Уявімо, що людство шукає спосіб подорожувати до віддалених зірок не за тисячі років, а протягом тривалості одного людського життя. Серед багатьох гіпотетичних ідей, які розглядають фізики, одна з них виділяється своєю незвичністю — рух за допомогою пари позитивної та негативної маси. Хоча ця концепція народилася ще у середині XX століття, детальніше розглянути її означає зіткнутися з серйозними питаннями про саму природу матерії, енергії та гравітації, інформує Ukr.Media.
Що таке негативна маса?
Звичні нам об'єкти мають додатну (тобто позитивну) масу: кулю, яблуко чи сам космічний корабель завжди притягує Земля, і вони притягуються одне до одного. Негативна маса — це гіпотетичний тип матерії, що поводиться протилежно нашим інтуїціям. Якщо на неї подіяти силою, вона прискорюється не у напрямку сили, а у протилежному. Іншими словами, якщо силу спрямовано вперед, негативна маса рухається назад.
Три типи взаємодії мас
Щоб розібратися, як могла б працювати така система, важливо уявити чотири можливі комбінації гравітаційної взаємодії:
1. Позитивна маса з позитивною масою — звичайне взаємне притягання (як Земля і Місяць).
2. Негативна маса з негативною — вони відштовхуються одна від одної.
3. Позитивна маса з негативною — складніше: позитивна маса «нормально» притягує негативну, а ось негативна відштовхує позитивну. Але через особливості руху негативної маси обидва об'єкти прискорюються в одному напрямку, тобто разом, намагаючись «втекти» від місця початкового розміщення.
Саме ця третя ситуація описує рушій Германна Бонді* й згодом Роберта Форварда — їхні ідеї розглядалися як можливий космічний «двигун», який теоретично міг би забезпечити сталі прискорення і гранично високі швидкості.
Як працює такий рушій?
Уявімо пару: корабель з позитивною масою і тягарець з негативною такої ж за модулем маси, зв'язані невидимим «канатом». Позитивна маса, відштовхувана негативною, рухається вперед. Негативна, притягувана позитивною, теж рухається вперед (через особливість реакції на сили). У результаті ця пара поступово набирає швидкість. Класичні уявлення про збереження енергії та імпульсу порушуватися не повинні, якщо процес створення і розділення пари був відповідним чином врахований.
У цієї системи одна цікава особливість: сумарна маса пари дорівнює нулю, а отже, на класичному рівні для прискорення не потрібне ані паливо, ані енергія. Це вражає уяву — але відразу дає підстави засумніватися: чому подібні пари не виникають повсюдно у природі і не наповнюють Всесвіт?
Проблема існування і стійкості негативної маси
На сьогодні у жодному експерименті не знайдено свідчень існування об'єктів із негативною масою. Найголовніший теоретичний виклик — так звана вакуумна нестабільність: якби такі пари могли виникати «нізвідки», вони б постійно з'являлися у космічному вакуумі, само прискорювалися до швидкості світла й заповнювали б Всесвіт. Природа, очевидно, так не влаштована. Є гіпотези, що існує фундаментальна заборона на утворення таких пар або їхнє створення вимагає додаткової енергії, яка робить процес неймовірно рідкісним або взагалі неможливим.
Варто також зазначити, що навіть якщо теоретично існування негативної маси не суперечить загальній теорії відносності, ця ідея стикається з іншою великою проблемою — як фактично створити чи утримати негативну масу. Адже вона б відштовхувалася від звичайної (позитивної) речовини, не дозволяючи «замкнути» її у контейнер для дослідів чи практичного використання.
Спекуляції про темну енергію і можливість створення негативної маси
Часом у науково-популярних джерелах зустрічається твердження, що темна енергія може стати «сировиною» для отримання негативної маси. Справді, темна енергія відповідає за прискорене розширення Всесвіту і має властивість створювати гравітаційне відштовхування завдяки своєму негативному тиску. Проте це не означає, що вона — форма «негативної маси». На сьогодні нічого схожого на класичну негативну масу у темній енергії немає. Її фізична природа залишається не з'ясованою, тож залучати її до технологій, бодай уявних, поки передчасно.
Порівняння з іншими гіпотетичними ідеями
Рушій на основі негативної маси — лише одна з багатьох екзотичних пропозицій для міжзоряних подорожей. Наприклад, ідея варп-двигуна (двигун Алькуб'єрре) теж грунтується на викривленні простору-часу завдяки екзотичній матерії, але технологічно ще менш зрозуміла і ще більше потребує припущень про невідомі властивості матерії та енергії. В обох випадках фізики розмірковують на межі сучасного наукового знання, підкреслюючи спекулятивність подібних концепцій.
Практичні виклики
Навіть у гіпотетичній ситуації, коли негативну масу якось вдалося б отримати, залишаються численні труднощі. Рух такої пари у міжзоряному просторі буде супроводжуватися неоднозначними взаємодіями із міжзоряним газом і пилом: негативна маса відштовхуватиме частинки, можливо спричиняючи нестабільності в русі, а не просто уповільнення. Незрозуміло також, яким чином підтримується цілісність такого корабля та його систем керування, якщо він складатиметься з двох видів матерії, що "не дружать" між собою.
Підсумки
Концепція руху за допомогою пари позитивної та негативної маси — це цікава інтелектуальна вправа, яка підкреслює глибину наших сучасних проблем з розумінням гравітації, вакууму та космічних констант. Її вивчення допомагає краще розібратися у межах можливого і знайти запитання, на які поки немає відповідей. На сьогодні ця ідея залишається викликом для нашої уяви й стимулом для подальших наукових пошуків.
Посилання на першоджерела:
— Hermann Bondi, "Negative mass in general relativity", Rev. Mod. Phys. 29, 423 (1957).
— Robert L. Forward, "Negative matter propulsion", Journal of Propulsion and Power, 6(1):28-37 (1990).
