Substância criada com propriedades de massa negativas

Buraco de minhoca hipotético no espaço-tempo

Na física teórica, massa negativa é o conceito de uma substância hipotética, cuja massa tem o significado oposto à massa de uma substância normal (assim como uma carga elétrica é positiva e negativa). Por exemplo, -2 kg. Essa substância, se existir, violaria uma ou mais condições de energia e exibirá algumas propriedades estranhas. De acordo com algumas teorias especulativas, uma substância de massa negativa pode ser usada para criar buracos de minhoca (buracos de minhoca) no espaço-tempo.

Parece ficção científica absoluta, mas agora um grupo de físicos da Universidade de Washington, da Universidade de Washington, da Universidade OIST (Okinawa, Japão) e da Universidade de Xangai conseguiu obter uma substância que exibe algumas propriedades de um material hipotético de massa negativa. Por exemplo, se você empurrar esta substância, ela acelerará não na direção da aplicação da força, mas na direção oposta. Ou seja, acelera na direção oposta.

Para criar uma substância com propriedades de massa negativas, os cientistas prepararam um condensado de Bose-Einstein esfriando os átomos de rubídio até o zero quase absoluto. Nesse estado, as partículas se movem extremamente lentamente e os efeitos quânticos começam a se manifestar no nível macroscópico. Ou seja, de acordo com os princípios da mecânica quântica, as partículas começam a se comportar como ondas. Por exemplo, eles se sincronizam e fluem pelos capilares sem atrito, ou seja, sem perder energia - o efeito da chamada superfluidez .

No laboratório da Universidade de Washington, foram criadas condições para a formação de um condensado de Bose - Einstein em um volume inferior a 0,001 mm³. As partículas foram desaceleradas por um laser e esperaram até que as mais energéticas deixassem o volume, o que arrefeceu ainda mais o material. Nesta fase, o fluido supercrítico ainda tinha uma massa positiva. Se o vaso não estivesse apertado, os átomos de rubídio se dispersariam em direções diferentes, uma vez que os átomos centrais empurrariam os átomos externos para fora e acelerariam na direção da aplicação da força.

Para criar uma massa efetiva negativa, os físicos usaram um conjunto diferente de lasers, que alteraram a rotação de alguns átomos. Como a simulação prevê, em certas áreas do vaso, as partículas devem adquirir uma massa negativa. Isso pode ser visto claramente pelo aumento acentuado da densidade de uma substância em função do tempo nas simulações (no diagrama inferior).


Figura 1. Expansão anisotrópica do condensado de Bose - Einstein com diferentes coeficientes de força de adesão. Os resultados reais do experimento são marcados em vermelho, os resultados da previsão na simulação são mostrados em preto



O diagrama inferior é um fragmento ampliado do quadro do meio na linha inferior da Figura 1.

O diagrama inferior mostra uma simulação unidimensional da densidade total em função do tempo em uma região onde a instabilidade dinâmica apareceu pela primeira vez. Linhas pontilhadas separam três grupos de átomos com velocidades $$$v_g = E _ \ _ {'} (k)$ no quase momento $$$k$onde está a massa efetiva $$$m _ * ^ {- 1} = E _ \ _ {''} (k)$ começa a ficar negativo (linha superior). O ponto da massa efetiva negativa mínima (no meio) e o ponto em que a massa retorna aos valores positivos (linha inferior) são mostrados. Pontos vermelhos indicam lugares onde o quase-local local se encontra na região de massa efetiva negativa.

Na primeira linha dos gráficos, pode-se observar que durante o experimento físico a substância se comportou exatamente de acordo com os resultados da simulação, que prevê o aparecimento de partículas com uma massa efetiva negativa.

No condensado de Bose-Einstein, as partículas se comportam como ondas e, portanto, não se propagam na direção em que as partículas normais de massa efetiva positiva devem se propagar.

Para ser justo, deve-se dizer que os físicos registraram repetidamente durante os experimentos os resultados quando as propriedades de uma substância de massa negativa foram manifestadas , mas esses experimentos poderiam ser interpretados de maneiras diferentes. Agora, a incerteza foi amplamente eliminada.

O artigo científico foi publicado em 10 de abril de 2017 na revista Physical Review Letters (doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.155301, disponível por assinatura). Uma cópia do artigo antes de ser enviada à revista foi publicada em 13 de dezembro de 2016 em domínio público em arXiv.org (arXiv: 1612.04055).