Էկզոտիկ նյութ

Էկզոտիկ նյութ, հասկացություն, տարրական մասնիկների ֆիզիկա։ էկզոտիկ նյութը նկարագրում է ցանկացած (սովորաբար, որպես կանոն, վարկածային) նյութ, որը խախտում է մեկ կամ մի քանի դասական պայմաններ կամ բաղկացած չէ հայտնի բարիոններից։ Նման նյութերը կարող են ունենալ այնպիսի որակներ, ինչպիսիք են էներգիայի բացասական խտությունը, կամ գրավիտացիայի արդյունքում վանվում են, ոչ թե ձգվում։ Էկզոտիկ նյութը օգտագործվում է որոշ տեսություններում, ինչպիսիք են որդնախոռոչների (անգլ.՝ Wormhole) կառուցման տեսությունը։ Էկզոտիկ նյութերից ամենահայտնին վակուումն է, որը գտնվում է Կազիմիրի էֆեկտի արդյունքում առաջացած բացասական ճնշմամբ տարածքում։ Էկզոտիկ նյութ է կոչվում նաև ցանկացած նյութ, որը դժվար է արտադրել (օրինակ, բարձր ճնշման տակ գտնվող մետաղական ջրածին կամ Բոզե-Այնշտայնի կոնդենսատ) կամ, որն ունի անսովոր հատկություններ, նույնիսկ եթե այդ նյութերը ստեղծվել և համեմատաբար լավ ուսումնասիրվել են։ Էկզոտիկ նյութը կարելի է անվանել էկզոտիկ ատոմների որոշ տեսակներից կազմված նյութ, որում պոզիտրոնը (պոզիտրոնիում) կամ դրական մյուոնը (մյուոնիում) խաղում են միջուկի (դրական լիցքավորված մասնիկ) դերը։ Կան նաև բացասական մյուոնով ատոմներ՝ էլեկտրոններից մեկի փոխարեն (մյուոնային ատոմ)։

Բացասական զանգված

Այն ժամանակից, երբ Նյուտոնը առաջին անգամ ձևակերպել է իր գրավիտացիայի տեսությունը, գոյություն են ունեցել ամենաքիչը երեք կոնցեպտուալ տարբեր մեծություններ, որոնք զանգված են կոչվել՝ իներտ զանգված, «ակտիվ» գրավիտացիոն զանգված (այսինքն՝ գրավիտացիոն դաշտի աղբյուր) և «պասիվ» գրավիտացիոն զանգված։ Այնշտայնի համարժեքության սկզբունքում ասվում է, որ իներտ զանգվածը պետք է հավասար լինի պասիվ գրավիտացիոն զանգվածին, իսկ իմպուլսի պահպանման օրենքը պահանջում է, որ ակտիվ և պասիվ գրավիտացիոն զանգվածները հավասար լինեն։ Մինչ օրս բոլոր փորձարարական ապացույցները վկայում են, որ դրանք, ըստ էության, բոլորը միշտ նույնն են։ Բացասական զանգվածով հիպոթետիկ մասնիկները դիտարկելիս կարևոր է ենթադրել, թե այդ զանգվածի տեսություններից որն է սխալ։ Այնուամենայնիվ, շատ դեպքերում բացասական զանգվածը վերլուծելիս ենթադրվում է, որ համարժեքության սկզբունքը և իմպուլսի պահպանման օրենքը նախկինի պես կիրառելի են։ 1957 թվականին Հերման Բոնդին, «Ժամանակակից ֆիզիկայի ակնարկներ» ամսագրի աշխատությունում, ենթադրել է, որ զանգվածը կարող է լինել և՛ դրական, և՛ բացասական^[1]։ Նա ցույց տվեց, որ դա չի հանգեցնում տրամաբանական հակասության, եթե զանգվածի բոլոր երեք տեսակները նույնպես բացասական են, բայց բացասական զանգվածի գոյության գաղափարի ընդունումն ինքնին առաջացնում է ինտուիտիվ անհասկանալի շարժման տեսակներ։

Նյուտոնի երկրորդ օրենքից՝

${\displaystyle F=m_{i}a\!\;}$

կարելի է տեսնել, որ բացասական իներցիոն զանգված ունեցող օբյեկտի ձեռք բերած արագացումը հակառակ է ուղղված հրման ուժի ուղղությանը, ինչը կարող է տարօրինակ թվալ։

Եթե առանձին ուսումնասիրենք ${\displaystyle m_{i}}$իներտ զանգվածը, ${\displaystyle m_{p}}$ պասիվ գրավիտացիոն զանգվածը և ${\displaystyle m_{a}}$ ակտիվ գրավիտացիոն զանգվածը, ապա Նյուտոնի տիեզերական ձգողության օրենքը կունենա հետևյալ տեսքը

${\displaystyle m_{i}a=-G{\frac {m_{p}m_{a}}{r^{2}}}}$ ։

Այսպիսով, բացասական գրավիտացիոն զանգված ունեցող օբյեկտները (և՛ պասիվ, և՛ ակտիվ), բայց դրական իներտ զանգվածով, վանվում են դրական ակտիվ զանգվածների կողմից և ձգվում են բացասական ակտիվ զանգվածների կողմից։ Իրականացվել են առաջին փորձերը, որտեղ ատոմների առանձին խմբեր որոշ ժամանակ իրենց պահում են ինչպես բացասական զանգված ունեցող մասնիկներ^[2][3]։

Ֆորվարդի վերլուծություն

Չնայած բացասական զանգված ունեցող մասնիկներն անհայտ են, ֆիզիկոսները (ի սկզբանե ՝ Հ․ Բոնդին և Ռոբերտ Ֆորվարդը) կարողացել են նկարագրել որոշ սպասվող հատկություններ, որոնք կարող են ունենալ այդպիսի մասնիկները։ Ենթադրելով, որ բոլոր երեք տեսակի զանգվածները հավասար են, հնարավոր է կառուցել մի համակարգ, որտեղ բացասական զանգվածները ձգվում են դրական զանգվածների կողմից, միևնույն ժամանակ դրական զանգվածները վանվում են բացասական զանգվածների կողմից։ Միևնույն ժամանակ, բացասական զանգվածները կստեղծեն միմյանց նկատմամբ ձգողական ուժ, բայց նրանք կվանվեն իրենց բացասական իներցիոն զանգվածների պատճառով։ ${\displaystyle m_{p}}$-ի բացասական և ${\displaystyle m_{a}}$-ի դրական արժեքների դեպքում, ${\displaystyle F}$ ուժը կլինի բացասական (վանող)։ Առաջին հայացքից թվում է, թե բացասական զանգվածի արագացումը ուղղված է դրական զանգվածից դուրս, բայց, քանի որ այդպիսի մարմինը կունենա նաև բացասական իներցիոն զանգված, ձեռք կբերի արագացում ${\displaystyle F}$-ին հակառակ ուղղությամբ։ Ավելին, Բոնդին ցույց է տվել, որ եթե երկու զանգվածներն էլ հավասար են բացարձակ արժեքով, բայց տարբերվում են նշանով, ապա դրական և բացասական մասնիկների ընդհանուր համակարգը կարագանա անվերջ՝ առանց համակարգի վրա լրացուցիչ արտաքին ազդեցության։ Այսպիսի վարքը տարօրինակ է նրանով, որ այն բացարձակապես չի համընկնում «տիեզերքի» վերաբերյալ մեր պատկերացումներին՝ դրական զանգվածների հետ աշխատելիս։ Բայց դա մաթեմատիկորեն ամբողջովին հնարավոր է և ոչ մի հակասություն չի առաջացնում։ Կարող է տպավորություն ստեղծվել, որ այդպիսի պատկերացումը խախտում է իներցիայի կամ էներգիայի օրենքը, բայց մեզ մոտ զանգվածները բացարձակ արծեքով հավասար են, ընդ որում մեկը դրական է, մյուսը՝ բացասական, ինչը նշանակում է, որ համակարգի իմպուլսը զրոյի է հավասար, եթե դրանք երկուսն էլ շարժվում են միասին՝ անկախ արագությունից՝

${\displaystyle P_{sys}=mv+(-m)v=[m+(-m)]v=0\times v=0}$։

Նույնպիսի հավասարում կարելի է արտածել նաև ${\displaystyle K_{e}}$ կինետիկ էներգիայի համար՝${\displaystyle K_{e\ sys}={1 \over 2}mv^{2}+{1 \over 2}(-m)v^{2}={1 \over 2}[m+(-m)]v^{2}={1 \over 2}(0)v^{2}=0}$։

Ֆորվարդը տարածեց Բոնդիի հետազոտությունները լրացուցիչ դեպքերի վրա և ցույց տվեց, որ նույնիսկ, եթե երկու՝ ${\displaystyle m_{-}}$ և ${\displaystyle m_{+}}$ զանգվածները բացարձակ արժեքով հավասար չեն, միևնույն է հավասարումները մնում են անհակասելի։ Այս ենթադրություններով ներմուծված որոշ հատկություններ անսովոր տեսք ունեն, օրինակ՝ դրական նյութից գազի և բացասական նյութից գազի խառնուրդի դեպքում դրական մասը անվերջ կբարձրացնի իր ջերմաստիճանը։ Այնուամենայնիվ, այս դեպքում խառնուրդի բացասական մասը կսառչի նույն արագությամբ՝ դրանով իսկ պահպանելով հավասարակշռությունը։

Ջ․Լենդիսը նշել է Ֆորվարդի վերլուծության այլ հավելվածներ^[4], ներառյալ այն, որ չնայած բացասական զանգված ունեցող մասնիկները միմյանց վանելու են, էլեկտրական ուժերը, օրինակ՝ լիցքերը միմյանց կձգեն (ի տարբերություն դրական զանգվածով մասնիկների, որտեղ այդպիսի մասնիկները վանվում են)։ Արդյունքում, բացասական զանգված ունեցող մասնիկների համար դա նշանակում է, որ գրավիտացիոն և էլեկտրաստատիկ ուժերը տեղերով փոխվում են։

Որպեսզի ստանանք կամայականորեն մեծ արագացում, Ֆորվարդն առաջարկել է բացասական զանգվածով տիեզերանավի շարժիչի կոնստրուկցիա, որը չի պահանջում էներգիայի ներհոսք և աշխատանքային մարմին, չնայած, իհարկե, հիմնական խոչնդոտն այն է, որ բացասական զանգվածը մնում  լիովին հիպոթետիկ։

Ֆորվարդը ներմուծել է նաև «նուլլիֆիկացիա» տերմինը՝ նկարագրելու համար, թե ինչ է պատահում, երբ հանդիպում են սովորական և բացասական նյութերը։ Ակնկալվում է, որ նրանք կարող են փոխադարձաբար ոչնչացնել կամ «զրոյացնել» միմյանց գոյությունը, իսկ դրանից հետո ոչ մի էներգիա չի մնա։ Այնուամենայնիվ, հեշտ է ցույց տալ, որ որոշ իմպուլս կարող է մնալ (այն չի մնա, եթե նրանք շարժվեն նույն ուղղությամբ, ինչպես նկարագրված է վերևում, բայց նրանք պետք է շարժվեն դեմ դիմաց, որպեսզի հանդիպեն և զրոյացնեն միմյանց)։ Սա, իր հերթին, կարող է բացատրել, թե ինչու սովորական և բացասական նյութերի հավասար քանակները հանկարծակի չեն հայտնվում ոչ մի տեղից (զրոյացման հակառակը)՝ այս իրավիճակում նրանցից և ոչ մեկի իմպուլսը չի պահպանվի։

Էկզոտիկ նյութը հարաբերականության ընդհանուր տեսության մեջ

Հարաբերականության ընդհանուր տեսության մեջ Էկզոտիկ է կոչվում նյութը, որը խախտում է թույլ էներգետիկ պայմանը(ԹԷՊ), այսինքն այնպիսին, որի էներգիայի խտությունը որոշակի հաշվարկման համակարգում բացասական է։ Եթե որևէ օրթոնորմալ բազիսում Էներգիա-իմպուլսի թենզորը անկյունագծային է, ապա ԹԷՊ խախտվում է, երբ բացասական է դրա ${\displaystyle T_{00}}$ բաղադրիչը (այսինքն էներգիայի խտությունը) կամ ${\displaystyle T_{00}+T_{11}}$ (այսինքն, էներգիայի խտության և ճնշման գումարը որևէ ուղղությամբ)։ Այնուամենայնիվ, այն պայմանը, որ էներգիայի խտությունը դրական է, անհրաժեշտ պայման չէ տեսության մաթեմատիկական կայացվածության համար(մանրամասները Վիսսերի մենագրությունում^[5])։

Մայք Մորիսը (անգլ.՝ Morris), Քիփ Թորնը և Յուրտսեվերը^[6] ցույց են տվել, որ Կազիմիրի քվանտային-մեխանիկական էֆեկտը կարելի է կիրառել բացասական զանգվածի հետ տարածա-ժամանակի լոկալ տարածքի ստեղծման համար։ Այս հոդվածում և այլ հեղինակների հետագա աշխատանքում նրանք ցույց են տվել, որ էկզոտիկ նյութը կարող է օգտագործվել որդնախոռոչը (անգլ.՝ Wormhole) կայունացնելու համար։ Կրամերն ու այլք հիմնավորել են, որ այդպիսի որդնախորշերը, որոնք առաջացել են վաղ Տիեզերքում, կարող են կայունացվել Կոսմիկական լարի բացասական զանգվածով օղակների միջոցով^[7]։ Սթիվեն Հոկինգը ապացուցել է, որ էկզոտիկ նյութը անհրաժեշտ է անհրաժեշտ է կոմպակտ ստեղծված Կոշիի հորիզոնով ժամանակի մեքենայի հայտնվելու համար^[8]։ Սա ցույց է տալիս, օրինակ, որ վերջավոր պտտվող մխոցը, ի տարբերություն Տիպլերի անվերջ գլանի, չի կարող օգտագործվել որպես ժամանակի մեքենա։

Ենթադրական զանգված

Տախիոն (հուն․՝ ταχύς, «արագ»), մտացածին զանգվածով ենթադրական մասնիկ է, որի շարժման արագությունը միշտ գերազանցում է վակուումում լույսի արագությանը։ Տախիոնների գոյության մասին հաստատում չկա։

${\displaystyle E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}$

Եթե հանգստի զանգվածը մտացածին մեծություն է, ապա հայտարարը պետք է լինի մտացածին (որպեսզի խուսափենք էներգիայի կոմպլեքս արժեքից)։ Այսպիսով, քառակուսի արմատի տակ գտնվող արժեքը պետք է բացասական լինի, ինչը կարող է տեղի ունենալ միայն այն դեպքում, երբ ${\displaystyle v}$-ն մեծ է ${\displaystyle c}$-ից։

Հերալդ Ֆայնբերգի (անգլ.՝ Feinberg) առաջարկած տախիոնների տեսությունը նախագծված է մեկ չափողականությամբ, բայց բարդ է եռաչափ վերլուծելու համար։ Ինչպես նշվել է Գրեգորի Բենֆորդի և այլոց կողմից, ի թիվս այլ բաների, Հարաբերականության հատուկ տեսությունը թույլ է տալիս տախիոններն (եթե դրանք գոյություն ունեն) օգտագործել, անցյալի հետ կապի համար^[9] (ենթադրվող սարքը կրում է տախիոնային հակահեռախոս անվանումը)։ Հետևաբար, որոշ ֆիզիկոսներ կարծում են, որ տախիոնները կամ ընդհանրապես գոյություն չունեն, կամ չեն կարող փոխազդել սովորական նյութի հետ։

Ենթադրական զանգված դաշտի քվանտային տեսությունում

Քվանտային դաշտի տեսության մեջ ենթադրական զանգվածը ներմուծում է տախիոնի խտացում։

«Ո՞ր կողմ է ընկնում հականյութը»

Հականյութի գրավիտացիոն փոխազդեցությունը Ժամանակակից ֆիզիկոսների մեծամասնությունը ենթադրել է,որ հականյութը ունի դրական գրավիտացիոն զանգված և պետք է անկում կատարի ինչպես սովորական նյութը։ Որոշ հետազոտողներ կարծում են, որ մինչ օրս այս փաստի համոզիչ փորձարարական հաստատում չկա^[10][11]։ Դա պայմանավորված է մասնիկների մակարդակում ձգողական ուժերը ուղղակիորեն ուսումնասիրելու դժվարությամբ։ Նման փոքր հեռավորությունների վրա էլեկտրական ուժերը գերիշխում են շատ ավելի թույլ գրավիտացիոն փոխազդեցությանը։ Ավելին, հակամասնիկները պետք է առանձնացված լինեն իրենց պայմանական անալոգներից, հակառակ դեպքում դրանք արագորեն ոչնչացվելու են։ Ակնհայտ է, որ դա դժվարացնում է հականյութի պասիվ գրավիտացիոն զանգվածի ուղղակի չափումը։

Հականյութի վերաբերյալ ATHENA (անգլ.՝ ATHENA, Advanced Telescope for High Energy Astrophysics) և ATRAP (անգլ.՝ ATRAP, Anti-Hydrogen Trap) համագործակցային խմբերի փորձերը կօգնեն գտնել պատասխանները։ Իներացիոն զանգվածին վերաբերող պատասխանները, սակայն, վաղուց հայտնի են պղպջակային խցիկով փորձերից։ Դրանք համոզիչ կերպով ցույց են տվել, որ հակամասնիկներն ունեն դրական իներտ զանգված, որը հավասար է «սովորական» մասնիկների զանգվածին, բայց ունեն հակառակ էլեկտրական լիցք։ Այս փորձերի ընթացքում խցիկը ենթարկվում է հաստատուն մագնիսական դաշտի ազդեցությանը, որի պատճառով մասնիկները շարժվում են պարուրաձև հետագծով։ Այս շարժման շառավիղնն և ուղղությունը համապատասխանում են էլեկտրական լիցքի և իներտ զանգվածի հարաբերակցությանը։ Մասնիկ-հակամասնիկ զույգը շարժվում է պարուրաձև գծերի երկայնքով հակառակ ուղղությամբ, բայց միևնույն շառավղով։ Այս դիտարկումից ենթադրվում է, որ այս զույգում էլեկտրական լիցքի հարաբերությունը իներտ զանգվածին տարբերվում է միայն նշանով։

Ծանոթագրություններ

1. H. Bondi (1957), «Negative Mass in General Relativity Արխիվացված 2012-07-13 archive.today», Rev. Mod. Phys. 29 No. 3 July 1957, pp. 423ff
2. Популярная механика Физики создали вещество с «отрицательной массой»
3. M. A. Khamehchi, Khalid Hossain, M. E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes, and P. Engels Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–Coupled Bose-Einstein Condensate Phys. Rev. Lett. 118, 155301 – Published 10 April 2017
4. G. Landis, "Comments on Negative Mass Propulsion, " J. Propulsion and Power, Vol. 7 No. 2, 304 (1991).
5. M. Visser (1995) Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking, AIP Press, Woodbury NY, ISBN 1-56396-394-9
6. M. Morris, K. Thorne, and U. Yurtsever, Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition Արխիվացված 2012-07-17 archive.today, Physical Review, 61, 13, September 1988, pp. 1446—1449
7. John G. Cramer, Robert L. Forward, Michael S. Morris, Matt Visser, Gregory Benford, and Geoffrey A. Landis, "Natural Wormholes as Gravitational Lenses, " Phys. Rev. D51 (1995) 3117-3120
8. Hawking, Stephen The Future of Spacetime. — W. W. Norton, 2002. — С. 96. — ISBN 0-393-02022-3
9. G. A. Benford, D. L. Book, and W. A. Newcomb, "The Tachyonic Antitelephone, " Physical Review, part D 2 263, DOI: 10.1103, July 15, 1970, pp. 263—265
10. «Архивированная копия». Արխիվացված է օրիգինալից 2006 թ․ դեկտեմբերի 16-ին. Վերցված է 2006 թ․ դեկտեմբերի 16-ին.
11. Antimatter FAQ Արխիվացված 2011-03-21 Wayback Machine