La energía negativa es un concepto utilizado en física para explicar la naturaleza de ciertos campos , incluido el campo gravitacional y diversos efectos de campo cuánticos .
La energía gravitacional, o energía potencial gravitacional, es la energía potencial que tiene un objeto masivo porque se encuentra dentro de un campo gravitacional. En la mecánica clásica , dos o más masas siempre tienen potencial gravitacional . La conservación de la energía requiere que la energía de este campo gravitacional sea siempre negativa, de modo que sea cero cuando los objetos están infinitamente separados. Cuando dos objetos se separan y la distancia entre ellos se acerca al infinito, la fuerza gravitacional entre ellos se acerca a cero desde el lado positivo de la recta numérica real y el potencial gravitacional se acerca a cero desde el lado negativo. Por el contrario, cuando dos objetos masivos se mueven uno hacia el otro, el movimiento se acelera bajo la gravedad provocando un aumento en la energía cinética (positiva) del sistema y, para conservar la suma total de energía, el aumento de la misma cantidad en la energía gravitacional. La energía potencial del objeto se trata como negativa. [1]
Un universo en el que domina la energía positiva acabará colapsando en un " Big Crunch ", mientras que un universo "abierto" en el que domina la energía negativa se expandirá indefinidamente o acabará desintegrándose en un " gran desgarro ". 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 es exactamente anulada por su energía negativa en forma de gravedad . [2] No está claro cuál de estos modelos, si alguno, describe con precisión el universo real.
Para un agujero negro que gira clásicamente, la rotación crea una ergosfera fuera del horizonte de sucesos, en la que el propio espacio-tiempo comienza a girar, en un fenómeno conocido como arrastre de fotogramas. Dado que la ergosfera está fuera del horizonte de sucesos, las partículas pueden escapar de ella. Dentro de la ergosfera, la energía de una partícula puede volverse negativa (mediante la rotación relativista de su vector Killing ). La partícula de energía negativa luego cruza el horizonte de sucesos hacia el agujero negro, y la ley de conservación de la energía requiere que escape una cantidad igual de energía positiva.
En el proceso de Penrose , un cuerpo se divide en dos: una mitad gana energía negativa y cae, mientras que la otra mitad gana la misma cantidad de energía positiva y escapa. Este se propone como el mecanismo por el cual se genera la intensa radiación emitida por los quásares . [3]
Las energías negativas y la densidad de energía negativa son consistentes con la teoría cuántica de campos . [4]
En la teoría cuántica, el principio de incertidumbre permite que el vacío del espacio se llene con pares virtuales partícula-antipartícula que aparecen espontáneamente y existen sólo por un corto tiempo antes de, típicamente, aniquilarse nuevamente. Algunas de estas partículas virtuales pueden tener energía negativa. Este comportamiento juega un papel en varios fenómenos importantes, como se describe a continuación.
En el efecto Casimir, dos placas planas colocadas muy juntas restringen las longitudes de onda de cuantos que pueden existir entre ellas. Esto, a su vez, restringe los tipos y, por tanto, el número y la densidad de pares de partículas virtuales que pueden formarse en el vacío intermedio y pueden dar como resultado una densidad de energía negativa. Como 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 las placas. Esto hace que parezca que las placas tiran entre sí, lo cual se ha medido. Más exactamente, 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 negar este efecto, ya que pueden existir menos partículas virtuales por unidad de volumen entre las placas que las que pueden existir fuera de ellas. [5]
Es posible disponer múltiples haces de luz láser de manera que la interferencia cuántica destructiva suprima las fluctuaciones del vacío . Un estado de vacío tan reducido implica energía negativa. La forma de onda repetitiva de la luz conduce a regiones alternas de energía positiva y negativa. [5]
Según la teoría del mar de Dirac , desarrollada por Paul Dirac en 1930, el vacío del espacio está lleno de energía negativa. Esta teoría fue desarrollada para explicar la anomalía de los estados cuánticos de energía negativa predichos por la ecuación de Dirac . Un año más tarde, tras el trabajo de Weyl , el concepto de energía negativa fue abandonado y sustituido por una teoría de la antimateria . [6] : 9 El año siguiente, 1932, se produjo el descubrimiento del positrón por Carl Anderson .
Los intensos campos gravitacionales alrededor de los agujeros negros crean fenómenos que se atribuyen tanto a efectos gravitacionales como cuánticos. En estas situaciones, el vector de destrucción de una partícula puede rotarse de modo que su energía se vuelva negativa. [7]
Las partículas virtuales pueden existir por un corto período. Cuando un par de tales partículas aparece junto al horizonte de sucesos de un agujero negro, una de ellas puede ser atraída hacia él. Esto hace girar su vector Killing de modo que su energía se vuelve negativa y el par no tiene energía neta. Esto les permite volverse 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 tanto, un agujero negro puede evaporarse lentamente. [8] [9]
La energía negativa aparece en la teoría especulativa de los agujeros de gusano , donde es necesaria para mantener abierto el agujero de gusano. Un agujero de gusano conecta directamente dos lugares que pueden estar separados arbitrariamente tanto en el espacio como en el tiempo y, en principio, permite viajes casi instantáneos entre ellos. Sin embargo, físicos como Roger Penrose consideran que estas ideas son poco realistas, más ficción que especulación. [10]
Se ha sugerido un principio teórico para un motor warp 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 la relatividad general de Einstein en las que se construye una "burbuja" de espacio-tiempo utilizando una hipotética energía negativa. Luego, la burbuja se mueve expandiendo el espacio detrás de ella y reduciendo el espacio delante de ella. 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 en realidad no se mueve a través de su espacio-tiempo local. [5]
Los estudios teóricos especulativos han sugerido que las partículas con energías negativas son consistentes con la teoría cuántica relativista, y algunos notan interrelaciones con la masa negativa y/o la inversión del tiempo. [11] [12] [13]