Agujero de gusano hipotético en el espacio-tiempo
En física teórica, este es el concepto de una sustancia hipotética, cuya masa tiene el valor opuesto a la masa de una sustancia normal (así como una carga eléctrica puede ser positiva y negativa). Por ejemplo, −2 kg. Una sustancia así, si existiera, violaría uno o más y exhibiría algunas propiedades extrañas. Según algunas teorías especulativas, la materia con masa negativa se puede utilizar para crear (agujeros de gusano) en el espacio-tiempo.
Suena a ciencia ficción absoluta, pero ahora un grupo de físicos de la Universidad Estatal de Washington, la Universidad de Washington, la Universidad OIST (Okinawa, Japón) y la Universidad de Shanghai están mostrando algunas de las propiedades de un hipotético material de masa negativa. Por ejemplo, si empujas esta sustancia, no acelerará en la dirección de la fuerza aplicada, sino en la dirección opuesta. Es decir, acelera en sentido contrario.
Para crear una sustancia con propiedades de masa negativa, los científicos prepararon un condensado de Bose-Einstein enfriando átomos de rubidio hasta casi el cero absoluto. En este estado, las partículas se mueven extremadamente lentamente y los efectos cuánticos comienzan a aparecer 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 inferior a 0,001 mm³. Las partículas fueron ralentizadas por un láser y esperaron hasta que las más energéticas abandonaran el volumen, lo que enfrió aún más el material. En esta etapa, el fluido supercrítico todavía tenía una masa positiva. Si se rompiera el sello del recipiente, los átomos de rubidio se separarían en diferentes direcciones, ya que los átomos centrales expulsarían a los átomos exteriores y estos acelerarían en la dirección de la fuerza aplicada.
Para crear una masa efectiva negativa, los físicos utilizaron otro conjunto de láseres que cambiaron el giro de algunos de los átomos. Como predice la simulación, en determinadas zonas del recipiente las partículas deberían adquirir masa negativa. Esto se puede ver claramente en el fuerte aumento de la densidad de la materia en función del tiempo en las simulaciones (en el diagrama inferior).
Figura 1. Expansión anisotrópica de un condensado de Bose-Einstein con diferentes coeficientes de fuerza de cohesión. Los resultados experimentales reales se muestran en rojo, los resultados de la predicción de la simulación se muestran en negro.
El diagrama inferior es un primer plano 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 la región donde apareció por primera vez la inestabilidad dinámica. Las líneas de puntos separan tres grupos de átomos con velocidades.
en un cuasi momento
¿Dónde está la masa efectiva?
comienza a volverse negativo (línea superior). Se muestra el punto de 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 cuasi-par local se encuentra en la región de masa efectiva negativa.
La primera fila de gráficos muestra 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 un condensado de Bose-Einstein, las partículas se comportan como ondas y, por tanto, no se propagan en la dirección en la que deberían propagarse las partículas normales de masa efectiva positiva.
Para ser justos, hay que decir que los físicos han registrado repetidamente durante los experimentos, pero esos experimentos podrían interpretarse de diferentes maneras. Ahora la incertidumbre se ha eliminado en gran medida.
Artículo científico del 10 de abril de 2017 en la revista. Cartas de revisión física(doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301, disponible mediante suscripción). Una copia del artículo antes de su envío a la revista el 13 de diciembre de 2016 está disponible gratuitamente en el sitio web arXiv.org (arXiv:1612.04055).
Científicos de EE.UU. afirman que han creado una sustancia con masa negativa en condiciones de laboratorio. Esta sustancia es un líquido con propiedades muy inusuales. Por ejemplo, si empujas este fluido, recibirá una aceleración negativa, es decir, hacia atrás, no hacia adelante. Esta extrañeza puede decir mucho a los científicos sobre lo que sucede dentro de objetos igualmente extraños, como los agujeros negros y las estrellas de neutrones.
Sin embargo, ¿puede algo tener masa negativa? ¿Es posible?
Teóricamente, la materia puede tener masa negativa de la misma manera que la carga eléctrica puede tener magnitud negativa o positiva.
Funciona sobre el papel, pero existe un acalorado debate en el mundo científico sobre si la mera suposición de la existencia de algo con masa negativa viola las leyes fundamentales de la física. Para nosotros, la gente corriente, este concepto parece demasiado difícil de entender.
La ley diferencial del movimiento mecánico o, más simplemente, la segunda ley de Newton se expresa mediante la fórmula A=F/M. Es decir, la aceleración de un cuerpo es igual a la relación entre la fuerza que se le aplica y la masa del cuerpo. Si establece un valor de masa negativo, entonces el cuerpo, lógicamente, recibirá una aceleración negativa. Imagínate, golpeas una pelota y ésta rueda sobre tu pie.
Sin embargo, lo que nos parece extraño no tiene por qué ser imposible, y los ejercicios teóricos anteriores proporcionan la mejor prueba posible de que puede existir masa negativa en nuestro Universo sin violar la relatividad general.
El deseo de comprender todo esto dio lugar a intentos activos por parte de los investigadores de recrear la masa negativa en el laboratorio, como vemos, incluso con cierto éxito.
Científicos de la Universidad de Washington dijeron que pudieron obtener un líquido que se comporta exactamente como debería comportarse un cuerpo con masa negativa. Y su descubrimiento finalmente podría utilizarse para estudiar algunos fenómenos extraños en las profundidades del Universo.
Para crear este extraño líquido, los científicos utilizaron láseres para enfriar los átomos de rubidio hasta cerca del cero absoluto, creando lo que se llama condensado de Bose-Einstein.
En este estado, las partículas se mueven increíblemente lenta e inusualmente, siguiendo los extraños principios de la mecánica cuántica en lugar de la física clásica, es decir, comienzan a comportarse como ondas.
Las partículas también se sincronizan y se mueven al unísono, formando una sustancia superfluida que puede moverse sin perder energía por fricción.
Los científicos utilizaron láseres para crear un líquido superfluido a bajas temperaturas y colocarlo en un campo en forma de cuenco que mide menos de 100 micrones de ancho.
Mientras la supermateria permaneciera en este espacio, tenía una masa ordinaria y era totalmente coherente con el concepto de condensado de Bose-Einstein. Hasta que se vio obligado a mudarse.
Utilizando un segundo conjunto de láseres, los científicos obligaron a los átomos a moverse hacia adelante y hacia atrás, lo que provocó que cambiara su giro y que el rubidio atravesara la barrera del "cuenco" y salpicara rápidamente. Sin embargo, era como si tuviera una masa negativa. Según los científicos, se creó la impresión de que el líquido encontró una barrera invisible y fue empujado hacia afuera.
Así, los investigadores confirmaron las suposiciones sobre la existencia de masa negativa, pero esto es sólo el comienzo del viaje. Queda por ver si el comportamiento de los líquidos en condiciones de laboratorio es lo suficientemente repetible y fiable como para probar algunas de las suposiciones sobre masas negativas. Así que no te alegres antes de tiempo; otros equipos necesitan repetir los resultados ellos mismos.
Una cosa es segura: la física es cada vez más interesante y vale la pena interesarse por ella.
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El astrofísico británico Jamie Farnes ha propuesto un modelo cosmológico en el que la masa negativa se produce a un ritmo constante a lo largo de la evolución del Universo. Este modelo contradice la visión generalmente aceptada sobre la naturaleza de la materia, pero explica bien la mayoría de los efectos que generalmente se atribuyen a la materia y la energía oscuras, en particular, la expansión del Universo, la formación de la estructura a gran escala de el Universo y el halo galáctico, las curvas de rotación de las galaxias y el espectro observado de la radiación cósmica de fondo de microondas. Artículo publicado en Astronomía y Astrofísica, se publica una preimpresión del trabajo en el sitio web arXiv.org.
Actualmente, la mayoría de los cosmólogos creen que la evolución del Universo se describe mediante el modelo ΛCDM. Según este modelo, alrededor del 70 por ciento de la masa del Universo proviene de la energía oscura, el 25 por ciento de la materia oscura fría (es decir, materia cuyas partículas se mueven lentamente) y sólo el 5 por ciento restante de la conocida materia bariónica. Los científicos determinaron estas relaciones analizando los armónicos en el patrón de radiación cósmica de fondo de microondas. Puede leer más sobre la medición de la "composición" del Universo en los artículos de Boris Stern sobre los satélites WMAP y Planck, que hicieron la principal contribución a este trabajo.
Desafortunadamente, los científicos tienen un conocimiento deficiente de la materia y la energía oscuras. Ninguno de los experimentos ultraprecisos de búsqueda de partículas de materia oscura, previstos por varios modelos teóricos (por ejemplo, SUSY), ha obtenido resultados positivos. Actualmente, la sección transversal de dispersión de partículas ordinarias y partículas "oscuras" con masas de 6 a 200 megaelectronvoltios es del orden de 10 -47 centímetros cuadrados, lo que prácticamente excluye las partículas en este rango de masa y obliga a los físicos a desarrollar teorías alternativas. Sin embargo, la materia oscura todavía se manifiesta a través de la interacción gravitacional, modificando las curvas de rotación de las galaxias y la imagen, por lo que los científicos rechazan esta hipótesis.
Con la energía oscura es aún peor. La única observación que confirma directamente su existencia, independientemente del análisis de la radiación cósmica de fondo de microondas, es la expansión acelerada del Universo, medida por (indirectamente, la energía oscura se confirma por la proporción de elementos químicos en el Universo observable). Además, los físicos tienen poca comprensión de qué es la energía oscura. nivel fundamental . Ciertamente, cualitativamente se puede describir utilizando la constante cosmológica (término lambda) en , pero este método no proporciona nuevos conocimientos y no nos permite establecer En qué consiste energía oscura. Einstein explicó tales adiciones utilizando partículas con masa negativa; en este enfoque, las ecuaciones de movimiento se vuelven simétricas, como las ecuaciones de la electrodinámica, y el término lambda aparece como una constante de integración, que no contiene ningún significado físico.
La materia con masa negativa es materia que acelera en dirección opuesta a una fuerza. Una partícula con masa negativa repele partículas con masa positiva y negativa, mientras que las partículas "positivas" atraen partículas "negativas". Desafortunadamente, en el marco del modelo ΛCDM, este método de describir la energía oscura está obviamente condenado al fracaso. El hecho es que durante la expansión del Universo, la densidad de varios componentes cambia según diferentes leyes: la densidad de la materia fría cae y la densidad de la energía oscura permanece constante. Por tanto, es imposible identificar la materia con masa negativa y energía oscura.
Interacción de partículas con masa negativa: las flechas negras indican fuerzas, las flechas rojas indican aceleraciones
Jamie Farnes / Astronomía y Astrofísica
Interacción de partículas con masa positiva y negativa: las flechas negras indican fuerzas, las flechas rojas indican aceleraciones
Jamie Farnes / Astronomía y Astrofísica
Interacción de partículas con masa positiva: las flechas negras indican fuerzas, las flechas rojas indican aceleraciones
Jamie Farnes / Astronomía y Astrofísica
Sin embargo, el astrofísico Jamie Farnes afirma que pudo relacionar la idea de Einstein con datos de observación. Para ello, combinó la idea de masa negativa con otra idea contraria a la intuición de la producción continua y uniforme de masa en todo el volumen del Universo. Esta idea tampoco es nueva; se propuso por primera vez en los años 40 del siglo pasado.
En teoría, tales procesos pueden ocurrir en el contexto de un fuerte campo gravitacional (por ejemplo, debido a ). Considerando adiciones similares al tensor estándar de energía y momento para masas positivas, el físico escribió y resolvió la ecuación de Friedmann y luego calculó la ley según la cual el Universo se expande en este modelo. Los científicos no tuvieron en cuenta las contribuciones de la habitual materia oscura y energía oscura. Como resultado, resultó que las leyes conocidas se reproducen si la masa negativa se produce a una velocidad constante Γ = −3 h, Dónde h es la constante de Hubble. En este caso, la densidad de masa negativa permanecerá constante durante la expansión y simulará efectivamente la constante cosmológica. En este caso, la tasa de expansión y la vida útil del Universo son las mismas que en el modelo ΛCDM.
Luego, el astrofísico calculó cómo se manifestaría la masa negativa en escalas más pequeñas. Para ello, en el marco de su modelo simuló la interacción de un gran número de partículas de masa positiva y negativa. Como todos los paquetes de astrofísica existentes no tienen en cuenta modificaciones tan inusuales, Farnes tuvo que desarrollar su propio programa. Para evitar aproximaciones durante los cálculos, el investigador calculó las coordenadas y velocidades de cada partícula en cada momento del tiempo; esto permitió aumentar la confiabilidad de las predicciones, aunque las demandas del programa en recursos informáticos crecieron a medida que el cuadrado del número de partículas. En particular, debido a esto, el científico tuvo que limitarse a modelar 50 mil partículas.
Utilizando el programa desarrollado, Farnes vio varios efectos que tradicionalmente se atribuyen a la materia oscura. Primero, modeló la evolución de un denso grupo de partículas de masa positiva sumergidas en un "mar" de partículas de masa negativa. Un sistema de este tipo debería describir cualitativamente la evolución de las galaxias en las últimas etapas de la expansión del Universo, cuando las partículas "negativas" predominan significativamente sobre las "positivas". En este problema, el científico eligió el número de partículas "positivas" norte+ = 5000, número de negativos norte− = 45000. Como resultado, obtuvo una distribución de densidad que concuerda bien con los datos de observación: la densidad de partículas aumenta lentamente a medida que nos acercamos al centro de la galaxia y coincide con el perfil de Burkert. Esto resuelve el problema del halo cúspide que ocurre en el modelo ΛCDM.
Evolución de una “galaxia” de materia positiva inmersa en un “mar” de materia negativa
Jamie Farnes / Astronomía y Astrofísica
Perfil de masa de la galaxia calculado por Farnes (azul) y observado en la práctica (línea de puntos rosa)
Jamie Farnes / Astronomía y Astrofísica
En segundo lugar, con los mismos datos de partida, el científico calculó la curva de rotación de la galaxia y descubrió que también coincide bien con los datos de observación. Mientras que en un modelo con partículas puramente “positivas” la materia en el borde de la galaxia se mueve más lentamente que en el centro, en un modelo con predominio de partículas “negativas” la velocidad es aproximadamente constante.
Curva de rotación de una galaxia inmersa en un “mar” de materia negativa (rojo) y una galaxia “libre” (negro)
Jamie Farnes / Astronomía y Astrofísica
En tercer lugar, Farnes demostró que en su modelo surge naturalmente la estructura filamentosa a gran escala del Universo: las galaxias se unen en cúmulos, los cúmulos en supercúmulos y los supercúmulos en cadenas y paredes. Para ello, calculó la evolución de un sistema que contiene el mismo número de partículas “positivas” y “negativas”. Debido a las limitaciones de la potencia informática disponible, el científico calcula el número de ambos tipos de partículas norte + = norte− = 25000. Como en el caso anterior, las partículas “negativas” rodearon partículas de materia ordinaria y formaron un halo, pero esta vez el investigador pudo discernir patrones a escalas mayores que se asemejaban a la estructura del Universo observable.
Estructura homogénea del Universo al inicio de la simulación.
Jamie Farnes / Astronomía y Astrofísica
Registrado en la práctica. Desafortunadamente, no pudo ver este efecto en simulaciones con 50.000 partículas. Sin embargo, el científico espera que en simulaciones a gran escala con un millón de partículas se puedan ver estos procesos y también sugiere que confirmarán o refutarán la nueva teoría.
Finalmente, el científico comprobó en qué medida la modificación propuesta del modelo ΛCDM distorsionaría los efectos realmente observados: la expansión del Universo medida con velas estándar, el fondo cósmico de microondas y las observaciones de fusiones de cúmulos de galaxias. En todos estos casos, el astrofísico comprobó que su hipótesis coincidía con los datos observados. Sin embargo, aún quedan muchas preguntas abiertas; en particular, no está claro cómo relacionar tal hipótesis con el modelo estándar (¿puede el mecanismo de Higgs generar masas negativas?), cómo detectar experimentalmente partículas con masa negativa y cómo explicar las contradicciones entre la repulsión de las partículas “negativas” y la teoría. Sin embargo, el científico cree que todos estos problemas se pueden resolver en el marco del nuevo modelo.
Así, el modelo con producción constante de masa negativa explica no sólo la expansión observada del Universo, sino también la formación de su estructura a gran escala, los halos de materia oscura alrededor de las galaxias y las curvas de rotación, la mayoría de los efectos que normalmente se atribuyen a la oscuridad. energía y materia oscura. Por extraño que parezca, tal intuitivamente antinatural una hipótesis que contradice la visión generalmente aceptada de la materia es completamente está de acuerdo con datos observacionales. Además, propone explicarlos de una manera más sencilla, involucrando a menos entidades. Como escribe el propio autor en la conclusión: “Aunque esta propuesta es apóstata y herética, [el artículo] sugirió que los valores negativos de estos parámetros podrían, en principio, explicar los datos de observación cosmológica, que siempre se han interpretado dentro de la suposición razonable de valores positivos. masa."
A veces, a los físicos se les ocurren ideas bastante inusuales para explicar las discrepancias observadas entre la teoría y el experimento. Por ejemplo, en noviembre pasado, el físico teórico estadounidense Hooman Davoudiasl introdujo una nueva fuerza transportada por una partícula escalar ultraligera y que empuja la materia oscura lejos de la Tierra. Esta suposición explica bien los fracasos de todos los experimentos terrestres en la búsqueda de materia oscura: si tal fuerza realmente existiera, los detectores, en principio, no podrían registrar nada. Desafortunadamente, es imposible verificar esta afirmación en el nivel actual de desarrollo tecnológico.
Dmitri Trunin
Derechos de autor de la ilustración BIBLIOTECA DE FOTOS DE CIENCIA Captura de imagen Los físicos conocen desde hace mucho tiempo los condensados de Bose-Einstein
Los físicos estadounidenses han obtenido un líquido con “masa negativa” que, cuando se acelera, se mueve en la dirección opuesta.
En el mundo que conocemos, cuando se aplica cualquier fuerza a un objeto, este comienza a moverse en la dirección de aplicación de esta fuerza. Este fenómeno está descrito por la segunda ley de Newton.
Teóricamente la materia puede tener masa negativa, del mismo modo que una carga eléctrica puede ser positiva o negativa. Los físicos llaman a este fenómeno "materia exótica".
El profesor Peter Engels de la Universidad de Washington y sus colegas lograron enfriar átomos de rubidio hasta casi el cero absoluto (-273 grados Celsius), creando el llamado condensado de Bose-Einstein.
En un estado tan fuertemente enfriado, un número suficientemente grande de átomos se encuentran en sus estados cuánticos mínimos posibles, y los efectos cuánticos comienzan a manifestarse a nivel macroscópico. Los átomos se mueven extremadamente lentamente y se comportan como ondas.
También se mueven al unísono, formando el llamado superfluido que fluye sin perder energía.
El láser enfrió los átomos de rubidio y la muestra se mantuvo hasta que las partículas de alta energía salieron de la trampa láser. En esta etapa, los átomos todavía se comportaban como partículas con masa normal positiva: si la fuerza que mantenía unidos a los átomos dejaba de actuar, los átomos exteriores se dispersarían en diferentes direcciones bajo la presión de los átomos centrales.
Para que los átomos de rubidio se comportaran como una sustancia con masa negativa, los científicos les apuntaron con otro conjunto de láseres, que podrían usarse para cambiar el giro de algunos de los átomos.
Después de comparar los datos calculados con los datos experimentales, los físicos llegaron a la conclusión de que al menos algunos de los átomos en la trampa láser comenzaron a acelerar en la dirección opuesta a la aplicación de la fuerza de los átomos que ocupan la posición central en la trampa; sin embargo , esto sólo ocurrió durante un momento muy breve, después del cual los átomos volvieron rápidamente al comportamiento característico de las partículas con masa positiva.
"Si se empuja una sustancia con masa negativa, se acelera en la dirección opuesta", explica uno de los investigadores, el profesor Michael Forbes. "Es como si los átomos de rubidio chocaran contra una pared invisible".
Los resultados de este experimento pueden aclarar la naturaleza de algunos objetos y fenómenos astronómicos observados, por ejemplo, estrellas de neutrones, agujeros negros y materia oscura.
Es recomendable mirar con una resolución de 1280 X 800
"Tecnología para la juventud", 1990, núm. 10, pág. 16-18.
Escaneado por Igor StepikinTribuna de hipótesis audaces
