你不曾知道的負(fù)質(zhì)量

尹丹

2017年4月，美國華盛頓州立大學(xué)的物理學(xué)家創(chuàng)造出了具有負(fù)質(zhì)量的超液體。當(dāng)然，這并不意味著用秤稱量這種物質(zhì)時，讀數(shù)會顯示負(fù)數(shù)，它是一種力學(xué)上的體現(xiàn)：推動這種物質(zhì)時，它不會沿著力的方向加速，反而會迎著推力加速。

邁克爾·福布斯是華盛頓州立大學(xué)物理與天文系的一位助理教授，也是這個實驗的領(lǐng)導(dǎo)者，他說：“雖然這種現(xiàn)象很難在實驗室產(chǎn)生，但它有著重大的意義，可以用來加深我們對宇宙的理解。”

牛頓第二定律告訴我們，作用于物體上的力等于這個物體的質(zhì)量與其加速度的乘積。通俗點說，就是如果我們推動一個正質(zhì)量物體，它會被我們推著往前走。可對于一個具有負(fù)質(zhì)量的物體來說，其加速度與受到的力方向相反，去推一個負(fù)質(zhì)量物體時，我們會被它推著往回走。

那么，什么是負(fù)質(zhì)量呢？負(fù)質(zhì)量是天文物理學(xué)的一個理論術(shù)語，是指一個物體的質(zhì)量為負(fù)數(shù)。嚴(yán)格地說，這次的發(fā)現(xiàn)并不能被稱作負(fù)質(zhì)量物體，而是一種負(fù)質(zhì)量現(xiàn)象或者負(fù)質(zhì)量效應(yīng)：在某一個特定的時空區(qū)域和特定狀態(tài)下，突然間，牛頓第二定律前面就需要加個負(fù)號了，就是這樣。

福布斯教授和他的團隊用激光把10000個銣原子束縛在一個很小的區(qū)域里，然后再用另一束激光把它們冷卻到接近絕對零度。此時，這團銣原子進(jìn)入了全新的狀態(tài)：玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。在玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)下，不會有單獨的原子存在，這10000個銣原子會融合在一起。這塊玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)被困在一個雪茄狀的一維勢阱中，福布斯用另外兩束激光使銣原子產(chǎn)生自旋軌道耦合，自旋軌道耦合與玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的能量色散曲線不再是通常的拋物線，而是在臨近底部的地方有一個小突起，這個區(qū)域的曲率為負(fù)，對應(yīng)著負(fù)的等效質(zhì)量，擴散到這個區(qū)域的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)就相應(yīng)地有負(fù)質(zhì)量了。

起初，玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)被困在靠左邊的最低能量上，福布斯撤掉束縛后，這塊玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)開始擴散，左邊正常擴散，而右邊的擴散進(jìn)入負(fù)質(zhì)量區(qū)域。我們可以把這個現(xiàn)象想象成地上的一桶沙子，把桶壁撤走時，沙子由于重力的因素會向四周擴散，當(dāng)沙子在某一個方向上擴散到負(fù)質(zhì)量區(qū)域時，它們不再向外擴散而是向內(nèi)收斂，因為重力的作用在這個區(qū)域從吸引變成了排斥，此時的沙堆像被一堵墻堵住了一樣。那10000個銣原子形成的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)時就像這堆擴散的沙子，在負(fù)重力的區(qū)域開始掉頭向回走。到目前為止，研究人員聲明，負(fù)質(zhì)量流體研究中所看到都是非常初期的。

我們可以開一下腦洞：如果我們生活在負(fù)質(zhì)量的生活中，會遇到什么有趣的現(xiàn)象？大街上跑的負(fù)質(zhì)量汽車個個都掛著倒擋向前飛馳；超市的顧客被負(fù)質(zhì)量手推車?yán)蚯白?；發(fā)射火箭也不再發(fā)愁燃料了，固定架打開的瞬間，負(fù)質(zhì)量火箭就如轟炸機投下的一枚炸彈一樣“墜入”深空……當(dāng)然這些想象荒謬而遙遠(yuǎn)，這次發(fā)現(xiàn)的負(fù)質(zhì)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這種程度。但福布斯表示：“我們對這個實驗條件有著精美絕倫的控制，這個控制給了研究人員研究宇宙中神奇現(xiàn)象的新工具，他們可以用其模擬宇宙的極端環(huán)境，比如中子星、黑洞、暗能量。”

雖然負(fù)質(zhì)量的研究還有很長的路要走，但有一件事是肯定的，物理學(xué)正在不斷地推動人類前進(jìn)的腳步，就像那句話說的一樣：“一切皆有可能！”