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。
该实验得到的凝聚体色散关系如图 a 所示(横轴为动量,左侧纵轴为能量,右侧纵轴为有效质量)。虚线代表有效质量,而灰色地带就是具有负有效质量的区域。
凝聚体具有“负质量”的真正含义是:如果将被困在碗状势阱中的凝聚体释放,它一开始会扩散,但接着便不再扩散。在图 b 中可以看到,BEC 开始向左右扩散,但是在 14 毫秒的时候,右边的扩散进入负有效质量区域后明显受到了阻碍,像是遇到了一堵无形的墙。
因此,一个准确的标题应该是:“物理学家观测到不会扩散的流体”。
尽管这个标题不那么诱人,但这绝不意味着这项工作不重要。来自量子效应的长程相关性使得流体能够自我限制扩散,这本身就很酷。流体表现出具有负有效质量的行为是个通俗易懂的解释,但物理学家并没有在实验室中制造出负质量流体,牛顿定律也没有失效。而且,这跟黑洞、暗能量或是虫洞都没有关系。
相信我,物理学还是好好的,并没有被颠覆(虽然你们可能有些失望)!
原文链接:
http://backreaction.blogspot.jp/2017/04/no-physicists-have-not-created-negative.html 【需翻墙】
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