Logran crear «masa negativa» en un laboratorio

 Se comporta de un modo completamente extraño. Si empujamos una masa negativa, ésta no se moverá en la dirección esperada, sino en la contraria.

Un equipo de físicos de la Universidad Estatal de Washington ha conseguido crear con éxito un fluido de masa negativa. Se trata de algo extraño y que va contra nuestra intuición sobre cómo deben suceder las cosas. Por ejemplo, si empujamos una masa negativa, ésta no se moverá en la dirección esperada, sino en la contraria a la dirección del empujón. Un comportamiento que la diferencia de cualquiera de los objetos que pueblan el mundo que conocemos.

Para Michael Forbes, profesor de Física y Astronomía en la Universidad de Washington, este fenómeno, muy difícil de recrear en condiciones de laboratorio, se puede usar para explorar algunos de los conceptos más desafiantes de todo el Universo. El trabajo se acaba de publicar en Physical Review Letters.

En principio, no existen razones por las que la materia no pueda tener una masa negativa, de la misma forma que una carga eléctrica puede ser tanto positiva como negativa. Sin embargo, nadie suele pensar en esos términos, y nuestra experiencia diaria solo nos muestra los aspectos «positivos» de la segunda Ley de Newton, según la cual una fuerza es igual a la masa de un objeto multiplicada por su aceleración (F=ma). En otras palabras, si empujamos un objeto, éste acelerará en la dirección en la que le hemos empujado. La masa acelerará siempre en la dirección en la que se ejerce la fuerza, y no en la contraria.

Masa negativa

En física teórica , la masa negativa es un tipo hipotético de materia exótica cuya masa tiene signo opuesto a la masa de la materia normal , por ejemplo, −1 kg. Dicha materia violaría una o más condiciones de energía y exhibiría propiedades extrañas como la aceleración orientada en sentido opuesto para una orientación de fuerza aplicada. Se utiliza en ciertas tecnologías hipotéticas especulativas como el viaje en el tiempo al pasado y al futuro,  la construcción de agujeros de gusano artificiales transitables , que también podrían permitir el viaje en el tiempo, los tubos de Krasnikov , el motor de Alcubierre y potencialmente otros tipos de motores de curvatura más rápidos que la luz . Actualmente, el representante real conocido más cercano de dicha materia exótica es una región de densidad de presión negativa producida por el efecto Casimir .

En cosmología

En diciembre de 2018, el astrofísico Jamie Farnes de la Universidad de Oxford propuso una teoría del " fluido oscuro ", relacionada, en parte, con las nociones de masas negativas gravitacionalmente repulsivas, presentadas anteriormente por Albert Einstein , que podría ayudar a comprender mejor, de manera comprobable, las considerables cantidades de materia oscura y energía oscura desconocidas en el cosmos . 

En la relatividad general

La masa negativa es cualquier región del espacio en la que, para algunos observadores, la densidad de masa se mide como negativa. Esto puede ocurrir debido a una región del espacio en la que la suma de las tres componentes de la tensión normal (presión en cada uno de los tres ejes) del tensor de energía-tensión de Einstein es mayor en magnitud que la densidad de masa. Todas estas son violaciones de alguna variante de la condición de energía positiva de la teoría general de la relatividad de Einstein; sin embargo, la condición de energía positiva no es una condición requerida para la consistencia matemática de la teoría.

Masa inercial frente a masa gravitacional

Al considerar la masa negativa, es importante considerar cuáles de estos conceptos de masa son negativos. Desde que Newton formuló por primera vez su teoría de la gravedad , ha habido al menos tres cantidades conceptualmente distintas llamadas masa :

• masa inercial – la masa m que aparece en la segunda ley del movimiento de Newton, F  =  m  a

• masa gravitacional "activa" : la masa que produce un campo gravitacional al que responden otras masas.

• Masa gravitacional "pasiva": la masa que responde a un campo gravitacional externo acelerándose.

La ley de conservación del momento lineal exige que la masa gravitacional activa y la pasiva sean idénticas. El principio de equivalencia de Einstein postula que la masa inercial debe ser igual a la masa gravitacional pasiva, y toda la evidencia experimental hasta la fecha ha demostrado que, efectivamente, siempre son iguales.

En la mayoría de los análisis de masa negativa, se asume que el principio de equivalencia y la conservación del momento lineal se mantienen sin necesidad de materia, por lo que las tres formas de masa siguen siendo las mismas, lo que lleva al estudio de la "masa negativa". Sin embargo, el principio de equivalencia es simplemente un hecho observacional y no necesariamente válido. Si se establece esta distinción, una "masa negativa" puede ser de tres tipos: masa inercial negativa, masa gravitatoria negativa o ambas.

En su ensayo que le valió el cuarto premio en el concurso de la Fundación para la Investigación de la Gravedad de 1951 , Joaquín Mazdak Luttinger consideró la posibilidad de la masa negativa y cómo se comportaría bajo la acción de la gravedad y otras fuerzas. 

En 1957, siguiendo la idea de Luttinger, Hermann Bondi sugirió en un artículo en Reviews of Modern Physics que la masa podría ser tanto negativa como positiva. Señaló que esto no implica una contradicción lógica, siempre que las tres formas de masa sean negativas, pero que la suposición de masa negativa implica una forma de movimiento contraintuitiva. Por ejemplo, se esperaría que un objeto con masa inercial negativa acelerara en la dirección opuesta a aquella en la que fue empujado (no gravitacionalmente).

Se han realizado varios otros análisis de masa negativa, como los estudios realizados por RM Price, aunque ninguno abordó la cuestión de qué tipo de energía y momento serían necesarios para describir la masa negativa no singular. De hecho, la solución de Schwarzschild para el parámetro de masa negativa tiene una singularidad desnuda en una posición espacial fija. La pregunta que surge inmediatamente es, ¿no sería posible suavizar la singularidad con algún tipo de densidad de masa negativa? La respuesta es sí, pero no con energía y momento que satisfagan la condición de energía dominante . Esto se debe a que si la energía y el momento satisfacen la condición de energía dominante dentro de un espaciotiempo que es asintóticamente plano, que sería el caso de suavizar la solución singular de Schwarzschild de masa negativa, entonces debe satisfacer el teorema de energía positiva , es decir, su masa ADM debe ser positiva, lo cual por supuesto no es el caso. Sin embargo, Belletête y Paranjape observaron que, dado que el teorema de energía positiva no se aplica al espaciotiempo asintótico de De Sitter, sería posible suavizar, con energía-momento que sí satisface la condición de energía dominante, la singularidad de la solución exacta correspondiente de Schwarzschild-de Sitter de masa negativa, que es la solución singular y exacta de las ecuaciones de Einstein con constante cosmológica. En un artículo posterior, Mbarek y Paranjape demostraron que, de hecho, es posible obtener la deformación requerida mediante la introducción de la energía-momento de un fluido perfecto. 

movimiento desbocado

Aunque no se conocen partículas con masa negativa, los físicos (principalmente Hermann Bondi en 1957, William B. Bonnor en 1964 y 1989,  y luego Robert L. Forward  ) han podido describir algunas de las propiedades que podrían tener dichas partículas. Suponiendo que los tres conceptos de masa son equivalentes según el principio de equivalencia , se pueden explorar las interacciones gravitacionales entre masas de signo arbitrario, basándose en la aproximación newtoniana de las ecuaciones de campo de Einstein . Las leyes de interacción son entonces:

• Las masas positivas atraen tanto a otras masas positivas como a masas negativas.

• Las masas negativas repelen tanto a otras masas negativas como a masas positivas.

Para dos masas positivas, nada cambia y existe una atracción gravitatoria entre ellas. Dos masas negativas se repelerían debido a sus masas inerciales negativas. Sin embargo, para signos opuestos, existe una fuerza que repele la masa positiva de la negativa y, al mismo tiempo, una fuerza que atrae la masa negativa hacia la positiva.

Por lo tanto, Bondi señaló que dos objetos de masa igual y opuesta producirían una aceleración constante del sistema hacia el objeto de masa positiva,  un efecto llamado "movimiento desbocado" por Bonnor, quien desestimó su existencia física, afirmando:

Considero que el movimiento desbocado (o autoacelerado) [...] es tan absurdo que prefiero descartarlo suponiendo que la masa inercial es totalmente positiva o totalmente negativa.

— William B. Bonnor, en Masa negativa en la relatividad general 

Un par de objetos de este tipo acelerarían sin límite (excepto en el caso de objetos relativistas); sin embargo, la masa, el momento y la energía totales del sistema permanecerían en cero. Este comportamiento es completamente incompatible con el sentido común y el comportamiento esperado de la materia "normal". Thomas Gold incluso sugirió que el movimiento lineal desbocado podría utilizarse en una máquina de movimiento perpetuo si se transformara en movimiento circular.

¿Qué sucede si se acopla un par de masas, una negativa y otra positiva, al borde de una rueda? Esto es incompatible con la relatividad general, ya que el dispositivo se vuelve más masivo.

— Thomas Gold, en Masa negativa en la relatividad general . 

Pero Forward demostró que el fenómeno es matemáticamente consistente y no introduce ninguna violación de las leyes de conservación . Si las masas son iguales en magnitud pero de signo opuesto, entonces el momento del sistema permanece cero si ambas viajan juntas y aceleran juntas, sin importar cuál sea su velocidad:

pagsys=metrov+(−metro)v=(metro+(−metro))v=0×v=0.

Y de forma equivalente para la energía cinética :

mik,sys=12metrov2+12(−metro)v2=12(metro+(−metro))v2=12(0)v2=0

Sin embargo, esto tal vez no sea del todo válido si se tiene en cuenta la energía del campo gravitatorio.

Forward extendió el análisis de Bondi a casos adicionales y demostró que, incluso si las dos masas m (−) y m (+) no son iguales, las leyes de conservación permanecen inalteradas. Esto se cumple incluso al considerar los efectos relativistas, siempre que la masa inercial, y no la masa en reposo, sea igual a la masa gravitacional.

Este comportamiento puede producir resultados extraños: por ejemplo, un gas que contiene una mezcla de partículas de materia positiva y negativa tendrá la porción de materia positiva aumentando su temperatura sin límite. [ cita requerida ] Sin embargo, la porción de materia negativa gana temperatura negativa al mismo ritmo, equilibrándose nuevamente. Geoffrey A. Landis señaló otras implicaciones del análisis de Forward,  incluyendo la observación de que si bien las partículas de masa negativa se repelerían gravitacionalmente, la fuerza electrostática sería atractiva para cargas iguales y repulsiva para cargas opuestas.

Forward utilizó las propiedades de la materia de masa negativa para crear el concepto de propulsión diametral, un diseño para la propulsión de naves espaciales que utiliza masa negativa y que no requiere aporte de energía ni masa de reacción para lograr una aceleración arbitrariamente alta.

Forward también acuñó el término "anulación" para describir lo que sucede cuando la materia ordinaria y la materia negativa se encuentran: se espera que puedan cancelarse o anularse mutuamente. Una interacción entre cantidades iguales de materia de masa positiva (y por lo tanto de energía positiva E = mc² ) y materia de masa negativa (de energía negativa −E = −mc² ) no liberaría energía, pero debido a que la única configuración de dichas partículas que tiene momento cero ( ambas partículas moviéndose con la misma velocidad en la misma dirección) no produce una colisión, tales interacciones dejarían un excedente de momento.

Flecha del tiempo e inversión de energía

En la relatividad general , el universo se describe como una variedad riemanniana asociada a una solución tensorial métrica de las ecuaciones de campo de Einstein. En este marco, el movimiento desbocado prohíbe la existencia de materia negativa. 

Algunas teorías bimétricas del universo proponen que podrían existir dos universos paralelos con una flecha del tiempo opuesta en lugar de uno, vinculados por el Big Bang e interactuando únicamente a través de la gravitación . [ 18 ] [ 19 ] El universo se describe entonces como una variedad asociada a dos métricas riemannianas (una con materia de masa positiva y la otra con materia de masa negativa). Según la teoría de grupos, la materia de la métrica conjugada se presentaría a la materia de la otra métrica como si tuviera masa y flecha del tiempo opuestas (aunque su tiempo propio seguiría siendo positivo). Las métricas acopladas tienen sus propias geodésicas y son soluciones de dos ecuaciones de campo acopladas. 

La materia negativa de la métrica acoplada, que interactúa con la materia de la otra métrica a través de la gravedad, podría ser una candidata alternativa para la explicación de la materia oscura , la energía oscura , la inflación cósmica y un universo acelerado .

Interacción gravitacional de la antimateria

Interacción gravitacional de la antimateria

La interacción gravitacional de la antimateria con la materia ha sido observada por los físicos. Como predijeron la mayoría de los físicos, el experimento demostró que la gravedad de la Tierra atrae la antimateria a la misma velocidad que la materia, dentro del margen de error experimental.

Los experimentos en cámaras de burbujas proporcionan evidencia adicional de que las antipartículas tienen la misma masa inercial que sus contrapartes normales. En estos experimentos, la cámara se somete a un campo magnético constante que provoca que las partículas cargadas se desplacen en trayectorias helicoidales , cuyo radio y dirección corresponden a la relación entre la carga eléctrica y la masa inercial. Se observa que los pares partícula-antipartícula se desplazan en hélices con direcciones opuestas pero radios idénticos, lo que implica que las relaciones difieren solo en signo; sin embargo, esto no indica si es la carga o la masa inercial la que se invierte. No obstante, se observa que los pares partícula-antipartícula se atraen eléctricamente. Este comportamiento implica que ambas tienen masa inercial positiva y cargas opuestas; si fuera al revés, la partícula con masa inercial positiva sería repelida por su antipartícula.

En mecánica cuántica

En 1928, la teoría de partículas elementales de Paul Dirac , ahora parte del Modelo Estándar , ya incluía soluciones negativas. El Modelo Estándar es una generalización de la electrodinámica cuántica (QED) y la masa negativa ya está incorporada en la teoría.

Morris , Thorne y Yurtsever  señalaron que la mecánica cuántica del efecto Casimir puede usarse para producir una región localmente negativa de energía del espacio-tiempo. En este artículo, y en trabajos posteriores de otros, mostraron que la materia negativa podría usarse para estabilizar un agujero de gusano . Cramer et al. argumentan que tales agujeros de gusano podrían haberse creado en el universo temprano, estabilizados por bucles de masa negativa de cuerda cósmica .  Stephen Hawking ha argumentado que la energía negativa es una condición necesaria para la creación de una curva temporal cerrada mediante la manipulación de campos gravitatorios dentro de una región finita del espacio; [ 25 ] esto implica, por ejemplo, que un cilindro de Tipler finito no puede usarse como una máquina del tiempo .

ecuación de Schrödinger

Para los autoestados de energía de la ecuación de Schrödinger , la función de onda es ondulatoria donde la energía de la partícula es mayor que el potencial local, y exponencial (evanescente) donde es menor. Ingenuamente, esto implicaría que la energía cinética es negativa en las regiones evanescentes (para cancelar el potencial local). Sin embargo, la energía cinética es un operador en mecánica cuántica , y su valor esperado siempre es positivo, sumándose al valor esperado de la energía potencial para obtener el autovalor de energía.

Para las funciones de onda de partículas con masa en reposo nula (como los fotones ), esto significa que cualquier porción evanescente de la función de onda estaría asociada con una masa-energía negativa local. Sin embargo, la ecuación de Schrödinger no se aplica a partículas sin masa; en su lugar, se requiere la ecuación de Klein-Gordon .

En teoría de vibraciones y metamateriales

Figura 1. Un núcleo con masa

metro2

está conectado internamente a través del resorte con

k2

 a una concha con masa

metro1

. El sistema está sometido a la fuerza sinusoidal F ( t ).

El modelo mecánico que da lugar al efecto de masa efectiva negativa se representa en la Figura 1. Un núcleo con masa

metro2

está conectado internamente a través del resorte con constante

k2

 a una concha con masa

metro1

El sistema está sometido a una fuerza sinusoidal externa.

F(t)=F0pecado⁡ωt

. Si resolvemos las ecuaciones de movimiento para las masas

metro1

 y

metro2

 y reemplazar todo el sistema con una única masa efectiva

metroefectivo

 obtenemos: 

metroefectivo=metro1+metro2ω02ω02−ω2,

dónde

ω0=k2metro2

Figura 2. Gas de electrones libres

metro2

 está incrustado en la red iónica

metro1

;

ωpag

  es la frecuencia de plasma (el esquema de la izquierda). El esquema mecánico equivalente del sistema (el esquema de la derecha).

Cuando la frecuencia

ω

 aproches

ω0

 desde arriba la masa efectiva

metroefectivo

 será negativo.

La masa efectiva negativa (densidad) también es posible basándose en el acoplamiento electromecánico que explota las oscilaciones del plasma de un gas de electrones libres (véase la Figura 2 ). La masa negativa aparece como resultado de la vibración de una partícula metálica con una frecuencia de

ω

que se aproxima a la frecuencia de las oscilaciones del plasma del gas de electrones

metro2

 en relación con la red iónica

metro1

Las oscilaciones del plasma se representan mediante un resorte elástico.

k2=ωpag2metro2

, dónde

ωpag

 es la frecuencia de plasma. Por lo tanto, la partícula metálica que vibra con la frecuencia externa ω se describe mediante la masa efectiva.

metroefectivo=metro1+metro2ωpag2ωpag2−ω2

,

que es negativo cuando la frecuencia ω  se aproxima

ωpag

 desde arriba. Se reportaron metamateriales que explotan el efecto de la masa negativa en las proximidades de la frecuencia de plasma.