Введение

Понятие в физических моделях
В теоретической физике отрицательная масса — это гипотетический тип экзотической материи, масса которой имеет знак, противоположный массе обычной материи, например, −1 кг. Такая материя нарушала бы одно или несколько энергетических условий и демонстрировала бы странные свойства, такие как ускорение, направленное противоположно приложенной силе. Она используется в некоторых спекулятивных гипотетических технологиях, таких как путешествия во времени в прошлое и будущее, создание проходимых искусственных червоточин, которые также могут позволить путешествовать во времени, трубки Красникова, двигатель Алькубьерре и, потенциально, другие типы сверхсветовых деформационных двигателей. В настоящее время наиболее близким известным реальным аналогом такой экзотической материи является область отрицательной плотности давления, создаваемая эффектом Казимира.

В космологии

В декабре 2018 года астрофизик Джейми Фарнс из Оксфордского университета предложил теорию "темной жидкости", частично основанную на идеях гравитационно отталкивающих отрицательных масс, ранее высказанных Альбертом Эйнштейном, которая может помочь лучше понять, и, что важно, проверить, значительное количество неизвестной темной материи и темной энергии во Вселенной.

В общей теории относительности

Отрицательная масса — это любая область пространства, в которой для некоторых наблюдателей плотность массы измеряется как отрицательная. Это может возникать в области пространства, где абсолютная величина суммы трех нормальных компонент напряжения (давления по каждой из трех осей) тензора энергии-импульса Эйнштейна превышает плотность массы. Все это представляет собой нарушения того или иного варианта условия положительной энергии в общей теории относительности Эйнштейна; однако, условие положительной энергии не является обязательным для математической непротиворечивости теории.

Стрелка инверсии времени и энергии

В общей теории относительности Вселенная описывается как риманово многообразие, связанное с тензорным решением метрики уравнений Эйнштейна. В рамках такого подхода, неуправляемое движение исключает существование отрицательной материи. Вселенная тогда описывается как многообразие, связанное с двумя римановыми метриками (одна – с материей положительной массы, другая – с материей отрицательной массы). Согласно теории групп, материя, сопряженная с одной метрикой, будет казаться материи другой метрики обладающей противоположной массой и направлением времени (хотя собственное время останется положительным). Сопряженные метрики имеют собственные геодезические и являются решениями двух связанных уравнений поля. Отрицательная материя, связанная с сопряженной метрикой, взаимодействуя с материей другой метрики посредством гравитации, может представлять собой альтернативное объяснение темной материи, темной энергии, космической инфляции и ускоряющегося расширения Вселенной. Как и было общепринято среди физиков ранее, экспериментально подтверждено, что гравитация притягивает как материю, так и антиматерию с одинаковой скоростью в пределах экспериментальной погрешности. Эксперименты в пузырьковых камерах предоставляют дополнительные доказательства того, что античастицы обладают той же инерционной массой, что и их обычные аналоги. В этих экспериментах камера подвергается воздействию постоянного магнитного поля, которое заставляет заряженные частицы двигаться по спиральным траекториям, радиус и направление которых соответствуют отношению электрического заряда к инерционной массе. Наблюдается, что пары частица-античастица движутся по спиралям с противоположными направлениями, но с одинаковым радиусом, что указывает на то, что соотношения различаются только знаком; однако это не позволяет определить, инвертирован ли заряд или инерционная масса. Тем не менее, наблюдается электрическое притяжение между парами частица-античастица. Это поведение подразумевает, что обе частицы имеют положительную инерционную массу и противоположные заряды; если бы было наоборот, то частица с положительной инерционной массой отталкивалась бы от своей античастицы.

В квантовой механике

В 1928 году теория элементарных частиц Пола Дирака, которая сейчас является частью Стандартной модели, уже содержала отрицательные решения. Стандартная модель является обобщением квантовой электродинамики (QED), и отрицательная масса уже заложена в основу этой теории. Моррис, Торн и Юртсевер указали на то, что квантовая механика эффекта Казимира может быть использована для создания локально области пространства-времени с отрицательной массой. В этой статье, а также в последующих работах других исследователей, они показали, что отрицательная материя может быть использована для стабилизации червоточины. Крамер и другие утверждают, что подобные червоточины могли образоваться в ранней Вселенной и быть стабилизированными петлями космической струны с отрицательной массой. Стивен Хокинг полагал, что отрицательная энергия является необходимым условием для создания замкнутой времениподобной кривой посредством манипулирования гравитационными полями в конечном объеме пространства; это, например, подразумевает, что конечный цилиндр Типлера нельзя использовать в качестве машины времени.

Уравнение Шредингера

Для энергетических собственных состояний уравнения Шредингера волновая функция имеет волновой характер везде, где энергия частицы превышает локальный потенциал, и экспоненциальный (затухающий) характер там, где она меньше. По наивной логике, это могло бы означать, что кинетическая энергия отрицательна в областях затухания (для компенсации локального потенциала). Однако кинетическая энергия является оператором в квантовой механике, и её математическое ожидание всегда положительно, в сумме с математическим ожиданием потенциальной энергии давая собственное значение энергии. Для волновых функций частиц с нулевой массой покоя (таких как фотоны) это означает, что любые затухающие участки волновой функции будут связаны с локальной отрицательной энергией массы. Однако уравнение Шредингера неприменимо к безмассовым частицам; вместо него требуется уравнение Клейна — Гордона.