Asunto exótico

La materia exótica es un concepto de la física de partículas elementales que describe cualquier materia (generalmente hipotética) que viola una o más condiciones clásicas o que no consiste en bariones conocidos . Estas sustancias pueden tener propiedades como densidad de energía negativa , o ser repelidas en lugar de atraídas por la gravedad . La materia exótica se utiliza en algunas teorías, como la teoría sobre la estructura de los agujeros de gusano . El representante más famoso de la materia exótica es el vacío en una región con presión negativa producido por el efecto Casimir .

También se denomina materia exótica a cualquier material que sea difícil de producir (por ejemplo, hidrógeno metálico a alta presión o condensado de Bose-Einstein ) o que tenga propiedades inusuales, incluso si estos materiales son creados y relativamente bien estudiados.

Se puede llamar materia exótica a un material creado a partir de algunos tipos de átomos exóticos , en los que el papel del núcleo (partícula cargada positivamente) lo realiza un positrón ( positronio ) o un muón positivo ( muonio ). También hay átomos con un muón negativo en lugar de uno de los electrones (el átomo muónico).

Masa negativa

Desde que Newton formuló por primera vez su teoría de la gravedad , ha habido al menos tres cantidades conceptualmente distintas llamadas masa : masa inercial, masa gravitatoria "activa" (es decir, la fuente del campo gravitatorio) y masa gravitatoria "pasiva". El principio de equivalencia de Einstein establece que la masa inercial debe ser igual a la masa gravitacional pasiva, y la ley de conservación del momento requiere que la masa gravitacional activa y pasiva sean iguales. Toda la evidencia experimental hasta ahora sugiere que, de hecho, todos son siempre iguales. Al considerar partículas hipotéticas con masa negativa, es importante adivinar cuál de estas teorías de masas es incorrecta. Sin embargo, en la mayoría de los casos, cuando se analiza la masa negativa, se asume que aún se aplican el principio de equivalencia y la ley de conservación del momento .

En 1957, Hermann Bondy , escribiendo en Reviews of Modern Physics , sugirió que la masa podría ser positiva o negativa [1] . Demostró que esto no conduce a una contradicción lógica si los tres tipos de masa también son negativos, pero la aceptación misma de la existencia de una masa negativa provoca tipos de movimiento intuitivamente incomprensibles.

De la segunda ley de Newton :

F=m_{i}a\!\;

se puede ver que un objeto con masa inercial negativa acelerará en dirección opuesta a la que fue empujado, lo que puede parecer extraño.

Si estudiamos la masa inercial , la masa gravitacional pasiva y la masa gravitacional activa por separado, entonces la ley de gravitación universal de Newton tomará la siguiente forma: $mi$ $m_{p}$ $mamá}$

m_{i}a=-G{\frac{m_{p}m_{a}}{r^{2}}}

Así, los objetos con masa gravitacional negativa (tanto pasiva como activa) pero con masa inercial positiva serán repelidos por masas activas positivas y atraídos por masas activas negativas.

Se llevaron a cabo los primeros experimentos, donde grupos separados de átomos se comportan durante algún tiempo como partículas con masa negativa. [2] [3]

Análisis de Forward

Aunque las partículas de masa negativa no se conocen, los físicos (originalmente G. Bondy y Robert Forward ) pudieron describir algunas de las propiedades esperadas que podrían tener tales partículas. Asumiendo que los tres tipos de masas son iguales, es posible construir un sistema donde las masas negativas son atraídas por las masas positivas, mientras que las masas positivas son repelidas por las masas negativas. Al mismo tiempo, las masas negativas crearán una fuerza de atracción entre sí, pero serán repelidas debido a sus masas de inercia negativas.

Con un valor negativo y un valor positivo de , la fuerza será negativa (repulsiva). A primera vista, parece que la masa negativa aceleraría alejándose de la masa positiva, pero dado que dicho objeto también tendría una masa de inercia negativa, aceleraría en la dirección opuesta . Además, Bondy demostró que si ambas masas son iguales en valor absoluto pero difieren en signo, entonces el sistema total de partículas positivas y negativas se acelerará indefinidamente sin ninguna influencia adicional sobre el sistema desde el exterior. $m_{p}$ $mamá}$ $F$ $F$

Este comportamiento es extraño porque no encaja en absoluto con nuestra idea del "universo ordinario" de trabajar con masas positivas. Pero es completamente matemáticamente consistente y no introduce ninguna contradicción.

Puede parecer que tal representación viola la ley de conservación de la cantidad de movimiento y/o la energía , pero tenemos que las masas son iguales en valor absoluto, una es positiva y la otra es negativa, lo que significa que la cantidad de movimiento del sistema es cero si ambos se mueven juntos y aceleran juntos, independientemente de la velocidad:

P_{{sys}}=mv+(-m)v=[m+(-m)]v=0\times v=0.

Y la misma ecuación se puede calcular para la energía cinética : $K_{e}$

K_{{e\ sys}}={1 \sobre 2}mv^{2}+{1 \sobre 2}(-m)v^{2}={1 \sobre 2}[m+(-m)] v^{2}={1 \sobre 2}(0)v^{2}=0

Forward amplió la investigación de Bondi a casos adicionales y demostró que incluso si dos masas y no son iguales en valor absoluto, las ecuaciones siguen siendo consistentes. $metro_{{-}}$ $m_{{+}}$

Algunas propiedades que introducen estas suposiciones parecen inusuales, por ejemplo, en una mezcla de un gas de materia positiva y un gas de materia negativa, la parte positiva aumentará su temperatura indefinidamente. Sin embargo, en este caso, la parte negativa de la mezcla se enfriará a la misma velocidad, igualando así el equilibrio. Geoffrey A. Landisseñaló otras aplicaciones del análisis de Forward [4] , incluidas las indicaciones de que aunque las partículas con masa negativa se repelerán entre sí gravitatoriamente, las fuerzas eléctricas, como las cargas , se atraerán entre sí (en contraste con las partículas con masa positiva, donde tales partículas se repelen) . Como resultado, para partículas con masa negativa, esto significa que las fuerzas gravitacional y electrostática se invierten.

Forward propuso un diseño de motor de nave espacial de masa negativa que no requiere una entrada de energía y un fluido de trabajo para obtener una aceleración arbitrariamente grande, aunque, por supuesto, el principal obstáculo es que la masa negativa sigue siendo completamente hipotética.

Forward también acuñó el término "anulación" para describir lo que sucede cuando la materia normal y la negativa se encuentran. Se espera que puedan aniquilarse mutuamente o "anular" la existencia del otro, y después de eso no quedará energía. Sin embargo, es fácil mostrar que puede permanecer algo de impulso (no permanecerá si se mueven en la misma dirección, como se describió anteriormente, pero necesitan moverse el uno hacia el otro para encontrarse y anularse mutuamente). Esto puede, a su vez, explicar por qué cantidades iguales de materia ordinaria y negativa no aparecen repentinamente de la nada (lo opuesto a la anulación): en este caso, el impulso de cada uno de ellos no se conservará.

Materia exótica en la relatividad general

En la teoría general de la relatividad , se denomina materia exótica a la materia que viola la condición de energía débil (SEC) , es decir, tal que su densidad de energía en algún marco de referencia es negativa. Si en alguna base ortonormal el tensor de energía-momento es diagonal, entonces se viola el SES cuando su componente (es decir, la densidad de energía) o (es decir, la suma de la densidad de energía y la presión en una de las direcciones) es negativa . Sin embargo, la condición de positividad de la densidad de energía no es una condición necesaria para la consistencia matemática de la teoría (para más detalles, ver la monografía de Visser [5] ). $T_{{00}}$ $T_{{00}}+T_{{11}}$

Morris , Thorn y Yurtsever [ 6] demostraron que el efecto de Casimir de la mecánica cuánticase puede utilizar para crear una región local del espacio-tiempo con masa negativa . En este artículo y en el trabajo posterior de otros, demostraron que la materia exótica podría usarse para estabilizar un agujero de gusano . Kramer y otros demostraron que tales agujeros de gusano, habiendo surgido en el Universo primitivo, podrían estabilizarse mediante bucles de masa negativa de cuerdas cósmicas [7] . Stephen Hawking demostró que la materia exótica es necesaria para la aparición de una máquina del tiempo con un horizonte de Cauchy generado de forma compacta [8] . Esto muestra, por ejemplo, que un cilindro giratorio finito, a diferencia de un cilindro Tipler infinito , no puede usarse como una máquina del tiempo.

Masa imaginaria

Tachyon es una partícula hipotética con una masa en reposo imaginaria que siempre se mueve más rápido que la velocidad de la luz . No hay evidencia de la existencia de taquiones.

E={\frac {mc^{2}}{{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}.

Si la masa en reposo es una cantidad imaginaria, entonces el denominador debe ser imaginario (para evitar el valor complejo de la energía ). Por lo tanto, el valor debajo de la raíz cuadrada debe ser negativo, lo que solo puede ocurrir cuando es mayor que . La teoría de los taquiones propuesta por Feinberg se desarrolla en una dimensión , pero es difícil de analizar en tres dimensiones. Como señalaron Benford et al., entre otras cosas, la relatividad especial permite el uso de taquiones, si existen, para comunicarse hacia atrás en el tiempo [9] (el dispositivo propuesto se llama anticuerpofono de taquiones ). Por lo tanto, algunos físicos creen que los taquiones no existen en absoluto o no pueden interactuar con la materia ordinaria. $v$ $C$

Masa imaginaria en la teoría cuántica de campos

En la teoría cuántica de campos, la masa imaginaria introduce condensación de taquiones .

"¿En qué dirección cae la antimateria?"

La mayoría de los físicos modernos creen que la antimateria tiene una masa gravitatoria positiva y debería caer como la materia ordinaria. Algunos investigadores creen que hasta la fecha no existe una confirmación experimental convincente de este hecho [10] [11] . Esto se debe a la dificultad de estudiar directamente las fuerzas gravitatorias a nivel de partículas. A distancias tan pequeñas, las fuerzas eléctricas prevalecen sobre la fuerza gravitacional mucho más débil. Además, las antipartículas deben mantenerse separadas de sus contrapartes convencionales o se aniquilarán rápidamente . Obviamente, esto dificulta la medición directa de la masa gravitatoria pasiva de la antimateria. Los experimentos con la antimateria ATHENA ( ing. ATHENA ) y ATRAP ( ing. ATRAP ) ayudarán a encontrar respuestas.

Las respuestas para la masa inercial, sin embargo, se conocen desde hace mucho tiempo a partir de experimentos con una cámara de burbujas . Muestran de manera convincente que las antipartículas tienen una masa de inercia positiva, igual a la masa de las partículas "ordinarias", pero la carga eléctrica opuesta. En estos experimentos, la cámara se somete a un campo magnético constante, lo que hace que las partículas se muevan en una hélice . El radio y la dirección de este movimiento corresponden a la relación entre la carga eléctrica y la masa de inercia. Los pares partícula-antipartícula se mueven a lo largo de líneas helicoidales en direcciones opuestas, pero con los mismos radios. A partir de esta observación, se concluye que las proporciones de la carga eléctrica a la masa inercial en este par difieren solo en el signo.

Véase también

Notas

↑ H. Bondi (1957), " Masa negativa en la relatividad general ", Rev. Modificación. física 29 núm. 3 de julio de 1957, págs. 423ff
↑ Los físicos de Popular Mechanics han creado una sustancia con una "masa negativa"
↑ M. A. Khamehchi, Khalid Hossain, M. E. Mossman, Yongping Zhang, Th. Busch, Michael McNeil Forbes y P. Engels Hidrodinámica de masa negativa en un condensado de Bose-Einstein acoplado a órbita giratoria Phys. Rvdo. Letón. 118, 155301 – Publicado el 10 de abril de 2017
↑ G. Landis, "Comentarios sobre la propulsión de masa negativa", J. Propulsion and Power, vol. 7 no. 2, 304 (1991).
↑ M. Visser (1995) Agujeros de gusano lorentziano: de Einstein a Hawking , AIP Press, Woodbury NY, ISBN 1-56396-394-9
↑ M. Morris, K. Thorne y U. Yurtsever, Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition , Physical Review , 61 , 13, septiembre de 1988, págs. 1446-1449
↑ John G. Cramer, Robert L. Forward, Michael S. Morris, Matt Visser, Gregory Benford y Geoffrey A. Landis, " Natural Wormholes as Gravitational Lenses ", Phys. Rvdo. D51 (1995) 3117-3120
↑ Hawking, Stephen. El futuro del espacio-tiempo. - WW Norton , 2002. - Pág. 96. - ISBN 0-393-02022-3 .
↑ GA Benford, DL Book y WA Newcomb, " The Tachyonic Antitelephone ", Physical Review, parte D 2 263, DOI: 10.1103, 15 de julio de 1970, págs. 263-265
↑ Copia archivada . Consultado el 16 de diciembre de 2006. Archivado desde el original el 16 de diciembre de 2006. (indefinido)
↑ Preguntas frecuentes sobre antimateria Archivado el 21 de marzo de 2011.