Экзотическая материя

редактировать

Любая небарионная материя

Существует несколько предлагаемых типов экзотической материи :

Гипотетическая частицы и состояния материи, которые обладают "экзотическими" физическими свойствами, которые нарушают известные законы физики, например, частица с отрицательной массой.
Гипотетические частицы и состояния материи, которые еще не встречались, но чьи свойства были бы в пределах области основной физики, если бы они были обнаружены.
Несколько частиц, существование которых было экспериментально подтверждено, предположительно быть экзотическими адронами и в пределах Стандартной модели.
Состояния вещества, которые обычно не встречаются, такие как конденсаты Бозе – Эйнштейна, фермионные конденсаты, квантовая спиновая жидкость, струнно-сеточная жидкость, сверхкритическая жидкость, конденсат цветного стекла, кварк– глюонная плазма, Рид материя Берга, полярон Ридберга и фотонная материя, но свойства которых полностью находятся в сфере основной физики.
Формы материи, которые плохо изучены, такие как как темная материя и зеркальная материя.
Обычная материя, находящаяся под высоким давлением, что может привести к резким изменениям ее физических или химических свойств.
Вырожденное вещество
Экзотические атомы

Содержание

1 Отрицательная масса
2 Комплексная масса
3 Материалы при высоком давлении
4 См. Также
5 Ссылки
6 Внешние ссылки

Отрицательная масса

Отрицательная масса будет обладать некоторыми странными свойствами, такими как ускорение в направлении, противоположном приложенной силе. Несмотря на то, что отрицательная масса несовместима с ожидаемым поведением «нормальной» материи, она математически непротиворечива и не вносит нарушения сохранения импульса или энергии. Он используется в некоторых умозрительных теориях, например, о создании искусственных червоточин и привода Алькубьерре. Ближайшим известным реальным представителем такой экзотической материи является область псевдо- отрицательного давления плотности, создаваемая эффектом Казимира.

Согласно эквивалентности массы и энергии, масса $m {\ displaystyle m}$ $m$ пропорционально энергии $E {\ displaystyle E}$ $E$ , а коэффициент пропорциональности равен $c 2 {\ displaystyle c ^ {2}}$ ${\ displaystyle c ^ {2}}$ . На самом деле, $m {\ displaystyle m}$ $m$ по-прежнему эквивалентно $E {\ displaystyle E}$ $E$ , хотя коэффициент - это другая константа, например $- c 2 {\ Displaystyle -c ^ {2}}$ ${\ displaystyle -c ^ {2}}$ . В этом случае нет необходимости вводить отрицательную энергию, потому что масса может быть отрицательной, хотя энергия положительна. То есть

E = - mc 2>0 {\ displaystyle E = -mc ^ {2}>0}

E=-mc^{2}>0

m = - E c 2 < 0 {\displaystyle m=-{\frac {E}{c^{2}}}<0}

{\ displaystyle m = - {\ frac {E} {c ^ {2}}} <0}

В данных обстоятельствах ，

d E = F ds = dpdtds = dsdtdp = vdp = vd (mv) {\ displaystyle dE = Fds = {\ frac {dp} {dt}} ds = {\ frac {ds} {dt}} dp = vdp = vd (mv) }

{\ displaystyle dE = Fds = {\ frac {dp} {dt}} ds = {\ frac {ds} {dt}} dp = vdp = vd (mv)}

- c 2 dm = vd (mv) {\ displaystyle -c ^ {2} dm = vd (mv)}

{\ displaystyle -c ^ {2} dm = vd (mv)}

- c 2 (2 m) dm = 2 mvd (mv) {\ displaystyle - c ^ {2} (2m) dm = 2mvd (mv)}

{\ displaystyle -c ^ {2} (2m) dm = 2mvd (mv)}

- c 2 d (m 2) = d (m 2 v 2) {\ displaystyle -c ^ {2} d (m ^ {2}) = d (m ^ {2} v ^ {2})}

{\ displaystyle -c ^ {2} d (m ^ {2}) = d (m ^ {2} v ^ {2})}

- m 2 c 2 = m 2 v 2 + C {\ displaystyle -m ^ {2} c ^ {2} = m ^ {2 } v ^ {2} + C}

{\ displaystyle -m ^ {2} c ^ {2} = m ^ {2} v ^ {2} + C}

Когда $v = 0 {\ displaystyle v = 0}$ $v = 0$ ,

C = - m 0 2 c 2 {\ displaystyle C = -m_ {0} ^ {2 } c ^ {2}}

{\ displaystyle C = -m_ {0} ^ {2} c ^ {2}}

Следовательно,

- m 2 c 2 = m 2 v 2 - m 0 2 c 2 {\ displaystyle -m ^ {2} c ^ {2} = m ^ {2 } v ^ {2} -m_ {0} ^ {2} c ^ {2}}

{\ displaystyle -m ^ {2} c ^ {2} = m ^ {2} v ^ {2} -m_ {0} ^ {2} c ^ {2}}

m = m 0 1 + v 2 c 2 {\ displaystyle m = {m_ {0} \ over {\ sqrt {) 1+ \ displaystyle {v ^ {2} \ over c ^ { 2}}}}}}

{\ displaystyle m = {m_ {0} \ over {\ sqrt {1+ \ displaystyle {v ^ {2}} \ over c ^ {2}}}}} }

где $m 0 < 0 {\displaystyle m_{0}<0}$ ${\ displaystyle m_ {0} <0}$ - инвариантная масса и равна $E 0 = - m 0 c 2>0 {\ displaystyle E_ {0} = -m_ {0} c ^ {2}>0}$ $E_{0}=-m_{0}c^{2}>0$ . Квадрат массы по-прежнему положительный, и частица может быть стабильной.

Поскольку $m = m 0 1 + v 2 c 2 < 0 {\displaystyle m={m_{0} \over {\sqrt {1+\displaystyle {v^{2} \over c^{2}}}}}<0}$ ${\ displaystyle m = {m_ {0} \ over { \ sqrt {1+ \ displaystyle {v ^ {2} \ over c ^ {2}}}}} <0}$ ,

p = mv = m 0 v 1 + v 2 c 2 < 0 {\displaystyle p=mv={m_{0}v \over {\sqrt {1+\displaystyle {v^{2} \over c^{2}}}}}<0}

{\ displaystyle p = mv = {m_ {0} v \ over {\ sqrt {1+ \ displaystyle {v ^ {2} \ over c ^ {2}}}}} <0}

Используется для объяснения отрицательной рефракции, обратный эффект Доплера и обратный эффект Черенкова, наблюдаемые в метаматериале с отрицательным индексом. Радиационное давление в метаматериале также отрицательно, потому что сила определяется как $F = dpdt {\ displaystyle F = {\ frac {dp} {dt}}}$ ${\ displaystyle F = {\ frac {dp} { dt}}}$ . Отрицательное давление существует и в темной энергии. Используя эти уравнения, отношение энергии-импульса должно быть

E 2 = - p 2 c 2 + m 0 2 c 4 {\ displaystyle E ^ {2} = - p ^ {2} c ^ {2} + m_ {0} ^ {2} c ^ {4}}

{\ displaystyle E ^ {2} = - p ^ {2} c ^ {2} + m_ {0} ^ {2} c ^ {4}}

Подстановка соотношения Планка-Эйнштейна $E = ℏ ω {\ displaystyle E = \ hbar \ omega}$ $E = \ hbar \ omega$ и де Бройля $p = ℏ k {\ displaystyle p = \ hbar k}$ $p = \ hbar к$ , получаем следующую дисперсию отношение

ω 2 знак равно - к 2 с 2 + ω п 2 {\ Displaystyle \ omega ^ {2} = - к ^ {2} c ^ {2} + \ omega _ {p} ^ {2}}

{\ displaystyle \ omega ^ {2} = - k ^ {2} c ^ {2} + \ omega _ {p} ^ { 2}}

(E 0 = ℏ ω p = - m 0 c 2>0) {\ displaystyle (E_ {0} = \ hbar \ omega _ {p} = - m_ {0} c ^ {2}>0)}

(E_{0}=\hbar \omega _{p}=-m_{0}c^{2}>0)

волны состоит из потока частиц, отношение энергии-импульса которых равно $E 2 = - p 2 c 2 + m 0 2 c 4 {\ displaystyle E ^ {2} = -p ^ {2} c ^ {2} + m_ {0} ^ {2} c ^ {4}}$ ${\ displaystyle E ^ {2} = - p ^ {2} c ^ {2} + m_ {0} ^ {2} c ^ {4}}$ (дуальность волна-частица ) может быть возбуждена в метаматериале с отрицательным показателем . скорость такой частицы равна

v = c E 0 2 E 2 - 1 = c ω p 2 ω 2 - 1 {\ displaystyle v = c {\ sqrt {{\ frac {E_ {0} ^ { 2}} {E ^ {2}}} - 1}} = c {\ sqrt {{\ frac {\ omega _ {p} ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} - 1}}}

{\ displaystyle v = c {\ sqrt {{\ frac {E_ {0} ^ {2}} {E ^ {2}}} - 1}} = c {\ sqrt {{\ frac {\ omega _ {p) } ^ {2}} {\ omega ^ {2}}} - 1}}}

и диапазон от нуля до бесконечности

ω p 2 ω 2 < 2 {\displaystyle {\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}}}<2}

{\ displaystyle {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2}} {\ omega ^ { 2}}} <2}

v < c {\displaystyle v

{\ displaystyle v <c}

ω p 2 ω 2>2 {\ displaystyle {\ frac {\ omega _ {p} ^ {2}} {\ omega ^ {2}}}>2}

{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega ^{2}}}>2

v>c {\ displaystyle v>c}

{\ displaystyle v>c}

Кроме того, кинетическая энергия также отрицательна

E k = E - E 0 = - mc 2 - (- m 0 c 2) = - m 0 c 2 1 + v 2 c 2 + m 0 c 2 = m 0 c 2 (1 - 1 1 + v 2 c 2) < 0 {\displaystyle E_{k}=E-E_{0}=-mc^{2}-(-m_{0}c^{2})=-{m_{0}c^{2} \over {\sqrt {1+\displaystyle {v^{2} \over c^{2}}}}}+m_{0}c^{2}=m_{0}c^{2}(1-{1 \over {\sqrt {1+\displaystyle {v^{2} \over c^{2}}}}})<0}

{\ displaystyle E_ {k} = E-E_ {0} = - mc ^ {2} - (- m_ {0} c ^ {2}) = - {m_ {0} c ^ {2} \ over {\ sqrt {1+ \ displaystyle {v ^ {2} \ over c ^ {2}}}}} + m_ {0} c ^ {2} = m_ {0} c ^ {2} (1- {1 \ over {\ sqrt {1+ \ displaystyle {v ^ {2} \ over c ^ {2}}}}}) <0}

(m 0 < 0) {\displaystyle (m_{0}<0)}

{\ displaystyle (m_ {0} <0)}

Фактически, отрицательная кинетическая энергия существует в некоторых моделях для описания темной энергии (фантомной энергии ), давление которой равно отрицательный. Таким образом, отрицательная масса экзотической материи теперь связана с отрицательным давлением, отрицательной кинетической энергией и сверхсветовой скоростью (быстрее света ).

Комплексная масса

Гипотетическая частица с комплексной массой покоя всегда будет двигаться быстрее, чем скорость света. Такие частицы называются тахионами. Подтвержденного существования тахионов нет.

E = m ⋅ c 2 1 - | v | 2 с 2 {\ displaystyle E = {\ frac {m \ cdot c ^ {2}} {\ sqrt {1 - {\ frac {\ left | \ mathbf {v} \ right | ^ {2}} {c ^ {2}}}}}}}

E = { \ frac {m \ cdot c ^ {2}} {\ sqrt {1 - {\ frac {\ left | \ mathbf {v} \ right | ^ {2}} {c ^ {2}}}}}}

Если масса покоя $m {\ displaystyle m}$ $m$ сложна, это означает, что знаменатель комплексный, потому что полная энергия наблюдаема и, следовательно, должно быть реальным. Следовательно, величина под квадратным корнем должна быть отрицательной, что может произойти, только если v больше, чем c. Как было отмечено Грегори Бенфордом и др., специальная теория относительности подразумевает, что тахионы, если они существовали, могли использоваться для связи в обратном направлении во времени (см. тахионный антителефон ). Поскольку путешествие во времени считается нефизическим, физики считают, что тахионы либо не существуют, либо неспособны взаимодействовать с нормальной материей.

В квантовой теории поля сложная масса будет вызывать тахионную конденсацию.

Материалы при высоком давлении

При высоком давлении такие материалы, как натрий хлорид (NaCl) в присутствии избытка хлора или натрия превращался в соединения, «запрещенные» классической химией, такие как Na. 3Cl и NaCl. 3. Квантово-механические расчеты предсказывают возможность других соединений, таких как NaCl. 7, Na. 3Cl. 2и Na. 2Cl. Материалы термодинамически стабильны при высоких давлениях. Такие соединения могут существовать в естественной среде, которая существует под высоким давлением, например, в глубинах океана или внутри ядер планет. Материалы обладают потенциально полезными свойствами. Например, Na. 3Cl - это двумерный металл, состоящий из слоев чистого натрия и соли, которые могут проводить электричество. Соляные слои действуют как изоляторы, а слои натрия действуют как проводники.

См. Также

Антивещество - Материал, состоящий из античастиц соответствующих частиц обычной материи
Темная энергия - неизвестное свойство в космологии, которое вызывает ускорение расширения Вселенной.
Темная материя - Гипотетическая форма материи, составляющая большую часть материи во Вселенной
Гравитационное взаимодействие антивещества - Теория гравитации на антивещество
Зеркальная материя - гипотетический аналог обычной материи
Отрицательная энергия
Отрицательная масса - Концепция физических моделей
Странная материя - Вырожденная материя, состоящая из странных кварков
КХД материя - Теоретические фазы материи, чьи степени свободы включают кварки и глюоны

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Экзотической материей.