Hispanopedia WikiLa energía negativa es un concepto utilizado en física para explicar la naturaleza de ciertos campos , incluido el campo gravitatorio y diversos efectos de campo cuánticos .
Energía gravitacional
La energía gravitatoria, o energía potencial gravitatoria, es la energía potencial que posee un objeto masivo debido a que se encuentra dentro de un campo gravitatorio. En mecánica clásica , dos o más masas siempre poseen un potencial gravitatorio . La conservación de la energía exige que esta energía del campo gravitatorio sea siempre negativa, de modo que sea cero cuando los objetos están infinitamente separados. A medida que dos objetos se alejan y la distancia entre ellos tiende al infinito, la fuerza gravitatoria entre ellos tiende a cero desde el lado positivo de la recta real y el potencial gravitatorio tiende a cero desde el lado negativo. Por el contrario, a medida que dos objetos masivos se acercan, el movimiento se acelera debido a la gravedad, lo que provoca un aumento en la energía cinética (positiva) del sistema y, para conservar la suma total de la energía, el aumento de la misma magnitud en la energía potencial gravitatoria del objeto se considera negativo. [ 1 ]
Un universo en el que predomina la energía positiva acabará colapsando en un Big Crunch , mientras que un universo "abierto" en el que predomina la energía negativa se expandirá indefinidamente o acabará desintegrándose en un Big Rip . En el modelo de universo de energía cero ("plano" o "euclidiano"), la cantidad total de energía en el universo es exactamente cero : su cantidad de energía positiva en forma de materia se cancela exactamente con su energía negativa en forma de gravedad . [ 2 ] No está claro cuál de estos modelos, si alguno, describe con precisión el universo real.
ergosfera de agujero negro
En el caso de un agujero negro con rotación clásica, esta rotación crea una ergosfera fuera del horizonte de sucesos, donde el espacio-tiempo comienza a rotar, en un fenómeno conocido como arrastre de marcos. Dado que la ergosfera se encuentra fuera del horizonte de sucesos, las partículas pueden escapar de ella. Dentro de la ergosfera, la energía de una partícula puede volverse negativa (debido a la rotación relativista de su vector de Killing ). La partícula de energía negativa entonces cruza el horizonte de sucesos hacia el agujero negro, y la ley de conservación de la energía exige que escape una cantidad igual de energía positiva.
En el proceso de Penrose , un cuerpo se divide en dos: una mitad adquiere energía negativa y cae, mientras que la otra adquiere una cantidad igual de energía positiva y escapa. Se propone que este sea el mecanismo por el cual se genera la intensa radiación emitida por los cuásares . [ 3 ]
Efectos de campo cuánticos
Las energías negativas y la densidad de energía negativa son consistentes con la teoría cuántica de campos . [ 4 ]
partículas virtuales
En la teoría cuántica, el principio de incertidumbre permite que el vacío del espacio se llene de pares virtuales de partícula-antipartícula que aparecen espontáneamente y existen solo por un breve tiempo antes de, generalmente, aniquilarse. Algunas de estas partículas virtuales pueden tener energía negativa. Este comportamiento influye en varios fenómenos importantes, como se describe a continuación.
Efecto Casimir
En el efecto Casimir, dos placas planas colocadas muy cerca una de la otra restringen las longitudes de onda de los cuantos que pueden existir entre ellas. Esto, a su vez, restringe los tipos y, por lo tanto, el número y la densidad de pares de partículas virtuales que pueden formarse en el vacío intermedio, lo que puede resultar en una densidad de energía negativa. Dado que esta restricción no existe o es mucho menos significativa en los lados opuestos de las placas, las fuerzas fuera de las placas son mayores que las que existen entre ellas. Esto provoca que las placas parezcan atraerse entre sí, lo cual se ha medido. Más precisamente, la energía del vacío causada por los pares de partículas virtuales empuja las placas entre sí, y la energía del vacío entre las placas es demasiado pequeña para anular este efecto, ya que pueden existir menos partículas virtuales por unidad de volumen entre las placas que fuera de ellas. [ 5 ]
Luz comprimida
Es posible disponer múltiples haces de luz láser de tal manera que la interferencia cuántica destructiva suprima las fluctuaciones del vacío . Este estado de vacío comprimido implica energía negativa. La forma de onda repetitiva de la luz conduce a regiones alternas de energía positiva y negativa. [ 5 ]
mar de Dirac
Según la teoría del mar de Dirac , desarrollada por Paul Dirac en 1930, el vacío del espacio está lleno de energía negativa. Esta teoría se desarrolló para explicar la anomalía de los estados cuánticos de energía negativa predichos por la ecuación de Dirac . Un año después, tras el trabajo de Weyl , el concepto de energía negativa fue abandonado y reemplazado por una teoría de la antimateria . [ 6 ] : 9 Al año siguiente, 1932, Carl Anderson descubrió el positrón .
Fenómenos de gravedad cuántica
Los intensos campos gravitatorios alrededor de los agujeros negros crean fenómenos que se atribuyen tanto a efectos gravitatorios como cuánticos. En estas situaciones, el vector de Killing de una partícula puede rotar de tal manera que su energía se vuelva negativa. [ 7 ]
radiación de Hawking
Las partículas virtuales pueden existir durante un breve período. Cuando un par de estas partículas aparece cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro, una de ellas puede ser atraída. Esto rota su vector de Killing de modo que su energía se vuelve negativa y el par no tiene energía neta. Esto les permite convertirse en partículas reales y la partícula positiva escapa como radiación de Hawking , mientras que la partícula de energía negativa reduce la energía neta del agujero negro. Por lo tanto, un agujero negro puede evaporarse lentamente. [ 8 ] [ 9 ]
Sugerencias especulativas
Agujeros de gusano
La energía negativa aparece en la teoría especulativa de los agujeros de gusano , donde es necesaria para mantenerlos abiertos. Un agujero de gusano conecta directamente dos ubicaciones que pueden estar separadas arbitrariamente lejos tanto en el espacio como en el tiempo, y en principio permite viajar casi instantáneamente entre ellas. Sin embargo, físicos como Roger Penrose consideran estas ideas poco realistas, más ficción que especulación. [ 10 ]
Motor de curvatura
Se ha propuesto un principio teórico para un motor de curvatura más rápido que la luz (FTL) para naves espaciales, utilizando energía negativa. El motor de Alcubierre se basa en una solución a las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, en la que se construye una "burbuja" de espaciotiempo utilizando una hipotética energía negativa. Esta burbuja se mueve mediante la expansión del espacio detrás de ella y la contracción del espacio delante. La burbuja puede viajar a velocidades arbitrarias y no está limitada por la velocidad de la luz. Esto no contradice la relatividad general, ya que el contenido de la burbuja no se mueve realmente a través de su espaciotiempo local. [ 5 ]
Partículas de energía negativa
Estudios teóricos especulativos han sugerido que las partículas con energías negativas son consistentes con la teoría cuántica relativista, y algunos señalan interrelaciones con la masa negativa y/o la inversión del tiempo. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
Véase también
Referencias
Notas en línea
- ↑ Alan Guth El universo inflacionario: La búsqueda de una nueva teoría de los orígenes cósmicos (1997), Random House, ISBN 0-224-04448-6Apéndice A: Energía gravitacional demuestra la negatividad de la energía gravitacional.
- ↑ Hawking, Stephen (2010). El gran diseño . pág. 180.
- ↑ Penrose 2005, págs. 836-9
- ↑ Everett, Allen; Roman, Thomas (2012). Viajes en el tiempo y motores de curvatura . University of Chicago Press . pág . 167. ISBN 978-0-226-22498-5.
- 1 2 3 Ford y Roman 2000
- ↑ Duck, Ian; Sudarshan, ECG (marzo de 1998). Pauli y el teorema de la estadística de espín . WORLD SCIENTIFIC. doi : 10.1142/3457 . ISBN 978-981-02-3114-9.
- ↑ Penrose 2005, págs. 833-4, 836-7
- ↑ Stephen Hawking; Breve historia del tiempo , Bantam 1988, páginas 105-107. ISBN 0-593-01518-5
- ↑ Penrose 2005, págs. 836-7
- ↑ Penrose 2005, pp.833-4. "... una intención (en mi opinión equivocada) de demostrar que existe algún tipo de viaje a través de un 'agujero de gusano' de ciencia ficción entre universos..."
- ↑ N Debergh, JP Petit y G D'Agostini; " Sobre la evidencia de energías y masas negativas en la ecuación de Dirac a través de un operador unitario de inversión temporal ", Journal of Physics Communications , Volumen 2, Número 11, 2018.
- ↑ Hongwei Yu y Weixing Shu; "Estados cuánticos con densidad de energía negativa en el campo de Dirac y desigualdades cuánticas", Physics Letters B , Volumen 570, Números 1-2, 18 de septiembre de 2003, Páginas 123-128.
- ↑ Frédéric Henry-Couannier; " Energías negativas e inversión temporal en la teoría cuántica de campos y la relatividad general: el lado oscuro de la gravedad ", HAL Open Science , 2004. ⟨hal-00001476v1⟩
Bibliografía
- Lawrence H. Ford y Thomas A. Roman; "Energía negativa, agujeros de gusano y propulsión warp", Scientific American, enero de 2000, 282 , páginas 46-53.
- Roger Penrose; El camino a la realidad , ppbk, Vintage, 2005. Capítulo 30: El papel de la gravedad en la reducción del estado cuántico.
- Energía (física)