颠覆物理学的“负质量”流体究竟是怎么回事？

撰文 Sabine Hossenfelder （兰克福高等研究院研究员）

编译正恩（“原理”公众号）金庄维

最近，“负质量”流体又把物理学颠覆了一回：

36氪

环球SCI

外媒也不例外

科学家观测到“负质量”流体，彻底颠覆物理学 —— 《独立报》（英国）

物理学家制造出不可思议的“负质量”流体，有助解决黑洞之谜 —— 《每日电讯报》（英国）

这些给物理学带来“灭顶之灾”的新闻都是报道最近发表在物理界权威期刊 Physics Review Letters（PRL）上的这篇论文

【标题】Negative mass hydrodynamics in a Spin-Orbit-Coupled Bose-Einstein Condensate

（一种自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的负质量流体力学）

【作者】Michael McNeil Forbes et al.

【期刊】Phys. Rev. Lett. 118, 155301 (2017)

【日期】2017.4.10

【摘要】A negative effective mass can be realized in quantum systems by engineering the dispersion relation. A powerful method is provided by spin-orbit coupling, which is currently at the center of intense research efforts. Here we measure an expanding spin-orbit coupled Bose-Einstein condensate whose dispersion features a region of negative effective mass. We observe a range of dynamical phenomena, including the breaking of parity and of Galilean covariance, dynamical instabilities, and self-trapping. The experimental findings are reproduced by a single-band Gross-Pitaevskii simulation, demonstrating that the emerging features—shock waves, soliton trains, self-trapping, etc.—originate from a modified dispersion. Our work also sheds new light on related phenomena in optical lattices, where the underlying periodic structure often complicates their interpretation.

【链接】arXiv:1612.04055 [cond-mat.quant-gas]

原论文的标题的确使用了负质量（Negative mass），但是如果仔细看论文摘要就会发现，研究人员实际上是在量子体系中实现了负有效质量（Negative effective mass）。“有效”一词会带来非常大的区别。物理学家通常用“有效”来表明某些东西不是基本的，而是一种涌现现象，这个词的精确定义往往是约定俗成的。

例如，一个星系的“有效半径”并不是它的半径；“有效核电荷”也不是原子核的电荷。由此类推，相信你也猜到了，“有效负质量”不是负质量，它仅仅是方便描述凝聚体行为的一个数学量。

在这项工作中，研究人员制造出了一种凝聚体，它的行为就如同具有负有效质量一般。他们利用激光将 10000 个铷原子捕获在一个小区域中，并用另一束激光将它们冷却至接近绝对零度，形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）。凝聚体的有效质量和它的色散关系有关。色散关系指的是能量和动量之间的关系。在普通的非相对论性极限下，E=p2/m（E 为能量，p 为动量，m 为质量），如果求能量对动量的二阶导数，我们就会得到质量的逆（1/m）。而在其它的能量-动量关系下进行同样的求导，所得的结果就称为有效质量的逆。你可以使用这个定义重新写下凝聚体的运动方程，使得方程在形式上和普通的流体力学方程相似，其中一项便包含了有效质量的逆乘以力。

有效质量的确可以是负的。