物理學家創造出「負質量」流體,推它不前進反而會後退

有物理學家創造出「負質量」流體。圖為水滴示意圖。
有物理學家創造出「負質量」流體。圖為水滴示意圖。攝:WBU / Science Photo Library

在通常狀態下,當物質被推動時,它會沿着力作用的方向運動——這意味着如果你想把某人從身邊推開,用力推出去就行。但近日刊載於學術期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)的論文揭示,科學家們已在實驗室裏成功創建出「負質量」(Negative Mass)流體。不同於我們的日常體驗,向負質量流體施加推力時,它會向反方向加速——也就是說推它不前進反而會後退。

這種現象很少能在實驗室環境下實現,它有助於探索宇宙中懸而未決的基本物理概念。

美國華盛頓州立大學(WSU)助理教授、論文作者之一 Michael Forbes

就像電荷有正有負一樣,理論物理學家們早已假設質量也存在正負之分。但我們的感官系統所體驗的全部是正質量物體,都符合牛頓第二運動定律(Newton's second law of motion),即物體的加速度與所受的淨力成正比,而與質量成反比,物體的加速度與淨力同方向。

為了創建出負質量的物體,由美國華盛頓州立大學(WSU)物理系教授 Peter Engels 領銜,聯同中國與日本的物理學家,在實驗室裏將銣(Rubidium)原子冷卻到接近絕對零度(−273.15℃),使其達至所謂「玻色–愛因斯坦凝態」(Bose-Einstein)。在這種物質狀態下,粒子移動將非常緩慢,並會遵循量子力學原理像波浪一樣運動;此外,此狀態下粒子還會像所謂的超流體(Superfluidity)一樣整體同步移動,且不會損失能量。

隨後,研究人員使用一組激光器減緩粒子的運動速度,同時允許帶有熱量與高能量的粒子像蒸汽一樣逃逸,從而使材料進一步冷卻,並將其囚禁在一個直徑小於100微米的碗狀場裏。不過在此時,銣原子流體仍然具有正常的質量。

為了創建出負質量,研究人員使用第二組激光器來回擊打銣原子,以使其改變自轉的方向;最終,當銣原子從碗狀場裏「逃離」時,如果速度足夠快,就會呈現出負質量狀態。華盛頓州立大學(WSU)助理教授、論文作者之一 Michael Forbes 說:「此時一旦推它,它就會往施力方向加速倒退,就像撞上了一堵看不見的牆。」

研究人員聲稱他們採用的技術避免了以往類似嘗試中存在的根本缺陷。Forbes 強調說:「透過精確的掌控,這是我們首次在實驗室環境下實現了負質量,而且有效地排除了其他因素的干擾。」

而在高度可控的實驗室環境下實現負質量形態,或許也為探索例如中子星、黑洞與暗能量等無法進行實地研究的宇宙現象,提供了一種新的可能性。Forbes 就認為:「它可以提供另一個環境,用於研究非常特殊的基本物理現象。」

負質量

擁有負質量(Negative Mass)的一類奇異物質有時譯為負物質。「負物質」與「反物質」(Antimatter)是完全不同的概念,負物質擁有負質量/負能量,而反物質具有正質量/正能量。負質量可能擁有一些奇特的特性,如往施力方向的反方向加速。譬如一個慣性質量為負、電荷為正的物體與帶電的普通物質相互作用,它會與帶正電的物體相吸,與帶負電的物質相斥,完全與普通物質間的「同性相斥,異性相吸」相反。這種反常的行為可產生一些不可思議的結果。(資料來自維基百科,百科內容以 CC BY-SA 3.0 授權)

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來源:BBCRTScienceDaily華盛頓州立大學

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