Физики рассказали, что мешает полететь к звездам на скорости света

МОСКВА, 21 фев — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Может ли масса быть отрицательной по аналогии с электрическим зарядом — ученые пытаются выяснить это уже более ста лет. Недавно удалось получить странное вещество, которое ведет себя, как если бы его масса была минусовой. Это открывает новое направление исследований.

Как стабилизировать кротовую нору

Кротовая нора в пространстве-времени долго не живет. Ее горловина схлопывается из-за гравитации, не успевая пропустить даже луч света. Чтобы она стала проходимой, требуется вещество с отрицательной массой, создающее эффект антигравитации, — так называемая экзотическая материя. Через подобную червоточину можно попасть в другую Вселенную. Эту идею использовали в научно-фантастическом фильме "Интерстеллар" — с подачи американского физика-теоретика, нобелевского лауреата Кипа Торна.

"Кип Торн — фундаментальный физик, поэтому забывает о технологиях. Сколько энергии для этого потребуется? Как обеспечить утилизацию избыточного тепла для такой энергетической установки? Но на любую реальную технологию накладываются ограничения в виде начал термодинамики, специальной теории относительности. Мне это напоминает фантазии вековой давности, когда считалось, что можно превратить в чистую энергию любое вещество и на этом летать к звездам. Теоретически — да, любое. А практически и только отчасти — уран, плутоний и дейтерий, но и с ними большие проблемы", — комментирует РИА Новости Антон Первушин, писатель-фантаст, специалист по истории космонавтики.

© Иллюстрация РИА Новости . Rost9/Depositphotos.com

Кротовые норы — это пространственно-временные тоннели во Вселенной. Чтобы быть стабильными, они должны содержать экзотическую материю.

Охота на скорости света

Если обычные тела все притягивают, то тела с отрицательной массой — отталкивают. Может ли существовать в природе материя с таким странным свойством? По всей видимости, нет, ведь рождение частиц с отрицательной массой (энергией) привело бы к неустойчивости вакуума.

Тем не менее физик Ричард Хаммонд из Университета Северная Каролина, в качестве гипотезу рассматривает ситуацию, когда рядом рождаются две частицы с массой противоположных знаков. Получается, что обычная частица должна убегать, а частица с отрицательной массой будет ее преследовать. Такая пара начнет ускоряться, постепенно приближаясь к скорости света. Можно ли это использовать при создании двигателя для межпланетного корабля?

"Идея, увы, бредовая. При ускорении растет масса — согласно специальной теории относительности. Причем по мере приближения к скорости света масса стремится к бесконечности. За счет чего станет увеличиваться отрицательная масса "отталкивающей" частицы, причем до бесконечности? В действительности эти частицы оттолкнутся друг от друга и будут разлетаться до тех пор, пока не окажутся вне пределов действия своих гравитационных полей, а там либо продолжат свободный полет, либо вступят во взаимодействие с другими частицами", — рассуждает Антон Первушин, писатель-фантаст, специалист по истории космонавтики.

Однако в этом рассуждении есть ошибка. Энергия движущейся частицы будет равно ее массе, умноженной на гамма-фактор (Лоренц-фактор). А он будет расти бесконечно по мере приближения скорости к скорости света. Получается, такого рода двигатель был бы возможен, если бы наша среда допускала рождение частиц с отрицательной массой.

© Иллюстрация РИА Новости . Depositphotos / vectorcreator

Частица с отрицательной гравитационной массой гоняется за обычной частицей

Против всякой интуиции

В 2017 году много шума наделала статья американских физиков из Государственного университета Вашингтона, получивших в лаборатории странное вещество — не ускорявшееся в ту сторону, куда его толкали, как это предписывает второй закон Ньютона. Это возможно только если его инерционная масса отрицательна.

С помощью лазера физики создали суперфлюид из атомов рубидия, охладив их до температуры почти абсолютного нуля, и возникло особое состояние материи — так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором атомы движутся очень медленно.

Тем же лазером облачко конденсата Бозе-Эйнштейна как бы заперли в отдельном участке пространства и заставили изменить спин — есть такая квантовая характеристика частиц. Чем сильнее толкали это облачко, тем сильнее оно ускорялось в обратную приложенной силе сторону. Как если бы теннисист бил по мячу, а тот отлетал к нему, а не к сопернику.

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина, Depositphotos / blueringmedia

Чтобы отбить мяч из вещества с отрицательной массой к сопернику, теннисист должен толкнуть его еще сильнее к себе

Эти результаты объяснили теоретики из Австралии, Великобритании и России.

Однако в данном случае речь идет об эффективной массе, возникающей при взаимодействии частиц с конденсатом Бозе-Эйнштейна, а не о массе частиц в вакууме.

Электрон в кристалле приобретает отрицательную эффективную массу из-за спин-орбитального взаимодействия, уточняет доктор физико-математических наук Сергей Баранов, ведущий научный сотрудник лаборатории взаимодействия излучения с веществом ФИАН.

"Рассмотрим спутник на орбите. Если мы попытаемся его затормозить (приложим силу навстречу скорости), спутник перейдет на более низкую орбиту и скорость его не уменьшится, а увеличится. И кинетическая энергия, вопреки совершенной над ним отрицательной работе, — тоже. А если ускорим спутник, подталкивая его сзади, скорость уменьшится — ну чем не отрицательная масса. На самом же деле парадоксальная прибыль (или убыль) кинетической энергии восполняется убылью (или прибылью) потенциальной энергии — поскольку спутник находится в поле тяжести. Отрицательная эффективная масса — это результат взаимодействия со средой (и она невозможна без внешней среды), будь то кристалл или поле тяжести, или какое-либо иное внешнее поле. Но в современной физике есть более сильное утверждение: любая масса — всегда результат взаимодействия со средой," — поясняет ученый.