Экзотическая материя – это собирательное понятие, которое относят к веществу, свойства которого не соответствует классическим теориям или составлено из частиц, которые нельзя отнести к известным барионам.
Экзотическая материя может обладать следующими «неклассическими» свойствам:
- отрицательной плотностью энергии;
- отсутствием проявления гравитационных свойств.
К экзотической относят материю, которую сложно создать, например:
- металлический водород,
- конденсат Бозе-Эйнштейна,
- кварк-глюонная плазма.
Экзотической материей можно называть вещество, которое создано из экзотических частиц.
Материя с отрицательной массой
В физике имеется теория о веществе, масса которого обладает противоположным значением массы обычного вещества. В качестве аналога можно привести электрические заряды, которые имеют положительное и отрицательное значения.
Материя, имеющая отрицательную массу:
- нарушает энергетические условия,
- должна проявлять особенные свойства.
В ряде теорий считается, что вещество, имеющее отрицательную массу можно применять для создания кротовых нор в пространственно- временном континууме.
В 2017 году появились сообщения о том, что коллектив ученых из США, Японии и Китая смог создать вещество, проявляющее свойства экзотической материи, имеющей отрицательную массу.
К особенным свойствам полученного вещества можно отнести то, что при толчке данного вещества, оно ускоряется в сторону, обратную направлению приложенной силы.
Чтобы создать вещество, имеющее отрицательную массу, экспериментаторы получили конденсат частиц Бозе-Эйнштейна. При этом были охлаждены атомы рубидия до температуры близкой к абсолютному нулю ($T=0K$). При такой температуре частицы перемещаются с очень малыми скоростями, а квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне. Это означает, что в соответствии с положениями квантовой механики поведение частиц соответствует поведению волн. Так, частицы реализуют синхронизацию между собой и текут сквозь капилляры без диссипации энергии (проявляется эффект сверхтекучести).
В ходе эксперимента ученые с оздали условия, при которых конденсат из частиц Бозе-Эйнштейна образовался в объеме $10^{-3}мм^3 $. Частицы замедлили при помощи лазера.
Через некоторое время некоторая доля частиц с наибольшей энергией ушла из выделенного объема, что еще больше уменьшило температуру вещества. На этой стадии жидкость находилась в сверхтекучем состоянии, но обладала положительной массой. Если бы герметичность емкости, в которой находятся атомы рубидия была нарушена, то они разлетелись бы в разные стороны. Это произошло бы из-за того, что центральные атомы стали бы выталкивать атомы, расположенные ближе к поверхности, которые приобретали бы ускорение, направленное в сторону действия силы.
Чтобы получить отрицательную эффективную массу у вещества, ученые использовали лазерную систему, которая изменяла бы спин некоторой доли атомов. При изменении спина в отдельных областях емкости, частицы могут получать отрицательную массу. Наблюдали данный процесс, исследуя увеличение плотности материи в зависимости от времени в симуляциях.
В конденсате частицы ведут себя как волны, распространяются в направлении, которое не соответствует направлению распространения обычных частиц.
Темная материя
Астрономы полагают, что большая доля вещества Вселенной не излучает и не поглощает, следовательно, невидима для современных способов детекции. О существовании данного вида материи узнают по ее взаимодействию с «обычной» (излучающей) материей при помощи сил гравитации.
Темная материя - это вид материи, который не осуществляет взаимодействия с электромагнитным излучением.
Плотность вещества во Вселенной ($\rho$) оценивают, наблюдая за перемещением отдельных Галактик. Часто плотность $\rho$ приводят в единицах критической плотности ($\rho_c$), которая равна как:
$\rho_c=\frac{3H^2}{8\pi G}(1),$
где $G$ - гравитационная постоянная; $H$ - константа Хаббла.
Значение постоянной Хаббла в настоящее время точно не известно, полагают, что она находится в интервале: $0,4 $
Космологическая плотность, равная:
$\Omega=\frac{\rho}{\rho_c}(2),$
которую находят, наблюдая динамику совокупностей Галактик находится в интервале:
$0,1 $
Проводя наблюдения процессов удаления крупных частей Вселенной при помощи инфракрасного астрономического спутника IRAS получили, что
$0,25 $
Оценка барионной плотности вещества Вселенной приводит к существенно меньшей величине $\Omega $
Данную разницу в полученных величинах плотности вещества Вселенной принято объяснять наличием невидимой материи.
Если учитывать все формы барионной материи: межзвездная пыль, материя всех звезд, черные дыры, MACHO – объекты (компактные галактические объекты большой массы), оказывается, что для пояснения всех явлений, которые можно наблюдать, необходимо наличие большой доли небарионной материи.
К свидетельствам о наличии темной материи во Вселенной кроме сказанного выше относят:
- Галактические ротационные кривые.
- Динамику скопления Галактик.
Одним из фаворитов на роль темной материи считается обычная барионная материя, которая не способна излучать. Такую материю уподобляют некоему межзвездному (или межгалактическому) газу. Проблемой в этом случае можно считать отсутствие характерных линий излучения и поглощения.
Следующим кандидатом на эту роль могут быть космические тела, имеющие массы существенно меньшие, чем масса Солнца, так называемые коричневые карлики. Гравитационное давление внутри коричневых карликов мало для реализации процессов слияния протонов с образованием гелия. Поскольку ядерного синтеза в этих звездах нет, то излучение данных объектов крайне мало (исключение составляют коричневые карлики ранних стадий развития).
Звезды на последних стадиях своей жизни тоже могут входить в состав темной материи, поскольку может находиться в неизлучающей форме.
Имеются теории о существовании небарионной темной материи на основе:
- легких и тяжелых нейтрино,
- суперсимметричных частиц $SUSY$ - моделей,
- аксионов,
- космионов,
- магнитных монополей,
- частиц Хиггса.
