负质量物理学家创造出“负质量”：你推它，它反而扑向你

最近，华盛顿州大学(WSU)的物理学家创造了负质量的超液体。当然，这并不意味着用秤称物质时读数会显示负数，而是一种机械表现:推动物质时，不会沿力的方向加速，而是逆着推力加速。

这项研究发表在最近的《物理评论快报》上。领导这项实验的WSU物理和天文学系助理教授迈克尔·福尔斯说:“这种现象很难在实验室里产生，但它具有重大意义，可以用来加深我们对宇宙的理解。”

福布斯教授说，牛顿第二定律(F=ma)告诉我们，作用在物体上的力等于物体质量与其加速度的乘积。通俗地说，我们推一个正质量的物体，它就会被我们往前推。但对于质量为负的物体，其加速度与力相反。当我们推一个负质量的物体时，我们会被它推回去。

我们可以敞开心扉。负质量会在我们的生活中产生哪些有趣的现象？

所有在街上跑的负质量车，都是倒挡向前飞；超市顾客被负质量的手推车拉着往前走；当发射火箭时，他们不再担心燃料。在固定架打开的瞬间，负质量的火箭像轰炸机投下的炸弹一样“坠落”很深/[/k0/】。当然，这些想象都是荒诞而遥远的，这个发现的负面质量也远不是这个水平。

物理学家的魔术表演

其实这个发现并不是什么新物质，而是物理学家用一堆铷原子(质量为正)表演的魔术表演。严格来说，它甚至不能称之为负质量物体，而是一种负质量现象或负质量效应:在某一状态，某一时间空区域，突然牛顿第二定律需要加上一个负。

实验过程是这样的。福布斯教授和他的团队用激光在一个小区域内束缚了10000个铷原子(87Rb)，然后用另一个激光将它们冷却到接近绝对零度。这时，铷原子进入了一个全新的状态:玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。在玻色-爱因斯坦凝聚态，不会有单个原子，这一万个铷原子会融合在一起，变成混沌。

这个BEC被困在一个雪茄形状的一维势阱中。福布斯使用另外两种激光使铷原子产生自旋轨道耦合SOC。SOC BEC的能量色散曲线不再是通常的抛物线，而是在底部附近有一个小突起。这个区域的曲率为负，对应负的等效质量。扩散到这个区域的BEC相应地具有负质量。

起初，BEC被困在左边能量最低的地方。福布斯解除束缚后，这个BEC开始扩散，左侧正常扩散，右侧扩散到负质量区(图a中的灰色带)。影响信号还表明BEC的扩散明显受阻，好像被什么东西挡住了。

想象地上有一桶沙子。当桶壁被移除时，沙子会由于重力而四处扩散。当沙子向某个方向扩散到负质量区时，它就不再向外扩散而是向内汇聚，因为重力在这个区域由引力变为斥力。这时沙堆就像被墙挡住了一样。由10000个铷原子形成的BEC就像这堆扩散的沙子，开始在负载很重的区域掉头回去。

铷原子永远是原来的铷原子，是正品，有正质量。所谓负质量，不过是精密仪器制造出来的假象。其实这个实验产生的负质量是一种量子现象，很多量子现象都是原子尺度的，很难观测到。这个实验可以用相机宏观观察，也得益于一个物理现象:玻色爱因斯坦凝聚。

玻色爱因斯坦凝聚

物理学家是一群经常去一个叫LASER的酒吧，总喜欢点一个Bose-Einstein凝聚体的酒鬼。

玻色爱因斯坦凝聚是一种特殊的物质凝聚态，由相同的玻色子在极低的温度下形成。

世界上所有的原子都可以分为两类，费米子和玻色子。费米子遵循费米-狄拉克统计。这意味着所有费米子都必须符合泡利排斥原理，多个费米子不能处于同一量子态。

一般来说，很多费米子不可能同时处于同一位置，具有相同的能量，使得电子等物体很难通过物体。相比之下，玻色子遵循“玻色-爱因斯坦统计”，即多个玻色子可以处于同一位置，使得光子这样的粒子不占据空。

在量子力学主导的微观世界中，原子的能量是离散的，只能取每个能级的值。

打个不恰当的比方，我们把原子能级比作100层的酒店建筑，每一层都是一个能级，第一层是能量最低的基态。级别越高，能量越大。Atomizo是住在酒店的旅行者。现在有一个20人的土豪旅行团想入住酒店。他们路途遥远，都想待在最底层。但是土豪人不愿意和别人住一层。最后，从一楼到二十楼每层只住一个客人。后来来了一个20人的屌丝旅游团。这些人不介意和别人共用一层楼。最后这20个人都住在一楼。土豪客是费米子，屌丝客是玻色子。

1924年，30岁的印度物理老师Bose今天发表了第一篇论文，名为《玻色-爱因斯坦统计》。次年，爱因斯坦完善和发展了这项工作，并大胆提出了“凝聚”的概念:当一个符合“玻色-爱因斯坦统计”的同一个玻色子的温度下降到临界温度以下时，一个宏观数量的原子会突然凝聚成一个动量为零的单个量子态，就像所有的客人都搬到酒店的一楼一样，从而呈现出一个完整的量子态，被后世称为“玻色-爱因斯坦凝聚”。

然而，一百年前提出的这一理论的实现有着坎坷的道路，需要许多物理学家不懈的努力才能实现。

1995年，康奈尔教授和科罗拉多大学的威曼教授通过激光冷却和蒸发冷却技术的结合，将铷原子的温度降低到170毫微开尔文，最终实现了玻色爱因斯坦凝聚。他们也因此获得了2001年的诺贝尔物理学奖。

玻色爱因斯坦凝聚体有许多有趣的性质。比如它可以有异常高的光密度差，凝结中的光速可以降到每秒几米。旋转的凝聚可以作为黑洞的模型，入射光会被“冻结”，难以逃逸。另外，具有很强的可操作性。科学家可以通过改变激光强度和共振频率来改变原子的状态，进而获得所需的凝聚态性质。

更重要的是，它提供了从宏观角度研究微观量子现象的工具。许多量子效应只能在原子尺度上实现，我们缺乏合适的观测方法。而玻色-爱因斯坦凝聚态的原子具有统一的行为，原子尺度的量子现象可以放大几千倍，从而可以用更方便的探测方法来研究规律。这个负质量实验本质上是利用玻色爱因斯坦凝聚放大效应研究一种微观量子现象。

在未来的探索中，玻色-爱因斯坦凝聚将显示出更有趣的量子效应，帮助我们研究更极端的环境。

福布斯说:“我们对这个实验条件有着精妙的控制。这种控制给研究人员提供了一种研究宇宙中神奇现象的新工具。他们可以用它来模拟宇宙的极端环境，比如中子星、黑洞、暗能量。”

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参考:

自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体中的负质量流体动力学。PhysRevLett.118.155301

https://phys.org/news/2017-04-physicists-negative-mass.html

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