Sustancia creada con propiedades de masa negativas

Agujero de gusano hipotético en el espacio-tiempo

En física teórica, la masa negativa es el concepto de una sustancia hipotética, cuya masa tiene el significado opuesto a la masa de una sustancia normal (al igual que una carga eléctrica es positiva y negativa). Por ejemplo, −2 kg. Tal sustancia, si existiera, violaría una o más condiciones de energía y exhibiría algunas propiedades extrañas. Según algunas teorías especulativas, una sustancia de masa negativa se puede utilizar para crear agujeros de gusano (agujeros de gusano) en el espacio-tiempo.

Parece una ciencia ficción absoluta, pero ahora un grupo de físicos de la Universidad de Washington, la Universidad de Washington, la Universidad OIST (Okinawa, Japón) y la Universidad de Shanghai han logrado obtener una sustancia que exhibe algunas propiedades de un material hipotético de masa negativa. Por ejemplo, si empuja esta sustancia, acelerará no en la dirección de la aplicación de la fuerza, sino en la dirección opuesta. Es decir, acelera en la dirección opuesta.

Para crear una sustancia con propiedades de masa negativas, los científicos prepararon un condensado de Bose - Einstein enfriando los átomos de rubidio a casi cero absoluto. En este estado, las partículas se mueven extremadamente lentamente, y los efectos cuánticos comienzan a manifestarse a nivel macroscópico. Es decir, de acuerdo con los principios de la mecánica cuántica, las partículas comienzan a comportarse como ondas. Por ejemplo, se sincronizan entre sí y fluyen a través de los capilares sin fricción, es decir, sin perder energía, el efecto de la llamada superfluidez .

En el laboratorio de la Universidad de Washington, se crearon las condiciones para la formación de un condensado de Bose - Einstein en un volumen de menos de 0.001 mm³. Las partículas fueron ralentizadas por un láser y esperaron hasta que el más enérgico dejara el volumen, lo que enfrió aún más el material. En esta etapa, el fluido supercrítico todavía tenía una masa positiva. Si el recipiente no estuviera apretado, los átomos de rubidio se dispersarían en diferentes direcciones, ya que los átomos centrales empujarían a los átomos externos hacia afuera y acelerarían en la dirección de aplicación de la fuerza.

Para crear una masa efectiva negativa, los físicos usaron un conjunto diferente de láseres, que cambiaron el giro de algunos de los átomos. Como predice la simulación, en ciertas áreas del recipiente, las partículas deben adquirir una masa negativa. Esto se puede ver claramente por el fuerte aumento de la densidad de una sustancia en función del tiempo en las simulaciones (en el diagrama inferior).


Figura 1. Expansión anisotrópica del condensado de Bose - Einstein con diferentes coeficientes de fuerza de adhesión. Los resultados reales del experimento están marcados en rojo, los resultados de la predicción en la simulación se muestran en negro



El diagrama inferior es un fragmento ampliado del marco central en la fila inferior de la Figura 1.

El diagrama inferior muestra una simulación unidimensional de la densidad total en función del tiempo en una región donde apareció por primera vez la inestabilidad dinámica. Las líneas punteadas separan tres grupos de átomos con velocidades $$$v_g = E _ \ _ {'} (k)$ en cuasi momento $$$k$donde esta la masa efectiva $$$m _ * ^ {- 1} = E _ \ _ {''} (k)$ comienza a volverse negativo (línea superior). Se muestra el punto de la masa efectiva negativa mínima (en el medio) y el punto donde la masa vuelve a valores positivos (línea inferior). Los puntos rojos indican lugares donde el cuasimomento local se encuentra en la región de masa efectiva negativa.

En la primera fila de los gráficos, se puede ver que durante el experimento físico la sustancia se comportó exactamente de acuerdo con los resultados de la simulación, que predice la aparición de partículas con una masa efectiva negativa.

En el condensado de Bose - Einstein, las partículas se comportan como ondas y, por lo tanto, no se propagan en la dirección en que deberían propagarse las partículas normales de masa efectiva positiva.

Para ser justos, debe decirse que los físicos registraron repetidamente durante los experimentos los resultados cuando se manifestaron las propiedades de una sustancia de masa negativa , pero esos experimentos podrían interpretarse de diferentes maneras. Ahora la incertidumbre se ha eliminado en gran medida.

El artículo científico fue publicado el 10 de abril de 2017 en la revista Physical Review Letters (doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301, disponible por suscripción). Una copia del artículo antes de ser enviada a la revista se publicó el 13 de diciembre de 2016 en el dominio público en arXiv.org (arXiv: 1612.04055).