顛覆物理學的「負質量」流體究竟是怎麼回事？

撰文 Sabine Hossenfelder （蘭克福高等研究院研究員）

編譯 正恩（「原理」公眾號） 金庄維

最近，「負質量」流體又把物理學顛覆了一回：

36氪

環球SCI

外媒也不例外

科學家觀測到「負質量」流體，徹底顛覆物理學 —— 《獨立報》（英國）

物理學家製造出不可思議的「負質量」流體，有助解決黑洞之謎 —— 《每日電訊報》（英國）

這些給物理學帶來「滅頂之災」的新聞都是報道最近發表在物理界權威期刊 Physics Review Letters（PRL）上的這篇論文

【標題】Negative mass hydrodynamics in a Spin-Orbit-Coupled Bose-Einstein Condensate

（一種自旋軌道耦合玻色-愛因斯坦凝聚體的負質量流體力學）

【作者】Michael McNeil Forbes et al.

【期刊】Phys. Rev. Lett. 118, 155301 (2017)

【日期】2017.4.10

【摘要】A negative effective masscan be realized in quantum systems by engineering the dispersion relation. A powerful method is provided by spin-orbit coupling, which is currently at the center of intense research efforts. Here we measure an expanding spin-orbit coupled Bose-Einstein condensate whose dispersion features a region of negative effective mass. We observe a range of dynamical phenomena, including the breaking of parity and of Galilean covariance, dynamical instabilities, and self-trapping. The experimental findings are reproduced by a single-band Gross-Pitaevskii simulation, demonstrating that the emerging features—shock waves, soliton trains, self-trapping, etc.—originate from a modified dispersion. Our work also sheds new light on related phenomena in optical lattices, where the underlying periodic structure often complicates their interpretation.

【鏈接】arXiv:1612.04055 [cond-mat.quant-gas]

原論文的標題的確使用了負質量（Negative mass），但是如果仔細看論文摘要就會發現，研究人員實際上是在量子體系中實現了負有效質量（Negative effective mass）。「有效」一詞會帶來非常大的區別。物理學家通常用「有效」來表明某些東西不是基本的，而是一種湧現現象，這個詞的精確定義往往是約定俗成的。

例如，一個星系的「有效半徑」並不是它的半徑；「有效核電荷」也不是原子核的電荷。由此類推，相信你也猜到了，「有效負質量」不是負質量，它僅僅是方便描述凝聚體行為的一個數學量。

在這項工作中，研究人員製造出了一種凝聚體，它的行為就如同具有負有效質量一般。他們利用激光將 10000 個銣原子捕獲在一個小區域中，並用另一束激光將它們冷卻至接近絕對零度，形成所謂的玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）。凝聚體的有效質量和它的色散關係有關。色散關係指的是能量和動量之間的關係。在普通的非相對論性極限下，E=p2/m（E 為能量，p 為動量，m 為質量），如果求能量對動量的二階導數，我們就會得到質量的逆（1/m）。而在其它的能量-動量關係下進行同樣的求導，所得的結果就稱為有效質量的逆。你可以使用這個定義重新寫下凝聚體的運動方程，使得方程在形式上和普通的流體力學方程相似，其中一項便包含了有效質量的逆乘以力。

有效質量的確可以是負的。

該實驗得到的凝聚體色散關係如圖 a 所示（橫軸為動量，左側縱軸為能量，右側縱軸為有效質量）。虛線代表有效質量，而灰色地帶就是具有負有效質量的區域。

凝聚體具有「負質量」的真正含義是：如果將被困在碗狀勢阱中的凝聚體釋放，它一開始會擴散，但接著便不再擴散。在圖 b 中可以看到，BEC 開始向左右擴散，但是在 14 毫秒的時候，右邊的擴散進入負有效質量區域後明顯受到了阻礙，像是遇到了一堵無形的牆。

因此，一個準確的標題應該是：「物理學家觀測到不會擴散的流體」。

儘管這個標題不那麼誘人，但這絕不意味著這項工作不重要。來自量子效應的長程相關性使得流體能夠自我限制擴散，這本身就很酷。流體表現出具有負有效質量的行為是個通俗易懂的解釋，但物理學家並沒有在實驗室中製造出負質量流體，牛頓定律也沒有失效。而且，這跟黑洞、暗能量或是蟲洞都沒有關係。

相信我，物理學還是好好的，並沒有被顛覆（雖然你們可能有些失望）！

http://backreaction.blogspot.jp/2017/04/no-physicists-have-not-created-negative.html【需翻牆】

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