Objeto com massa negativa desafia as leis da Física

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/04/2017

Quando o superátomo é liberado pelos lasers, sua expansão é assimétrica (linha sólida colorida) devido a uma variação na massa efetiva. A linha pontilhada no gráfico indica a massa efetiva, e a área sombreada indica a região de massa negativa efetiva. [Imagem: Mohammad A. Khamehchi et al. - 10.1103/PhysRevLett.118.155301]

Empurrão que puxa

Empurre-o e, ao contrário de todos os objetos físicos no mundo que conhecemos, ele não irá se acelerar na direção em que foi empurrado - ele acelera para trás, na sua direção.

Assim se comporta o objeto com massa negativa criado por Mohammad Khamehchi e seus colegas da Universidade do Estado de Washington, nos EUA.

Não é exatamente uma novidade experimental, mas Khamehchi idealizou um sistema que permite um controle sem precedentes da matéria negativa, eliminando dúvidas sobre experimentos anteriores e abrindo o caminho para a utilização da técnica em outros estudos.

Por exemplo, elétrons com massa negativa podem abrir caminho para novas formas de condução de cargas elétricas, enquanto outros pesquisadores já falam até mesmo de um motor fotônico que acelera continuamente.

Criando massa negativa

A teoria já previa que a matéria poderia ter massa negativa, da mesma forma que uma carga elétrica pode ser positiva ou negativa. Mas raramente pensamos nesses termos, e nosso mundo cotidiano vê apenas os aspectos positivos da Segunda Lei do Movimento de Isaac Newton, em que uma força é igual à massa de um objeto vezes sua aceleração, ou F = ma.

Para botar nosso mundo cotidiano às avessas, Khamehchi usou feixes de laser para esfriar átomos do elemento rubídio a uma temperatura pouco acima do zero absoluto, produzindo um Condensado de Bose-Einstein. Nesse estado da matéria, os átomos se movem de forma extremamente lenta e, conforme previsto pela mecânica quântica, se comportam como ondas. Eles também se sincronizam e se movimentam de forma coordenada, como se fossem um superátomo único - eles se tornam um superfluido, que flui sem perder energia.

Os lasers prendem os átomos como se eles estivessem em uma bacia com menos de 100 micrômetros de diâmetro. Neste ponto, o superfluido de rubídio tem massa normal. Mas, quando a bacia de laser é quebrada, o superátomo de rubídio se expande.

Para criar a massa negativa, os pesquisadores aplicaram um segundo conjunto de lasers que empurra esses átomos em expansão de um lado para outro, mudando o modo como eles giram. Desta forma, quando alguns átomos de rubídio escorrem para fora da armadilha original rápido o suficiente, eles se comportam como se tivessem massa negativa.

"Assim que você o empurra, ele acelera em sua direção," disse o professor Michael Forbes. "Parece que o rubídio se choca contra uma parede invisível".

"O que é novidade aqui é o controle requintado que temos sobre a natureza dessa massa negativa, sem quaisquer outras complicações", completou Forbes.

A novidade do experimento é o nível de controle obtido da porção dos átomos de rubídio com massa negativa. [Imagem: Mohammad A. Khamehchi et al. - 10.1103/PhysRevLett.118.155301]

Uso na astrofísica

A equipe acredita que seu experimento ajudará a esclarecer comportamentos similares já observados experimentalmente em outros sistemas, explicando esses comportamentos anômalos em termos de massa negativa.

Isso cria uma ferramenta para estudar a física análoga observada na astrofísica, como nas estrelas de nêutrons e em fenômenos cosmológicos como buracos negros e energia escura, onde é impossível realizar experimentos.

Bibliografia:

Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit-Coupled Bose-Einstein Condensate
Mohammad A. Khamehchi, Khalid Hossain, Maren E. Mossman, Yongping Zhang, Thomas Busch, Michael McNeil Forbes, Peter Engels
Physical Review Letters
Vol.: 118, 155301
DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.155301