L'energia negativa és un concepte utilitzat en física per explicar la naturalesa de certs camps, incloent-hi el camp gravitatori i diversos efectes de camp quàntic.

Energia gravitatòria L'energia gravitatòria, o energia potencial gravitatòria, és l'energia potencial que té un objecte massiu perquè es troba dins d'un camp gravitatori. En mecànica clàssica, dues o més masses sempre tenen un potencial gravitatori. La conservació de l'energia requereix que aquesta energia del camp gravitatori sigui sempre negativa, de manera que sigui zero quan els objectes estan infinitament separats. A mesura que dos objectes s'allunyen i la distància entre ells s'acosta a l'infinit, la força gravitatòria entre ells s'acosta a zero des del costat positiu de la recta dels nombres reals i el potencial gravitatori s'acosta a zero des del costat negatiu. Per contra, a mesura que dos objectes massius es mouen l'un cap a l'altre, el moviment s'accelera sota la gravetat, causant un augment de l'energia cinètica (positiva) del sistema i, per tal de conservar la suma total d'energia, l'augment de la mateixa quantitat en l'energia potencial gravitatòria de l'objecte es tracta com a negatiu.Alan Guth The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins (1997), Random House, Appendix A: Gravitational Energy demonstrates the negativity of gravitational energy.

Un univers en què domina l'energia positiva acabarà col·lapsant en un Big Crunch, mentre que un univers "obert" en què domina l'energia negativa s'expandirà indefinidament o finalment es desintegrarà en un Big Rip. En el model d'univers d'energia zero ("pla" o "euclidià"), la quantitat total d'energia a l'univers és exactament zero: la seva quantitat d'energia positiva en forma de matèria és exactament cancel·lada per la seva energia negativa en forma de gravetat. No és clar quin d'aquests models, si n'hi ha cap, descriu amb precisió l'univers real.

Ergosfera del forat negre Per a un forat negre clàssicament en rotació, la rotació crea una ergosfera fora de l'horitzó d'esdeveniments, en la qual el mateix espai-temps comença a girar, en un fenomen conegut com a arrossegament de fotogrames. Com que l'ergosfera es troba fora de l'horitzó d'esdeveniments, les partícules poden escapar-ne. Dins de l'ergosfera, l'energia d'una partícula pot esdevenir negativa (mitjançant la rotació relativista del seu vector de Killing). La partícula d'energia negativa creua llavors l'horitzó d'esdeveniments cap al forat negre, i la llei de conservació de l'energia exigeix que s'escapi una quantitat igual d'energia positiva.

En el procés de Penrose, un cos es divideix en dos, una meitat guanya energia negativa i cau, mentre que l'altra meitat guanya la mateixa quantitat d'energia positiva i escapa. Això es proposa com el mecanisme pel qual es genera la radiació intensa emesa pels quàsars.

Efectes de camp quàntic Les energies negatives i la densitat d'energia negativa són consistents amb la teoria quàntica de camps.

Partícules virtuals En la teoria quàntica, el principi d'incertesa permet que el buit de l'espai s'ompli amb parells virtuals partícula-antipartícula que apareixen espontàniament i existeixen només durant un curt període de temps abans, normalment, d'aniquilar-se de nou. Algunes d'aquestes partícules virtuals poden tenir energia negativa. Aquest comportament juga un paper en diversos fenòmens importants, tal com es descriu a continuació.

Efecte Casimir En l'efecte Casimir, dues plaques planes col·locades molt a prop restringeixen les longituds d'ona dels quanta que poden existir entre elles. Això, al seu torn, restringeix els tipus i, per tant, el nombre i la densitat de parells de partícules virtuals que es poden formar en el buit intermedi i pot resultar en una densitat d'energia negativa. Com que aquesta restricció no existeix o és molt menys significativa als costats oposats de les plaques, les forces exteriors de les plaques són més grans que les que hi ha entre les plaques. Això fa que les plaques semblin estirar-se mútuament, cosa que s'ha mesurat. Més precisament, l'energia de buit causada pels parells de partícules virtuals està empenyent les plaques juntes, i l'energia de buit entre les plaques és massa petita per negar aquest efecte, ja que poden existir menys partícules virtuals per unitat de volum entre les plaques que les que poden existir fora d'elles.

Llum espremuda És possible disposar múltiples feixos de llum làser de manera que la interferència quàntica destructiva suprimeixi les fluctuacions del buit. Aquest estat de buit comprimit implica energia negativa. La forma d'ona repetitiva de la llum condueix a regions alternes d'energia positiva i negativa.

Mar de Dirac Segons la teoria del mar de Dirac, desenvolupada per Paul Dirac el 1930, el buit de l'espai està ple d'energia negativa. Aquesta teoria es va desenvolupar per explicar l'anomalia dels estats quàntics d'energia negativa predits per l'equació de Dirac. Un any més tard, després del treball de Weyl, el concepte d'energia negativa va ser abandonat i substituït per una teoria de l'antimatèria. L'any següent, 1932, Carl Anderson va descobrir el positró.

Fenòmens de la gravetat quàntica Els intensos camps gravitatoris al voltant dels forats negres creen fenòmens que s'atribueixen tant a efectes gravitatoris com quàntics. En aquestes situacions, el vector Killing d'una partícula pot girar de manera que la seva energia esdevingui negativa.

Radiació de Hawking Les partícules virtuals poden existir durant un curt període. Quan un parell d'aquestes partícules apareix al costat de l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre, una d'elles pot ser atreta. Això gira el seu vector Killing de manera que la seva energia esdevé negativa i la parella no té energia neta. Això permet que esdevinguin reals i la partícula positiva s'escapa com a radiació de Hawking, mentre que la partícula d'energia negativa redueix l'energia neta del forat negre. Així, un forat negre es pot evaporar lentament.Stephen Hawking; A Brief History of Time, Bantam 1988, Pages 105-107.

Suggeriments especulatius Forats de cuc L'energia negativa apareix en la teoria especulativa dels forats de cuc, on es necessita per mantenir el forat de cuc obert. Un forat de cuc connecta directament dos llocs que poden estar separats arbitràriament tant en l'espai com en el temps, i en principi permet un viatge gairebé instantani entre ells. Tanmateix, físics com Roger Penrose consideren aquestes idees com a poc realistes, més ficció que especulació.Penrose 2005, pp.833-4. "... an (in my opinion misguided) intention to show that some kind of science-fiction 'wormhole' travel between universes..."

Motor de deformació L'energia negativa apareix en la teoria especulativa dels forats de cuc, on es necessita per mantenir el forat de cuc obert. Un forat de cuc connecta directament dos llocs que poden estar separats arbitràriament tant en l'espai com en el temps, i en principi permet un viatge gairebé instantani entre ells. Tanmateix, físics com Roger Penrose consideren aquestes idees com a poc realistes, més ficció que especulació.

Motor de deformació S'ha suggerit un principi teòric per a un motor warp més ràpid que la llum (FTL) per a naus espacials, utilitzant energia negativa. El motor d'Alcubierre es basa en una solució a les equacions de camp d'Einstein de la relativitat general en què es construeix una "bombolla" d'espai-temps utilitzant una energia negativa hipotètica. La bombolla es mou llavors expandint l'espai que hi ha darrere i reduint l'espai que hi ha davant. La bombolla pot viatjar a velocitats arbitràries i no està restringida per la velocitat de la llum. Això no contradiu la relativitat general, ja que el contingut de la bombolla no es mou realment a través del seu espai-temps local.

Partícules d'energia negativa Estudis teòrics especulatius han suggerit que les partícules amb energies negatives són coherents amb la teoria quàntica relativista, i alguns assenyalen interrelacions amb massa negativa i/o inversió temporal.N Debergh, J-P Petit and G D’Agostini; "On evidence for negative energies and masses in the Dirac equation through a unitary time-reversal operator", Journal of Physics Communications, Volume 2, Number 11, 2018.Hongwei Yu and Weixing Shu; "Quantum states with negative energy density in the Dirac field and quantum inequalities", Physics Letters B, Volume 570, Issues 1–2, 18 September 2003, Pages 123-128'Frédéric Henry-Couannier; "Negative energies and time reversal in Quantum Field Theory and General Relativity: The Dark Side of Gravity", HAL Open Science, 2004. ⟨hal-00001476v1⟩

Referències

Categoria:Energia Categoria:Física