Dalam fisika teoretis, Massa negatif adalah gagasan hipotetis bahwa materi bisa ada dengan massa dan gravitasi yang berlawanan dengan massa biasa lain di sekitarnya. Alih-alih 2 kg, massa negatif akan menjadi -2 kg.[1] Tidak seperti materi massa positif biasa, jika massa negatif didorong, ia akan berakselerasi ke arah pendorongnya.[2] Massa akan bertambah cepat searah gayanya.[3]
Hukum Kedua Newton tentang Gerak mengatakan bahwa gaya pada suatu benda sama dengan massa inersia dikalikan percepatan (F = ma). Biasanya, semua nilai itu positif: menerapkan benda bermassa positif akan menghasilkan percepatan positif, mendorong benda ke depan. Tetapi, sebuah benda bermassa negatif, gaya negatif pula, artinya benda akan bergerak ke arah yang berlawanan.[4] Tetapi secara teori, materi dapat memiliki massa negatif dalam arti yang sama seperti muatan listrik dapat menjadi positif atau negatif.[5]
Keberadaan
Tidak ada yang tahu apakah massa negatif bisa eksis tetapi ada banyak analisis untuk menentukan sifatnya. Secara khusus, fisikawan telah menyelidiki apakah massa negatif akan melanggar berbagai hukum alam semesta, seperti kekekalan energi dan Momentum dan oleh karena itu tidak mungkin ada. Analisis ini menunjukkan bahwa meskipun interaksi massa positif dan negatif menghasilkan perilaku yang berlawanan dengan intuisi, hal itu tidak melanggar hukum kekekalan ini.[1] Seperti muatan listrik akan menarik satu sama lain, dan tidak seperti muatan listrik yang akan saling tolak. Ini bisa menghasilkan bintang dan galaksi yang terikat bersama oleh muatan dan bukan gravitasi.[6] Untuk massa negatif, tidak ada horizon peristiwa dan ini mengarah pada singularitas telanjang.[1] Dinamika dari rantai dua massa ekuivalen menunjukkan bahwa dua benda dapat mengalami percepatan sendiri ke arah yang sama ketika massa efektif menjadi massa negatif.[7]
Teori relativitas umum
Dalam relativitas umum, massa negatif mengusir semua massa, yang positif menarik semua.[8] Seperti yang pertama kali dianalisis oleh Hermann Bondi pada tahun 1957, materi bermassa negatif konsisten dengan struktur Teori Relativitas Umum dan ini akan menjadi fenomena yang tidak masuk akal: yang disebut efek pelarian; ketika massa positif bertemu dengan massa negatif, ia lolos, dan massa berjalan setelahnya.[9] Meski awalnya konsep hanya dianggap keingintahuan teoretis, seperti massa negatif, atau "materi eksotis", dan mungkin memiliki sifat yang agak non intuitif.[10] Massa positif adalah tarik-menarik, tetapi dengan massa negatif, gravitasi tiba-tiba bisa menjadi gaya tolak.[11]
Ahli kosmologi telah memeriksa efek massa negatif terhadap struktur ruang-waktu. Mereka umumnya menyimpulkan bahwa materi negatif tidak mungkin ada karena melanggar salah satu asumsi penting di balik teori relativitas umum Einstein. Saat ini, Saoussen Mbarek dan Manu Paranjape dari Université de Montréal di Kanada mengatakan bahwa mereka telah menemukan solusi untuk teori relativitas umum Einstein yang memungkinkan massa negatif tanpa melanggar asumsi esensial apapun. Pendekatan mereka berarti bahwa massa negatif dapat eksis di alam semesta asalkan mekanisme yang masuk akal untuk memproduksinya, mungkin dalam pasangan partikel massa positif dan negatif di alam semesta awal. Kesimpulan mereka memiliki konsekuensi yang lebih luas. Mereka menunjukkan bahwa jika partikel materi positif dan negatif ada di alam semesta, mereka akan membentuk plasma yang akan memberi implikasi penting di masa depan.[1]
Percobaan
Massa negatif sebagian besar hanya ditunjukkan dalam analisis teoretis. Penelitian dari Washington State University pada tahun 2017 melaporkan karya eksperimental terbaru mereka dengan Kondensat Bose-Einstein (BEC). Mereka memanipulasi atom rubidium menggunakan rangkaian laser berteknologi tinggi untuk menjebak, mendinginkan, dan memanipulasi BEC untuk dengan menyetel "spin-orbit coupling", yang merupakan interaksi antara putaran atom dan gerakannya, yang mengembang yang dispersinya menunjukkan wilayah massa efektif negatif.
Ketika salah satu laser bersilangan yang digunakan untuk menjebak atom dimatikan, BEC dibiarkan berkembang sepanjang satu sumbu. Ketika mereka memfilmkan perluasan terkontrol ini di laboratorium, sebuah wilayah muncul di mana menabrak "bendungan tak terlihat", memperlambat kondensat agar tidak menyebar lebih jauh ke arah momentumnya.
Alasan blok mendadak ini kembali ke hubungan dispersi dalam sistem kuantum, yang menghubungkan energi total, E, dengan momentum sistem, p. Hubungan ini dapat diubah, dengan menggunakan set laser kedua dan teknik spin-orbit coupling untuk menciptakan hubungan asimetris antara E dan p. Sebagai hasil dari perubahan ini, terdapat daerah kecil kelengkungan negatif dalam hubungan dispersi - dan dalam percobaan, ini setara dengan massa inersia negatif yang terjadi pada nilai kecepatan tertentu. Ketika kondensat mendekati dan kemudian memasuki rezim kecepatan ini mulai menyebar, mula-mula perluasan melambat, dan kemudian berbalik.[12] Penemuan eksperimental dihasilkan oleh simulasi band tunggal Gross-Pitaevskii, yang menunjukkan bahwa fitur-fitur yang muncul - gelombang kejut, kereta soliton, jebakan diri, dan lain-lain - berasal dari dispersi yang dimodifikasi.[13]
Sekarang, peneliti Universitas Rochester mengatakan bahwa mereka telah mengembangkan perangkat yang dapat membuat partikel yang menunjukkan massa negatif, dengan menggabungkan foton dari sinar laser dan eksiton dalam semikonduktor.
Perangkat ini didasarkan pada laser, dengan perbedaan inti. Biasanya, cahaya dipantulkan di antara sepasang cermin yang berhadapan, dan ruang tempat cahaya itu dibatasi disebut rongga optik, atau rongga mikro. Dalam rongga optik perangkat ini, tim menempatkan semikonduktor setipis atom yang terbuat dari molybdenum diselenida, di mana yang dapat berinteraksi dengan cahaya yang dibatasi. Eksitasi dengan semikonduktor yang digabungkan dalam cahaya laser terbatas membentuk partikel baru yang disebut polariton, yang bermassa negatif.
Para peneliti masih bekerja untuk mengeksplorasi fisika partikel massa negatif di perangkat, dan meskipun aplikasi praktisnya masih jauh, salah satu peningkatan utama adalah laser yang lebih efisien.[4]
Mekanika kuantum
Dalam mekanika kuantum non relativostik, konsep massa negatif dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan Schrödinger dan meninngkatkan laju konvergensi solusi perluasan himpunan basis untuk masalah eigen kuantum. Secara khusus, ketika partikel bermassa negatif bergerak di bawah interaksi tolak, keadaan gerak ternyata terikat pada energi positif.[14] Dalam teori kuantum, bagaimanapun, memungkinkan adanya energi negatif (E= mc2, oleh karena itu, energi negatif juga berarti massa negatif).[11]
Kosmologi
Massa negatif bukanlah ide baru dalam kosmologi. Sama seperti materi normal, partikel negatif akan menjadi lebih menyebar saat alam semesta mengembang - yang berarti gaya tolaknya akan semakin lemah seiring waktu. Akan tetapi, penelitian telah menunjukkan bahwa gaya yang mendorong percepatan perluasan alam semesta adalah konstan tanpa henti. Dua zat misterius hanya dapat disimpulkan dari efek gravitasi, yaitu adalah materi gelap dan energi gelap. Keduanya selalu diperlakukan sebagai fenomena yang terpisah. Studi menunjukkan bahwa keduanya mungkin merupakan bagian dari konsep yang sama.[2] Sifat dasar massa negatif dapat menjelaskan karakteristik penting materi gelap:[15]
- Efek gaya sentripetal tambahan,
- Penjelasan yang diturunkan dari prinsip-prinsip dasar tentang alasan mengapa materi gelap tidak memiliki interaksi elektromagnetik ,
- Gravitasi tolak memastikan distribusi yang hampir merata dan interaksi yang lebih rendah dari materi gelap,
- efek lensa gravitasi ,
- percepatan perluasan alam semesta dapat dijelaskan dengan massa negatif.
Studi terbaru yang dilakukan oleh Farnes (2018) mengusulkan model kosmologis alternatif di mana materi gelap dan energi gelap diganti dengan satu fluida bermassa negatif. Tujuannya untuk menggambarkan sektpr gelap dalam teori pemersatu dengan konstanta kosmologis negatif bertentangan dengan Relativitas Umum dan data observasi yang tidak tersedia.[16] Sejumlah masalah dan ketidaksesuaian dengan observasi di identifikasi. Misalnya, prediksi bentuk dan kepadatan halo materi gelap galaksi salah. Juga, lingkaran cahaya harus kurang masif dari komponen barionik, jika tidak maka mereka akan stabil secara gravitasi. Mungkin masalah paling menantang dalam teori ini adalah adanya versi skala besar dari "efek pelarian", yang akan mengakibatkan semua galaksi bergerak ke arah acak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.[17]
Referensi
- ^ a b c d Blog, The Physics arXiv (2014-07-21). "Cosmologists Prove Negative Mass Can Exist In Our Universe". Medium (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2020-11-17.
- ^ a b "Bizarre 'dark fluid' with negative mass could dominate the universe – what my research suggests". theconversation.com. Diakses tanggal 2020-11-17.
- ^ "Physicists create 'negative mass'". phys.org (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2020-11-17.
- ^ a b "Negative mass particles forged in new laser device". New Atlas (dalam bahasa Inggris). 2018-01-08. Diakses tanggal 2020-11-17.
- ^ "Physicists observe 'negative mass'". BBC News (dalam bahasa Inggris). 2017-04-19. Diakses tanggal 2020-11-17.
- ^ Bonnor, W. B. (1989-11). "Negative mass in general relativity". General Relativity and Gravitation. 21 (11): 1143–1157. doi:10.1007/bf00763458. ISSN 0001-7701.
- ^ "Experimental study on interaction between a positive mass and a negative effective mass through a mass–spring system". Theoretical and Applied Mechanics Letters (dalam bahasa Inggris). 5 (5): 196–199. 2015-08-01. doi:10.1016/j.taml.2015.08.003. ISSN 2095-0349.
- ^ Bondi, Hermann (2011-02-14). "Negative Mass in General Relativity" (dalam bahasa Inggris).
- ^ Jean-Pierre, Petit. "Solving the negative mass paradox". ResearchGate (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2020-11-24.
- ^ "NASA Technical Reports Server (NTRS)". ntrs.nasa.gov. Diakses tanggal 2020-11-24.
- ^ a b "Quantum vacuum: Less than zero energy: Is it possible to borrow energy from an empty space?". ScienceDaily (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2020-11-24.
- ^ "To Disperse, or To Not Disperse: Debating "Negative Mass"". www.aps.org (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2020-11-17.
- ^ Khamehchi, M. A.; Hossain, Khalid; Mossman, M. E.; Zhang, Yongping; Busch, Th.; Forbes, Michael McNeil; Engels, P. (2017-04-10). "Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit--Coupled Bose-Einstein Condensate". Physical Review Letters. 118 (15): 155301. doi:10.1103/PhysRevLett.118.155301.
- ^ Chen, Yu-Hsin; Chao, Sheng D. (2018-02-06). "Negative Mass Can Be Positively Useful in Quantum Mechanics". Journal of the Chinese Chemical Society. 65 (6): 654–666. doi:10.1002/jccs.201700367. ISSN 0009-4536.
- ^ "ResearchGate". ResearchGate (dalam bahasa Inggris). doi:10.13140/rg.2.2.28806.68161/3. Diakses tanggal 2020-11-17.
- ^ Stepanian, A. (2019-07-29). "The invalidity of "negative mass" description of the dark sector". Modern Physics Letters A. 34 (35): 1975002. doi:10.1142/S0217732319750026. ISSN 0217-7323.
- ^ Socas-Navarro, H. (2019-06-01). "Can a negative-mass cosmology explain dark matter and dark energy?". Astronomy & Astrophysics (dalam bahasa Inggris). 626: A5. doi:10.1051/0004-6361/201935317. ISSN 0004-6361.
Lihat pula
