A pozitív tömegű testekkel kapcsolatban egy rakás mindennapi tapasztalattal rendelkeznünk – sőt lényegében erről szól az életünk: dolgokat emlünk, rakunk arrébb, lendítünk mozgásba vagy fékezünk le. Ezek közé tartozik a saját testünk is. A testek mozgatására vonatkozó egyik legfőbb törvény a tehetlenség törvénye, ezek szerint a testek ellenállnak minden mozgásállapotukban bekövetkező változásnak. A törvényt először Newton fogalmazta meg, aki a a Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica című művében így írta le azt, amit azóta Newton első törvényeként ismerünk:

“Minden test megtartja nyugalmi állapotát vagy egyenes vonalú egyenletes mozgását mindaddig, míg egy másik test vagy mező által kifejtett hatás nem kényszeríti mozgásállapotának megváltoztatására.”

Mi a helyzet azonban a negatív tömegű testekkel? Nos, ez az a pont, ahol a mindennapi tapasztalataink cserben hagynak minket, mivel az ilyen objektumok éppen ellentétesen viselkednek azzal, amit várnánk. Sőt még annál is őrültebben. Mindezekről az Action Lab YouTube csatorna készített egy nagyon szemléletes videót, ahol az ilyen testek viselkedését egyszerű kísérletekkel illusztrálták:

Az első kísérletnél egy pingpong labdát használnak: ebben az esetben ha a labdát el akarjuk mozdítani, akkor a tehetetlenség törvényének megfelelően a labda először ellenáll a mozgásnak, aztán viszont követi azt, méghozzá a rá ható erő irányának megfelelően. Mi a helyzet negatív tömeggel? Szemléltetésként a pingponglabdát vízbe helyezik egy drót segítségével rögzítve – ez az elrendezés jól szimulál egy negatív tömegű testet, illetve annak a viselkedését. Ha ezt a “szerkezetet” vízszintesen elmozdítjuk az egyik irányba, akkor a mozgást leköveti a drót is, ami egy adott irányba húzza pingponglabdát – a labda azonban nem ebbe az irányba fog elmozdulni, hanem a rá ható erővel éppen ellentétesen.

Egy másik jó példa az autóban rögzített lufi: amikor az autó gyorsít, azt várnánk, hogy a lufi hátrafelé mozdul el a tehetetlenség miatt, mint mondjunk a fejünk, ha hirtelen rátaposunk a gázra. Azonban az autóban kialakuló nyomáskülönbségek miatt a lufi valójában előrefelé mozog, ami hasonló ahhoz, ahogyan egy negatív tömegű tárgy viselkedne az alkalmazott erőkkel szemben. A NASA itt egyébként egy rakás érdekességet ír a negatív tömegű testekről, alább ebből is cseresznyézünk.

A lényeg általánosságban tehát, hogy a negatív tömeg mindig a rá ható erővel ellentétes irányba mozdulna el: ha ellökjük magunktól, akkor felénk mozdul, ha magunk felé húzzuk, akkor távolodik.

Jelenlegi ismereteink szerint egyébként a valódi negatív tömegű testek létezése fizikai képtelenség, ugyanakkor a fizikai egyenleteink, beleértve Einstein általános relativitáselméletét is, nem zárják ki ezek elméleti létezését, épp ezért lehet eljátszadozni azzal, hogy miként viselkednének ezek a valóságban. Ez utóbbit egyébként, tehát a negatív tömegű testek elméleti létezésének a lehetőségét az általános relativitáselmélet szerint Hermann Bondi bizonyította be.

Ha pedig létezne, a negatív tömeg elképesztően bizarr módon működne a valóságunkban: például egy negatív tömegű objektumot ha leejtünk, akkor a talajba csapódás hatására tovább gyorsulna ahelyett, hogy visszapattanna. Egyébként az ejtés azért működne, mert egy ilyen test továbbra is a Föld felé zuhanna, aminek oka, hogy a negatív tömeget a pozitív tömeg vonzza, míg a pozitívat a negatív taszítja.

A fentiek miatt pedig, ha egy negatív tömegű bolygó közelítene egy pozitív tömegű (vagyis tényleges) bolygóhoz, akkor a negatív tömeg vonzódna, míg a pozitív tömeg eltaszítódna, ami érdekes forgatókönyvekhez vezetne a két test egymáshoz képesti relatív tömegének a függvényében. Amennyiben például a két bolygó egyforma tömegű, akkor a köztük lévő távolság megőrződne, és az űrben a végtelenségig a gyosulnának.

Lehetne-e akkor elméleti űrhajót építeni, amit negatív és pozitív tömegű testek hajtanak? A válasz, hogy igen, de nem lenne praktikus. Egy ilyen űrhajó csak akkor működik a fentiek alapján (vagyis nem esik szét vagy zuhan össze), ha a két tömeg megegyezik egymással – ez viszont azt jelenti, hogy az űrhajó össztömege zéró. A jó hír, hogy egy zéró tömegű test külső erőhatás nélkül is képes mozogni. A rossz hír, hogy egy ilyen test válasza egy mégiscsak ráható külső erőre közel végtelen, vagyis elég egy porszemcse, sőt egyetlen foton, hogy az űrhajónk elpusztuljon.

Egyébként egy feltételezett negatív tömegű testet meg sem tudnánk tartani a kezünkben, hanem az egyszerűen átesne a tenyerünkön. A szilárd anyagokat ugyanis azért érezzük szilárdnak, mert a Pauli-féle kizárási elv megakadályozza, hogy az elektronok áthaladjanak más elektronokon azonos energiaszinten. A negatív tömegű anyag azonban nem épülhet fel ugyanolyan állapotú elektronokból, protonokból és neutronokból, mint a kezünk, így rá nem vonatkozik a kizárási elv.

Habár a kezünkkel nem, a negatív tömegű anyagot mezők segítségével viszont még mindig lehetne manipulálni.

(A cikkhez használt képet a DALL-E generálta/raketa.hu)