#ηeωs

220 лет назад учёные впервые измерили силу притяжения в «домашних» условиях. Эксперимент Кавендиша, в котором шар весом 158 кг притягивал другой шар весом 700 грамм, позволил вычислить значение гравитационной постоянной.

С тех пор удалось измерить силу притяжения для всё более лёгких объектов вплоть до массы 90 грамм. А в свежей работе японские исследователи предлагают прибор с чувствительностью в тысячу раз выше. Он сможет измерять притяжения объектов массой от 100 миллиграмм.

Прибор пока не реализован, но суть его в следующем. Строится оптический резонатор из трёх маленьких зеркал, одно из которых свободно подвешено. Измеряемый объект подвешивается недалеко от резонатора и его заставляют колебаться. Объект притягивает к себе подвешенное зеркало и оно начинает колебаться вместе с ним. По амплитуде колебаний зеркала можно вычислить силу гравитации, а её (амплитуду) можно измерить при помощи света в резонаторе.

Разработчики надеются, что эта техника откроет путь ко всё более чувствительным приборам и рано или поздно позволит измерить гравитацию микроскопических объектов квантовой природы.

#ηeωs

Доктор Фарнс из Оксфордского университета предложил одно общее объяснения для эффектов тёмной энергии и тёмной материи — распределённые во Вселенной частицы отрицательной массы, которые к тому же постоянно пополняются из вакуума.

В современной теории расширение Вселенной связывается с тёмной энергией. Вакуум имеет ненулевую плотность энергии, которая задаётся космологической постоянной «лямбда» (Λ). За счёт этого расширяется само пространство-время.

Тёмная материя же постулируется для объяснения скорости вращения звёзд в галактиках. На краю галактик звёзды крутятся с гораздо больше скоростью, чем предсказывает ОТО. По сути скорость вращения всех звёзд в галактике более-менее совпадает, хотя должна бы падать с удалением от центра. Это можно объяснить, если предположить наличие в галактике так называемой тёмной материи — вещества, которое не излучает, и взаимодействует с остальным веществом только гравитационно. Предлагалось несколько вариантов «тёмных» частиц, но пока ни одни из них не обнаружены.

Вместе тёмная энергия и тёмная материя образуют ΛCDM—модель и отвечают за 95% состава Вселенной.

Доктор Фарнс же предлагает объяснить оба эффекта наличием во Вселенной большого количества отрицательной массы. Отрицательные частицы отталкиваются друг от друга, что приводит к разбеганию галактик, то есть расширению Вселенной. По той же причине, они не объединяются в сложные структуры типа атомов, необходимые для излучения света, т. е. остаются «тёмными». С другой стороны, отрицательные частицы притягиваются к положительным, что приводит к тому, что они скапливаются вокруг галактик и разгоняют звёзды на периферии.

Приведу ключевые моменты его работы.

По мере расширения Вселенной плотность отрицательной массы должна падать, и расширение должно замедляться. Чтобы объяснить наблюдаемое ускоренное расширение, Фарнс постулирует эмиссию отрицательной массы — беспрерывное рождение новых отрицательных частиц из вакуума. При постоянной частоте рождения частиц мы получаем аналог космологической постоянной Λ. Однако, эта модель допускает, что частота может зависеть от времени и места. Этим можно было бы объяснить проблемы в уточнением постоянной Хаббла и галактики с разным объёмом тёмной материи.

Невероятно, но факт: отрицательная масса — это аналог отрицательной космологической постоянной Λ. С одной стороны это логично, ведь отрицательная масса эквивалентна отрицательной энергии вакуума. Но с другой стороны, это ведь означает сжатие Вселенной, а не расширение! В текущей модели, где мы наблюдаем расширение Вселенной, Λ считается положительной.

Однако решение уравнения Фридмана для Вселенной с доминирующей отрицательной массой даёт циклическую Вселенную с отрицательной Λ, переменным параметром Хаббла и отрицательной кривизной. Сначала Вселенная расширяется, но в какой-то момент расширение сменяется сжатием и она схлопывается обратно. Чем меньше Λ (по модулю), тем больше время жизни Вселенной. Например, если Λ равна по модулю текущему измеренному значению (но отрицательна по знаку), то один цикл составит 105 млрд. лет, так что мы просто можем находиться ещё в молодой расширяющейся фазе.

Забавно также, что единственное возможное решение при этом — это пространство-время с отрицательной кривизной, а это не что иное, как знаменитое пространство анти—де Ситтера, которое очень любят в теории струн и других теориях квантовой гравитации. В нём работает т. н. AdS/CFT соответствие, которое позволяет связать гравитацию с квантовой теорией поля. Поэтому такое пространство является хорошей игрушечной моделью для тестирования различных теорий, но всегда оставалось загадкой, как же применить эти модели к нашей реальной Вселенной. Если же наша Вселенная и правда является вселенной анти—де Ситтера, то «теории всего» должны получить новый толчок.

Фарнс провёл компьютерную симуляцию галактики из 50 тыс. частиц (5 тыс. положительных и 45 тыс. отрицательных с общей массой 1 к 3 в пользу отрицательных) и убедился, во-первых, что отрицательная масса скапливается вокруг положительной, создавая облако отрицательной массы в несколько радиусов галактики, а во-вторых, что это в самом деле приводит к тому, что скорость вращения положительных частиц не падает с радиусом. Кстати, объяснение этого феномена при помощи отрицательной Λ уже предлагалось, но было отвергнуто из-за красного смещения в сверхновых, которое намекало на положительную Λ.

Ещё один замечательный результат состоит в том, что при этом плотность отрицательной тёмной материи получается примерно равномерной по всей галактике, что соответствует наблюдениям, но пока не соответствовало ни одной модели с положительной тёмной материей. Положительная материя, как ни крути, должна скапливаться в центре, в то время как отрицательная, за счёт сил отталкивания между собой, распределяется более равномерно.

Кроме того, была проведена другая симуляция, почему-то с равным количеством (25 тыс.) положительных и отрицательных частиц (и равной же массой), чтобы проверить, а будут ли в такой вселенной формироваться сложные структуры типа галактик. Симуляция показала, что будут, и равномерная по началу вселенная разделилась на скопления и пустоты. Код симуляции на питоне доступен на гитхабе.

Ещё один важный момент, что в модельке не обнаружилось бесконечно ускоряющихся диполей из частиц положительной и отрицательной массы, которые предсказываются теорией. Вероятно, внешнее воздействие на диполь быстро разрушает их псевдоравновесное состояние, так что даже если они и будут встречаться, то весьма редко. Кстати, космические лучи сверхвысоких энергий и т. н. «О боже мой!» частицы могут быть манифестацией этого феномена.

Но как быть с наблюдениями? Ведь по ним выходит, что у нас положительная Λ и плоская Вселенная с нулевой кривизной. Дело в том, что все модели, объясняющие наблюдения (в частности, красное смещение в сверхновых и реликтовое излучение) строились исходя из предположения, что вся масса положительна. И пересмотреть их с учётом возможности отрицательной массы — ещё открытая задача. Кстати, в одной из работ по сверхновым уже было показано, что если задать Λ = 0, то уравнения сходятся, только если общая масса Вселенной — отрицательна.

Кроме того автор приводит около десятка ссылок на другие работы, в которых так или иначе отрицательная масса следует из наблюдений. Например, измеренная масса одной из групп галактик уменьшается по мере включения в неё новых внешних слоёв.

Ну и напоследок можно сказать, что отрицательная энергия может быть ассоциирована с материей, а может — с вакуумом. Это вопрос интерпретации. Можно рассматривать отрицательные частицы как квантованную энергию самого пространства—времени. Кстати, это может решить проблему космологической постоянной. Её величина, посчитанная на основе квантовой теории, как минимум на 120 порядков превышает наблюдаемую. По словам Ли Смолина, это наихудшее предсказание из всех научных теорий. Но с появлением отрицательной массы плотность энергии вакуума в принципе может иметь любое значение, в зависимости от того насколько она компенсирует положительную.

#ηeωs

Квантовая гравитация делает первые успехи. Один из основоположников петлевой квантовой гравитации Абэй Аштекар с двумя соавторами выпустил работу, в которой решается проблема сингулярности внутри чёрной дыры.

Напомню, чёрная дыра — это такая область пространства-времени, из которой нельзя выбраться наружу. Согласно общей теории относительности, тело, упавшее в чёрную дыру, довольно быстро достигает её центра — сингулярности, в которой кривизна пространства-времени становится бесконечной, и ОТО перестаёт работать. Что будет дальше, мы не знаем. В некотором смысле происходит самый настоящий конец времени, и понятие «дальше» перестаёт иметь смысл.

Никому такая картинка не нравится, поэтому многие уверены, что ОТО неполна и должна быть расширена, чтобы такого не происходило. Надежды связывают с тем, что в областях с такой кривизной главную роль должны играть квантовые эффекты гравитации, которые будут приводить к отклонению от уравнений Эйнштейна, что позволит исключить сингулярность.

И вот вышедшие работы описывают с точки зрения петлевой квантовой гравитации (ПКГ), каким образом удаётся избежать сингулярности, и что получается вместо неё внутри чёрной дыры.

По их расчётам выходит, что кривизна пространства-времени не может уходить в бесконечность, она ограничена сверху. Причём этот лимит является абсолютным, и не зависит от массы чёрной дыры. Когда внутри ЧД достигается этот лимит, то происходит «перевал» и кривизна начинает падать обратно, а метрика чёрной дыры превращается в метрику белой дыры — области пространства-времени, в которую, наоборот, невозможно попасть снаружи, а из неё наружу — можно. Эта белая дыра открывает путь в новую вселенную (или даже две), которые расположены за ней.

Надо сказать, что это не первая (успешная) попытка решить проблему сингулярности в рамках ПКГ, но все предыдущие работы страдали от разных недостатков:

1. Некоторые решения зависели от произвола исследователя — масштаба сравнения(?) _{(кто объяснит, что такое fiducial cell?)}, а значит не были универсально применимы.
2. Некоторые предсказывали заметные квантовые явления снаружи чёрных дыр, в области слабой гравитации, чего не наблюдается.
3. В некоторых масса белой дыры получалась во много раз больше массы чёрной дыры. Например, из ЧД массой с Солнце и радиусом 3 км получалась белая дыра радиусом 10⁹³ гигапарсек. Непонятно, как это можно физически интерпретировать.

Новое решение свободно от всех этих недостатков. Оно не зависит от произвола исследователя и белая дыра получается почти в точности равной чёрной дыре. Кроме того, в отличие от предыдущих решений, которые рассматривали только область внутри ЧД, здесь рассмотрена также внешняя область и показано, во-первых, что она гладко стыкуется с внутренней областью на горизонте событий, без скачков метрики (что соответствует ОТО), а во-вторых, что квантовые эффекты уже на горизонте событий пренебрежимо малы (для макроскопических ЧД), а по мере удаления от ЧД падают ещё больше. Таким образом ОТО является отличным приближением их теории снаружи ЧД.

Надо отметить, что они рассматривали пока не «обычную» чёрную дыру, образованную в результате коллапса звёзды, а так называемую вечную ЧД, которая является решением Шварцшильда для пустого пространства-времени. В максимально расширенном при помощи координат Крускала решении, такая ЧД всегда идёт в паре с белой дырой, только наоборот — сначала у нас есть белая дыра, которая потом превращается в чёрную. Тут же показано, что чёрная потом превращается обратно в белую, и так может продолжаться до бесконечности.

Тем не менее авторы надеются, что их работа поможет в последствии разобраться и с рождёнными чёрными дырами. Например, расчёт излучения Хоукинга тоже сначала был сделан для вечных ЧД, но потом его удалось применить и к обычным дырам. Ожидается, что такая белая дыра будет вести не в параллельную вселенную, а в ту же самую (возможно, в далёкое будущее). Но это ещё стоит показать.

Ссылки: краткая статья и более подробная.

#φuωkα

Эпиграф: И назад ещё дальше попятились (с) Раки-забияки

Если есть у кого-то список контринтуитивных вещей, то где-то наверху него должна стоять отрицательная масса. Разбираться с ней — всё равно, что ездить на велосипеде с обратным рулём, который вместо поворота налево едет направо, и наоборот.

Но постойте, что ещё за отрицательная масса? Разве она существует? Кто-нибудь видел гирю в минус один килограмм? Нет, отрицательных масс пока никто не регистрировал. Но запрещены ли они законами физики? Давайте разберёмся.

Масса является мерой инертности тела, а также гравитационным «зарядом». Иногда говорят отдельно об инертной и гравитационной массе, но принцип эквивалентности, лежащий в основе ОТО, требует, чтобы эти массы совпадали. Если мы не хотим спорить с ОТО, будем придерживаться этого принципа и для отрицательных масс.

Тело отрицательной массы будет иметь отрицательную инерцию. То есть при попытке его затормозить, оно будет, наоборот, разгоняться, а при попытке разогнать — тормозиться. Иными словами, ускорение, создаваемое внешней силой, будет направлено противоположно действию силы. Это видно из второго закона Ньютона: a = F/m. Если масса — отрицательна, то сила и ускорение будут иметь разный знак (см. рисунок). То есть вы не сможете просто взять отрицательный кирпич и унести с собой. Когда вы его потянете к себе, он уедет от вас.

Примерно по той же причине, скорость и импульс отрицательного тела тоже разнонаправлены (p = mv). Несмотря на то, что кирпич едет от вас, его импульс направлен в вашу сторону.

Значит и с гравитацией должно быть также, верно? Если положительные тела падают на Землю, то отрицательные должны улетать наверх? А вот и нет! Тут отрицательная гравитационная и отрицательны инертная массы компенсируют друг друга. Минус на минус даёт плюс. Отрицательные тела будут точно так же падать на Землю, как и положительные. В полном соответствии с принципом эквивалентности.

Смотрите, что происходит. Если мы посчитаем по закону Ньютона (F=GMm/r²) силу, которая будет действовать на отрицательное тело в гравитационном поле Земли, то поймём, что это будет сила отталкивания. Она будет направлена вверх. Но (см. п. 1) мы уже знаем, что тело получит ускорение в сторону, противоположную силе, то есть будет ускоряться вниз, как и обычная положительная масса. Увы и ах, проблема антигравитации так просто не решается.

В целом выходит так. Положительная масса притягивает к себе всю массу, и положительную и отрицательную. Отрицательная масса, наоборот, отталкивает от себя всю, и положительную и отрицательную. Между двумя отрицательными телами возникают силы притяжения, как и между двумя положительными, но эти силы приводят к ускорению отталкивания за счёт отрицательных инертных масс (нижняя картинка).

Забавная ситуация получается, если взять две массы, равные по модулю, но разные по знаку (средняя картинка). Отрицательная масса будет «падать» на положительную, а та будет от неё улетать. И всё это с ускорением. То есть система будет постоянно ускоряться влево, в сторону положительной массы. Без всякого источника внешней энергии. Это лучше чем антигравитация, это вечный двигатель!

Несмотря на всю противоестественность такого поведения, законы сохранения тут не нарушаются. Отрицательная частица имеет отрицательную же энергию (E=mc²), а значит суммарная энергия системы равна нулю, с какой бы скоростью она не двигалась. И то же самое с импульсом. Импульс отрицательной частицы направлен противоположно скорости, а значит суммарный импульс системы тоже всегда равен нулю. Можно показать, что даже если массы не равны по модулю, всё равно энергия и импульс системы сохраняются.

Но что-то же должно нарушаться! Ведь вечных двигателей не бывает? Ну, почти. При таком движении нарушается второй закон термодинамики. Система не стремится к равновесному состоянию, а идёт «вразнос», разгоняясь почти до скорости света. И происходит это за счёт постоянной перекачки энергии от «холодного» к «горячему» — от отрицательного тела к положительному. Термодинамика говорит, что такие процессы не могут происходить спонтанно, без внешней энергии.

Однако. Второй закон термодинамики имеет совсем другой статус, нежели законы сохранения. Это всего лишь эмпирический статистический закон, а не абсолютный строгий запрет. Он основан на статистическом анализе и может нарушаться временно, в спонтанных флуктуациях. В данном случае это не флуктуация, но никакая статистика такому движению не противоречит. Поэтому, кто знает, может когда-нибудь и будем летать на таких нуль-массовых диполях.

В дополнение к этому надо сказать, что собственное время отрицательных частиц направлено в прошлое, а газ из отрицательных частиц, вероятно, будет иметь отрицательную температуру (по Кельвину) и отрицательное давление.

P. S. Не стоит путать отрицательную массу с антиматерией (масса которой положительна) и со сверхсветовыми частицами (тахионами), у которых квадрат массы отрицателен, то есть масса мнимая.