Sci-fi v přímém přenosu: Fyzici vytvořili hmotu se zápornou hmotností  
Co je potřeba pro výrobu exotické hmoty se záporným znaménkem? Lasery, zase lasery a ještě trochu atomů rubidia.

 

Model supratekutého Bose-Einsteinova kondenzátu. Kredit: UAF.
Model supratekutého Bose-Einsteinova kondenzátu. Kredit: UAF.

Hmota se zápornou hmotností? Zní to jako šarlatánství. Jenže chyba lávky. V teoretické fyzice je to prostě hmota s hmotností, která nabývá záporných hodnot. Třeba mínus 100 kilogramů. Prozatím to ovšem je velice hypotetická záležitost. Taková hmota by měla mít zvláštní vlastnosti, díky nimž se objevuje v některých spekulativních, ale zároveň ostře sledovaných teoriích, například ohledně konstrukce červích děr. Doposud se této exotické hmotě nejvíce blížila situace s oblastí pseudo-záporného tlaku, který vzniká v důsledku Casimirova jevu.

 

Michael Forbes. Kredit: WSU.
Michael Forbes. Kredit: WSU.

Fyzici Washingtonské Státní univerzity (WSU) nedávno experimentálně vytvořili hmotu se zápornou hmotností tím, že laserově chladili atomy rubidia. Michael Forbes a jeho spolupracovníci vyrobili špetku kapaliny. Její záporná hmotnost se projevuje tak, že když na ni působí síla, tak se na rozdíl od všech známých fyzikálních objektů ve vesmíru nepohybuje ve směru působící síly, ale naopak proti ní. Vědecká práce týmu WSU vzbudila takový ohlas, že ji prestižní fyzikální časopis Physical Review Letters v novém čísle doporučuje jako výběr editora.


Hypoteticky vzato, hmota může mít zápornou hmotnost, podobně jako může být elektrický náboj kladný nebo záporný. Lidé ale obvykle takhle o hmotnosti nepřemýšlejí a mají plnou hlavu newtonovské fyziky, kde se síla rovná hmotnosti objektu krát jeho zrychlení. Objekt s kladnou hmotností zrychluje ve směru působení síly. Jak říká Forbes, pokud zapůsobíte silou na něco se zápornou hmotností, tak to zrychlí proti směru síly.

 

Slavné schéma Bose-Einsteinova kondenzátu (uprostřed těsně po vzniku), vytvořeného z atomů rubidia. Kredit: NIST/JILA/CU-Boulder.
Slavné schéma Bose-Einsteinova kondenzátu (uprostřed těsně po vzniku), vytvořeného z atomů rubidia. Kredit: NIST/JILA/CU-Boulder.

Abychom ale byli přesní a hned zarazili předčasná očekávání cestování mimoprostorem, v tomto výzkumu nešlo o klasickou hmotnost, nýbrž o efektivní hmotnost, která se týká částic, případně kvazičástic v silovém poli, a má co dělat s kvantovou mechanikou. Objekty s efektivní hmotnosti bývají třeba vodivostní elektrony v silovém poli krystalové mřížky. Efektivní hmotnost se shodou okolností obvykle uvádí v jednotkách hmotnosti elektronu (9,11 x 10-31 kg). Nabývá hodnot v rozmezí 0 až 10, někdy až 1000 – v materiálech s exotickými fermiony. A jak je vidět, efektivní hmotnost může být i záporná.


Forbes s kolegy postupovali tak, že zchladili atomy rubidia lasery na teplotu jen o vlásek vyšší, než je absolutní nula. Zpomalili tyto atomy, co to jenom šlo, a zároveň umožnili uniknout „horkým“ částicím o vyšších energiích. Tím vznikl populární a pozoruhodný Bose-Einsteinův kondenzát. V takovém materiálu se částice pohybují extrémně pomalu, jsou v moci podivností kvantové mechaniky a chovají se spíše jako vlny. Jsou synchronizované a pohybují se jako supratekutina.


Nejprve získali supratekutinu rubidiových atomů, která měla běžnou hmotnost, řekněme s kladným znaménkem. Pak zapojili druhou sestavu laserů, které ovlivnily pohyb atomů a změnily jejich spin. Když pak na supratekutinu zapůsobila síla, tak se supratekutina pohybovala proti této síle, přesně jako by měla zápornou hmotnost. Podle Forbese to vypadalo, jako kdyby rubidiové atomy narážely do neviditelné zdi.


Vědcům WSU se povedlo získat nad hmotou se zápornou efektivní hmotností kontrolu, bez dalších komplikací, které doprovázely předešlé pokusy o studium této exotické formy hmoty. Díky tomu teď mají k dispozici nástroj, s nímž bude možné studovat reálně nedosažitelné jevy, jako jsou neutronové hvězdy, černé díry nebo přízračná temná hmota.

Literatura
Washington State University 10. 4. 2017, Physical Review Letters 118: 155301, Wikipedia (Negative Mass).

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 23.04.2017
Tisk článku

Stephen Hawking Jeho život a dílo - Fergusonová Kitty
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 399 Kč
cena: 319 Kč
Stephen Hawking Jeho život a dílo
Fergusonová Kitty

Diskuze:

Pavel Broz +1

Jaromir Mrazek,2017-05-12 15:15:33

Diky P.B. ten text dava smysl. Doporucuji bud pridat ke stavajicimu clanku, nebo radeji rovnou nahradit. Zruste Osla X, vytvorte Osla s duverou.

Odpovědět

Vcera

Jan Jakub Mikl,2017-04-24 20:38:11

Vcera jsem v hospode nechal 300 to se rovna strate hmoty (pivo dovnitr a pak ven) plus ztrata penez. A mimochodem jsem se taky docela vlnil

Odpovědět

Jiří Matuš,2017-04-24 12:42:57

"když na ni působí síla.." Ale která síla? Nebo všechny?

Odpovědět


Re:

Jiří Novák,2017-04-24 18:42:10

Obávám se, že v případě tohoto vědeckého týmu jde o sílu, zprostředkovanou midichloriany.

Odpovědět


žádná síla, ale asymetrické rozplývání

Pavel Brož,2017-04-24 22:24:10

Asi bude nejlepší to trochu rozvést spolu se zdrojem, který je např. zde:

https://arxiv.org/pdf/1612.04055.pdf

Předesílám, že jsem ho prolétnul trochu letmo, snad jsem nic podstatného nepřehlédnul. Začnu od konce: výzkumníci žádnou vnější silou, která by měla za cíl urychlovat připravený Boseho-Einsteinův kondenzát (dále BEC), nepůsobili. Vše co udělali je, že na konci vypnuli jeden ze dvou dipólů, který držely BEC uvězněný v dipólové pasti, načež se BEC začal rozplývat, jenže se rozplýval asymetricky – v následujícím se pokusím vysvětlit proč se BEC rozplýval asymetricky a nikoliv symetricky.

Uspořádání bylo takové, že BEC sestávající zhruba ze sto tisíc atomů rubidia byl na začátku udržován v dipólové pasti „ve tvaru cigarety“ (cigar-shaped trap) orientované podél osy x. Tyto atomy se nechovaly jako nezávislé atomy, ale interagovaly prostřednictvím spin-orbitální interakce (ve zdroji pod zkratkou SOC jako spin-orbital coupling), která byla indukovaná dvěma laserovými paprsky o vhodně zvolených frekvencích. V takovýchto systémech lze demonstrovat celou řadu nelineárních jevů, jako jsou např. solitonové vlny, samozachycení, atd.. Ve zkratce jde o to, že takový systém v žádném případě nelze chápat jako pouhou sumu nezávislých komponent, protože v něm každá jednotlivá komponenta silně interaguje s komponentami ostatními.

Dále bylo podél osy x aplikováno homogenní magnetické pole o indukci zhruba 10 Gaussů, díky čemuž se docílilo Zeemanova jevu, kdy dojde k rozštěpení dvou do té doby shodných energetických hladin. Tady by se možná mohlo zdát, že právě toto magnetické pole je tou vnější silou působící na urychlování BEC, nicméně ti ze čtenářů, kteří mají základy z teorie elektromagnetického pole, vědí, že homogenní magnetické pole neutrální atomy neurychluje, natož pak ve svém směru. Při zvoleném uspořádání schematicky načrtnutém na obr. 5 na straně 7 (není tam ale vyobrazeno to magnetické pole ve směru osy x) váže spin-orbitální interakce atomy ve směru osy x – jinými slovy pohyb jednoho atomy podél této osy ovlivní pohyb ostatních atomů mnohem výrazněji, než kdyby se zvolený atom pohyboval ve směru osy y nebo z.

To, co je pro nás nejvíce důležité, je to, že ta spin-orbitální interakce není symetrická vůči prohození orientace osy x. Přesněji řečeno, není symetrická, pokud v obou spinových stavech diktovaných komplikovaným experimentálním uspořádáním není zhruba stejný počet atomů, a to nebyl, protože záměrem pokusu bylo naopak docílit té asymetrie v obsazení spinových hladin. Je to vyobrazeno na hornějším ze dvou obrázků na straně 1, kde na modro-červené křivce ta modrá část odpovídá jednomu ze dvou relevantních spinů, zatímco červená část odpovídá spinu opačnému – z polohy BEC na tomto obrázku vidíme, že systém byl připraven ve spinově asymetrickém stavu. V takovém stavu je ale i spin-orbitální interakce asymetrická, tj. je jiná ve směru minus x než ve směru plus x.

Ve výsledku tedy máme systém, který má výraznou interakci ve směru osy x, a to (vzhledem k nesymetrickému zastoupení spinových hladin) interakci nesymetrickou, tj. odlišnou ve směru minus x a plus x. Když tedy na konci vypneme jeden ze dvou dipólů dipólové pasti a necháme BEC samovolně rozplývat, výsledkem je (logicky) asymetrické rozplývání.

Nicméně samotné asymetrické rozplývání není tím majstrštykem, který se experimentátorům povedl – tím je to, že dosáhli až tak výrazné asymetrie, že část z těch atomů, které by se za „normálních“ okolností rozplývaly ve směru plus x, ve skutečnosti měnily směr svého pohybu na minus x.

A to je v kostce celé. Shrnuto – máme v dipólové pasti lapený nelineární systém připravený s asymetrickým zastoupením spinových hladin, což spolu s volbou celého experimentálního uspořádání vede k takové interakci mezi atomy, která je asymetrická vůči orientaci osy x. Po vypnutí pasti se systém samovolně rozplývá, přičemž se nejen rozplývá asymetricky (což vzhledem k okolnostem není vůbec překvapivé), ale navíc ta asymetrie umožňuje vznik až takové situace, že část z atomů, které by měly difundovat směrem doprava, díky interakcím se zbytkem systému mění směr svého pohybu doleva.

Rád bych zdůraznil, že realizace takového výsledku rozhodně není něčím elementárním, snadným nebo obvyklým. Jedná se o sofistikovaný experimentální model, který umožní tak trošku simulovat chování hypotetické negativní hmoty, tj. hmoty, která podle současné fyziky neexistuje. Nicméně bez ohledu na sofistikovanost tohoto experimentu jsme se ani o píď nepřiblížili nejen k získání negativní hmoty, ale ani k odpovědi na to, jestli vůbec může existovat. To je nutné vědět.

Odpovědět

ono je to maličko složitější

Pavel Brož,2017-04-23 17:25:58

To, co výzkumníci studovali a měřili, nebyla žádná hmota projevující negativní hmotnost. Ve skutečnosti výzkumníci vytvořili sofistikovaný model, ve kterém se díky chytře zvoleným nelineárním interakcím zprostředkovaným spin-orbitální interakcí pozorovaná část hmoty chová, jako by měla negativní hmotnost. Můžeme si to představit tak, jako kdybychom měli s pomocí spousty pružinek komplikovaně provázané míčky, a po speciálním působení sil na tuto složitou zpětnovazebnou soustavu pozorovali chování míčků ve středu této soustavy - také jejich pohyb by byl samozřejmě jiný, než kdyby šlo o míčky volné.

Tím nechci v žádném případě snižovat význam toho experimentu, jenom je potřeba jej správně chápat. Podobné analogie byly vytvořeny např. s "vytvořením černé díry" v speciálních nízkoteplotních experimentech - ani zde samozřejmě nešlo o to, že by výzkumníci vytvořili skutečnou černou díru, oni pouze vytvořili model, který se v některých (ale zdaleka ne ve všech) ohledech jako černá díra choval, takže díky tomu ten experimentální model bylo možno používat k vytváření analogií jevů, které bychom mohli pozorovat u reálných černých děr. Samozřejmě ne všech jevů, např. vytvořené nízkoteplotní analogie černých děr nepolykají jiná tělesa ani je netrhají na kusy.

Stejně tak i experiment zmíněný v článku může být užitečný v tom, že umožní názorně demonstrovat, jak by se hmota s negativní energií v určitých situacích chovala, a to bez nutnosti takovou hmotu reálně mít. A opět i zde platí, že ta podobnost tohoto experimentálního modelu se skutečnou negativní hmotou je pouze částečná - ve skutečnosti se jedná o regulární pozitivní hmotu, která se pouze díky vhodně zvoleným nelineárním interakcím plus díky režimu Einsteinova-Boseho kondenzátu pouze v některých ohledech chová, jako hmota negativní. Díky tomu tento experimentální model může být velice užitečný, ačkoliv nás k získání skutečné negativní hmoty nepřiblížil ani o píď.

Odpovědět


Re: ono je to maličko složitější

Milan Krnic,2017-04-23 18:58:45

Děkuji za vysvětlující komentář, a samozřejmě i panu Mihulkovi za článek!

Odpovědět


Re: ono je to maličko složitější

Jiří Novák,2017-04-23 22:05:12

Trochu to připomíná sovětský vynález barevné televize. Taky se nakonec ukázalo, že jenom přenášeli v Ermitáži obrazy z místnosti do místnosti.

Odpovědět


Re: Re: ono je to maličko složitější

Pavel Brož,2017-04-23 22:41:41

Ano, vidím to taky tak nějak. Ono bohužel někteří vědci se neupejpají použít poněkud bulvární styl prezentace svých výsledků. Popularizace vlastního výzkumu je sice věc nezbytná, jde ale o to stanovit si hranici, kdy ještě jde o popularizaci, a kdy už jde o matení neodborné veřejnosti. Ten styl, kdy už jde o matení veřejnosti vadil např. i Richardu Feynmanovi, neměl rád, když se publicita povyšovala nad objektivitu.

Odpovědět

jde o chování hmoty vzhledem k síle

Florian Stanislav,2017-04-23 12:01:51

Nejde o zápornou hmotnost přes nulovou hmotnost, stále jde o hmotné atomy rubidia, ale jinak se chovají k působení síly.

Odpovědět

Záporná hmotnost.

Vlastislav Výprachtický,2017-04-23 09:45:53

Překonat nulovou hmotnost by znamenalo přeměnu na vlnění. Možná, že lepší označení by se dalo vyjádřit HMOTNOSTÍ BLÍŽÍCÍ SE NULE.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni