¿Masa negativa?… hay una explicación mucho más sencilla

Imagen basada en la original de Marek Ziolkowski

Masa negativa… sí, has leído bien. Parece que tenemos el “patio” de la física un poco revolucionado. El pasado 10 de abril, un grupo de científicos del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Estatal de Washington (y otros) publicaron un artículo en Physical Review Letters titulado: “Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–Coupled Bose-Einstein Condensate”.  Aquí te dejo un enlace al texto completo publicado en Arxiv el 19 de abril.

Los posteriores titulares en prensa no pueden ser más llamativos: “La misteriosa masa negativa que desafía a Newton” (ABC), “Crean un objeto con “masa negativa”: va para el lado contrario al que lo empujas y desafía las leyes físicas de Isaac Newton” (BBC), “Logran producir un fluido con “masa negativa”, ¿cómo sería pesar al revés?” (Hipertextual), “Físicos afirman haber creado fluido con “masa negativa”” (Unocero), “La “masa negativa” acaba de ser creada en el laboratorio” (N+1), …

 

Imagen de Marcus Mailov

Los periodistas de ciencia se hacen eco inmediatamente de cualquier publicación que reporte la observación de algún fenómeno sorprendente y, sin dar apenas tiempo para que los científicos puedan debatir al respecto, la opinión pública ya está al tanto del asunto. Es lo que tiene Internet, que las noticias se mueve deprisa, pero esto hace que la calidad de información no siempre sea todo lo buena que cabría esperar y este, para mí, es un claro ejemplo.

 

¡Uffff…yo también voy muy deprisa! Doy por hecho que has leído sobre el asunto y quizá no sea el caso, así que antes de seguir voy a describir brevemente en qué consiste el experimento: se trata de enfriar átomos de rubidio hasta lograr un condensado de Bose-Einstein, para ello utilizan láseres que mantienen confinados los átomos con menos energía en un recinto de unos 100 micrómetros de diámetro, al tiempo que se permiten a los átomos más energéticos escapar en forma de vapor, de esta manera la temperatura disminuye hasta situarse muy poco por encima del cero absoluto. En este estado, la materia se comporta como un superfluido (sin viscosidad) con carga eléctrica negativa y se puede mantener en rotación continua con un flujo constante que no pierde energía por rozamiento.

 

Impresión artística de una nanopartícula en una trampa de luz láser. Imagen: Iñaki González y Jan Gieseler

Una vez conseguido esto, se usan láseres complementarios para excitar los átomos haciéndolos fluir alternativamente en rotación opuesta hasta que algunos escapaban aceleradamente del recinto. Ya en el exterior, son pulsados con otro láser y es entonces cuando se manifiesta el fenómeno que tanto ha desconcertado a los científicos, esto es, los átomos se mueven hacia el origen de la luz en lugar de ser empujados por esta.

 

La zona de puntos rojos es donde se manifiesta el efecto. Imagen del artículo en PhysRevLett

La cuestión es: ¿es esta una manifestación de masa newtoniana (gravitatoria) negativa?

 

Si vamos al artículo original y leemos el extracto, rápidamente observamos que ahí la cosa cambia respecto a lo expresado en el título. Cuando dicen “masa negativa” se refieren a “masa efectiva negativa” en un condensado de Bose-Einstein superfluido y, aunque parezca lo mismo, resulta que ese tecnicismo es muy importante porque, según nos explica Francisco R. Villatoro en su blog: “en un condensado de Bose-Einstein superfluido, la energía equivale a una masa efectiva”, “la masa efectiva es un concepto muy usado en el estudio de ondas en materia condensada y física del estado sólido”, “no hay ninguna relación directa con la gravitación universal de Newton”, “lo único que se ha observado es que la relación de dispersión tiene regiones de curvatura positiva y de curvatura negativa”, …

 

Imagen incluida en la publicación de PhysRevLett

Casi todos entendemos “masa” como un concepto relacionado con la interacción gravitacional de la materia, pero el concepto de “masa efectiva” no es equiparable, se aplica a ondas y, en este caso, lo utilizan porque actualmente se cree que el condensado de Bose-Einstein es un estado cuántico ondulatorio.

Pero claro, si esto no se explica previamente y tienes como único referente paradigmático el modelo estándar de la física subatómica, un modelo básicamente matemático, no te queda otra que pensar en ponerle un signo negativo a las ecuaciones donde aparezca la masa, porque actualmente el fotón se concibe como una onda-corpúsculo que transmite su momento lineal a los electrones como si de choques elásticos se tratara y parece estar claro que en este experimento ocurre todo lo contrario, por tanto sería lógico pensar que, si existe una carga eléctrica positiva y otra negativa, ¿por qué no podría ocurrir lo mismo con la masa? ¿Y quién ha dicho que lógico sea sinónimo de acertado? Teniendo en cuenta que el origen de la fuerza de la gravedad es todavía una gran incógnita, yo me fío más del sentido común y me guío, en lo posible, por el principio de simplicidad.

Por suerte, el modelo estándar no es el único marco teórico posible, también tenemos la teoría de ruedas y, con ella, veremos que podemos ofrecer una explicación coherente y sencilla a lo observado en este experimento sin que los conceptos de masa o de gravitación se vean involucrados.

En la siguiente imagen os muestro el modelo de átomo de esta teoría, al que se llega tras la descripción de las interacciones que, de forma causal, dan lugar a la evolución de la materia y la energía hasta formar lo que conocemos como “materia brillante” -está todo explicado en mi libro-.

 

Modelo de átomo de la Teoría de Ruedas

 

Es importante observar que los electrones (de color cian) no orbitan alrededor del átomo ni son una onda de probabilidad formando un orbital, sino que “rebotan” sobre los protones (de color magenta) como un oscilador armónico simple. Por sorprendente que parezca, este modelo coincide con la descripción matemática de las ecuaciones de: Heisenberg, Born y Jordan, con la mecánica de matrices; y Schrödinger, con su mecánica ondulatoria que después fue completada por Dirac haciéndola compatible con la relatividad general. Y eso, a pesar de que ninguno de ellos tenía una imagen mental de este modelo y nuestros puntos de partida hayan sido completamente diferentes.

Movimiento armónico simple unidireccional en los rebotes del electrón (función de onda)

Los electrones son ruedas, diminutos giróscopos formado por estructuras de quarks con la capacidad de capturar y almacenar la energía de los fotones que las hace girar. De esta manera, los electrones generan sus propios momentos magnético y lineal. La fuerza electrostática atractiva entre cargas eléctricas opuestas hace que electrones y protones tiendan a acercarse. Los efectos de impulsión de las ruedas y las fuerzas magnéticas repulsivas del mismo signo enfrentadas, cuando ambas partículas están muy cerca, explican los rebotes.

 

 

Es muy simple pero, como todo lo nuevo, hace falta un tiempo para asimilarlo. Una vez que se entiende resulta evidente. Ocurre lo mismo que cuando te explican por primera vez que la tierra es esférica y gira alrededor del Sol.

 

 

¡Vale, tómate tu tiempo!

 

Ahora piensa que la distancia a la que llega cada electrón en los rebotes está condicionada por la energía del entorno, es decir, por lo energéticos que sean los fotones y al número de estos que estén presentes. Si reducimos la temperatura al mínimo, los rebotes se producirán muy cerca del núcleo, con lo cual llegará un momento en que los enlaces moleculares no serán posibles y las cargas eléctricas de los electrones apantallarán la fuerza electrostática de los protones, pudiendo detectarse sólo la fuerza electrostática negativa.

 

Condensado Bose-Einstein
Condensado de Bose-Einstein mostrando mostrando la fuerza electrostática negativa, en tonos azules en las zonas menos energéticas. Imagen de NIST/JILA/CU-Boulder

Así de simple es la explicación de como se forma un condensado de Bose-Einstein. Cada átomo muestra exclusivamente carga eléctrica negativa y las fuerzas de repulsión electrostática entre ellos son muy intensas, no forman ninguna estructura molecular ni cristalina, por tanto se comporta como un líquido superfluido que será repelido igualmente por la fuerza electrostática de los electrones de los átomos del recipiente que lo contenga.

 

Ahora hablemos de la interacción entre fotones y electrones. En este modelo los fotones son los que aportan la energía, pero no la transmiten en forma de choques elásticos entre corpúsculos como se podría deducir de la interpretación errónea del efecto Compton. Los fotones cuya energía sea inferior a la de los rayos X serán absorbidos completamente por los electrones, incrementando su momento lineal justo en la dirección en la que fueron capturados los fotones y en sentido perfectamente opuesto.

 

 

La prueba de esto se puede conseguir experimentando con el efecto fotoeléctrico, observando las trayectorias de los fotoelectrones emitidos y comparándolas con las de los fotones incidentes. Estamos acostumbrados a pensar en este efecto como se describe en la imagen siguiente, pero esto no se corresponde con la realidad.

 

Interpretación errónea del efecto fotoeléctrico

 

Bueno, pues ya tenemos todos los elementos definidos en un nuevo marco teórico natural coherente que es consistente con la observación del efecto que nos ocupa y, por tanto, podemos ofrecer esa explicación sencilla que antes mencioné, esta es:

 

Un electrón adquiere momento lineal para alejarse del núcleo en la misma dirección y sentido opuesto a la trayectoria del fotón cuya energía capture. Si el electrón forma parte de un átomo que se encuentre previamente en estado de mínima energía (condensado de Bose-Einstein), el tirón electrostático al núcleo será mucho más definido en tanto los demás electrones apenas tienen energía para compensarlo con sus rebotes en otras direcciones, lo que se observará como una reacción del átomo en su conjunto en contra de la acción del fotón incidente.

 

Bueno, pues… ¡ahí lo tienes, sencillo y sin recurrir a efectos gravitacionales! Ahora Newton va a poder dejar de revolverse en su tumba de abadía de Westminster.

 

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