Není hmotnost jako hmotnost

Na první pohled dosáhla studie doslova revolučních výsledků. Negativní hmotnost je něco, co nejenže zní jako produkt černé magie, ale i samotné popisy z tiskové zprávy mluvily o tom, že vyprodukovaná hmota obsahovala částice, které se tlaku z jedné strany (akce) vydaly k pohybu do opačné než očekávané strany (tj. reakce naruby)!

Khamehchiho práce navíc nevyšla v žádném druhořadém periodiku, nýbrž v Physics Review Letters, jednom z nejuznávanějších listů na poli fyziky.

Problém nastal při bližší pohledu na skutečný popis studie a obor jejího zájmu. Ačkoliv její název neobsahuje pojem "efektivní hmotnost" (effective mass), právě tuto veličinu v záporu pozorovali vědci ve skutečnosti. Může to působit jako slovíčkaření, pojmy "hmotnost" a "efektivní hmotnost" však ve skutečnosti nejsou totéž. Zatímco první označuje váhu vlastnosti "běžné" hmoty, pojem druhý je čistě pojmem z kvantové fyziky.

Smyslem efektivní hmotnosti je přitom snaha vměstnat popis volné částice, například na pohyb elektronu krystalovou mřížkou ve vodiči, který nelze jinak vysvětlit běžnou Newtonovskou mechanikou. Pokud však jeho skutečnou hmotnost nahradíme zjednodušeným konstruktem – názvem efektivní hmotnost – rovnice do sebe s pozorováním rázem zapadnou.

Efektivní hmotnost je nezbytným zjednodušením extrémně složitých jevů kvantové fyziky a již dlouho se například ví, že efektivní hmotnost může mít i hodnotu nula.

Věda z povahy svého názvosloví musí disponovat celou řadou pojmů, které mohou laikům navozovat zcela jiné významy, a mnohdy se mohou lišit i obor od oboru. Pokud se například řekne "protein", pro běžného smrtelníka to obvykle znamená synonymum masa, přípravky pro zisk svalů nebo složeni živočichů obecně – pro biology jde však o jiný název pro bílkoviny, neboli biomolekuly vytvářející na molekulární úrovni různě zvlněné struktury aminokyselin, dávající jim (a na vyšší úrovni buňkám a všemu životu) různé vlastnosti.

Pro podobné pojmy můžeme jít dále od buňky (živé buňky vs. struktura včelí plástve) po pulz (projev srdce vs. laserový pulz). Případ s hmotností vs. efektivní hmotností je na tom velmi podobně.

Látky, jaké svět neviděl

Co se tedy pozorování záporné efektivní hmotnosti ve skutečné vědecké studii znamenalo?

Zjednodušeně řečeno, atypický pohyb částic v exotické hmotě. Khamehchiho tým s pomocí laseru podchladil 10 tisíc atomů Rubidia a vytvořil takzvaný Bose-Einsteinův kondenzát. Delší dobu se ví, že když se větší počet atomů vystaví velmi nízkým teplotám, začnou pro ně platit pravidla kvantové fyziky, obvykle vyhrazená menším velikostem.

Khamehchi podobně na Rubidiu pozoroval, že se některé z atomů kondenzátu při přirozeném rozptylu látky pohybovaly v opačném než běžném směru než jiné. Právě přes různý rozptyl částí látky lze efektivní hmotnost měřit – pokud se přitom částice chovají jinak, než se čeká, může měřená veličina dosahovat inverzní hodnoty. A právě to je záporná efektivní hmotnost.

Daleko lepším popisem pozorovaného jevu by tak nebyl titulem popisující "hmoty o záporné hmotnosti", ale jednoduše "vznik tekutiny, která se atypicky roztéká".

V překladu se tak paradoxně ztratilo to nejzajímavější z původní práce, totiž další pozorování velmi exotického chování hmoty v extrémních podmínkách. Bose-Einsteinův kondenzát jako supertekutý plyn byl v posledních měsících ve studii MIT dílem vzniku podobně exotické hmoty, jejíž skupenství v sobě kombinovalo superpevnost se supertekutostí. Také tentokrát šlo o množinu atomů ochlazenou pomocí laserového odpařování na hodnoty blízké absolutní nule, a také tentokrát přejal kondenzát kvantové vlastnosti.

Faktem je, že podobné experimenty skutečně mohou napomoct odhalení chování hmoty ve vesmíru, například v jádrech planet a hvězd. To hlavní, k čemu jsou užitečné, je především další poznávání kvantových jevů a odhalování mnohdy překvapivých vlastností našeho vesmíru. Všechny obdobné pokusy jsou však prozatím vysoce experimentálního charakteru a dlouho, možná navždy, v této fázi zřejmě i zůstanou.

Dalo by se spekulovat, že ve vzdálené budoucnosti mohou být užitečné pro budoucí informatiku či materiálovou fyziku, nejde však ani omylem o stavění fyziky na hlavu či vytváření "frankensteinovských" experimentů, jak Khamehchiho pokus mohl na první pohled z novinových titulků vypadat.