W POSZUKIWANIU UJEMNEJ MASY

 

 

Cząstki antymaterii są określane bardzo prosto: mają przeciwny ładunek elektryczny do swojego partnera, np. pozytron , to elektron dodatni. Znawcy tematu uzupełniają tę definicję cząstek antymaterii : i mają przeciwne tzw. addytywne liczby kwantowe.

Powstaje jednak pytanie, a jak jest z masą anty-cząstek? Cząstki materii zwyczajnej mają masę dodatnią ,może anty-cząstki mają masę ujemną? Trzeba jednak pytanie sprecyzowac ,gdyż fizyka wyróżnia kilka rodzajów mas [zobacz szczegóły tutaj].

Ograniczę się do trzech rodzajów masy: grawitacyjna aktywna, grawitacyjna bierna, oraz bezwładnościowa/inercyjna.

Masa grawitacyjna aktywna ,to ta która wytwarza pole grawitacyjne i przyciąga inne masy w nim znajdujące się.

Masa grawitacyjna bierna ,to ta , która podlega działaniu pola grawitacyjnego innej masy.

Masa inercyjna ,to masa, która stawia opór wszelkim zmianom jej stanu kinematycznego.

W ogólnej teorii względności jest założenie , że masy grawitacyjna i inercyjne są równoważne. W roku 1909 geofizyk węgierski Lorand Eötvös doświadczalnie potwierdził prawdziwośc tego założenia. Wobec tego wystarczy zbadac , jaką masę grawitacyjną ma anty-cząstka : ujemną. , czy dodatnią, zwykłą ?

Każdy eksperyment fizyczny, jeśli ma nie byc przypadkowym wydarzeniem , wymaga planu . Zaś plan , musi byc poprzedzony teoretycznym przewidywaniem konkretnych właściwości obiektu czy zjawiska , którego poszukujemy.

Zastanówmy się więc , jakie własności może miec ujemna masa?

Załóżmy , że podlega mechanice Newtona, a w tym np. trzem zasadom dynamiki Newtona., prawu grawitacji.

Druga zasada dynamiki ma najprostszą postac

1. F= m*a,

Przekształcamy względem a

2. a = F/m

Jeśli w mianowniku jest m< 0 , to przyspieszenie a ma znak (-) , co oznacza , że zwrot przyspieszenia tej masy pod wpływem siły F jest przeciwny do zwrotu siły.

Mamy paradoksalną sytuację: jeśli palcem pchamy kulkę o ujemnej masie , to kulka nabywa przyspieszenia w stronę naszego palca i w wyniku naszego działania możemy mieć ranę na palcu!

Inny przykład.

Strzelamy z broni ręcznej w twardą przeszkodę, np. betonowa ściana budynku, z okresu PRL. Pocisk natrafia na siłę oporu ściany działająca w naszą stronę, a przyspieszenie pocisku [ ponieważ ma negatywną masę ] jest zwrócone od nas i powoduje wzrost prędkości pocisku w materiale ściany: pocisk coraz prędzej przenika przez ścianę !

W takim razie można chyba napisac , że negatywne masy będą w pobliżu Ziemi unosic się do góry , bo siła grawitacji ciągnie ich do dołu. I wreszcie mamy upragnioną antygrawitację.

No, nie. Nie ma tak dobrze.

Z antygrawitacją będzie akapit , ale nie w tym momencie. Bo rozważmy.

Mamy w powietrzu, nad powierzchnią Ziemi [ która ma masę dodatnią ] ciało o masie ujemnej i siła jest dana wzorem Newtona

3. F= G(-m)*M(z)/r^2

Po podstawieniu wyrażenia (3) do wzoru (2) na a ,

a= F/(-m) = [G(-m)*M(z)/r^2]: (-m)

negatywna masa znika i a od niej nie zależy!

Jest to poczciwe przyspieszenie grawitacyjne g [ a ściśle pisząc natężenie pola ], zwrócone do dołu i obliczane wzorem

4. a=g= G*M(z)/r^2

które tak samo działa na masę ujemną, jak na dodatnią !

Tak więc tym mechanizmem , Ziemia nie daje nam szans na zaistnienie antygrawitacji.

Powtórzę :

Ciała o ujemnej masie , w polu dużej masy dodatniej spadają w każdym punkcie pola, z takim samym przyspieszeniem, jak ciała o masie dodatniej .

Jeśli tak jest,  to może ktoś z czytelników rozważy taki problem :

co będzie się działo z ujemną masą spadająca na Ziemię [dodatnia masa M ] gdy wreszcie uderzy o Ziemię , przy czym proszę analizowac to, co się dzieje w czasie zderzenia.

Wreszcie nadszedł moment by się udac w pobliże planety mającej w całości masę ujemną [ podobno planet jest “od groma”, miliardy miliardów i w połowie zamieszkałych, oraz wyposażonych w internety i marihuanę- tak twierdzą przynajmniej w Amerykańskim Towarzystwie Astronomicznym i w NASA] i zaobserwowac, co tam będzie się działo z ciałami nad powierzchnią planety o masie (- M).

Postac wzoru na przyspieszenie grawitacyjne jest taka sama, lecz teraz masa planey jest (- M)

5. g = G(-M)/r^2

i natęzenie pola takiej planety , różni się  od ziemskiego jedynie znakiem ,czyli zwrotem ! Wobec tego zarówno ciała o masach dodatnich jak i ujemnych będą “spadac “ do góry ! Masy próbne [ dodatnie,ujemne] podlegają sile grawitacyjnej odpychającej, do góry.

Na planecie o ujemnej masie panuje antygrawitacja !

Przytomny czytelnik powyższego może zauważyc , że planeta o ujemnej masie to science fiction i zażąda powrotu na Ziemię, oraz wytworzenia tutaj anty-grawitacji , gdyż swymi podatkami utrzymuje przy życiu fizyków.

I będzie miał rację.

Wobec tego proponuję czytelnikowi do rozważenia następujący eksperyment pomyślany. Nad powierzchnią Ziemi umieszczono platformę o dużej masie ujemnej , a nad nią trzymamy kulką o masie negatywnej. Co będzie się nią działo? Będzie nieruchoma ,czy podskoczy do góry?

Równie intrygujący jest inny eksperyment pomyślany [ podany w pracy [1].

Rozważamy dwa swobodne ciała A i B w bliskim sąsiedztwie. Niech A jest o masie dodatniej , a B- o masie ujemnej.. Jaka będzie dynamika między nimi?

Na salonie24 jest multum osób , które lubią samodzielnie myślec i tworzyc własną fizykę.

Może się pobawią ujemnymi masami? Co będzie z prawem Archimedesa dla ciał o masie negatywnej zanurzonych do cieczy, lub w gazach o masach też negatywnych? A elektrodynamika takich mas , jeśli są obdarzone ładunkiem elektrycznym? A jaki rodzaj red-shiftu grawitacyjnego wystąpi dla galaktyk o masach ujemnych ?

Fizyka ujemnych mas [ nie mylic z nią fizyki tachionów- tamta ma masy ujemne ale w świecie nad -relatywistycznym] wzbudza duże zainteresowanie i specjalnie polecam pozycję literatury tematu [ 2 ].

 

 

Schemat pułapki  Penninga-sprzężone pola magnetyczne i elektryczne

Rozpoczęto sprawdzanie podejrzenia ,że anty-cząstki elementarne mogą miec masy negatywne [ 3 ].O anty-cząstki elementarne nie jest dzisiaj trudno. Zresztą , produkujemy nawet anty-atomy.

Wprawdzie zaledwie w dwóch – trzech laboratoriach na świecie i z trudnością , na chwilę ,ale jednak możemy miec anty-atomy. W 2011 roku w laboratorium CERN udało się utrzymywać w tzw.pułapce Penninga chmurę 300 atomów antywodoru przez 16 minut, po tym czasie nastąpiła anihilacja tej antymaterii [ 4 ].

Nic więc dziwnego ,że od dwóch lat trwa piękny eksperyment o kryptonimie ALPHA [ 5 ] mający za zadanie uzyskac odpowiedzi na pytania:

Czy anty-wodór ma masę grawitacyjną ?

Jeśli ma, to jaką – ujemną czy dodatnią?

I czy zmierzona masa grawitacyjna anty-wodoru, jest równa jego masie bezwładnej?

Napisałem “piękny eksperyment” , bo w istocie pomysłowośc projektantów i realizatorów tego dzieła jest imponująca! Anty-atomy nie mogą się stykac ze ściankami naczynia, czyli trzeba je trzyma w “pułapce” i miec możliwośc precyzyjnego sterowania funkcjami tej pułapki. Już to tylko wystarczyłoby za samodzielny eksperyment!   

Następnie, jeśli anty-atomy mają ujemną masę, to trzeba tak rozdzielic zbiór anty-atomów, by jedna częśc chmury anty-atomów była nad drugą, bo wtedy  pojawi się antygrawitacja , na skutek której górna częśc “spadnie “ na sufit naczynia i tam anihiluje , a dolna częśc chmury spadnie normalnie na dno i też anihiluje.Zliczając ilości anihilacji na dnie i na suficie [ jeśli będą ] można raz jeszcze sprawdzic Einsteina  zasadę równoważności  masy grawitacyjnej i bezwładnej..

 

Literatura

 

[ 1 ] H.Bondi, Negative Mass in General Relativity,Rev.Mod.Phys.,29.1957, p. 423-428

[ 2 ] R.T. Hammond, Negative mass, arxiv.org 1308.2683v1,VIII,2013

[ 3 ] Adelberger, E. G., Heckel, B. R., Stubbs, C. W. & Su, Y. Does antimatter fall with the same acceleration as ordinary matter? Phys. Rev. Lett. 66, 850–853 ,1991

[ 4] C.Amole and All,Resonant quantum transitions in trapped antihydrogen atoms style,Nature,483, III.2012,s.438-443

[ 5 ] A.E.Charman (The ALPHA Collaboration) Description and first application of a new technique to measure the gravitational mass of antihydrogen, Nature Communications Vol: 4, No:1785,IV.2013