在理論物理學中,負質量是一個質量與正常物質質量符號相反的物質。這樣的物質會違反一個或多個能量條件,並顯示一些奇怪的性質。它被用於某些推測的理論,比如蟲洞的構建上。最初已知的最接近這種物質的真實代表是卡西米爾效應產生的負壓力密度區域。
牛頓的運動定律f=ma,規定推動一個物體,它會在被推的方向上加速。我們日常世界看到的只是牛頓第二運動定律的正向方面。但是在質量是負的情況下,如果我們推這樣的物體,它會超向我們加速,就像它撞到一堵無形的牆一樣。就像電荷可以是正的,也可以是負的,物質也可以假設有正有負。
負質量概念的來源
宇宙學家已經研究了它對時空結構的影響,但他們通常得出的結論是,負物質不可能存在,因為它打破了愛因斯坦廣義相對論的基本假設。然而,加拿大大學的科學家發現了一種對廣義相對論的解決方案,它允許負質量存在且不破壞任何基本假設。他們認為,只要有一個合理的產生它的途徑,它就可以存在。他們的結論指出,如果正質量和負質量同時存在,它們會形成等離子體,這對天文學的未來具有重要的意義。
此前,物理學家Peter Angles和華盛頓州立大學的一個研究小組聲稱製造出了一種負質量的液體。與世界上我們所知的一切物理對象不同,它不會在被推的方向上加速,它會向後加速,也就是朝向施加力的相反方向。這種現象很少在實驗室條件下產生,它可以用來探索一些更具挑戰性的概念。
相關實驗和條件
研究表明,在特定的條件下,正常的粒子可以表現得像它們帶有負質量。2017年4月10日,研究小組通過將銣原子的溫度降低到剛接近絕對零度,創造了新的有效質量。它被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態,這個冷卻狀態的粒子移動非常慢。
此時,銣超流體有正常的質量,它遵循量子力學的原理,表現得像波。這種物質狀態被稱為「超流動性」,在這種狀態下,液體可以從罐子的側面緩慢上升到頂端。利用雷射阱,研究小組能夠逆轉這個狀態下的一些銣原子的自旋。然後他們觀察到原子一旦從光阱中釋放出來,就會擴展並顯示出負質量的特性,特別是朝向推進力加速而不是遠離它。
此前一些關於超材料的研究表明,一些未被發現的超導體合成物也可以顯示出負質量的跡象。
總的來說,理論上這聽起來很簡單,但設想這種表現在現實世界中是如何運作的就令人困惑。儘管現實世界為方便起認為所有的粒子都具有正質量,但是物理學家已經能夠將奇異物質的負質量和負動量、負壓力、負動能聯繫起來。