Nella fisica teorica , la massa negativa è un concetto ipotetico che postula l'esistenza di una massa di "carica" negativa, così come esistono cariche elettriche positive e negative. Questa massa negativa avrebbe proprietà gravitazionali e inerziali differenti, ma possibilmente simmetriche , dalla massa "normale" che è convenzionalmente positiva.
Nel 1951, nel suo saggio per la fondazione della ricerca sulla gravità, Joaquin Luttinger considerò la possibilità dell'esistenza di una massa negativa e come quest'ultima dovesse comportarsi sotto la gravità e altre forze.
Nel 1957, Hermann Bondi propose l'esistenza di massa negativa in un articolo pubblicato dalla rivista Reviews of Modern Physics . Afferma che ciò non induce una contraddizione logica fintanto che le tre forme di massa ( massa inerte , masse passive gravi e attive) sono negative. Robert L. Forward studia l'idea, che utilizzerà in seguito in un concetto di propulsione .
Nel 1988, Morris (in) , Thorne e Yurtsever sottolineare che l'applicazione della meccanica quantistica al effetto Casimir può produrre una regione massa negativa di spazio-tempo . Mostrano anche che la massa negativa potrebbe essere usata per "stabilizzare" un wormhole .
Nel 1995, Cramer et al. approfondisci questa analisi e asserisci che tali wormhole potrebbero essere esistiti durante i primi momenti dell'Universo , stabilizzati da anelli di stringhe cosmiche negative.
Nel 2000, il fisico israeliano Max Jammer ha dimostrato che nessuna legge fisica esclude l'esistenza di masse negative.
Nel 2002, Stephen Hawking ha dimostrato che l' energia negativa è una condizione necessaria per la creazione di una curva del tempo chiusa mediante la manipolazione dei campi gravitazionali in una regione finita dello spazio.
Nel 2013, Jonathan Belletête e Manu Paranjape, ricercatori dell'Università di Montreal , dimostrano la possibilità matematica di un plasma gravitazionale di massa positiva e negativa, all'interno di uno spazio-tempo di tipo non asintotico come quello di de Sitter , vale a dire per un universo in espansione esponenziale, che potrebbe corrispondere all'Universo durante l'inflazione cosmica . Non hanno specificato di che tipo di materia potesse essere fatto questo plasma, solo che il sistema in questione potrebbe aver controllato il comportamento delle onde gravitazionali di questo periodo.
Nel 2014, Saoussen Mbarek e Manu Paranjape, sempre dell'Università di Montreal, dimostrano che la massa negativa può produrre una soluzione di Schwarzschild senza violare le condizioni energetiche quando la singolarità gravitazionale viene diffusa con un plasma di particelle negative e positive.
Nel gennaio 2020, Benoit Guay mostra la praticabilità dell'inversione di massa a livello quantistico nell'ambito della teoria quantistica dei campi di Dirac . Considera l'espressione "inversione di massa" un termine improprio. Non è un'inversione di massa agendo "direttamente" su di essa. È un'azione con un potenziale elettromagnetico (non un campo) su uno stato quantistico in cui la massa è + µ in modo che cambi in un altro stato quantistico in cui la massa è -µ.
Tipi | Descrizione |
---|---|
Massa inerziale | Una misura della resistenza di un oggetto a cambiare il suo stato di equilibrio quando viene applicata una forza. |
Massa seria attiva | Una misura della forza del flusso gravitazionale di un oggetto. |
Massa passiva dei bassi | Misura della forza di interazione di un oggetto con un campo gravitazionale . |
Senza alcuna particella nota avente una massa negativa, diversi fisici come Bondi, Bonnor e Forward , hanno esaminato la questione e hanno anticipato le proprietà che tale materia potrebbe contenere.
Quando si considera il concetto di massa negativa, è importante considerare quale dei concetti di massa è negativo. Da quando Newton ha formulato la legge universale di gravità , ci sono stati tre concetti distinti di quantità chiamati "massa":
La legge di conservazione della quantità di moto richiede che le masse gravitazionali "attive" e "passive" siano le stesse, questa è la "massa grave" . Inoltre, il principio di equivalenza di Einstein postula che la massa inerziale deve essere uguale alla massa gravitazionale "passiva", quindi ; ⁰ e finora tutte le prove sperimentali puntano in questa direzione.
Nella maggior parte delle analisi di massa negativa, si presume che si applichino sia il principio di equivalenza che quello di conservazione della quantità di moto . In questo caso, le tre forme di massa sono equivalenti e "massa negativa" è negativa in tutti e tre gli aspetti. Viceversa, se la legge di conservazione della quantità di moto è necessariamente rispettata, resta possibile che il principio di equivalenza non venga verificato sulle masse negative. In questo caso, ci possono essere tre modi per vedere cos'è una "massa negativa", a seconda che la carica negativa appaia sulla massa inerte, sulla massa pesante o su entrambe contemporaneamente.
È l'ipotesi di massa inerziale negativa che coinvolge forme di movimento controintuitive. La caratteristica principale della massa inerziale è infatti quella di permettere alla materia di immagazzinare energia cinetica attraverso un aumento della velocità:
Una massa inerziale negativa significherebbe al contrario che è necessario fornire energia al sistema per rallentarlo, o simmetricamente, che il sistema fornisce energia al suo ambiente accelerando. Ad esempio, un oggetto con una massa inerziale negativa accelererebbe nella direzione opposta a quella in cui viene spinto o frenato. Una tale particella di massa inerziale negativa sarebbe quindi un prezioso proiettile: fornisce energia quando data un impulso in partenza, accelera per effetto dell'attrito dell'aria, e colpendo un ostacolo tenderebbe quindi ad accelerare attraverso di essa, tutto il più violentemente maggiore è la resistenza: un simile proiettile sarebbe quindi irresistibile.
Gli scienziati hanno prima esaminato la questione di una questione la cui "massa" è negativa, perché nulla suggerisce (a priori) che tutta la massa debba essere positiva. Tuttavia, hanno notato che una questione del genere non sembrava rispettare una o anche più condizioni sull'energia e possederebbe alcune proprietà ambigue come un'accelerazione il cui orientamento è opposto alla forza a cui è sottoposto, o anche un'accelerazione invertita . curvatura dello spazio-tempo . La rappresentazione più vicina nota del concetto è una regione di pressione pseudo-negativa prodotta dall'effetto Casimir . Il concetto di massa negativa è utilizzato in alcune teorie speculative che affrontano l'idea di costruire un wormhole .
Secondo Hermann Bondi , l'idea di massa negativa non porta a "alcuna contraddizione logica" quando tutte e tre le forme di massa sono negative. Supponendo che le tre forme di massa sopra descritte siano equivalenti, è possibile esplorare le interazioni gravitazionali tra di loro. La combinazione delle leggi dell'attrazione universale e del principio fondamentale della dinamica porta a dire che in questo caso:
Tuttavia, questa ipotesi di massa negativa implica forme di movimento controintuitive. Ad esempio, un oggetto con una massa inerziale negativa accelererebbe nella direzione opposta a quella in cui viene spinto. Bondi ha sottolineato che due oggetti di massa uguale e segni opposti produrrebbero un'accelerazione costante nella direzione della massa positiva. Mentre la massa positiva sembra "perdere" a causa della repulsione, la massa negativa si avvicina come meglio può. La velocità del sistema aumenta così sempre di più creando l'effetto chiamato movimento di fuga .
Bonnor ha preferito ignorarne l'esistenza dichiarando il fenomeno così assurdo che preferisce escluderlo ipotizzando un universo in cui la massa inerte è o tutta positiva o tutta negativa.
Forward è giunto alle stesse conclusioni, ma ha invece dimostrato che il sistema non viola alcuna legge sull'energia. Stranamente, anche se entrambi gli oggetti accelerano nella stessa direzione senza che alcuna massa si sposti nella direzione opposta, l'energia totale è ancora zero. Dopo aver raggiunto la velocità , la somma del loro slancio è zero:
Non vi è nemmeno violazione della conservazione dell'energia poiché le loro energie cinetiche ( ) si annullano a vicenda:
Forward ammette che la massa negativa e l'energia cinetica negativa non sono concetti standard nella fisica newtoniana, ma presenta il suo concetto come "logicamente valido" e offre un uso futuro come propulsione gravitazionale.
Considerando l' ipotesi di Bonnor, si può ipotizzare l'esistenza di un universo connesso al nostro, dove la massa della materia sarebbe del tutto negativa. Utilizzando le proprietà derivanti da tale posizione, Bonnor cerca di essere in grado di spiegare meglio perché il nostro Universo conterrebbe solo massa positiva.
Da parte sua, una massa inerte negativa che non rispetti il principio di equivalenza manterrebbe una massa seria positiva. D'altra parte, avrebbe proprietà gravitazionali e inerziali diverse, ma possibilmente simmetriche , dalla massa "normale". Tuttavia, un tale materiale possederebbe alcune proprietà ambigue come un'accelerazione il cui orientamento è opposto alla forza a cui è sottoposto.
A livello gravitazionale, si osserverebbe lo stesso effetto di fuga tra due corpi di massa grave positiva ma di masse inerti opposte: la forza gravitazionale sarebbe forze uguali e opposte come nel caso normale; ma se la risposta del corpo alla massa inerte positiva fosse un'accelerazione verso l'altro corpo, quest'ultimo avrebbe un'accelerazione nella direzione opposta alla forza, allontanandosi quindi dal primo.
Jean-Pierre Petit e Gilles D'Agostini hanno proposto altre leggi di interazione tra masse positive e negative. Per fare ciò, si basano sul modello cosmologico Janus sviluppato da Petit, in cui la gravitazione potrebbe essere descritta da un modello bimetrico che estenderebbe la relatività generale.
Il 4 gennaio 2019, il fisico Thibault Damour ha pubblicato un'analisi del modello cosmologico di Janus sul sito web dell'Istituto di studi scientifici superiori . Prendendo in considerazione “i preprint di articoli recenti” di Jean-Pierre Petit () “completati, in particolare, dalla pagina 39 del documento“ The Janus Cosmological Model, 22 novembre 2016 ”” che presenta le equazioni di campo del modello Janus.
Thibault Damour mostra un'incongruenza nelle equazioni di campo che, secondo lui, "sono matematicamente e fisicamente contraddittorie". Spiega che queste equazioni “non ammettono alcuna soluzione sufficientemente generica per descrivere la gravitazione che conosciamo e costituiscono un sistema di equazioni incoerente. Giustifica la sua analisi nella sua conclusione:
"La ragione del carattere contraddittorio di queste equazioni è che lo stesso tensore energia-momento è accoppiato sia (ma separatamente) a una gravitazione avente una costante di Newton G> 0 ( ), e una gravitazione avente G <0 ( ). La materia ordinaria dovrebbe quindi sia attrarre se stessa (quindi un gradiente di pressione negativa necessario in una stella), sia respingere se stessa (quindi un gradiente di pressione positivo ugualmente necessario in una stella). Stella). "
Il 6 gennaio 2019, Jean-Pierre Petit, Gilles D'Agostini e Nathalie Debergh sottopongono alla rivista Progress in Physics un nuovo articolo che tratta del modello cosmologico di Janus . Dopo aver presentato la cronologia e l'evoluzione del loro modello, giungono finalmente alla stessa conclusione formulata da Thibault Damour dettagliatamente le componenti del tensore dell'impulso energetico : " così otteniamo una contraddizione fisica e matematica che deve essere curata ".
Per correggere questa fondamentale incoerenza, introducono un'azione nel loro modello per applicare uno studio variazionale che consenta loro di definire nuove metriche e risultante in un nuovo sistema di equazioni che, secondo loro, non sarebbe più incoerente dopo aver applicato l' approssimazione di campo debole : " applicando l'approssimazione newtoniana, ogni incoerenza svanisce ".
Il lavoro di Petit su questo argomento non ebbe molta risonanza tra i cosmologi. Tuttavia, successivi studi indipendenti sulla gravità bimetrica con masse positive e negative hanno portato alle stesse conclusioni per quanto riguarda le leggi di gravità.
L'approssimazione newtoniana tra masse gravi di segni diversi stipulerebbe le seguenti leggi di interazione :
Queste leggi sono diverse da quelle di Bondi e Bonnor e si ritiene che risolvano il paradosso del movimento in fuga . Essendo la massa inerte sempre positiva, viene rispettato il principio fondamentale della dinamica . Le masse si attraggono o si respingono, a seconda che siano dello stesso segno o meno. A differenza dell'involucro elettrico, un materiale composito formato da "cariche gravi" positive e negative non può quindi mantenere la sua coerenza, e le cariche di segni diversi tendono sia a raggrupparsi sia ad essere poste il più lontano possibile l'una dall'altra. Una "carica grave" di segno opposto può quindi fuggire solo da un centro di massa omogeneo come la Terra, il Sole, la Galassia ... Nel campo gravitazionale terrestre, ad esempio, una "carica grave" di segno opposto lo farà essere sottoposto ad un'accelerazione data da:
, che porta a una legge del volo inA livello cosmologico, un universo formato inizialmente da questi due tipi di masse li vedrebbe separati come due fluidi immiscibili, determinando una "schiuma" formata da bolle di materia con massa negativa, separate da pareti e filamenti di materia con massa positiva. . Il negativo e la materia positiva delle metriche che interagiscono per gravità potrebbe essere coinvolta nella spiegazione di materia oscura , energia oscura , inflazione cosmica e l' espansione accelerata dell'universo .
Nella meccanica quantistica, l' operatore di inversione temporale T è complesso e può essere unitario o anti-unitario. Nella teoria quantistica dei campi , T è stato scelto arbitrariamente per essere anti-unitario anti-lineare al fine di evitare l'esistenza di stati di energia negativa. Steven Weinberg lo giustifica nel suo libro “The Quantum Theory of Fields” pagina 76, dal fatto che se scegliamo T lineare e unitario arriviamo alla conclusione che ci sarebbe un'energia inferiore a quella del vuoto cioè negativa, che per lui è impossibile. Scrive: "Per evitare ciò, siamo qui costretti a concludere che T è anti-lineare e anti-unitario" (e di conseguenza non può esserci massa negativa).
D'altra parte, nella teoria dei sistemi dinamici, l'operatore di inversione temporale T è reale. Nel 1970, Jean-Marie Souriau dimostra, usando il gruppo di Poincaré della teoria dei gruppi , inverte l'energia di una particella significa invertire la freccia del tempo . Nel 2018, N. Debergh et al. hanno dimostrato utilizzando il lavoro di Souriau che l'esclusione degli stati di energia negativa dalla meccanica quantistica, grazie all'uso di un operatore anti-unitario e anti-lineare T, è un assioma arbitrario e che va benissimo usare una T lineare operatore invece. Pertanto, nell'ambito dell'equazione di Dirac (nella meccanica quantistica relativistica ) le energie negative sono accettabili a condizione che le masse siano contemporaneamente negative.
Dimostrano che durante una trasformazione PT unitaria la trasformazione di stato agisce sull'energia positiva e sui fermioni di massa per dare energia negativa e stati anti-fermioni di massa.
A maggior ragione di una simmetria CPT nel quadro di un modello bi-metrico:
Secondo la relatività generale, l'Universo è una varietà Riemanniana associata a un tensore metrico dell'equazione di Einstein. Quando introduciamo masse negative con una singola metrica, poiché utilizziamo solo una singola equazione di campo, finiamo inevitabilmente con il fenomeno del runaway.
I modelli cosmologici bi-metrici postulano che sono necessarie due metriche per descrivere la gravità . Il modello bimetrico di Janus, ad esempio, descrive due universi paralleli anziché uno, con una freccia del tempo opposta, collegati tra loro dal Big Bang e interagenti solo per gravità. Secondo questo modello, l'Universo sarebbe associato a due metriche Riemanniane , una con materia di massa positiva e l'altra con materia di massa negativa, risultanti dalla simmetria CPT . Le due metriche hanno la propria geodetica e sono la soluzione di due equazioni di campo accoppiate.
Sebbene la relatività generale descriva le leggi del moto per particelle positive e negative, solo la componente di stress è inclusa tra le interazioni elementari .
La massa negativa generalizzata si riferisce a qualsiasi regione dello spazio in cui viene misurata una densità di materia negativa. Ciò accadrebbe per una regione in cui le sollecitazioni del tensore di Einstein sono maggiori in grandezza rispetto alla densità di massa. Mostrerebbe diverse proprietà strane, come una possibile forza gravitazionale repulsiva. Queste caratteristiche non soddisfano le condizioni di energia positiva della teoria della relatività generale di Einstein. Tuttavia, queste condizioni non sono richieste per la coerenza matematica della teoria.
Altre versioni matematiche delle condizioni di energia positiva come le condizioni di bassa energia (in) ed energia dominante sono studiate da Matt Visser (in) , professore di matematica alla Victoria University di Wellington .
La massa negativa potrebbe essere costituita da particelle esotiche con proprietà anormali che non possono essere rilevate.
In un articolo sulle conseguenze della massa negativa risalente al 2014, tre fisici europei dimostrano che le particelle di massa relativistica negativa implicano necessariamente l'esistenza dei tachioni . La loro dimostrazione si basa su due postulati:
Nel 1928, la teoria delle particelle elementari di Paul Dirac , ora parte del modello standard , includeva già soluzioni negative. Il Modello Standard è una generalizzazione dell'elettrodinamica quantistica (QED) la cui massa negativa fa già parte della teoria.
Morris , Thorne e Yurtsever hanno dimostrato che la meccanica quantistica dell'effetto Casimir può essere utilizzata per produrre una regione locale di massa negativa nello spazio-tempo. Hanno anche affermato che la materia negativa potrebbe essere utile per stabilizzare un wormhole . Da parte loro, Cramer et al. credo che tali wormhole possano essere esistiti durante i primi momenti dell'Universo, stabilizzati da anelli di stringhe cosmiche negative.
Stephen Hawking ha dimostrato che l' energia negativa è una condizione necessaria per la creazione di una curva del tempo chiusa mediante la manipolazione dei campi gravitazionali in una regione chiusa dello spazio. Questa prova conferma, ad esempio, che un cilindro Tipler (in) chiuso può essere utilizzato in una macchina per viaggiare indietro nel tempo .
Per l' autostato dell'energia, nell'equazione di Schrödinger , la funzione d'onda è di natura ondulatoria laddove l'energia di una particella è maggiore del potenziale locale ed è evanescente (di natura esponenziale). Ciò implicherebbe che l'energia cinetica è negativa nelle regioni in cui la funzione d'onda è evanescente, perché il potenziale locale è zero. Tuttavia, l'energia cinetica è un operatore nella meccanica quantistica e il suo valore atteso è sempre positivo. Sommando ad esso il valore atteso dell'energia potenziale, si ottiene la resa dell'autovalore dell'energia.
Per le funzioni d'onda di particelle prive di massa a riposo come i fotoni , ciò significa che tutte le parti esponenziali della funzione devono essere associate a massa o energia negativa. Tuttavia, l'equazione di Schrödinger non si applica alle particelle prive di massa, quindi si dovrebbe fare riferimento all'equazione di Klein-Gordon .
La massa che contribuisce alla massa totale dell'elettrone , dalla nuvola di particelle virtuali , è positiva secondo il rapporto massa-energia (E = mc 2 ). Pertanto, l'automassa dell'elettrone è necessariamente inferiore alla massa osservata. Poiché i fotoni virtuali hanno un'energia maggiore del doppio della massa di un elettrone, per creare coppie elettrone-positrone necessarie per la rinormalizzazione della carica, la massa dell'elettrone dovrebbe essere negativa.