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散不散開有關係:對「負質量」的辯論

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撰文者:Rachel Gaal  (譯者:林中一教授)
發文日期:2017-07-24
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  • 牛頓第二運動定律告訴我們,物體加速度的方向與所加外力的方向一致。但是在新近的一個實驗裡,觀察到原子蒸汽中的原子加速度方向居然與所施外力的相反。這表示那個原子蒸汽的運動挑戰了現存的物理定律?

            美國華盛頓州立大學(Washington State University)的卡梅奇(Khamehchi)與他的同僚們,在「物理評論通訊」(Physical Review Letters)報告了他們近期對波色-愛因斯坦凝聚物(Bose-Einstein Condensate (BEC))所做的實驗。他們觀察到一小團超低溫的銣(Rb)原子雲在膨漲時表現出了「負的等效質量」。

            這個現象真是不可思議,有些新聞媒體錯誤的把這篇論文描述為一種「負質量」流體從天而降的重大宣告。一些頭條新聞的作者甚至把卡梅奇的結果與「曲速引擎」(一種科幻小說裡常出現的超光速推進系統)、反物質質點、和終結「我們所知的物理」等等特異功能聯結在一起,不過這些可是許多物理學家大不以為然的。

            不可否認地,一些媒體過度渲染了這個結果。這個實驗的資深研究員彼得.英傑斯(Peter Engels)與麥可.福布斯(Michael Forbes)告訴APS新聞:「這些誤會大多是基於對質量概念的混淆…與錯誤的以為我們的流體可以存在於真空中…」

            不過也有部分媒體,包括英國國家廣播公司(BBC)、「生命科學」網站(Live Science)、和「衛報」(The Guardian)詢問了福布斯與英傑斯有關實驗的結果,對物理做了適當的解釋。兩位科學家說:「的確也有數家新聞管道,自己有做了研究。」

     
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    經由調節波色-愛因斯坦凝聚物(最上圖)裡的自旋-軌道偶合作用,原子雲的膨脹(中圖)會被在一個「負」質量的區域被中止(下圖)。影像取自卡梅奇( Khamehchi)及其團隊「物理評論通訊」論文

     
    要如何定義質量、以及區分「負質量」與「負的等效質量」之間的差別,這是英傑斯與福布斯經常需要向記者老兄老姐們做出澄清的主題。產生一個「負質量」的流體在文字上是正確的,他們兩位說,但是只有在「質量」是以一種特殊的方式來解釋的情況之下成立。

    「一些媒體主要所搞混的是將『負質量』詮釋為『負的重力質量』。要是重力質量是負的,那可是個超級翻轉的大條事件,」英傑斯與福布斯說:「正確的概念應該是『慣性質量』,」兩位強調說,這也就是牛頓第二定律中所描述的:如果你推一個物體,那麼物體是如何加速的?事實上,由定義看,所有的慣性質量都是「等效質量」,因為這一項所描述的是我們實際上觀察到的。

    卡梅奇的實驗裝置裡,運用了一套高科技的雷射來捕捉、冷卻、以及藉著調整自旋-軌道偶合以操控BEC,這裡的偶合指的是原子的自旋與其運動之間的交互作用。
    當用來捕捉原子的交叉雷射中的其中一支被關掉後,BEC就會開始沿著那個軸的方向膨漲。研究團隊在實驗室拍攝了這個控制之下的膨漲,他們觀察到流體似乎在有一個區域撞到了一道無形的堤防,阻滯了凝聚體在其動量方向繼續散開。

    探究這個突發阻擋的起因,要追溯到量子力學的色散關係,也就是系統的能量E和動量p的函數關係。這個關係是可以被變更的:運用一個第二組的雷射加上自旋-軌道-偶合技術可以產生一個非對稱的E-p關係。這樣變更的結果會使得色散關係裡會存在一小區域,其中的曲率是負的-在實驗裡這等價於在某些速度值時對應的慣性質量是負的。當凝聚體散開時會接近而後進入這一個速度區,於是膨漲首先會慢下來,然後反向。

            「負的質量是自旋-軌道-偶合雷射造成的,」福布斯解釋道:「這些雷射改變了原子的動量,也改動了色散關係。由於改動後的關係,速率高的原子受到雷射的影響會更強,這也就產生了與速度有關的負質量。」

            馬克.霍佛(Mark Hoefer)是美國科羅拉多大學波德分校(University of Colorado Boulder)色散流體力學實驗室(Dispersive Hydrodynamics Lab)的最領導級的成員,他與福布斯和英傑斯一起研究BEC的色散流體力學。「『色散流體力學』與『可積湍流』(integrable turbulence)這兩個領域在這幾年有都快速的發展,不過有點各玩各的樣子,」霍佛告訴APS新聞說:「英傑斯漂亮的結果將這兩個領域結合了在一起…示範了色散曲率在動力學的過程裡可以如何猛烈的衝擊色散流體力學。」

            這個實驗裡流體的減速然後堆積的現象看來好似已經挑戰了物理,但是那只是一個BEC色散關係的創新用法。然而這個獨特的結果已經引起了其他原子與分子物理學家的矚目。在第48屆美國物理學會的「原子分子與光學分支」(DSMOP)會議上,有一整個議程是保留給「冷氣體系統的自旋-軌道偶合」的,在這個議程裡,量子研究者們集合起來分享他們對這個領域下一步發展的構想。

            「我們已經注意到,我們的觀察已經引起了科學社群對「質量」的意義的美好討論,」英傑斯在DAMOP說道:「能讓大家思考質量到底是甚麼、為甚麼我們要稱它為『等效』、以及有甚麼道理稱之為『負的』,這真是件好事。」

            英傑斯提到一篇發表在「今日物理」(Physics Today)上的,講到為甚麼物理學家們需要認真看待負質量這個概念的評論文章。那篇文章的作者,加拿大蒙特婁大學(University of Montreal)的曼努.帕藍加普教授(Manu Paranjape)寫道,揭穿負的重力質量的假面,就一併排除了所有負質量的可能性,不論那是慣性質量還是等效質量。

            福布斯補充了說明:「這是個非常特殊化的術語…即使是知道這個術語而且知道是那怎麼一回事的物理學家們並不瞭解那個描述基本質量的術語指的是等效質量。」

            放眼前方,有許多這個領域的物理學家希望運用BEC系統去測試福布斯與英傑斯實驗背後的理論。DAMOP的「低溫量子氣體裡的激發」議程就包括了「孤子列車」(soliton trains)、「量子湍流」、與「BEC在不同種類形陷阱裡的動力學」等等演講做為特色。「我們所有的分析是運用葛羅斯-皮塔耶夫斯基(Gross-Pitaevskii)模擬做的,但是發現出現了一個量子修正,」福布斯提到說:「我要開始在理論中加入修正,然後我們就可以嘗試新的實驗了。」

            福布斯和英傑斯都同意這個負質量的結果與討論突顯了一個關於物理研究令人興奮的事實。「那是一個探究非線性動力學的有趣方式,」英傑斯輕笑著說:「當變成非線性之後,事情就變得有趣多了。」


    本文感謝APS NEWS (美國物理學會)授權物理雙月刊進行中文翻譯並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。原文刊登於APS NEWs July/2017
    http://www.aps.org/publications/apsnews/201707/disperse.cfm

     
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