你不曾知道的負質量

尹丹

2017年4月，美國華盛頓州立大學的物理學家創造出了具有負質量的超液體。當然，這并不意味著用秤稱量這種物質時，讀數會顯示負數，它是一種力學上的體現：推動這種物質時，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物理與天文系的一位助理教授，也是這個實驗的領導者，他說：“雖然這種現象很難在實驗室產生，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量物體，它會被我們推著往前走。可對于一個具有負質量的物體來說，其加速度與受到的力方向相反，去推一個負質量物體時，我們會被它推著往回走。

那么，什么是負質量呢？負質量是天文物理學的一個理論術語，是指一個物體的質量為負數。嚴格地說，這次的發現并不能被稱作負質量物體，而是一種負質量現象或者負質量效應：在某一個特定的時空區域和特定狀態下，突然間，牛頓第二定律前面就需要加個負號了，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，這團銣原子進入了全新的狀態：玻色-愛因斯坦凝聚態。在玻色-愛因斯坦凝聚態下，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生自旋軌道耦合，自旋軌道耦合與玻色-愛因斯坦凝聚態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，這個區域的曲率為負，對應著負的等效質量，擴散到這個區域的玻色-愛因斯坦凝聚態就相應地有負質量了。

起初，玻色-愛因斯坦凝聚態被困在靠左邊的最低能量上，福布斯撤掉束縛后，這塊玻色-愛因斯坦凝聚態開始擴散，左邊正常擴散，而右邊的擴散進入負質量區域。我們可以把這個現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，當沙子在某一個方向上擴散到負質量區域時，它們不再向外擴散而是向內收斂，因為重力的作用在這個區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-愛因斯坦凝聚態時就像這堆擴散的沙子，在負重力的區域開始掉頭向回走。到目前為止，研究人員聲明，負質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：如果我們生活在負質量的生活中，會遇到什么有趣的現象？大街上跑的負質量汽車個個都掛著倒擋向前飛馳；超市的顧客被負質量手推車拉著向前走；發射火箭也不再發愁燃料了，固定架打開的瞬間，負質量火箭就如轟炸機投下的一枚炸彈一樣“墜入”深空……當然這些想象荒謬而遙遠，這次發現的負質量還遠遠達不到這種程度。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象的新工具，他們可以用其模擬宇宙的極端環境，比如中子星、黑洞、暗能量。”

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