你不曾知道的负质量

尹丹

2017年4月，美国华盛顿州立大学的物理学家创造出了具有负质量的超液体。当然，这并不意味着用秤称量这种物质时，读数会显示负数，它是一种力学上的体现：推动这种物质时，它不会沿着力的方向加速，反而会迎着推力加速。

迈克尔·福布斯是华盛顿州立大学物理与天文系的一位助理教授，也是这个实验的领导者，他说：“虽然这种现象很难在实验室产生，但它有着重大的意义，可以用来加深我们对宇宙的理解。”

牛顿第二定律告诉我们，作用于物体上的力等于这个物体的质量与其加速度的乘积。通俗点说，就是如果我们推动一个正质量物体，它会被我们推着往前走。可对于一个具有负质量的物体来说，其加速度与受到的力方向相反，去推一个负质量物体时，我们会被它推着往回走。

那么，什么是負质量呢？负质量是天文物理学的一个理论术语，是指一个物体的质量为负数。严格地说，这次的发现并不能被称作负质量物体，而是一种负质量现象或者负质量效应：在某一个特定的时空区域和特定状态下，突然间，牛顿第二定律前面就需要加个负号了，就是这样。

福布斯教授和他的团队用激光把10000个铷原子束缚在一个很小的区域里，然后再用另一束激光把它们冷却到接近绝对零度。此时，这团铷原子进入了全新的状态：玻色-爱因斯坦凝聚态。在玻色-爱因斯坦凝聚态下，不会有单独的原子存在，这10000个铷原子会融合在一起。这块玻色-爱因斯坦凝聚态被困在一个雪茄状的一维势阱中，福布斯用另外两束激光使铷原子产生自旋轨道耦合，自旋轨道耦合与玻色-爱因斯坦凝聚态的能量色散曲线不再是通常的抛物线，而是在临近底部的地方有一个小突起，这个区域的曲率为负，对应着负的等效质量，扩散到这个区域的玻色-爱因斯坦凝聚态就相应地有负质量了。

起初，玻色-爱因斯坦凝聚态被困在靠左边的最低能量上，福布斯撤掉束缚后，这块玻色-爱因斯坦凝聚态开始扩散，左边正常扩散，而右边的扩散进入负质量区域。我们可以把这个现象想象成地上的一桶沙子，把桶壁撤走时，沙子由于重力的因素会向四周扩散，当沙子在某一个方向上扩散到负质量区域时，它们不再向外扩散而是向内收敛，因为重力的作用在这个区域从吸引变成了排斥，此时的沙堆像被一堵墙堵住了一样。那10000个铷原子形成的玻色-爱因斯坦凝聚态时就像这堆扩散的沙子，在负重力的区域开始掉头向回走。到目前为止，研究人员声明，负质量流体研究中所看到都是非常初期的。

我们可以开一下脑洞：如果我们生活在负质量的生活中，会遇到什么有趣的现象？大街上跑的负质量汽车个个都挂着倒挡向前飞驰；超市的顾客被负质量手推车拉着向前走；发射火箭也不再发愁燃料了，固定架打开的瞬间，负质量火箭就如轰炸机投下的一枚炸弹一样“坠入”深空……当然这些想象荒谬而遥远，这次发现的负质量还远远达不到这种程度。但福布斯表示：“我们对这个实验条件有着精美绝伦的控制，这个控制给了研究人员研究宇宙中神奇现象的新工具，他们可以用其模拟宇宙的极端环境，比如中子星、黑洞、暗能量。”

虽然负质量的研究还有很长的路要走，但有一件事是肯定的，物理学正在不断地推动人类前进的脚步，就像那句话说的一样：“一切皆有可能！”