Il concetto di massa negativa non è da scartare

L'idea che la materia possa venire verso di te quando si spinge via o che potrebbe salire liberamente contro la forza della Terra suona certamente scandalosa. Ma ci sono motivi incastrati nelle più importanti equazioni della fisica per cui dovremmo prendere in considerazione l'idea di massa negativa sul serio.

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La struttura su larga scala dell'universo, qui simulata, potrebbe essere stata influenzata dalla presenza di massa negativa durante l'epoca inflazionistica. Springel et al. (Virgo consortium), Max Planck Institute for Astrophysics

di Manu Paranjape, fisico teorico presso l’Università di Montreal.

L’idea che la materia possa venire verso di te quando si spinge via o che potrebbe salire liberamente contro la forza della Terra suona certamente scandalosa. Ma ci sono motivi incastrati nelle più importanti equazioni della fisica per cui dovremmo prendere in considerazione l’idea di massa negativa sul serio.

Nel 2017 un team internazionale di ricercatori ha pubblicato in Physical Review Letters di aver progettato condensati di Bose-Einstein che si comportano come se avessero massa negativa  – fisici della Washington State University hanno creato un fluido con massa negativa, che è esattamente quello che sembra. A differenza di ogni oggetto fisico che conosciamo, non accelera nella direzione in cui è stato spinto. Accelera all’indietro.
Il fenomeno è raramente creato in condizioni di laboratorio e può essere utilizzato per esplorare alcuni dei concetti più impegnativi del cosmo (ndr).

L’articolo ha creato una bella polemica. E’ interessante come la nozione di massa negativa possa generare forti sentimenti di sfiducia.

L’idea che la materia possa venire verso di te quando si spinge via o che potrebbe salire liberamente contro la forza della Terra suona certamente scandalosa. Ma ci sono motivi incastrati nelle più importanti equazioni della fisica per cui dovremmo prendere in considerazione l’idea di massa negativa sul serio. Nella teoria della relatività generale di Einstein, possiamo analizzare la possibilità di materia con massa negativa agire come una sorgente di campi gravitazionali repulsivi. Varie indagini, compreso il mio lavoro, suggeriscono che per quanto strano suonino, potrebbero esistere tali oggetti nel nostro universo.

Sebbene l’idea di antigravità abbia affascinato l’umanità fin dall’inizio della storia documentata, gli scienziati non hanno mai approfondito i dettagli della materia con massa negativa fino a quando Joaquin Luttinger nel 1951 ha presentato un’iscrizione al concorso della Gravity Research Foundation. Ha vinto il quarto premio per la sua analisi delle equazioni meccaniche classiche nella proposta di oggetti con massa negativa.

Luttinger ha osservato che respingerebbero gravitazionalmente tutti gli oggetti di qualsiasi massa (positiva o negativa), mentre gli oggetti con massa positiva sarebbero gravitazionalmente attratti da tutti gli oggetti di qualsiasi tipo di massa. Ciò darebbe origine allo scenario divertente in cui un oggetto di -5 kg respingerebbe un oggetto da 5 kg, mentre l’oggetto da +5 kg avrebbe attirato l’oggetto da -5 kg. Di conseguenza, entrambi si spostano nella stessa direzione lungo la linea congiungente dei due, con l’oggetto di massa negativa che segue l’oggetto di massa positiva indefinitamente. Massa negativa agisce ancora più stranamente quando si tenta di manipolarla in recipienti fatti di materia a massa positiva, poiché se la materia con massa negativa urtasse contro la parete, si muoverebbe con sempre più forza fino a sfondare il contenitore.

Nel 1957 Hermann Bondi ha eseguito un’analisi ancora più dettagliata rispetto a Luttinger. Nel contesto della fisica newtoniana, Bondi ha individuato la possibilità di tre tipi di massa: quella inerziale, quella gravitazionale passiva e quella gravitazionale attiva. La massa inerziale è definita dalla seconda legge di Newton, ma solo attraverso l’azione di una forza non gravitazionale.

I condensati di Bose-Einstein si comportano come se avessero massa inerziale negativa. Massa gravitazionale passiva, invece, è la costante di proporzionalità tra la forza prodotta su un oggetto e un campo gravitazionale esterno. Il campo gravitazionale prodotto da un oggetto, secondo la legge di gravitazione universale, è proporzionale alla sua massa gravitazionale attiva. Ed è proprio l’ultima varietà di massa quella che potenzialmente darebbe luogo a campi gravitazionali respingenti piuttosto che attraenti.

Bondi ha poi considerato la dinamica gravitazionale di due corpi – il problema dei due corpi – all’interno della teoria generale di Einstein. La gravitazione di ciascun corpo influenza il movimento degli altri e l’ambiente dello spazio-tempo. Bondi è riuscito a dimostrare che esiste una soluzione alle equazioni piene e accoppiate di relatività generale con la materia, che corrisponde alla spazio-tempo visto da un osservatore uniformemente accelerato, con due regioni all’interno delle quali la massa gravitazionale attiva, in una regione è positiva mentre nell’altra regione è negativa. Inoltre, la densità di energia nella regione di massa gravitazionale attiva positiva è positiva, mentre è negativa nella regione di massa gravitazionale attiva negativa. La densità di energia dà origine alla massa gravitazionale passiva e quindi, tramite il principio di equivalenza, la massa inerziale.

Questo ci porta alla questione della massa gravitazionale attiva e se può essere negativa, consentendo un effetto antigravità.

Nella sua carta Bondi ha osservato che la soluzione di Schwarzschild (colloquialmente nota come la soluzione di buco nero) contiene una costante di integrazione M, che può essere interpretata come la massa gravitazionale attiva della soluzione. Questa M può essere positiva o negativa; la metrica soddisfa l’equazione del vuoto di Einstein per entrambi i segni della massa.

Perché esiste una soluzione per la massa negativa?

Sembra essere una soluzione spuria. Infatti, nessuna distribuzione iniziale di materia con massa positiva si evolverà mai verso una regione locale dello spazio-tempo con una massa negativa di Schwarzschild.

Sebbene entrambe le soluzioni, sia per massa negativa che per quella positiva, siano simili, la soluzione per la massa negativa ha una singolarità nuda – cioè non c’è orizzonte degli eventi che maschera la singolarità dalla vista di un osservatore esterno. Le singolarità nude non ci preoccupano in altri contesti. Nell’elettrodinamica, per esempio, abbiamo allegramente la possibilità di cariche puntiformi poiché possiamo appianare la singolarità da una densità di carica non singolare.

Appianare la singolarità della soluzione per la massa negativa di Schwarzschild è impossibile in uno spazio-tempo che è asintoticamente piatto. Ma, per fortuna, il nostro universo non è asintoticamente piatto. Uno spazio-tempo di De Sitter ammette una soluzione esatta corrispondente ad un punto materiale in presenza di una bassa costante cosmologica. La massa può essere positiva o negativa. V’è evidenza osservativa per un’ espansione accelerata dell’universo, e la causa dell’accelerazione è ritenuta essere dovuta ad una misteriosa energia oscura, che è la densità di energia del vuoto di un campo non identificato finora.

Nel 2013, io ed un mio studente, Jonathan Belletête, abbiamo vinto il quarto premio, proprio come aveva fatto Luttinger, nel concorso della Gravity Research Foundation. Abbiamo dimostrato come deformare la metrica di Schwarzschild-de Sitter in modo che la singolarità possa essere appianata. In una carta seguente, io e uno studente, Saoussen Mbarek, abbiamo dimostrato che era possibile trovare soluzioni delle equazioni di Einstein con la materia corrispondente ad un fluido perfetto. La materia che dà luogo a massa negativa è contenuta in una bolla sferica. Fuori dalla bolla, lo spazio-tempo corrisponde esattamente alla massa negativa dello spazio tempo di Schwarzschild-de Sitter. Test di prova al di fuori della bolla saranno respinti.

I critici suggeriscono che la massa gravitazionale attiva negativa che abbiamo trovato, proprio come la massa inerziale negativa trovata nel condensato di Bose-Einstein, non è in qualche modo una cosa reale. Essi suggeriscono che è solo relativa alla massa negativa o massa negativa efficace. Tale critica non coglie il punto.

Con un tale punto di vista, si dovrebbe ritenere allora che non vi siano protoni o neutroni, ma solo quark e gluoni, o che in materia condensata non ci siano anioni o coppie di Cooper o carica frazionaria, ma solo elettroni e nuclei atomici. In linea di principio, gradi efficaci o emergenti di libertà possono essere completamente equivalenti ai gradi di libertà originali.

Il concetto di massa negativa illustra il comportamento di certi sistemi in maniera molto più efficiente e compatta, piuttosto che continuare a cercare di descriverli in termini di particelle di massa positiva. Nel contesto cosmologico, si crea un campo gravitazionale repulsivo come può essere accertato attraverso lo studio del comportamento dei corpi di prova al di fuori della bolla di massa negativa. Bolle di massa negativa, come abbiamo descritto sopra, sarebbero potute esistere nell’universo primordiale, con importanti potenziali conseguenze per la cosmologia. Potrebbero anche esistere oggi.

Un’altra preoccupazione frequente espressa sull’esistenza della massa negativa è che causerebbe un’instabilità insostenibile dell’universo. Stephen Hawking, una volta mi ha detto che se la massa negativa esistesse, “l’universo sarebbe instabile e non saremmo qui oggi”.

Ma la massa negativa esiste solo in un universo in espansione, perché la conservazione dell’energia può essere mantenuta solo da coppie di massa positiva-negativa. Se c’è una retroazione della produzione di queste coppie su background energetico cosmologico, la produzione di massa negativa guiderebbe la densità di energia a zero, terminando così la possibilità di una sua produzione e temprando qualsiasi instabilità. Questo meccanismo potrebbe offrire un mezzo per risolvere il problema a lungo dibattuto del perché la costante cosmologica sia così piccola. Nel regno della speculazione, la possibilità di creare bolle di massa negativa in laboratorio potrebbe avere applicazioni incredibili per la produzione di energia, warp-drive engine e armamenti.

Piuttosto che respingere l’idea di massa negativa, i ricercatori dovrebbero cercare di utilizzarla a proprio vantaggio.

Strade per ulteriori studi comprendono la ricerca di modelli dinamici della materia che darebbe luogo a configurazioni di masse negative stabili ed esplorare le conseguenze di massa negativa nella fase inflazionaria dell’universo primordiale. Un plasma di particelle guidata da una massa negativa durante l’epoca inflazionaria avrebbe un’influenza importante sulla propagazione di onde gravitazionali, un effetto che potrebbe essere osservabile nel fondo a microonde.

https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.3.20170524a/full/?fbclid=IwAR3LEAEcColREcQWhzAH7y4CuHWtFj16qmglEqFYyq2KptwOvUP4KuPs9IU

“Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–Coupled Bose-Einstein Condensate” https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.155301