الكتلة السالبة تتحدى مبادئ الفيزياء!

كما أن الشحنات الكهربية تتألف من شحنات موجبة وشحنات سالبة، فمن الناحية النظرية، تُعرف الكتلة السالبة على أنها المادة التي تمتلك كتلةً معاكسة للمادة الطبيعية. إذ بدلًا من 2 كجم، ستكون كتلة الكتلة السلبية -2 كجم. ولكن، هل لمبادئ الفيزياء المعروفة أن تصمد أمام هذا الاعتقاد؟!

في الفيزياء النظرية، تُعرف الكتلة السالبة على أنها المادة التي تكون كتلتها معاكسةً لكتلة المادة الطبيعية، مثل هذه المادة من شأنها أن تنتهك واحدًا أو أكثر من ظروف حفظ الطاقة وقوانين الحركة، وتُظهر بعض الخصائص الغريبة.

في عام 1957، أوضح الفيزيائي هيرمان بوندي أن الكتلة الموجبة تجذب أي شيء، ولكن الكتلة السالبة ستصد أي شيء؛ لذلك، إذا حاولت ودفعتها للأمام، ستتجه إلى الاتجاه المعاكس، فيما يُعرف باسم الحركة الجامحة (The Casimir effect).

على سبيل المثال، إذا حاولت ركل الكرة، فبالتأكيد سوف تتسارع الكرة في اتجاه المكان الذي ركلتها فيه. ولكن ماذا لو لم يكن كذلك؟ ماذا لو أن الركل، بدلًا من التسارع في اتجاه القوة المطبقة، تسارع في الاتجاه المعاكس؟ هنا يظهر هذا العالم الغريب من الفيزياء!

وعلى هذا، فالجسم سالب الكتلة له مجال جذبٍ سالب أو طارد. لنتصور- مثلًا- أن هناك جسمين سالبَي الكتلة يقتربان من بعضهما البعض، في حالة جسمين موجبي الكتلة فسوف يتجاذبان؛ لأن كتلتهما لها نفس الإشارة، كذلك من المفترض أن يتجاذب جسمان سالبا الشحنة. لكن المشكلة أن الجذب قوة، وكما قلنا منذ قليل، أن الكتلة السالبة تتسارع ضد اتجاه القوة، مما يعني أن الجسمين سوف يتحركان ضد اتجاه تلك القوة الجاذبة، أي أن يتنافرا.

لذا يمكن الاختصار والقول:

• تجذب الكتلة الموجبة الكتلَ الموجبة الأخرى والكتلَ السالبة على حدٍ سواء.
• بينما تتنافر الكتلة السالبة مع الكتل السالبة الأخرى.

تأثير الكتلة السالبة على النسبية العامة

وعلاوةً على ما سبق من ظواهر غريبة، قام علماء الكونيات بفحص تأثير الكتلة السلبية على بنية الزمكان، واستنتاجاتهم كانت أكثر خطورة. يستنتجون عمومًا أن المادة ذات الكتلة السالبة لا يمكن أن تُوجد؛ لأنها تكسر أحد الافتراضات الأساسية بنظرية النسبية العامة لآينشتاين. وعلى النقيض، يعتقد بعض الفيزيائيين أن الكتلة السالبة يُمكن أن تكون مسؤولة عن بعض الظواهر الغريبة التي ليس لها تفسير حقيقي حتى الآن في كوننا، كالطاقة المظلمة والثقوب السوداء!

النسبية العامة- بالخصوص- قد ألهمت بواسطة الكتلة الجذبوية وكتلة القصور الذاتي، إن الفرض التأسيسي للنسبية العامة هو مبدأ التكافؤ هذا، والذي ينص على أنه لا يوجد تجربة يمكنها أن تميّز بين الشعور بالتسارع فى الفضاء الفارغ وبين الشعور بالوزن فى حقل الجاذبية. ومبدأ التكافؤ يعمل فقط إذا كان لكل الكتل نفس التسارع فى حقل جاذبيةٍ معلوم، وبالتالي، الكتلة الجذبوية السالبة وكتلة القصور الذاتي يجب أن يكونا متطابقتين.

للبدء في فهم فيزياء الكتلة السالبة، فكّر في كتلة عادية في غياب الجاذبية، مركبةٍ فضائيةٍ- على سبيل المثال- بعيدةٍ عن الأرض أو الشمس أو أي جسمٍ جاذبٍ آخر، ستظهر كتلة المركبة الفضائية نفسها على أنها القصور الذاتي، بمعنى آخر، مقاومة أي تغيير في حركتها: كلما ازدادت قوتها، كلما زادت القوة اللازمة لتسريعها أو تحويلها عن مسارها. تتحرك الكتلة العادية في الاتجاه الذي يتم دفعها به، مع تسارع يتناسب مع قوة الدفع (كما هو موضح بمعادلة نيوتن F = m × a). بالمقابل، من المفترض أن تتحرك الكتلة السالبة نحو قوة دفع وبعيدًا عن قوّة الشد، مع تسارع يتناسب مع حجم هذه القوى.

الآن، إذا وضعنا الجاذبية في الاعتبار، فإن الجاذبية هي دائمًا قوة جذب في تفاعلها مع المادة العادية. ألن يكون العكس صحيحًا في حالة الكتلة السالبة؟

قد تفترض أنه إذا تم وضع كتلةٍ سالبة بالقرب من سطح الأرض، فإنها سوف تتحرك بعيدًا عن سحب الجاذبية الأخير وتهبط بفعالية نحو الأعلى. ومع ذلك، فإن الوضع ليس بهذه السهولة. والسبب في ذلك هو أن الجاذبية هي عامل جذب متبادل بين كتلتين: تمامًا كما تسقط التفاحة على الأرض، تسقط الأرض في اتجاه تفاحة (وإن كان ذلك بكمية أقل بكثير). هذه المعاملة بالمثل متأصلة في قانون الجاذبية في نيوتن، الذي تم صقله لاحقًا، ولم يتغير بشكل أساسي بواسطة آينشتاين. ينص القانون على أن جاذبية الجاذبية بين كائنين تتناسب مع حاصل ضرب كتلهما، يقول m x M ، حيث m ، إذا رغبنا في ذلك ، هي كتلة التفاح و M هي كتلة الأرض.

لنفترض الآن لدينا تفاحة كتلة سالبة، -m تتناسب قوة الجاذبية بين هذه وبين الأرض مع (-m x M). وهذا يعني أنها تتمتع بنفس القوة كما كانت من قبل ولكن بسبب الإشارة السالبة، يتم توجيهها بشكل معاكس. أصبح جذب الجاذبية نزعة تميل إلى دفع التفاحة بعيدًا. لكن مما قلناه سابقًا، يجب أن تتحرك الكتلة السالبة في الاتجاه المعاكس الذي يتم دفعها إليه. لذلك، يجب أن تسقط تفاحة ذات الكتلة السالبة إلى أسفل في النهاية.

وهناك بعد آخر نتعرض له، ألا وهو أن النسبية العامة تصف الجاذبية على أنها انحناء في نسيج الزمكان، على أن وجود الكتلة الجذبوية النشطة والطاقة، والزخم والضغط وغير ذلك يغير هندسة الزمكان، وهذه الهندسة الجديدة تُحدد مسار السفر للأجسام فى الفضاء، فيما يعرف بمسار الجيوديزية (Geodesic Path)، وهو عبارة عن مسار لجسم فى حقل الجاذبية بفرض عدم وجود قوى أخرى.

للوهلة الأولى، هذا يخبرنا أن أي جسم سوف يتبع مسار الجيوديزية تبعًا لظروف بداية الحركة من موقعٍ وسرعة، ولكن في النسبية العامة، كتل القصور الذاتي والكتل الجذبوية لا تظهر حتى في المعادلات، وهذا من المفترض أن يعني أنّ تَصرّف الكتلة السالبة فى حقل الجاذبية هو نفس تصرف الكتل الموجبة.

الكتلة الموجبة تسبب انحناء الزمكان إلى الداخل بما ندعوه الانحناء الموجب، وبالتالي، مسار الكتلة الموجبة سينحني نحو الجسم ذي الكتلة الموجبة، وهذا يوحي أن هذه المسارات تعتمد فقط على الكتلة الجذبوية النشطة للجسم المركزي، وعلى السرعة وموضع بدء حركة بالطبع، وبالتالي، فإن الحقل الجذبوي الموجب يجذب كل شئ بما في ذلك الكتلة السالبة.

إذًا، ماذا عن الحقول الجذبوية السالبة؟!

الكتلة السالبة ستسبب انحناءً سالبًا أي انحناء الزمكان إلى الخارج، وبالتالي، المسارات تنحني بعيدًا عن المصدر، وهذا يبدوا كالقوة الطاردة، وهذا يقترح أن أى شيء، بغض النظر عن كتلته، يجب أن يتم دفعه بعيدًا عن الكتلة السالبة وليس باتجاهها، كما فى حالة الكتلة الموجبة.

إذًا، هل يمكن خلق مثل هذه الكتلة السالبة؟!

نجح بالفعل علماء الفيزياء في جامعة ولاية واشنطن فى ابتكار سائلٍ ذي كتلة سالبة تفاعليًا. ادفعه، وخلافًا لكل كائن مادي نعلمه في العالم، فإنه لا يتسارع في الاتجاه الذي دفع إليه؛ إنما يتسارع إلى الوراء.

وقال مايكل فوربس، أستاذ مساعد في الفيزياء وعلم الفلك وأستاذ مساعد بجامعة واشنطن، إن هذه الظاهرة نادرًا ما تنشأ في ظروف مختبرية، ويمكن استخدامها لاستكشاف بعض المفاهيم الأكثر تحديًّا في الكون. يظهر هذا خلال البحث المنشور في مجلة (Physical Review Letters).

قام هو وزملاؤه بتهيئة الظروف للكتلة السالبة، عن طريق تبريد ذرات الروبيديوم إلى درجة صغيرة جدًا فوق الصفر المطلق، وخلق ما يعرف باسم مكثف آينشتاين- بوز (Bose-Einstein condensate). في هذه الحالة، كما تنبأ به ساتيندرا ناث بوز وألبرت آينشتاين، تتحرك الجسيمات ببطء شديد، واتباعًا لمبادئ ميكانيكا الكم، تتصرف مثل الأمواج، كما أنها تتزامن وتتحرك في انسجام تام كما هو معروف باسم السوائل الفائقة، والتي تتدفق دون فقدان الطاقة.

بقيادة بيتر إنجلز، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك، ابتكر الباحثون هذه الشروط باستخدام الليزر لإبطاء الجزيئات وجعلها أبرد، والسماح لجزيئات الطاقة الساخنة العالية بالهروب، مثل البخار وتبريد المواد.

حاصَر الليزر الذرات كما لو كانت في وعاء يقل حجمه عن 100 ميكرون. عند هذه النقطة، فإن السائل الفائق للروبيديوم يكون لديه كتلة منتظمة. وإن كسر الوعاء سيسمح للروبيديوم بالهروب، مع التمدد والتوسع في الوسط المحيط.

لإنشاء كتلة سالبة، طبّق الباحثون مجموعةً ثانية من أشعة الليزر التي طردت الذرات ذهابًا وإيابًا وغيرت طريقة دورانها. الآن عندما يندفع الروبيديوم بسرعةٍ كافية، تجده يتصرف كما لو كان له كتلةٌ سالبة، وقال فوربس، العالم النظري فى التجربة، “بمجرد الدفع، تتسارع إلى الخلف“، “يبدو أن الروبيديوم يصطدم بجدار غير مرئي“.

هذه التقنية التي يستخدمها الباحثون تتجنب بعض العيوب الخطيرة التي واجهتهم في المحاولات السابقة لفهم الكتلة السالبة.

وقال فوربس: “الفكرة الأولى فى هذه التجربة هي السيطرة الرائعة التي لدينا على طبيعة هذه الكتلة السالبة، دون حدوث أي تعقيدات أخرى“. يوضح بحثهم، من حيث الكتلة السالبة، سلوكًا مشابهًا في النظم الفيزيائية الأخرى. ويمنح هذا التحكم المشدد الباحثين أداة جديدة لهندسة التجارب لدراسة ظواهر في الفيزياء الفلكية، مثل النجوم النيوترونية؛ والظواهر الكونية الغامضة، مثل الثقوب السوداء والطاقة المظلمة.

نرشح لك: هل تعدّ صناعة الثقوب السوداء معمليًا أمرًا ممكنًا؟

المصادر:
https://phys.org/news/2017-04-physicists-negative-mass.html
https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/cosmologists-prove-negative-mass-can-exist-in-our-universe-250a980320a7
https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_mass
https://www.pbs.org/video/perpetual-motion-from-negative-mass-f29zef/