Materia negativa para propulsión antigravitatoria de naves interestelares

El profesor Cavor acaba de hacer un descubrimiento que revolucionará el mundo: una sustancia a base de helio y otros metales que tiene la fantástica propiedad de anular la fuerza de la gravedad. En un alarde de modestia y humildad típicamente científicas decide bautizar dicha sustancia con el evocador nombre de cavorita. Y para mostrar a la humanidad su proeza decide construir una nave espacial en forma de esfera con objeto de viajar hasta la Luna. Una vez allí, se encuentra con una raza de criaturas insectoides gigantes inteligentes.

El método empleado para propulsar la nave consiste, básicamente, en impregnar su superficie con cavorita. Haciendo uso de sus propiedades antigravitatorias, el vehículo se ve repelido por la superficie terrestre, alejándose paulatinamente sin necesidad de ninguna otra clase de combustible. Mediante unas persianas móviles distribuidas por la superficie de la esfera que se abren y cierran a voluntad se consigue exponer una mayor o menor superficie del vehículo a la acción de la cavorita, con lo que éste se puede dirigir convenientemente hacia el destino elegido.

Los dos párrafos anteriores hacen alusión al argumento de la novela titulada Los primeros hombres en la Luna (The First Men in the Moon, 1901) escrita por el inigualable H. G. Wells. Posteriormente, sería llevada al cine bajo el inspirador título de La gran sorpresa (First Men in the Moon, 1964), aunque ya existía una versión muda previa de 1919.

Desde que se conocen las cuatro interacciones fundamentales que rigen el universo (gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil), el ser humano ha intentado comprenderlas, controlarlas y dominarlas. Hemos enviado sondas espaciales que han abandonado prácticamente nuestro sistema solar, la energía que utilizamos proviene de reactores nucleares o centrales hidroeléctricas mayoritariamente, viajamos en trenes que se desplazan a enormes velocidades gracias al fenómeno de la levitación magnética, etc., etc.

Y, sin embargo, a pesar de todos estos avances, nunca hemos logrado apantallar la fuerza gravitatoria de modo semejante a como lo hemos hecho con las fuerzas eléctrica y magnética, por ejemplo. Estamos habituados a que las fuerzas eléctricas y magnéticas sean de carácter tanto atractivo como repulsivo, pero desde que sir Isaac Newton nos obsequiase con su célebre ley de la gravitación universal, que afirma que la fuerza entre dos cuerpos cualesquiera dotados de masa siempre es atractiva, hemos estado buscando la manera de soslayar este principio. ¿Cómo conseguir bloquear o anular la atracción gravitatoria y, sobre todo, cómo invertirla y hacerla repulsiva, de modo semejante al maravilloso descubrimiento del profesor Cavor?

Quizá una de las personas que hayan estado más cerca (al menos así lo afirma él mismo) de alcanzar semejante hazaña haya sido el físico ruso Eugene Podkletnov, quien en 1992, mientras trabajaba en la Tampere University of Technology, en Finlandia, afirmó haber llevado a cabo un experimento con ayuda de un disco superconductor que rotaba a gran velocidad y que parecía reducir el peso de los objetos situados por encima del mismo hasta en un 0,3 %. Posteriormente, en 1996, refinó su técnica y llegó a medir disminuciones del 2 %. El denominado "efecto Podkletnov" no era magnético, pues se puso mucho cuidado en realizarlo con materiales de todas clases, magnéticos o no.

El descubrimiento del físico ruso despertó una enorme controversia en todo el mundo y multitud de grupos de otros centros de investigación intentaron reproducir los resultados, al parecer sin lograrlo. Podkletnov fue despedido de la universidad finlandesa, aunque sigue afirmando que varios colegas en Canadá e Inglaterra han logrado obtener resultados similares a los suyos. Sea como fuere, la verdad es que muchos colegas creen que el científico ruso no está en sus cabales o, como poco, falseó sus resultados.

Pero volvamos de nuevo al mundo de la ciencia ficción. ¿Podría existir una sustancia con las propiedades de la cavorita, tal vez dotada de masa negativa, en el sentido "clásico"? Al fin y al cabo, la singular "materia exótica" posee un comportamiento repulsivo y una densidad de energía negativa. ¿No cabría la posibilidad de que fuésemos capaces de disponer de cuerpos dotados con una masa negativa? ¿Qué comportamiento mostrarían estos cuerpos en presencia de otros, de la misma clase o diferente que la suya?

Imaginemos por un momento que la nave espacial del profesor Cavor fuese agraciada con una masa negativa, cortesía de la fantástica cavorita. Admitamos, asimismo, que las leyes de Newton siguen teniendo validez. ¿Cómo se moverá la esfera antigravitatoria con respecto a la Tierra? Veámoslo.

La ley de la gravitación universal afirma, como ya dije más arriba, que dos masas cualesquiera ejercen fuerzas mutuas que crecen con los valores de dichas masas y, en cambio, disminuyen en relación inversa con el cuadrado de su separación. Así pues, un cuerpo como la Tierra (con masa positiva) ejercerá una fuerza sobre la cápsula espacial (con masa negativa) que será repulsiva.

Lo anterior significa que si imaginamos el cuerpo de masa negativa situado, a efectos de claridad explicativa, sobre la vertical del punto de la Tierra en que nos encontremos, la fuerza ejercida por nuestro planeta sobre aquél llevará la dirección vertical en sentido ascendente. Por otro lado, si la tercera ley de Newton es válida, la misma fuerza pero opuesta (en este caso, vertical en sentido descendente) actuará sobre la Tierra debido a la acción de la nave espacial embadurnada de cavorita. ¿Significa todo esto que ambos cuerpos (Tierra y nave) tenderán a separarse alejándose paulatinamente el uno del otro? Detengámonos por un momento en esta cuestión.

Obviamente, en el caso de que los dos objetos tuviesen masas positivas, sabemos que ambos ejercerían fuerzas mutuas dirigidas, en sentido vertical descendente sobre la nave y vertical ascendente sobre la Tierra, respectivamente. De este modo, ambos cuerpos "caerían" el uno hacia el otro. Pero esto no es más que una consecuencia de la segunda ley de Newton. En efecto, esta ley de la dinámica clásica afirma que la aceleración con que se desplaza un objeto tiene la misma dirección que la fuerza neta que actúa sobre él (en lenguaje matemático, F = m a, donde las negritas denotan magnitudes de carácter vectorial). Sin embargo, otra cosa muy distinta es el sentido del vector aceleración, que coincidirá con el de la fuerza siempre y cuando el signo de la masa sea positivo. Así, cuando se considera el movimiento de la nave con masa positiva con respecto a la Tierra, éste debe ser de caída hacia la superficie del planeta, tal y como estamos acostumbrados a ver. Equivalentemente, se puede afirmar que es la Tierra la que cae hacia la nave. Hasta aquí, todo parece bastante normal y de acuerdo a nuestra experiencia.

Ahora bien, regresemos de nuevo a la situación en que la nave espacial cuenta con la inestimable asistencia de la cavorita. Si se le aplica la segunda ley de Newton, la conclusión a la que se llega es que, dado el signo negativo de su masa y que la fuerza que la Tierra ejerce sobre ella lleva la dirección vertical ascendente, entonces el movimiento será vertical descendente (fuerza neta y aceleración son ahora opuestas). Dicho de otro modo: la nave de masa negativa cae hacia el suelo exactamente de la misma forma que si tuviese masa positiva. Siguiendo un razonamiento análogo para el movimiento de nuestro planeta, éste se alejaría en sentido opuesto al de la nave, es decir, verticalmente en sentido descendente. En resumen, ambos cuerpos no se moverían el uno hacia el otro en sentidos opuestos (como cuando tenían masas positivas) sino en el mismo sentido, con la salvedad de que el de menor masa (en este caso, la cápsula espacial), debido a su proporcionalmente mayor aceleración, alcanzaría finalmente al de mayor masa. Profesor Cavor, su gozo en un pozo...

Todo lo anterior fue aprovechado por el físico y célebre autor de ciencia ficción Robert L. Forward para proponer una forma de propulsión de naves espaciales que podrían superar la velocidad de la luz y sin los problemas de aceleración excesiva que acabasen con la tripulación.

Si aún no os ha quedado suficientemente claro que en esto de la antigravedad algo no encaja o no puede ser, al menos en el sentido clásico de suponer las masas con signo negativo, pensad por un momento en un caso totalmente análogo al anterior, es decir, el de la nave antigravitatoria y el planeta con masa positiva. Imaginemos dos partículas muy pequeñas, inicialmente en reposo e idénticas en todos los aspectos excepto en uno: una tiene masa positiva y la otra negativa. Según lo visto en el párrafo anterior, al dejarlas en libertad, e interaccionar entre sí, las dos partículas deberían desplazarse en el mismo sentido y con la misma aceleración. Por lo tanto, sus velocidades respectivas también deberían incrementarse continuamente, mientras que al mismo tiempo la separación entre ambas debería permanecer inalterada. ¿De dónde procedería la energía necesaria?

Fuentes:

Time Travel and Warp Drives: A Scientific Guide to Shortcuts Through Time and Space Allen Everett and Thomas Roman. The University of Chicago Press, 2012.

How to Destroy the Universe and 34 Other Really Interesting Uses of Physics Paul Parsons. Quercus Books, 2011.