Energia negativa - Negative energy

Energia negativa é um conceito usado em física para explicar a natureza de certos campos , incluindo o campo gravitacional e vários efeitos de campo quântico .

Em teorias mais especulativas, a energia negativa está envolvida na viagem no tempo ao passado, na criação de buracos de minhoca artificiais , que também podem permitir a viagem no tempo , tubos de Krasnikov , unidade de Alcubierre e potencialmente outros tipos de unidades de dobra para viagens espaciais mais rápidas que a luz .

Energia potencial gravitacional

A atração gravitacional positiva entre dois objetos massivos é acompanhada por uma quantidade negativa de potencial gravitacional no campo que os atrai. À medida que a distância entre eles se aproxima do infinito, a atração gravitacional se aproxima de zero do lado positivo da reta numérica real e o potencial gravitacional se aproxima de zero do lado negativo. Portanto, à medida que dois objetos massivos se movem um em direção ao outro, o movimento acelera sob a gravidade causando um aumento na energia cinética (positiva) do sistema e um aumento da mesma quantidade na energia potencial gravitacional (negativa) do objeto. Isso ocorre porque a lei da conservação de energia exige que a energia líquida do sistema não mude. A energia potencial gravitacional é um tipo de energia de ligação.

Um universo no qual a energia positiva domina eventualmente entrará em colapso em um " Big Crunch ", enquanto um universo "aberto" no qual a energia negativa domina se expandirá indefinidamente ou eventualmente se desintegrará em um " grande rasgo ". No modelo do universo de energia zero ("plano" ou "Euclidiano"), a quantidade total de energia no universo é exatamente zero : sua quantidade de energia positiva na forma de matéria é exatamente cancelada por sua energia negativa na forma de gravidade . (Não está claro qual desses modelos, se houver, descreve com precisão o universo real.)

Efeitos de campo quântico

As energias negativas e a densidade de energia negativa são consistentes com a teoria quântica de campos .

Partículas virtuais

Na teoria quântica, o princípio da incerteza permite que o vácuo do espaço seja preenchido com pares partícula-antipartícula virtuais que aparecem espontaneamente e existem por apenas um curto período de tempo antes, normalmente, se aniquilarem novamente. Algumas dessas partículas virtuais podem ter energia negativa. Seu comportamento desempenha um papel em vários fenômenos importantes, conforme descrito a seguir.

Efeito casimiro

No efeito Casimir, duas placas planas colocadas muito próximas uma da outra restringem os comprimentos de onda dos quanta que podem existir entre elas. Isso, por sua vez, restringe os tipos e, portanto, o número e a densidade dos pares de partículas virtuais que podem se formar no vácuo intermediário e podem resultar em uma densidade de energia negativa. Uma vez que esta restrição não existe ou é muito menos significativa nos lados opostos das placas, as forças fora das placas são maiores do que aquelas entre as placas. Isso faz com que as placas pareçam puxar umas sobre as outras, o que foi medido. Mais precisamente, a energia do vácuo causada pelos pares de partículas virtuais está empurrando as placas juntas, e a energia do vácuo entre as placas é muito pequena para anular esse efeito, uma vez que menos partículas virtuais podem existir por unidade de volume entre as placas do que pode existir fora delas.

Luz espremida

É possível organizar vários feixes de luz laser de forma que a interferência quântica destrutiva suprima as flutuações do vácuo . Esse estado de vácuo comprimido envolve energia negativa. A forma de onda repetitiva da luz leva a regiões alternadas de energia positiva e negativa.

Mar de Dirac

De acordo com a teoria do mar de Dirac , desenvolvida por Paul Dirac em 1930, o vácuo do espaço está cheio de energia negativa. Esta teoria foi desenvolvida para explicar a anomalia dos estados quânticos de energia negativa previstos pela equação de Dirac .

A teoria do mar de Dirac previu corretamente a existência de antimatéria dois anos antes da descoberta do pósitron em 1932 por Carl Anderson . No entanto, a teoria do mar de Dirac trata a antimatéria como um buraco onde existe a ausência de uma partícula, e não como uma partícula real. A teoria do campo quântico (QFT), desenvolvida na década de 1930, lida com a antimatéria de uma forma que trata a antimatéria como feita de partículas reais em vez da ausência de partículas, e trata o vácuo como sendo vazio de partículas em vez de cheio de partículas de energia negativa como na teoria do mar de Dirac.

A teoria quântica de campos substituiu a teoria do mar de Dirac como uma explicação mais popular desses aspectos da física. Tanto a teoria do mar de Dirac quanto a teoria quântica de campo são equivalentes por meio de uma transformação de Bogoliubov , de modo que o mar de Dirac pode ser visto como uma formulação alternativa da teoria quântica de campo e, portanto, é consistente com ela.

Fenômenos de gravidade quântica

Os intensos campos gravitacionais em torno dos buracos negros criam fenômenos que são atribuídos a efeitos gravitacionais e quânticos. Nessas situações, o vetor Killing de uma partícula pode ser girado de forma que sua energia se torne negativa.

Radiação Hawking

As partículas virtuais podem existir por um curto período. Quando um par dessas partículas aparece próximo ao horizonte de eventos de um buraco negro, uma delas pode ser atraída. Isso gira seu vetor de Killing para que sua energia se torne negativa e o par não tenha energia líquida. Isso permite que eles se tornem reais e a partícula positiva escape como radiação Hawking , enquanto a partícula de energia negativa reduz a energia líquida do buraco negro. Assim, um buraco negro pode evaporar lentamente.

Ergosfera e quasares do buraco negro

Para um buraco negro em rotação, a rotação cria uma ergosfera fora do horizonte de eventos. Como a ergosfera está fora do horizonte de eventos, as partículas podem escapar dela. Dentro da ergosfera, o vetor Killing de uma partícula pode ser girado para fornecer energia negativa. A partícula de energia negativa então cruza o horizonte de eventos até o buraco negro, com a lei de conservação de energia exigindo que uma quantidade igual de energia positiva escape. Acredita-se que seja assim que a intensa radiação emitida pelos quasares é gerada.

Sugestões especulativas

Buracos de minhoca

A energia negativa aparece na teoria especulativa dos buracos de minhoca , onde é necessária para mantê-los abertos. Um buraco de minhoca conecta diretamente dois locais que podem ser separados arbitrariamente distantes no espaço e no tempo e, em princípio, permite uma viagem quase instantânea entre eles. No entanto, físicos como Roger Penrose consideram essas ideias irrealistas, mais ficção do que especulação.

Warp drive

Foi sugerido um princípio teórico para um impulso de dobra mais rápido que a luz (FTL) para espaçonaves, envolvendo energia negativa. O impulso de Alcubierre compreende uma solução para as equações da relatividade geral de Einstein , nas quais uma bolha do espaço-tempo se move rapidamente ao expandir o espaço atrás dela e encolher o espaço à sua frente.

Veja também

• Antimatéria
• Energia escura
• Matéria escura
• Matéria exótica
• Massa negativa
• Pressão § Pressões negativas

Referências

Notas embutidas

Bibliografia

• Lawrence H. Ford e Thomas A. Roman; "Negative energy, wormholes and warp drive", Scientific American, janeiro de 2000, 282 , páginas 46-53.
• Roger Penrose; The Road to Reality , ppbk, Vintage, 2005. Capítulo 30: O papel da gravidade na redução do estado quântico.