Realitate și ficțiune despre masa negativă

Uneori, știința progresează prin adoptarea unei atitudini negative.

Electricitatea, de exemplu, ar fi imposibil de înțeles fără a realiza că sarcina electrică poate fi fie pozitivă, fie negativă. Cifrele negative păreau odată puțin suspecte, dar sunt cu adevărat utile pentru companiile care pierd bani sau pentru a ține evidența temperaturilor din Antarctica. Chiar și energia negativă, oricât de ciudată pare ideea, a fost demonstrată experimental.

Și din moment ce energia este doar geamănul rău al materiei, ați crede că ar exista și masa negativă. Dar până acum dovezile pentru masa negativă sunt negative. Sau nugatorie. Nimeni nu a găsit cel mai mic semn de nimic cu masă negativă în universul real.

Pe de altă parte, puteți găsi o mulțime de masă negativă în science fiction, unde scriitorii au propus-o de mult timp ca sursă de antigravitație pentru a propulsa o navă spațială. La urma urmei, antigravitația este tocmai proprietatea cheie pe care ar avea-o masa negativă. Ideea este cel puțin la fel de veche precum un roman științifico-fantastic din 1827 numit O călătorie pe Lună, de Joseph Atterley (un pseudonim pentru George Tucker, profesor de filozofie morală la Universitatea din Virginia și fost congresman al SUA). Călătoria lui Atterley pe Lună s-a bazat pe proprietățile antigravitaționale ale unui metal numit lunarium.

„Există un principiu de repulsie, precum și de gravitație în pământ”, a spus un înțelept indian pentru Atterley în roman. A fost găsit adânc într-un munte din Birmania, sub forma unui metal „unit cu un pământ foarte greu…. Acest metal, atunci când este separat și purificat, are o tendință la fel de mare de a zbura de pe Pământ, precum o bucată de aur sau plumb trebuie să se apropie de el.”

Asta sună exact ca ceea ce ar face masa negativă. Este opusul masei pozitive și toate masele pozitive se atrag reciproc. Deci masa pozitivă ar respinge masa negativă, nu? Ei bine, nu tocmai. Este într-adevăr mult mai complicat decât atât, după cum scrie fizicianul Richard Hammond într-o lucrare recentă. Un măr newtonian cu masă negativă ar cădea pe Pământ la fel ca un măr cu masă pozitivă, subliniază el. Dar pe o planetă cu masă negativă, atât merele cu masă pozitivă, cât și cea negativă ar „cădea” în sus.

Sună ciudat, dar este logic. Pentru un măr obișnuit, masa pozitivă a Pământului exercită o forță atractivă în jos și astfel, conform celei de-a doua legi a lui Newton, mărul va accelera în acea direcție, spre Pământ. Pentru un măr cu masă negativă, forța ar fi negativă și, prin urmare, în sus. Dar accelerația ar fi și negativă, adică în direcția opusă forței. Deci mărul cu masă negativă ar cădea în continuare în jos.

Totuși, masa negativă nu s-ar comporta întotdeauna ca o masă pozitivă. Să presupunem că ai împușcat un glonț cu masă negativă într-un zid de cărămidă. Când glonțul lovește peretele, peretele exercită o forță împotriva glonțului, încercând să-l împingă înapoi spre pistol. Această forță va accelera glonțul cu masa neg în cealaltă direcție – adică prin perete. Deci, indiferent cât de gros este peretele, glonțul va trece cu viteză prin el.

„Acest lucru ar explica de ce nu a fost găsită masa negativă pe pământ”, scrie Hammond, de la Universitatea din Carolina de Nord din Chapel Hill. „Mai întâi, ar cădea pe pământ. Apoi va primi un impuls puternic în timp ce își forează drum prin pământ, fiind aruncat cu mult peste viteza de evacuare pe cealaltă parte.”

Desigur, dacă Pământul însuși ar fi alcătuit din masă negativă, toate ecuațiile (și, prin urmare, forțele) sunt inversate și toate obiectele, indiferent dacă sunt de masă pozitivă sau negativă, ar „cădea” în sus.

În acest moment, ar trebui să întrebați ce se întâmplă atunci când două obiecte de aceeași masă-magnitudine, unul pozitiv și unul negativ, se găsesc în aceeași vecinătate. Ele resping sau atrag?

O analiză detaliată a acestei întrebări a fost elaborată de Hermann Bondi în 1957. Bondi, un fizician de origine austriacă, care a mers la Cambridge în Anglia, cu puțin timp înainte de al Doilea Război Mondial, a fost cel mai faimos pentru dezvoltarea teoriei stării de echilibru a universului (cu Fred Hoyle și Thomas Gold). Poate mai semnificativ, el a fost și un jucător important în dezvoltarea interesului pentru teoria generală a relativității a lui Einstein în anii 1950.

Bondi a elaborat matematica relativistă generală pentru cazul a două corpuri, unul cu masă obișnuită (pozitivă) și unul negativ. Masa pozitivă atrage toate masele, astfel încât Corpul P (masa pozitivă) atrage Corpul N (masa negativă). Dar masa negativă respinge toate masele, astfel încât Corpul P ar zbura departe de Corpul N. Deci N încearcă să se apropie de P, pentru că P îl atrage, în timp ce P încearcă să se îndepărteze de N, pentru că N îl respinge. În consecință, N îl urmărește pe P în univers cu o viteză din ce în ce mai accelerată.

Toate acestea sunt foarte interesante, dar și probabil discutabile, deoarece nu pare să existe niciun motiv să credem că există de fapt masa negativă. Dar asta nu îi împiedică pe fizicieni să speculeze (sau chiar să teoretizeze) despre asta. La urma urmei, oamenii de știință nu pot spune din ce este alcătuită 85% din materia din univers. Nici nu știu să împace cea mai bună teorie a gravitației, relativitatea generală, cu cea mai bună teorie a materiei, teoria cuantică. Așa că ar părea puțin prematur să spunem că masa negativă este imposibilă. Și, de fapt, un candidat pentru ceva cu masă negativă (un fel, posibil) există de zeci de ani: antimateria. (Voi ajunge la asta.)

Dar chiar dacă din întâmplare există o masă negativă, folosirea ei pentru un scut antigravitațional încă pare dubioasă. Pentru a contracara forța gravitațională a Pământului, ar putea fi pus un covor cu masă negativă (covorul în sine ar cădea la pământ). Apoi orice masă ar pluti deasupra ei. Dar pentru a anula gravitația Pământului pe un spațiu de doar un metru pătrat, ai nevoie de un covor cu o masă negativă de 70 de miliarde de kilograme.

„Astfel, am putea pluti un obiect de orice masă”, scrie Hammond, „dar ar fi nevoie de masa (negativă) a unui asteroid mic pentru a face un metru pătrat, așa că putem exclude această formă de antigravitație.”