Negative Masse ist überall in der Physik. Es erklärt auch die Dunkle Materie

Darstellung, wie Filamente der Dunklen Materie aussehen würden, wenn wir sie mit bloßen Augen sehen könnten. Die gelben Flecken repräsentieren Galaxien.

Anfang Dezember 2018 wurde die Blogosphäre der Physiker wahnsinnig, weil 2017 ein Artikel (tatsächlich noch ein Vorabdruck bis zu diesem Datum: arXiv: 1712.07962) veröffentlicht wurde, in dem der Autor James Farnes von der Universität Oxford versucht, Dunkle Materie und Dunkle Energie mit einem zu erklären scheinbar absurde Hypothese: das Vorhandensein einer Flüssigkeit mit negativer Masse, die das Universum durchdringt. Die Idee selbst ist nicht neu und der Autor erkennt frühere Werke von Albert Einstein, Hermann Bondi und anderen an. Kurz gesagt, die Materie mit negativer Masse verhält sich folgendermaßen:

  • Positiv-Positiv-Wechselwirkung: Die beiden Partikel ziehen sich an.
  • Negativ-Negativ-Wechselwirkung: Die beiden Teilchen stoßen sich gegenseitig ab.
  • Positiv-Negativ-Wechselwirkung: Beide Teilchen beschleunigen in die gleiche Richtung und zeigen von der negativen Masse zur positiven Masse.

Als Teilchenphysiker bin ich von dem Argument nicht besonders überzeugt, aber ich gebe zu, dass es eine Lücke geben kann, wenn wir zulassen, dass Masse ein wirksamer Parameter wie in der Festkörperphysik ist, wodurch (zumindest anscheinend) die geschätzte Äquivalenz verletzt wird Prinzip. Dies bedeutet, dass die Masse, die in die Gleichung eingeht, die das Gravitationsverhalten dieser Flüssigkeit bestimmt, nicht genau der Trägheitsmasse entspricht (die im herrlichen Newtonschen Bewegungsgesetz wie F = ma erscheint). Mein Verständnis ist, dass Aggregate regulärer Materie unter ungewöhnlichen Umständen ein solches Verhalten zeigen können, das häufig mit sehr niedrigen Temperaturen verbunden ist. Beispielsweise können sogar Elektronen im Supraleitungsbereich eine effektive Masse aufweisen (H. Frölich, Nature Volume 168, S. 280–281). Es gibt Hinweise darauf, dass eine negative effektive Masse, die sich aus dem periodischen Potential in Gittern ergibt, eine Reihe von merkwürdigen Eigenschaften von Hochtemperatursupraleitern erklären könnte (cond-mat / 0210455).

Farnes 'Papier geht weit über grundlegende Spekulationen hinaus. Der Autor behauptet, in der Lage zu sein, die Abflachung von Galaxienrotationskurven, die Bildung von Halos aus galaktischer Dunkler Materie, große Formationen wie Filamente aus dunkler Materie, die Galaxien verbinden, und sogar das endgültige Schicksal des Universums zu erklären (Spoiler: Es würde sich zyklisch ausdehnen und zusammenziehen ). Ich bin kein Astrophysiker und überlasse es lieber den Experten, diese Behauptungen sinnvoll zu kommentieren. Einige sprachen sich dafür aus, dass das Modell so erfunden ist, dass man am Ende Occams Rasiermesser aufrufen und mit dem ΛCMD-Modell der Kosmologie weitermachen kann. Persönlich klangen einige der Argumente in dem Artikel für mich ziemlich handwinkend, zum Beispiel die Erklärung der Ebenheit des Raums und der Position des ersten Peaks des CMB-Leistungsspektrums (siehe Abschnitt 4.4). Andererseits habe ich die Argumente, die eine Überarbeitung der Interpretation einiger kritischer Messungen unterstützen, wie die Erweiterung des Universums mit Supernovae-Explosionen, sehr anregend gefunden. Während die Messungen selbst für selbstverständlich gehalten werden, können die Annahmen, die zu den endgültigen Interpretationen führen, falsch sein. Vor allem die Positivität der Masse-Energie-Dichte, die fast immer erzwungen wird, obwohl in einigen Fällen die Experimente selbst etwas anderes zu bevorzugen scheinen (siehe Abschnitt 4.1 für weitere Einzelheiten). Aus Bayes'scher Sicht kann ich Sie nur warnen, dass die meisten unserer Fehler durch falsche Annahmen verursacht werden: Es ist immer der Prior!

Auf jeden Fall habe ich festgestellt, dass das Modell einfach genug ist, um in einem Computercode implementiert zu werden, der auf einem Laptop ausgeführt werden kann. In dem Artikel finden Sie einen Verweis auf eine korrektere Implementierung, während meine eher einer Animation als einer realistischen Simulation ähnelt. Der Code basiert auf einer früheren Simulation der Dunklen Materie, die ich vor einigen Jahren erstellt habe. Weitere Informationen zu diesem Modell finden Sie in diesem Beitrag. Den neuen, angepassten Code finden Sie hier. Um es auszuführen, müssen Sie Processing und die Traer-Physikbibliothek installieren. Anders als bei James Farnes erschaffe ich in meiner Implementierung alle Materie mit positiver Masse, ordne aber Interaktionen zwischen negativ-negativen Objekten eine negative Kopplung (-G) zu.

Ich streue zufällig mit gleichmäßiger Verteilung die Partikel mit negativer Masse. Stattdessen wird reguläre Materie in zwei „Klumpen“ platziert, die ungefähr zwei Galaxien darstellen. Was denkst du wird passieren? Die N-Körpersimulation wird ohne explizites Langzeitziel fortgesetzt. Zumindest intuitiv geschieht, dass reguläre Materie versucht, noch weiter zu verschmelzen, während negative Materie dazu neigt, sich auszudehnen. Interessante Dynamiken treten jedoch in der Nähe großer Klumpen regulärer Materie auf: Negative Partikel werden von den „Galaxien“ angezogen, konzentrieren sich jedoch aufgrund der Selbstabstoßung nicht zu stark. Der Nettoeffekt ist laut Farnes 'Artikel die Erzeugung eines „Halos“ um Galaxien und „Filamente“, die sie verbinden. Kannst du diese Dinge im Video erkennen? Oder ist es nur Wunschdenken?

Zum Abschluss wurde der alten und ziemlich unmodernen Idee der Materie mit negativer Masse neues Leben eingehaucht, um einige der größten Geheimnisse des Universums zu erklären: Dunkle Materie, Dunkle Energie und die allgemeine Dynamik von Formationen auf kosmologischer Ebene. Wenn außergewöhnliche Ansprüche außergewöhnliche Beweise erfordern, glaube ich nicht, dass solche Beweise zweifelsfrei vorgelegt wurden. Es ist jedoch möglicherweise nicht das erste oder letzte Mal, dass sich ein Spielzeugmodell zu etwas Komplizierterem entwickelt.

Ursprünglich veröffentlicht am 9. Dezember 2018 unter disipio.wordpress.com.