В зарубежных и отечественных физических журналах статьи на эту тему время от времени появляются вот уже более 30 лет. Но, как ни странно, они до сих пор практически не привлекают внимания популяризаторов. А ведь проблема отрицательной массы — отличный подарок и любителям парадоксов современной физики, и читателям-фантастам. Но таково уж свойство специальной литературы: сенсация в ней может оставаться скрытой десятилетиями…
Четыре вида массы
Итак, речь идет о гипотетической форме материи, масса которой противоположна по знаку обычной. Что это означает? Ответить на этот вопрос не так-то просто. Бесспорно, она должна обладать свойством гравитационного отталкивания. Но этой характеристики, оказывается недостаточно. В современной физике вообще-то говоря, различают целых четыре вида массы:
• гравитационная активная — та, что притягивает (если она положительна, конечно);
• гравитационная пассивная — та, что притягивается;
• инертная, которая приобретает определенное ускорение под действием приложенной силы;
• эйнштейновская масса покоя, определяющая полную энергию тела.
В рамках общепринятых теорий все они равны по величине.
Но различать их необходимо, и это становится понятным как раз при попытке определить отрицательную массу. Дело в том, что она будет полностью противоположна обычной лишь в том случае, если все четыре ее вида станут отрицательными.
На основе такого подхода в первой же статье на эту тему, опубликованной еще в 1957 году, английский физик X. Бонди определил путем строгих доказательств основные свойства минус-массы. В них есть немало физических и математических тонкостей, понятных только подготовленному специалисту-физику. Поэтому давайте не останавливаться на них, а перейдем сразу к результатам, тем более что они-то вполне наглядны.
Во-первых, минус-материя должна гравитационно отталкивать любые другие тела — не только с отрицательной, но и с положительной массой (тогда как обычное вещество, наоборот, всегда притягивает материю обоих видов). Далее, под действием любой силы, вплоть до силы инерции, она должна двигаться в направлении, противоположном вектору этой силы. Наконец, ее полная эйнштейновская энергия также обязана быть отрицательной.
Поэтому, кстати, стоит подчеркнуть, что наша удивительная материя — не антивещество, масса которого считается все же положительной. Например, по современным представлениям, Антиземля из антиматерии вращалась бы вокруг Солнца по точно такой же орбите, как и наша родная планета.
Все это, пожалуй, почти очевидно. Но вот дальше начинается нечто невероятное.
Букет абсурда
Возьмем ту же гравитацию. Если два обычных тела притягиваются и сближаются, а две антимассы отталкиваются и разбегаются, то что случится при гравитационном взаимодействии масс разного знака?
Пусть это будет простейший случай: тело (допустим, шар) из вещества с отрицательной массой -М находится позади объекта (назовем его ракетой) с равной по величине положительной массой +М. Ясно, что гравитационное поле шара отталкивает ракету, в то время как сама она притягивает шар.
Но отсюда следует (это опять-таки строго доказывается), что вся система будет двигаться по прямой, соединяющей центры двух масс, с постоянным ускорением. пропорциональным силе гравитационного взаимодействия между ними!
Конечно, на первый взгляд эта картина спонтанного, беспричинного движения доказывает только одно: антимасса со свойствами, которые мы ей с самого начала приписали, просто не может существовать.
Ведь мы получили, казалось бы, целый букет нарушений самых незыблемых законов. Ну разве не попирается здесь совершенно открыто, например, закон сохранения импульса? Оба тела ни с того ни с сего устремляются в одном направлении, а в противоположном при этом ничто не движется. Но вспомним, что одна-то из масс отрицательна! А ведь это означает, что и импульс ее, независимо от скорости, имеет знак «минус»: (—M)V, и тогда суммарный импульс системы двух тел по-прежнему остается нулевым!
То же самое и с полной кинетической энергией системы.
Пока тела покоятся, она равна нулю. Но с какой бы скоростью они ни двигались, ничто не меняется: отрицательная масса шара в полном соответствии с формулой (—M)V2/2 накапливает отрицательную кинетическую энергию, которая точно компенсирует прирост положительной энергии ракеты.
Если все это кажется абсурдным, то, может быть, «вышибем клин клином» — попробуем подтвердить один абсурд другим? Каждый школьник знает, что центр равных точечных масс (положительных, конечно) находится посередине между ними. Так вот — как вам понравится следующий вывод? Центр равных точечных масс разных знаков лежит хотя и на прямой, проходящей через них, но не внутри, а вне соединяющего их отрезка.
Тот, кто не верит на слово и захочет убедиться в правильности всех вычислений, может обратиться хотя бы к одной из сравнительно недавних публикаций на эту тему — статье американского физика Р. Форварда «Ракетный двигатель на веществе отрицательной массы». Она напечатана в переводном журнале «Аэрокосмическая техника» № 4 за 1990 год.
Нулификация вместо аннигиляции?
Но, может быть, искушенный читатель думает, что он и без всяких вычислений понял, где ему подсунули «липу»? Действительно, во всех этих изящных рассуждениях замалчивается вопрос: откуда вообще взялась столь чудесная масса?
Ведь каково бы ни было ее происхождение, на ее «добычу», «изготовление» или, допустим, на доставку к месту действия придется затратить энергию, а значит…
Увы, энергия, конечно, понадобится, но опять-таки отрицательная. Ничего не поделаешь: в эйнштейновской формуле полной энергии тела наша замечательная масса имеет все тот же знак «минус». Это значит, что на «изготовление» пары тел с равными массами разных знаков потребуется нулевая суммарная энергия. То же самое относится и к доставке, и к любым другим манипуляциям.
Нет — как ни парадоксальны все эти результаты, строгие выводы утверждают, что наличие антимассы не противоречит не только ньютоновской механике, но и общей теории относительности. Не удалось найти и никаких логических запретов на ее существование.
Что же — если теория «разрешает», то подумаем, например, что может случиться при физическом контакте двух одинаковых частиц вещества с плюс- и с минус-массой? С «обычным» антивеществом все ясно: произойдет аннигиляция с выделением полной энергии обоих тел. Но если одна из двух равных масс отрицательна, то их суммарная энергия, как мы только что поняли, равна нулю.
А вот что с ними произойдет в действительности — это уже вопрос, выходящий за пределы теории.
Исход такого события можно узнать лишь опытным путем. «Вычислить» его нельзя — ведь мы не имеем никакого представления о «механизме действия» отрицательной массы, ее «внутреннем устройстве» (как, впрочем, не знаем этого и о массе обычной). Теоретически ясно одно: в любом случае полная энергия системы останется нулевой. Мы имеем право выдвинуть только гипотезу, как это и делает тот же Форвард. По его предположению, физическое взаимодействие здесь приводит не к аннигиляции, а к так называемой «нулификации», то есть «тихому» взаимному уничтожению частиц, их исчезновению без всякого выделения энергии.
Но, повторим, подтвердить или опровергнуть эту гипотезу мог бы только эксперимент.
По тем же причинам мы ничего не знаем и о том, как «изготовить» отрицательную массу (если это вообще возможно). Теория лишь утверждает, что две равных массы противоположных знаков в принципе могут возникнуть без всяких энергетических затрат. И едва такая пара тел появится, она полетит, все ускоряясь, по прямой в бесконечность…
Вот так двигатель!
Форвард в своей статье «сконструировал» двигатель на отрицательной массе, который может доставить нас в любую точку Вселенной при любом ускорении, которое мы зададим.
Оказывается, для этого нужна только… пара хороших пружин (все взаимодействия минус-массы с обычной посредством упругих сил, конечно, также детально рассчитаны).
Итак, поместим нашу чудесную массу, равную по величине массе ракеты, посреди ее «двигательного отсека». Если нужно лететь вперед, растянем пружину от задней стенки и прицепим ее к телу с отрицательной массой. Из-за своих необычных инерциальных свойств оно устремится не туда, куда его тянут, а в прямо противоположном направлении, увлекая за собой ракету с ускорением, пропорциональным силе натяжения пружины.
Чтобы прекратить ускорение, достаточно отцепить пружину. А для замедления и остановки корабля нужно использовать вторую, прикрепленную к передней стенке двигательного отсека. И все же частичное опровержение «бесплатного двигателя» есть! Правда, приходит оно, откуда не ждали. Но об этом — в конце. А пока поищем места, где могли бы находиться большие количества отрицательной массы.
Посмотрите в «пузырях»
Такие места подсказывают гигантские пустоты, обнаруженные на крупномасштабных трехмерных картах распределения галактик во Вселенной. Размеры этих полостей, которые называют еще попросту «пузырями», — порядка 100 млн. световых лет (тогда как размеры нашей Галактики — около 0,06 млн. световых лет).
Границы «пузырей» четко обозначены скоплениями большого числа галактик. Внутри «пузырей» их практически нет, а если все же они там встречаются, то очень необычные. Для них характерны спектры мощного высокочастотного излучения.
Сейчас считают, что «пузыри» содержат «несостоявшиеся» галактики или газовые облака из обычного водорода. Но почему не предположить, что «пенистая» структура Вселенной — результат ее образования из одинакового количества частиц отрицательной и положительной массы? Из такого объяснения, кстати, само собой вытекает очень привлекательное следствие: суммарная масса Вселенной всегда была и остается равной нулю. Тогда «пузыри» — это естественные места для минус-массы, частицы которой стремятся разойтись как можно дальше друг от друга. А положительная масса выталкивается на поверхность «пузырей», где под действием сил притяжения образует галактики, звезды.
Еще один возможный признак больших количеств отрицательной массы — наличие в крупномасштабных структурах Вселенной очень быстрых «течений».
Так, сверхскопление, содержащее нашу Галактику, «течет» со скоростью 600 км/с относительно покоящегося фона реликтового излучения. Такая скорость никак не вписывается в рамки теорий образования галактик из холодного темного вещества.
Р. Форвард предлагает попробовать объяснить это явление с учетом коллективного отталкивания сверхскоплений от «пузырей», содержащих отрицательную массу.
…Итак, отрицательная материя может только разлетаться. Но в этом-то, оказывается, и состоит частичное опровержение многих выводов, о которых шла речь. Ведь свойство гравитационного отталкивания у частиц вещества, какова бы ни была их природа, неизбежно приводит к тому, что эти частицы не могут собраться вместе под влиянием сил тяготения. Более того: поскольку частица отрицательной массы под действием любой силы движется в направлении, противоположном вектору этой силы, то и обычные межатомные взаимодействия не могут связать такие частицы в «нормальные» тела.
Так что все наши рассуждения можно рассматривать всего лишь как некий мысленный эксперимент. Но, согласитесь, довольно интересный…
По материалам иностранной печати.
Художник Ю.САРАФАНОВ