物理學家創造出“負質量”：你推它，它反而撲向你

推動這種物質時，它不會沿著力的方向加速，反而會迎著推力加速。

近日，美國華盛頓州立大學 (WSU) 的物理學家創造出了具有負質量的超液體。當然，這并不意味著用秤稱量這種物質時讀數會顯示負數，而是一種力學上的體現：推動這種物質時，它不會沿著力的方向加速，反而會迎著推力加速。

這項研究發表于近期的《物理評論快報》上。領導這個實驗的邁克爾·福布斯（Michael Forbs）是WSU物理與天文系的一位助理教授，他說：“這種現象很難在實驗室產生，但它有著重大的意義，可以用來加深我們對宇宙的理解。”

福布斯教授表示，牛頓第二定律（F=ma）告訴我們，作用于物體上的力等于這個物體的質量與其加速度的乘積。通俗點說就是，如果我們去推一個正質量物體，它會被我們推著往前走?？蓪τ谝粋€具有負質量的物體來說，其加速度與受到的力反向，去推一個負質量物體時，我們會被它推著往回走。

我們可以開一下腦洞，負質量在生活中會有什么有趣的現象？

大街上跑的負質量汽車個個都掛著倒檔向前飛馳；超市的顧客被負質量手推車拉著向前走；發射火箭也不再發愁燃料了，固定架打開的瞬間，負質量火箭就如轟炸機投下的一枚炸彈一樣“墜入”深空。當然這些想象荒謬而遙遠，這次發現的負質量還遠遠做不到這種程度。

物理學家的魔術表演

實際上這次的發現并不是一種新的物質，而是物理學家用一堆銣原子（它們具有正質量）來進行的一次魔術表演，嚴格地說，它甚至并不能被稱作負質量物體，而是一種負質量現象或者負質量效應：在某一個特定狀態下，在某一個特定的時空區域，突然間牛頓第二定律前面就需要加個負號了，就是這樣。

實驗過程是這樣的。福布斯教授和他的團隊用激光把10000個銣原子（87Rb）束縛在一個很小的區域里，然后再用另一束激光把它們冷卻到接近絕對零度。此時這團銣原子進入了全新的狀態：玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）。在玻色愛因斯坦凝聚態下，不會再有單獨的原子存在，這10000個銣原子會融合在一起，成為一片混沌。

這塊BEC被困在一個雪茄狀的一維勢阱中，福布斯用另外兩束激光使銣原子產生自旋軌道耦合（spin-orbital coupling SOC），SOC BEC的能量色散曲線不再是通常的拋物線，而是在臨近底部的地方有一個小突起，這個區域的曲率為負，對應著負的等效質量，擴散到這個區域的BEC就相應地有負質量了。

起初BEC被困在靠左邊的最低能量上，福布斯撤掉了束縛后，這塊BEC開始擴散，左邊正常擴散，而右邊的擴散進入了負質量區域（圖a的灰色帶），影響信號也顯示，BEC的擴散明顯受到了阻礙，像是被什么東西擋住了。

想像地上的一桶沙子，把桶壁撤走時沙子由于重力的因素會向四周擴散，當沙子在某一個方向上擴散到負質量區域時，它們不再向外擴散而是向內收斂，因為重力的作用在這個區域從吸引變成了排斥，此時的沙堆像被一堵墻堵住了一樣。那10000個銣原子形成的BEC就像這堆擴散的沙子，在負重力的區域開始掉頭向回走。

銣原子始終是原來的銣原子，貨真價實，質量為正，所謂的負質量只不過是用精密儀器創造出的一個假象。其實，這個實驗所創造的負質量是一種量子現象，很多量子現象是原子尺度的，對它們的觀測非常困難，這個實驗可以用照相機做宏觀上的觀察，還要得益于一種物理現象：玻色愛因斯坦凝聚。

玻色愛因斯坦凝聚

物理學家是一群酒鬼，他們經常去一家叫LASER的酒吧，并且總喜歡點一杯玻色-愛因斯坦凝聚。

玻色愛因斯坦凝聚是物質的一種特殊凝聚態，它是由全同玻色子在極低的溫度下形成的。

世界上的所有原子都可以分為兩類，費米子和玻色子。費米子遵循“費米-狄拉克統計”（Fermi-Dirac statistics）。這意味著全部費米子都要符合泡利不相容原理（Pauli’s exclusion principle），多個費米子無法處于同一個量子態。

通俗地說，多個費米子不能同一時間處于同一位置，還擁有相同的能量，這使得電子等物體難以穿過物體。相比之下，玻色子遵循“玻色-愛因斯坦統計”，即多個玻色子可以處于同一個位置，這使得像光子這樣的粒子不會占據空間。

在被量子力學統治的微觀世界，一個原子所具有的能量是離散的，它只能取各個能級的數值。

打個不恰當的比方，我們把原子能級比作一座100層的酒店大樓，每一層是一個能級，1樓是能量最低的基態，越往高能量越大。原子子便是入住的旅客，現在有一個20人的土壕旅行團要入住酒店，他們旅途勞頓，都想住最低層，但是土壕們又不愿意和別人住一個樓層，最后從第一層到第20層每層只住了一個客人。后來又來了一個20人的屌絲旅行團，這些人不介意與別人分享同一層，最后這20個人都住到了第一層。土壕客人就是費米子，屌絲客人就是玻色子。

1924年，30歲的印度物理老師玻色發表了今天稱之為“玻色-愛因斯坦統計”的第一篇論文。次年，愛因斯坦完善和發展了這項工作，并大膽地提出了“凝聚”概念：符合“玻色-愛因斯坦統計”的全同玻色子，其溫度降到臨界溫度以下時，宏觀數量的原子將突然凝聚到動量為零的單一量子態上面，就如所有客人都搬到了酒店的一層，從而呈現出一個整體的量子態，這種狀態被后人稱為“玻色-愛因斯坦凝聚”。

然而，這個百年前提出的理論的實現卻路途坎坷，經歷了許多物理學家孜孜不倦的努力才得以實現。

1995年，科羅拉多大學的康奈爾（Cornell）教授和威曼（ Wieman）教授通過激光冷卻和蒸發冷卻技術相結合的方法，將銣原子溫度降到了170納開爾文（nanokelvin），最終實現了玻色愛因斯坦凝聚。他們也因為這個成果分享了2001年的諾貝爾物理學獎。

玻色愛因斯坦凝聚有很多非常有趣的特性。比如它可以有異常高的光學密度差，光速在凝聚內的速度可以驟降到數米每秒。自轉的凝聚可以作為黑洞的模型，入射的光會被“凍結”而難以逃離。此外，它還有很強的操控性，科學家可以通過改變激光強度和共振頻率來改變原子的狀態，進而獲得所需的凝聚態性質。

更重要的是，它提供了一個從宏觀角度研究微觀量子現象的工具。很多量子效應只能在原子尺度上實現，我們缺乏合適的觀測方法，而處于玻色愛因斯坦凝聚態下的原子有著統一的行為，原子尺度上的量子現象就可以被成千上萬倍地放大，進而利用更方便的探測方式去研究其中的規律。這次的負質量實驗本質上就是利用玻色愛因斯坦凝聚放大效應研究了一個微觀量子現象。

在未來的探索中，玻色愛因斯坦凝聚還會展示出更多有趣的量子效應，也會幫助我們研究更加極端的環境。

福布斯表示：“我們對這個實驗條件有著精美絕倫的控制，這個控制給了研究人員研究宇宙中神奇現象的新工具，他們可以用其模擬宇宙的極端環境，比如中子星，黑洞，暗能量。”

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