上周,原理发表了一篇题为《物理学家宣称制造出负质量流体》的文章,里面很简单报道了来自华盛顿州立大学的物理学家Michael Forbs领导的一个实验。他们在《物理评论快报》发表的一篇论文宣称在实验室中创造出了表现的像负质量的超流体:当你推动该流体时,它不会朝力的方向加速,而是会反向加速。
发表后随之收到的留言都是批评这篇推文是标题党,当时负责这篇文章的编辑感到很冤枉,那篇推文无论是标题或者是内容都没有夸张的成分。因为文章的标题只是对论文标题的转述,内容也是参考了华盛顿州立大学官网自身对这篇文章的报道,而且这篇论文也是顶级期刊的编辑推荐论文。因此,在第一时间报道的时候无法及时作出判断。
后来我看了这篇文章后,生怕会有许多人误以为物理学家真的创造出了负质量流体。因此在这里稍作解释。
不得不说的是原论文的标题确实忽略了一个相当重要的字眼。我们再来看一下这篇编辑推荐的论文:标题明显用了负质量(Negative mass)一词,但如果看摘要的时候就会发现实际上是负有效质量(Negative effective mass)。少了“有效”一词,就有了非常大的区别。物理学家通常用“有效”来表明某些东西不是基本的,而是一种涌现现象,这个词的精确定义通常是约定俗成的。
例如,一个星系的“有效半径”并不是它的半径。“有效核电荷”也不是原子核的电荷。当然,“有效负质量”也不是负质量。
科学家利用激光将10000个铷原子捕获在一个小区域中,并用另一束激光将它们冷却至接近绝对零度,形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。而有效质量仅仅只是一个方便的数学量,用以描述BEC的行为。为了推导BEC的有效质量,就需要知道BEC的色散关系——能量和动量之间的关系。
如果将实验的结果所得出的色散关系在图中画出来,我们会看到下面这个图(a):我们看到的是一个不对称的色散关系(由实线表示)导致了BEC的不对称扩散,这是因为有效质量的变化。图中虚线的部分就代表了有效质量,灰色地带就是具有负有效质量的区域。
为什么会被称为有效质量呢?这是因为在平常的非相对论性极限E=p²/m(E为能量,p为动量,m为质量)中,如果求E对p的二阶导数,那么就会得到逆质量(1/m)。
同样地,对任何其它E和p之间的关系做同样的事,都可以把结果称之为逆有效质量。是的,它可以拥有负值。在任何情况下,如果你用这个定义,就可以重新写下流体运动的方程。它们就像是普通的流体动力学方程,其中有一项包含了逆有效质量乘以一个力。
因此这个“负质量”的真正意思是,将被困在碗状的势阱中的BEC释放,它首先会开始扩散,但接着不再扩散(在上图b中可以看到,BEC开始向左右扩散,但是在14毫秒的时候,右边的扩散进入负有效质量区域后明显受到了阻碍,像是遇到了一堵无形的墙)。基本上这就是这篇论文的一切。
或许,一个更正确的标题应该是:“物理学家观测到不会扩散的流体”。这绝不意味着负有效质量不重要,或说这个实验结果很无趣。来自量子效应的长程相关性使流体能够自我限制它的扩散,这本身就是一件很酷的事。但物理学家并没有真的在实验室中制造出负质量的流体。而且跟黑洞、暗能量或虫洞等也没有关系。
一篇本身不错的论文,发表在一个顶级的期刊,这本是很好的。但是为了吸引眼球,在标题忽略了一个重要字眼,并不可取。特别是科学传播媒体在选择相信官方新闻的情况下,造成了不准确的标题,是很令人沮丧的。将来,《原理》也会更加小心的报道这些前沿研究以免造成任何的误解。希望读者能够保持批判性的阅读,提出自己的看法。