Объекты с отрицательной массой могут существовать без противоречий с законами физики

Физики Синъити Нодзири и С. Д. Одинцов провели исследование, в котором показали, что объекты с отрицательной массой могут быть не такой уж фантастикой, как принято считать. Они выяснили, что такие объекты возникают как решения стандартных уравнений гравитации при определенных условиях — например, в системе из компактного объекта положительной массы, космологической жидкости и отрицательной космологической постоянной, а также в некоторых моделях модифицированной гравитации, вдохновленных теорией струн. Статья опубликована в журнале Physics of the Dark Universe.

Когда мы говорим о массе, то обычно подразумеваем нечто само собой разумеющееся: все тела имеют положительную массу и притягиваются друг к другу. Именно так работает привычная нам гравитация, от падения яблока на Землю до движения планет вокруг Солнца. Однако физики давно задаются вопросом: а может ли существовать объект, масса которого отрицательна? И если да, то как он себя поведет?

В ньютоновской теории гравитации отрицательная масса описывалась бы тем же уравнением, что и положительная, только с заменой гравитационной постоянной на противоположную по знаку. Но общая теория относительности Эйнштейна, которая сегодня считается основой описания гравитации, долгое время считалась несовместимой с идеей антигравитации. Новое исследование показывает, что это не совсем так.

Авторы работы решили проверить, могут ли объекты с отрицательной массой появляться в рамках стандартных уравнений гравитации, не вводя ничего экзотического вручную. Оказалось, что да. Для этого нужно рассмотреть систему, в которой есть компактный объект с положительной массой, жидкость с отрицательным давлением (например, темная энергия) и отрицательная космологическая постоянная.

В реальной Вселенной космологическая постоянная положительна и очень мала, но в теоретических моделях ее можно менять. Жидкость с отрицательным давлением ведет себя необычно: положительная точечная масса начинает отталкивать ее, а не притягивать. В результате возникают стабильные области с отрицательной плотностью энергии, которые и ведут себя как объекты с отрицательной массой. Простая версия уравнений Эйнштейна, которая всего на шаг отличается от закона всемирного тяготения Ньютона, показывает, что такой объект будет отталкивать обычную положительную массу. При этом, согласно принципу эквивалентности Эйнштейна, отрицательная масса означает и отрицательную инерционную массу, ту, которая фигурирует во втором законе Ньютона.

Исследователи также построили модели, где объекты с отрицательной массой возникают в так называемой модифицированной гравитации. Речь идет о теории Эйнштейна, к которой добавлены два дополнительных скалярных поля. Такие поля могут приводить к инфляции в ранней Вселенной, объяснять темную материю или темную энергию, а в некоторых случаях — порождать объекты с отрицательной массой в процессе своей эволюции.

Кроме того, похожие решения найдены в скалярно-эйнштейновской гравитации Гаусса-Бонне, которая подсказана теорией струн. Это важно, потому что общая теория относительности, хотя и блестяще подтверждена экспериментально, пока не объясняет темную материю, темную энергию и ускоренное расширение Вселенной. Модифицированные теории гравитации пытаются заполнить эти пробелы, и то, что в них естественно появляются объекты с отрицательной массой, делает идею менее экзотической.

Как же ведут себя такие объекты? Если луч света пролетает мимо обычной звезды, его траектория искривляется в сторону звезды — это классическое гравитационное линзирование, предсказанное Эйнштейном и подтвержденное наблюдениями. Но рядом с объектом отрицательной массы свет отклоняется в противоположную сторону, как будто отталкивается. Пространство-время вокруг такого объекта работает как выпуклая линза, а не вогнутая.

Что касается движения массивных тел, то здесь возникает любопытный парадокс: объект с положительной массой и объект с отрицательной массой притягиваются друг к другу, хотя положительная масса испытывает отталкивание. Это возможно потому, что отрицательная инерционная масса заставляет объект ускоряться в сторону положительной массы, а та, в свою очередь, тоже движется навстречу. В итоге они могут образовать связанную систему. А вот два объекта с отрицательной массой будут отталкиваться друг от друга.

Можно ли обнаружить такие объекты на практике? Это непросто. Расчеты показывают, что плотность объекта с отрицательной массой должна быть колоссальной — порядка 10¹⁸ килограммов на кубический метр, что в 200 триллионов раз превышает среднюю плотность Земли. Масса такого объекта зависит от параметров теории, которые пока неизвестны.

Тем не менее авторы предлагают несколько возможных наблюдательных проявлений. Например, объект с отрицательной массой, движущийся к обычной звезде, может экранировать ее гравитацию. Связанная система из положительной и отрицательной масс тоже может быть заметна благодаря необычному эффекту линзирования. Кроме того, объекты с отрицательной массой могли бы влиять на джеты черных дыр или на столкновения нейтронных звезд с черными дырами, изменяя результаты, которые предсказывает общая теория относительности. Наконец, авторы рассмотрели и совсем экзотический случай — объект с нулевой массой, который тоже может обладать нетривиальными свойствами.

В итоге исследование показывает, что объекты с отрицательной массой не обязательно противоречат известной физике. Они могут возникать как решения стандартных уравнений гравитации в присутствии жидкости с отрицательным давлением и отрицательной космологической постоянной, а также в некоторых моделях модифицированной гравитации, включая теории, вдохновленные струнами. Такие объекты ведут себя как источник антигравитации: они отталкивают свет и положительные массы, но при этом могут образовывать связанные системы с обычным веществом. Хотя наблюдать их напрямую очень трудно из-за экстремальной плотности и неизвестных параметров, они могли бы проявлять себя через необычное линзирование, влияние на джеты черных дыр или столкновения компактных объектов. Так что отрицательная масса это не только сюжет для научной фантастики, но и вполне серьезная тема для теоретической физики.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях