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

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

Anfang Dezember 2018 wurde die Blogosphäre der Physiker wütend, weil 2017 ein Artikel erschien (tatsächlich noch ein Vorabdruck zu diesem Datum: arXiv: 1712.07962), 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 Arbeiten von Albert Einstein, Hermann Bondi und anderen an. Kurz gesagt, Materie mit negativer Masse verhält sich wie folgt:

  • Positiv-Positiv-Wechselwirkung: Die beiden Teilchen ziehen sich gegenseitig 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 scheinbar) 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 Newtonschen Gesetz der Bewegungen wie F = ma vorkommt). Ich verstehe, dass Aggregate regelmäßiger Materie unter ungewöhnlichen Umständen ein solches Verhalten zeigen können, das häufig mit sehr niedrigen Temperaturen verbunden ist. Beispielsweise können auch Elektronen im Supraleitungsbereich eine wirksame Masse aufweisen (H. Frölich, Nature Band 168, Seiten 280–281). Es gibt Hinweise darauf, dass eine negative effektive Masse, die sich aus dem periodischen Potential in Gittern ergibt, eine Reihe von ungeraden Eigenschaften von Hochtemperatursupraleitern erklären könnte (cond-mat / 0210455).

Das Papier von Farnes geht weit über grundlegende Spekulationen hinaus. Der Autor behauptet, in der Lage zu sein, die Abflachung von Galaxienrotationskurven, die Bildung galaktischer Halos der Dunklen Materie, große Formationen wie Filamente 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, zu diesen Behauptungen einen aussagekräftigen Kommentar abzugeben. Einige sagten, das Modell sei so konstruiert, dass man am Ende Occams Rasiermesser aufrufen und mit dem CMD-Modell der Kosmologie weitermachen könne. Persönlich klangen einige der Argumente in der Arbeit ziemlich handbewegend, zum Beispiel die Erklärung der Ebenheit des Raums und die Position des ersten Peaks des CMB-Leistungsspektrums (siehe Abschnitt 4.4). Andererseits fand ich die Argumente, die eine Überarbeitung der Interpretation einiger kritischer Messungen unterstützen, sehr anregend, beispielsweise die Ausdehnung des Universums mit Supernovae-Explosionen. 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 bayesianischer Sicht kann ich Sie nur warnen, dass die meisten unserer Fehler durch falsche Annahmen verursacht werden: Es ist immer der Prior!

Auf jeden Fall fand ich das Modell einfach genug, um es in einem Computercode zu implementieren, der auf einem Laptop ausgeführt werden kann. In dem Artikel finden Sie einen Verweis auf eine korrektere Implementierung, während meine eher nach einer Animation als nach einer realistischen Simulation aussieht. Der Code basiert auf einer früheren Simulation der Dunklen Materie, die ich vor einigen Jahren erstellt habe. Sie können mehr über dieses Modell in diesem Beitrag lesen. Den neuen, angepassten Code finden Sie hier. Um es auszuführen, müssen Sie Processing und die Traer-Physikbibliothek installieren. In meiner Implementierung schaffe ich anders als bei James Farnes alle Materie mit positiver Masse, weise aber Wechselwirkungen zwischen negativ-negativen Objekten eine negative Kopplung (-G) zu.

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

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

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