Negatieve massa geproduceerd
Massa is altijd positief. Er zijn in de natuur geen verschijnselen bekend die een negatieve massa hebben. Althans: tot nu toe. Nu is een groep onderzoekers er voor het eerst in geslaagd om materie zich te laten gedragen als negatieve massa.
Wat is massa?
Massa lijkt een van de eenvoudigste begrippen in de natuurkunde. Schijn bedriegt hier. Hoewel Newton zijn mechanica al meer dan vier eeuwen geleden opstelde, is massa nog steeds niet geheel begrepen. Om enkele voorbeelden te geven: fotonen, lichtdeeltjes, hebben geen massa. Het is echter wél theoretisch mogelijk om licht op te sluiten in een volmaakt spiegelende bol en dan blijkt licht wel degelijk massa te hebben; het is de opsluiting van energie die massa produceert. Het meest raadselachtige aan massa is misschien wel dat het zowel traag als zwaar is, dat de verhouding traagheid/zwaarte altijd gelijk blijft. Een massa van 1 kg valt daarom even snel als een massa van 10 kg.
Hoe gedraagt negatieve massa zich?
In theorie is het mogelijk om een minteken achter het massagetal te zetten. Je beschrijft dan negatieve massa. Op dit moment zijn er geen echte voorbeelden van negatieve massa bekend – het ‘leger dan leeg’ quantumvacuüm tussen twee platen dat het Casimireffect veroorzaakt komt er wellicht het dichtste in de buurt. Negatieve massa versnelt tegengesteld aan de richting van de versnellende kracht. Een trap tegen een bal met negatieve massa betekent dat deze jouw kant op komt vliegen. Natuurkundigen berekenden dat de ‘klassieke’ variant van negatieve massa, waarbij positieve massa alles aantrekt en negatieve massa alles afstoot, tot onzinnige uitkomsten leidde en hiermee logisch onmogelijk is. Als negatieve massa bestaat, moet deze andere negatieve massa aantrekken, maar positieve massa afstoten. Dit type is wel theoretisch mogelijk.
Bose-Einstein condensaat
Een ijzeren natuurwet is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Als bijvoorbeeld de snelheid zeer nauwkeurig bekend is, wordt de positie zeer onnauwkeurig. Van een atoom in de buurt van het absolute nulpunt is de snelheid zeer nauwkeurig bekend: vrijwel nul. Dat maakt dat de positie zeer onnauwkeurig wordt: het atoom is overal tegelijk, m.a.w. verandert in een ijle waarschijnlijkheidswolk. In een Bose-Einstein condensaat overlappen de waarschijnlijkheidswolken van bosonische atomen (even aantal sub-deeltjes, zoals bij een helium-4 atoom) elkaar. Kwantummechanisch gezien is er geen onderscheid meer tussen deze atomen; ze gedragen zich als één geheel. Dit punt bereiken vereist nanokelvins, m.a.w miljardsten van graden boven het absolute nulpunt.
Hoe ontstond de negatieve massa?
Een Bose-Einstein condensaat is een extreem koud wolkje dat door middel van bijvoorbeeld lasers op zijn plaats gehouden wordt. Zo ook in dit experiment met rond de honderdduizend rubidiumatomen. Met een tweede verzameling lasers brachten de onderzoekers het condensaat in de gewenste spin- en baantoestand. Het condensaat werd in één dimensie vrijgelaten, waardoor het condensaat zich uitbreidde in deze dimensie. Hierbij ontstond er een gebied met pseudo-negatieve massa. Zodra het condensaat zich in dit gebied uitbreidde, gedroeg het zich alsof het negatieve massa had. Dat wil zeggen: het ging versnellen in de tegenovergestelde richting. Op de afbeelding is dit te zien omdat in de onderste opname de uitbreiding plotseling stopt, als door een onzichtbare kracht.
Wat is het praktische nut?
Dit is een fundamenteel-wetenschappelijke doorbraak. Als we experimenten kunnen doen met negatieve massa, al is het dan in een pseudo-vorm zoals hier, kunnen we het gedrag van het werkelijke goedje voorspellen, mochten we er in slagen deze te produceren. We kunnen nu ook gerichter zoeken naar verschijnselen waarin het mogelijk een rol speelt. Hebben we eenmaal negatieve massa verkregen, dan zouden we er bijvoorbeeld een wormgat mee open kunnen houden. Wormgaten zijn één van onze beste kanshebbers om sneller dan licht te kunnen reizen, of zelfs naar een ander universum te kunnen reizen. Dit zou het praktisch nut bijna oneindig groot maken, omdat het heelal zo eenvoudig bereisbaar voor ons wordt.
Bron
M. A. Khamehchi et al, Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–coupled Bose-Einstein Condensate, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.155301
(budgetoplossing)