برخلاف بار الکتریکی، تا آنجا که می‌دانیم تمام جرم‌ها مثبت هستند و جرم‌های مثبت یکدیگر را جذب می‌کنند. آیا ممکن است جرم منفی وجود داشته باشد، و اگر چنین است، پیامدهای آن چه خواهد بود؟

جاذبه گرانشی میان جرم‌های مثبت، جرم‌های منفی، و (به رنگ زرد) میان یک جرم مثبت و یک جرم منفی. حالت اخیر، نشان‌دهنده حرکت فرارگونه یک جرم مثبت و یک جرم منفی است که به تشکیل سامانه ای مقید می‌انجامد.

موضوع پدیده «ضدگرانش» میان یک جرم مثبت و یک جرم منفیِ فرضی، در طول سال‌ها هم در حوزه فیزیک و هم در دنیای علمی-تخیلی مورد توجه قابل‌توجهی قرار گرفته است. برای نمونه، H. G. Wells اچ. جی. ولز در اثر خود با عنوان «نخستین انسان‌ها در ماه» (منتشرشده در سال 1901)، ماده‌ای خیالی به نام «کاووریت» (cavorite) را توصیف می‌کند که نیروی گرانشی منفی ایجاد کرده و بدین ترتیب، همچون سپری در برابر گرانش عمل می‌کند.

در نظریه گرانش نیوتن، جرم منفی عملاً در همان معادله نیوتن ظاهر می‌شود، با این تفاوت که ثابت گرانش (G) با(-G) جایگزین می‌گردد. اما روایت اینشتین از گرانش — یعنی نظریه نسبیت عام — چنین رویکرد سهل‌گیرانه‌ای ندارد و به نظر نمی‌رسد که به‌طور سازگار امکان وجود پدیده ضدگرانش را فراهم آورد.

در مقاله‌ای جدید که در نشریه «فیزیک جهان تاریک» (Physics of the Dark Universe) منتشر شده است، Shinichi Nojiri شینیچی نوجیری از ژاپن وS.D. Odintsovc اس. دی. اودینتسوف از اسپانیا به بررسی دقیق‌تر احتمال وجود اجرام دارای جرم منفی (NMOs) پرداخته و نتیجه گرفته‌اند که این ایده ممکن است آن‌قدرها هم که تصور می‌شود، عجیب و غریب نباشد. آن‌ها با بهره‌گیری از ابزارهای نظری نشان می‌دهند که جرم منفی «همواره به بروز هیچ‌گونه تناقضی منجر نمی‌شود».

مکان‌های احتمالی پیدایش جرم منفی

جرم ناشی از برهم‌کنش ذره با میدان هیگز است و بخش عمده‌ای از جرم یک ذره در واقع همان انرژی پیوندی طبق رابطه اینشتین: m=E/c²) ) میان اجزای تشکیل‌دهنده آن است. پروتون‌ها که جرمی 1836 برابر الکترون‌ها دارند، از سه کوارک و گلوئون‌هایی تشکیل شده‌اند که به یکدیگر پیوند خورده‌اند. بر اساس نظریه‌های پیمانه‌ای شبکه در کرومودینامیک کوانتومی، جرم کوارک‌ها تنها حدود 9 درصد از جرم پروتون را تشکیل می‌دهد؛ باقی‌مانده جرم از انرژی میدان گلوئون‌ها ناشی می‌شود که واسطه پویایی‌های درون پروتون هستند.

نویسندگان کار خود را با این نکته آغاز می‌کنند که حبابِ درون آب عملاً همچون جرمی منفی عمل می‌کند: «حباب چنان رفتار می‌کند که گویی دارای جرم منفی است، زیرا آبِ پیرامون آن بر اثر گرانش [از آن] دور می‌شود». سپس آن‌ها جهانی را در نظر می‌گیرند که در آن یک جرم نقطه‌ای مثبت (مانند یک ستاره فشرده) در یک «شاره» با فشار منفی—نظیر انرژی تاریک با ثابت کیهان‌شناختی منفی—قرار دارد. (در واقعیت، ثابت کیهان‌شناختی —که با انرژی خلأ کیهان متناسب است— مثبت اما بسیار ناچیز است.) وجود این شاره، ماهیتِ مسئله را از یک سامانه ساده متشکل از جرم‌های مثبت و منفی متمایز می‌سازد.

آن‌ها استدلال می‌کنند که به دلیل فشار منفی، آن جرم نقطه‌ایِ مثبت، سیال را به سمت بیرون می‌راند. بنابراین، نواحی پایداری با چگالی انرژی منفی وجود خواهند داشت. بررسی نسخه‌ای ساده از معادلات گرانش اینشتین —که تنها یک گام فراتر از قانون جهانی گرانش نیوتن است— نشان می‌دهد که آن «جرم با چگالی منفی (NMO) نیرویی دافعه بر جسم دارای جرم مثبت اعمال می‌کند. اصل هم‌ارزی اینشتین نیز نشان می‌دهد که این جرم (NMO) دارای جرم لخت (اینرسی) منفی است؛ همان کمیتی که در رابطه F=ma ظاهر می‌شود.

جرم منفی در مدل‌های کیهان‌شناختی ساده

بر این اساس، آن‌ها چند مدل کیهان‌شناختی ساده را حل می‌کنند. در یکی از این مدل‌ها، آن‌ها از نسخه‌ای ساده‌سازی‌شده از معادلات نسبیت عام اینشتین استفاده می‌کنند تا نمونه‌هایی از اجسام با جرم منفی (NMOs) را در شرایطی که ثابت کیهان‌شناختی منفی است، بیابند. در مدلی دیگر، فرض می‌کنند که فشار شاره با چگالی انرژی متناسب است؛ در این حالت، اگر مقدار ثابت تناسب کمتر از -2/3 باشد، امکان پدیدار شدن یک NMO وجود دارد.

در این سناریوی ساده و ساختگی، فضا از نظر مجانبی تخت (asymptotically flat) نیست. جهان ما نیز از نظر مجانبی تخت نیست — چرا که در دورترین فواصل نیز خلأ مطلق وجود ندارد و ماده و تابش در همه جا یافت می‌شوند — و همچنین به دلیل وجود انرژی تاریک، در حال انبساط است.

گرانش اصلاح‌شده، مسیری دیگر را پیش رو می‌گذارد

نویسندگان همچنین نظریه موسوم به «گرانش اصلاح‌شده» را با شرایطی برگرفته از نظریه ریسمان بررسی می‌کنند. اگرچه نظریه نسبیت عام اینشتین تاکنون تمامی آزمون‌های تجربی و رصدی را با موفقیت پشت سر گذاشته است، اما برای مثال، ماده تاریک یا انرژی تاریک را توضیح نمی‌دهد و یا تبیین‌های ساده‌ای برای شتاب کیهانی و دینامیک کهکشانی ارائه نمی‌کند.

بنابراین، نویسندگان نظریه اینشتین را در نظر می‌گیرند، اما با افزودن دو میدان ساده [«اسکالر»] دیگر.این میدان‌ها ممکن است عاملی برای پیش‌رانش تورم کیهانی اولیه، یا تأمین‌کننده ماده تاریک یا انرژی تاریک، و یا مربوط به ساختاری نوین در ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها باشند. در شرایطی خاص، چنین مدل‌هایی حاوی NMOهایی هستند که از تحول این میدان‌های ساده پدید می‌آیند.

فضا-زمانِ حاصل، همچون عدسی‌های همگرای گرانشی عمل می‌کند: پرتو نور به دلیل وجود نیرویی دافعه، مسیری هذلولوی را در پیرامون NMO طی می‌کند؛ این امر برخلاف پدیده خمیدگی نور ستارگان به سمت جسم پرجرم در نظریه نسبیت عام است. از آنجا که جرم لخت (اینرسی) منفی است، نیرویی جاذبه میان جسمی با جرم مثبت و یک NMO برقرار می‌شود؛ با این حال، دو NMO خالص یکدیگر را دفع می‌کنند.

چگالی‌های بسیار بالا و سرنخ‌های احتمالی

اما آیا می‌توان اجسام دارای جرم منفی را مشاهده کرد؟ به آسانی خیر. بر اساس یکی از محاسبات نویسنده،چگالی ناحیه یا جسمی با جرم منفی باید بیش از حدود 10¹⁸ کیلوگرم بر متر مکعب باشد؛ یعنی حدود 200 تریلیون برابرِ چگالی متوسط ​​زمین! در مدل‌های پیش‌گفته، جرمِ جسمِ دارای جرم منفی (NMO) به پارامترهایی بستگی دارد که آن نظریه را تعریف می‌کنند.

اما آنچه ممکن است قابل مشاهده باشد، یک NMO است که به سمت جسمی با جرم مثبت حرکت می‌کند و در نتیجه گرانش آن را می‌پوشاند، یا سامانه‌ای متشکل از یک جسم با جرم مثبت و NMOهاست.

نویسندگان می‌نویسند: «چنین سامانه‌ای ممکن است به واسطه‌ی اثر همگرایی گرانشیِ نسبتاً عجیبی نیز قابل مشاهده باشد.» جتِ یک ​​سیاه‌چاله ممکن است تحت تأثیر NMOها تغییر کند؛ همین امر در مورد برخوردهای ستاره نوترونی و سیاه‌چاله نیز صادق است، چرا که NMO موجب تغییر نتایجِ مبتنی بر نسبیت عام می‌شود که تاکنون مورد تأیید قرار گرفته‌اند.

منبع:

Could negative mass exist and be observed?

ترجمه خبر: شهره کرمی