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2017-08-01質量永遠是正的？ 什麼是負質量？
572 期
Author 作者
欒丕綱／中央大學光電系副教授。
牛頓第二運動定律F=ma是中學生就知道的物理定律， 它告訴我們：一個受力的物體會在受力方向加速，而力F 與加速度a 的比值m=F/a就是這個物體的質量。根據這個定律，受力物體向著施力方向加速似乎是天經地義的，因為物體的質量永遠是正的。然而，真的是如此嗎？
今年4 月份，美國華盛頓州立大學（Washington State University, WSU）的物理學家製造出一種「負質量」 的低溫物質狀態，引起世界各重要媒體例如CNN、 BBC，甚至是「準」學術期刊《今日物理》（Physics Today）的大幅報導。許多物理學家也積極探討這個所謂的負質量究竟是什麼意思，甚至有一些意見不同的論戰。本文不擬對這篇關於波色– 愛因斯坦凝聚（BoseEinstein Condensation, BEC）狀態之下的負質量現 象做「解謎」式的解釋，而只打算談談負質量研究為何有趣，以及在日常生活接觸得到的巨觀系統中如何實現類似的負質量現象。
負質量一詞從哪來？
究竟負質量有什麼特別呢？事實上，這得從兩部科幻電影談起。第一部是由茱蒂·佛斯特（Jodie Foster）主演，薩根（Carl Sagan）小說改編的1997 年電影《接觸未來》（Contact）；第二部是 2014 年的賣座電影《星際效應》（Interstellar）。這兩部電影的共同特點是都利用了蟲洞（wormhole）進行星際時空的旅行。薩根是知名的天文學家與科普大師，對天體物理與宇宙學當然具備非常豐富且正統的知識。不過，當年薩根寫那本小說時，物理學界對於蟲洞（舊的名稱是「愛因斯坦– 羅森之橋」，Einstein-Rosen’s bridge）的認識還很 膚淺，因此薩根對於自己的構想在學理上是否可行，並沒有什麼把握，於是他求教於加州理工大學的廣義相對論專家索恩（Kip Throne）教授。索恩教授與他的合作者莫里斯（Morris）研究後發現，一般的蟲洞是不穩定的，時空旅行者在還沒完成旅行前蟲洞就塌了。要讓蟲洞穩定存在，必須要有夠多的「特異物質（exotic matter）」，而它們必須具有負能量。由於在廣義相對論裡，慣性質量與重力質量是同一個東西，且質量m 對應著能量E=mc2，因此，如果能找到夠多的負質量物質，或許就可以製造蟲洞了。
不過，前述美國華盛頓州立大學物理學家所製造出的所謂負質量現象，在兩個方面上跟蟲洞物裡是脫鉤的。第一是它們的負質量只是力學上的等效，第二是這個等效得出的只是慣性質量，並不是作為重力源的重力質量。事實上，負的等效慣性質量並不是新概念。在彈性波超穎材料（metamaterials for elastic waves）的研究裡， 早在西元2000 年左右，就已經有研究者做出這樣的等效質量來。簡單來說，這個負等效質量的現象是來自於力學上的共振效應。我將用以下的力學系統模型，解釋這個現象的來龍去脈。……【更多內容請閱讀科學月刊第572期】