فیزیکدانان موفق به ساخت جرم منفی شدند!

فیزیکدانان دانشگاه دولتی واشنگتن، سیالی با جرم منفی ساختند. وقتی این سیال را هل می‌دهید، برخلاف تمام اشیای فیزیکی دیگر، در مسیری که هل داده شده، شتاب نمی‌گیرد، بلکه به عقب حرکت می‌کند! این پدیده که در شرایط ویژه‌ی آزمایشگاهی خلق شده، می‌تواند به کشف رازهای چالش‌برانگیز کیهان شناسی نیز کمک کند. این پژوهش که در ژرونال معتبر Physical Review Letters منتشر شد، به عنوان مقاله پیشنهاد سردبیر انتخاب شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

ماده، به لحاظ نظری می‌تواند جرم منفی داشته باشد، درست همانطور که یک بار الکتریکی می‌تواند منفی یا مثبت باشد. البته ما کمتر به جرم منفی فکر می‌کنیم، چون واقعا با آن سروکاری نداریم؛ در جهان روزمر‌ه‌ و ماکروسکوپی ما، خبری از جرم منفی نیست و تمام اشیا دارای جرم مثبت هستند. در چنین جهانی، ما فقط حالت مثبت قانون ذوم نیوتون را می‌بینیم که نیروی مساوی با جرم شی ضربدر شتاب آن است (F=ma). به عبارت دیگر، اگر یک شی را هل دهید، در جهتی که به آن نیرو وارد می‌کنید، شتاب خواهد گرفت، یعنی جرم در مسیر نیرو، شتاب می‌گیرد. این دقیقا رفتار تمام اشیایی است که ما در اطراف خود می‌بینیم، اما در مورد یک شی با جرم منفی ، اگر آن را هل دهید، به سمت خودتان شتاب خواهد گرفت!

شرایط جرم منفی

شرایط ساخت جرم منفی در آزمایشگاه، بسیار دشوار است. دانشمندان این شرایط را با سردسازی اتم‌های روبیدیوم به اندازه‌ی یک تارمو بالاتر از صفر کلوین خلق کردند. اینکار باعث می‌شود تا چگالیده بوز-اینشتین ساخته شود. در این حالت، ذرات با آهسته‌ترین حالت ممکن، حرکت کرده و طبق اصول مکانیک کوانتومی، مانند امواج رفتار می‌کنند. در چگالیده بوز-اینشتین، ذرات، به صورت هماهنگ و به صورت متحد حرکت می‌کنند که به این حالت، ابرسیال گفته می‌شود. یک ابرسیال، بدون اتلاف انرژی جریان می‌یابد.
دانشمندان این شرایط را با استفاده از لیزرهایی ایجاد می‌کنند که ذرات را کند کرده و باعث سردتر شدن آنها می‌شوند. این لیزرها، ذرات داغ و با انرژی بالا را از مانند بخار از سیال دور می‌کنند. اتم‌ها توسط لیزرها در حفره‌ای کاسه مانند به قطر صد میکرون، به دام می‌افتند. در این نقطه، ابرسیال روبیدیوم، جرم معمولی دارد. شکستن این کاسه، به روبیدیوم اجازه می‌دهد تا به سرعت به اطراف پخش شود. حالا برای ساخت جرم منفی، محققان، یک مجموعه دیگر لیزر را استفاده کردند که اسپین اتم‌ها را تغییر می‌داد. وقتی روبیدیوم به اندازه کافی سریع، پخش شود، مانند جرم منفی رفتار می‌کند: یعنی باهل دادن آن، به سمت عقب، شتاب می‌گیرد و به نظر می‌رسد روبیدیوم به یک دیوار نامرئی برخورد می‌کند.

خبری از نقایص آزمایش‌های قبلی نبود

تکنیکی که در این پژوهش استفاده شد، نقص‌های آزمایش‌های قبلی را نداشت. چیزی که اینجا برای اولین بار امکان‌پذیر شد، کنترل کاملا پیچیده‌ی ماهیت جرم منفی بود. این کنترل خوب به محققان اجازه می‌دهد تا ابزار جدیدی برای مهندسی آزمایش‌های مشابه در اخترفیزیک، مانند ستاره‌های نوترونی و پدیده‌های کیهان شناسی مانند سیاه چاله‌ها و انرژی تاریک داشته باشند و بنابراین راه برای رازگشایی پدیده‌هایی که امکان آزمایش مستقیم آنها وجود ندارد، باز شود.

مقاله اصلی را در زیر مشاهده کنید:

[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/04/PhysRevLett.118.155301.pdf” profile=”3″ save=”1″]