Один случай, когда масса и правда может быть отрицательной

Так уж повелось, что все физические тела обладают некоторой массой. При этом представить себе обратный эффект просто невозможно. Сколько раз в жизни вы видели, что масса отрицательная? Такое может быть, пожалуй, только на рынке при покупке абрикосов, когда пустые весы чудесным образом взвешивают отрицательную массу.

Но не спешите отказываться от этой идеи. Всё, как обычно, значительно интереснее. Вопрос про отрицательную массу частенько любят задавать лекторы. Потому что не всё так однозначно, как того хочется. Давайте разбираться поэтапно.

Для начала полезно вспомнить, что существует два вида массы: инертная и гравитационная.

Инертная масса - это та, которая появляется во втором законе Ньютона. Гравитационная масса - это та, что появляется в законе тяготения - она ​​играет роль "гравитационного заряда".

Общая теория относительности предполагает, что эти две величины принципиально равны, но это предположение, как и любое другое, требует экспериментальной проверки. Прямо сейчас мы экспериментально не видим нарушения этого равенства. Однако исключить это полностью нельзя.

В целом вопрос следовало бы разбить на два подвопроса:

Если бы отрицательная гравитационная масса была возможна, это означало бы, что возможны отталкивающие гравитационные взаимодействия между массами. Мы никогда не видели ничего подобного экспериментально, но теоретически это могло бы быть возможно. Некоторые думают, что антиматерия может гравитационно отталкиваться от обычной материи и что она может иметь отрицательную гравитационную массу (ее инертная масса положительна, мы это знаем). Но недавние эксперименты с антиводородом подтвердили, что ничего нового тут нет. Антиводород также, как и обычная частица, упал на дно экспериментального сосуда при воздействии гравитационного поля.

Темная энергия, которая якобы движет ускоренным расширением Вселенной, тоже не имеет отрицательной массы.

В общей теории относительности источником гравитационного поля является так называемый тензор энергии-импульса, который состоит не только из массы и энергии, но также давления и сдвига. Темная энергия имеет положительную плотность энергии, но своеобразное уравнение состояния, что заставляет ее ускорять расширение Вселенной.

Теперь перейдем к инертной массе. Наличие отрицательной инертной массы привело бы ко всем видам парадоксов: частицам, ускоряющимся в направлении, противоположном приложенной силе, и отрицательной кинетической энергии. Это означает, что чем быстрее движется частица с отрицательной массой, тем ниже ее кинетическая энергия. Теоретически вы могли бы черпать бесконечную энергию из одной частицы с отрицательной массой. Поэтому я не знаю ни одной теории, которая рассматривала бы свободные частицы с отрицательной инертной массой.

Но всё-таки есть один особый случай, когда появляется отрицательная инертная масса: движение носителей заряда в периодическом потенциале.

Как выясняется, когда вы решаете уравнения движения электрона в таком периодическом потенциале, они выглядят похожими на уравнения движения свободного электрона, но с другой массой. Эта так называемая эффективная масса может быть больше или меньше массы свободного электрона, и при определенных условиях она может даже стать отрицательной. Однако эта эффективная масса не является физической - это просто число, которое вы подставляете в уравнения, чтобы они выглядели проще. Примерно также было с историей про гравитационную постоянную Эйнштейна.

---

⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!