англ. Tachyonic antitelephone)). Так как путешествие во времени считается физически невозможным, физики полагают, что тахионы либо не существуют вообще, либо они не могут взаимодействовать с обычной материей.

Мнимая масса в квантовой теории поля

Основная статья: Тахионная конденсация

В квантовой теории поля мнимая масса вводит тахионную конденсацию.