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负物质

负物质（英语：Negative matter），是理论物理学的一个概念，指是一种由负粒子（英语：Negative particle）构成具有特殊质量及能量的粒子及物质：其质量及能量的正负值与正常粒子及正常物质相反，例如：−1 kg[1][2]。照现时我们生存的世界为参照，负粒子及负物质拥有的质量及能量是负数。由于根据相对论质量及能量可互相转换，负质量（英语：Negative mass）在某种意义上又可以等同负能量（英语：Negative energy）。这种存在会违反现实世界至少一个能量条件，令其出现会显现某些奇怪的物理特性，

注意这里的“负粒子及负物质”与“反粒子及反物质”（英语：Antiparticle and Antimatter）是完全不同的概念，负粒子及负物质拥有负质量/负能量，而反粒子及反物质具有正质量/正能量[3]:349。反粒子及反物质与普通粒子及普通物质（意即正粒子及正物质）一样会被重力场吸引，但另一方面负粒子及负物质不会受重力场吸引，反而会受其排斥[3]:262。

负物质可能拥有一些奇特的特性，如往施力方向的反方向加速。譬如一个惯性质量为负、电荷为正的物体与带电的普通物质相互作用，它会与带正电的物体相吸，与带负电的物质相斥，完全与普通物质间的“同性相斥，异性相吸”相反。这种反常的行为可产生一些不可思议的结果。

广义相对论所描述的引力及牛顿运动定律同样适用于具有正能量值或负能量值的粒子，也就是说亦适用于具有负质量的物质，但并不包括其他基本相互作用力。

物理学家米给尔·阿库别瑞就曾提出一个阿库别瑞引擎（或称曲速引擎），需要由负物质或负能量推动。

尽管与“正常”物质的预期行为不一致，但负质量在数学上是一致的，并且不会违反动量或能量守恒定律。它被用于某些推测理论中，例如人造虫洞的建造和阿库别瑞引擎。已知最接近此类奇异物质的真实代表是卡西米尔效应产生的伪负压密度区域。

负物质仍在搜索阶段，但负能量的确是存在的。卡西米尔效应的实验中，当两块金属片距离遥远时，能量为零。当它们彼此靠近，我们能从中吸取能量，其时金属板的能量即为负值[3]:263。

在宇宙学中，有关负物质的东西可以有六个，包括负物质宇宙（负宇宙）、负物质世界（负世界）、负物质时空（负时空）、负物质空间（负空间）、负物质时间（负时间）还有负物质维度（负维度）这样。

时间与能量反转之箭

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在广义相对论中，宇宙被描述为与爱因斯坦场方程的度量张量解相关的黎曼流形。在这样的框架下，失控运动禁止负物质的存在[4][5]。

一些正负宇宙（双宇宙）双度量理论认为，可能存在两个具有相反时间与能量反转的箭头（意即存在一个具有正质量/正能量的正粒子及正物质/反粒子及反物质，另一个具有负质量/负能量的负粒子及负物质）的多重宇宙，而不是一个，它们由大爆炸联系在一起，仅通过引力相互作用[6][7]。然后将正负宇宙（双宇宙）描述为与两个黎曼度量（一个具有正质量/正能量的正粒子及正物质/反粒子及反物质，另一个具有负质量/负能量的负粒子及负物质）相关的流形。根据群论，共轭度量的物质相对于另一个度量的物质似乎具有相反的质量和时间箭头（尽管其固有时间仍为正）。耦合度量有自己的测地线，是两个耦合场方程的解[8]。

耦合度量的负物质通过引力与另一个度量的物质相互作用，可以作为解释暗物质、暗能量、宇宙膨胀和加速宇宙的另一种候选理论[8]。

推测性建议

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虫洞

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负能量出现在虫洞的推测理论中，需要它来保持虫洞开放。虫洞直接连接两个在空间和时间上相距任意远的地方，并且原则上允许它们之间近乎瞬间的旅行。然而，罗杰·彭罗斯等物理学家认为，这样的想法不切实际，更多的是虚构，而不是推测[9]。

曲速引擎

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有人提出了利用负能量实现宇宙飞船超光速（FTL）曲速驱动的理论原理。阿库别瑞引擎以广义相对论的爱因斯坦场方程解为基础，其中利用假设的负能量构建时空“气泡”。然后，通过扩大气泡后方的空间并收缩气泡前方的空间来移动气泡。气泡可以以任意速度传播，不受光速的限制。这并不与广义相对论相矛盾，因为气泡的内容实际上并没有在其局部时空中移动[10]。

负质量/负能量粒子

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推测性的理论研究表明，具有负能量的负粒子与相对论量子理论一致，其中一些注意到与负质量的负粒子和/或时间逆转的相互关系[11][12][13]。

负质量/负能量宇宙弦

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宇宙弦的标准模型是一种具有角度不足的几何结构，因此处于张力之下，具有正质量/正能量的正粒子及正物质/反粒子及反物质宇宙弦。1995年，麦特·维瑟等人提出，理论上，宇宙弦也可以存在角度过大的情况，因此张力为负，质量为负，能量为负，粒子为负，物质为负。这种奇异物质弦的稳定性是有问题的；然而，他们认为，如果在早期宇宙中将具有负质量/负能量的负粒子及负物质宇宙弦缠绕在虫洞、多维宇宙及维度洞周围，那么这种虫洞可以稳定到足以存在于当今，而多维宇宙及维度洞则由具有正质量/正能量的正粒子及正物质/反粒子及反物质的多维宇宙及维度洞变成具有负质量/负能量的负粒子及负物质的多维宇宙及维度洞[14][15]。

参考文献

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  1. ^ Scientists observe liquid with 'negative mass', which turns physics completely upside down". The Independent. 2017-04-21 [2018-08-19]. （原始内容存档于2019-07-24） （英语）. 
  2. ^ Scientists create fluid that seems to defy physics:'Negative mass' reacts opposite to any known physical property we know. CBC. 2017-04-20 [2018-08-19]. （原始内容存档于2017-08-28） （英语）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 加来道雄. 《電影中不可能的物理學》. 世茂出版社. 2009. 
  4. ^ Bondi, H. Negative Mass in General Relativity (PDF). Reviews of Modern Physics. 1957, 29 (3): 423–428 [2024-11-13]. Bibcode:1957RvMP...29..423B. doi:10.1103/RevModPhys.29.423. （原始内容存档 (PDF)于2021-06-05）. 
  5. ^ Bonnor, W. B. Negative mass in general relativity. General Relativity and Gravitation. 1989, 21 (11): 1143–1157. Bibcode:1989GReGr..21.1143B. S2CID 121243887. doi:10.1007/BF00763458. 
  6. ^ Sakharov, A.D.   [Cosmological model of the Universe with a time vector inversion]. ZhETF. 1980, 79: 689–693 （俄语）. [需要完整来源] translation in Cosmological model of the Universe with a time vector inversion. JETP Lett. 1980, 52: 349–351 （英语）. [需要完整来源]
  7. ^ Barbour, Julian; Koslowski, Tim; Mercati, Flavio. Identification of a Gravitational Arrow of Time. Physical Review Letters. 2014, 113 (18): 181101. Bibcode:2014PhRvL.113r1101B. PMID 25396357. S2CID 25038135. arXiv:1409.0917  . doi:10.1103/PhysRevLett.113.181101. 
  8. ^ 8.0 8.1 Hossenfelder, S. A Bi-Metric Theory with Exchange Symmetry. Physical Review D. 15 August 2008, 78 (4): 044015. Bibcode:2008PhRvD..78d4015H. S2CID 119152509. arXiv:0807.2838  . doi:10.1103/PhysRevD.78.044015. 
  9. ^ Penrose 2005, pp.833-4. "... an (in my opinion misguided) intention to show that some kind of science-fiction 'wormhole' travel between universes..."
  10. ^ Ford and Roman 2000
  11. ^ N Debergh, J-P Petit and G D’Agostini; "On evidence for negative energies and masses in the Dirac equation through a unitary time-reversal operator （页面存档备份，存于互联网档案馆）", Journal of Physics Communications, Volume 2, Number 11, 2018.
  12. ^ Hongwei Yu and Weixing Shu; "Quantum states with negative energy density in the Dirac field and quantum inequalities", Physics Letters B, Volume 570, Issues 1–2, 18 September 2003, Pages 123-128'
  13. ^ Frédéric Henry-Couannier; "Negative energies and time reversal in Quantum Field Theory and General Relativity: The Dark Side of Gravity", HAL Open Science, 2004. ⟨hal-00001476v1⟩
  14. ^ Cramer, John; Forward, Robert; Morris, Michael; Visser, Matt; Benford, Gregory; Landis, Geoffrey. Natural wormholes as gravitational lenses. Physical Review D. 1995, 51 (6): 3117–3120. Bibcode:1995PhRvD..51.3117C. PMID 10018782. S2CID 42837620. arXiv:astro-ph/9409051  . doi:10.1103/PhysRevD.51.3117. 
  15. ^ Searching for a 'Subway to the Stars' (新闻稿). （原始内容存档于2012-04-15）. 

外部链接

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参见

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