La physique théorique imagine qu’il pourrait exister, dans l’univers, de la matière possédant une masse négative. Des chercheurs américains affirment avoir créé une expérience dans laquelle la matière normale simule le comportement de cette matière exotique dans leur laboratoire. © Kito32, Pixabay, CC0 Public Domain

Sciences

Des physiciens ont créé un fluide avec une "masse négative" !

ActualitéClassé sous :physique , masse négative , université de l'Etat de Washington

Par Nathalie Mayer, Futura

Une particule qui se comporte à la fois comme un objet ponctuel et comme une onde..., un chat — celui de Schrödinger — qui est à la fois mort et vivant... et maintenant, un fluide qui présente une masse effective négative. La physique, décidément, n'en finira jamais de nous étonner !

  • L’idée de l’existence d’une masse négative date des années 1950.
  • Lorsque la matière possède une masse négative, elle accélère vers l’arrière lorsqu’on la pousse vers l’avant.
  • L’existence d’une masse négative, ou plus précisément d'une énergie exotique avec ce type de masse pourrait aider à expliquer certains phénomènes observés dans les étoiles à neutrons ou les trous noirs.
  • Des effets quantiques permettent de forcer des particules de matière normale à se comporter comme si elles avaient une masse négative, en particulier avec les électrons dans les solides. On peut donc, parce que les équations sont mathématiquement identiques bien que la physique soit différente, observer des comportement qui simulent ceux d'une matière ou d'une énergie exotique.
  • On vient de produire cette masse négative effective avec un condensat de Bose-Einstein, des atomes de rubidium refroidi par laser presque au zéro absolu.

Des physiciens de l'université de l’État de Washington (États-Unis) affirment avoir créé un fluide qui présente une masse négative comme ils l'expliquent dans un article sur arXiv ! Après tout, il existe bien des objets qui possèdent une charge électrique positive et d'autres, une charge électrique négative. Alors, pourquoi pas des objets pourvus d'une « charge » de masse négative comme il en existe — on en a l'expérience tous les jours — qui présentent une « charge » de masse positive ? Et ces objets-là montreraient la propriété étrange d'accélérer vers l'arrière lorsqu'on les pousse... vers l'avant !

Précisons avant tout que le concept de masse négative pour ce fluide n'est pas du tout celui qui appartient toujours au domaine de la physique théorique. Depuis les années 1950, plusieurs physiciens ont considéré la possibilité de l'existence de matière qui en possède. Leur objectif : trouver une explication à certains phénomènes étranges observés au cœur des étoiles à neutrons, des trous noirs ou des trous de ver. Pour l'heure, la question continue de faire débat au sein de la communauté scientifique. Mais certains physiciens ont d'ores et déjà démontré que les lois de physiques ne pouvaient pas exclure l'idée de l'existence d'une telle « matière négative ». Toutefois, dans le cas présent, il s'agit d'une masse négative effective comme celle que l'on sait produire en physique du solide depuis plusieurs années grâce à des effets quantiques.

Pour créer un fluide qui se comporte comme s'il présentait une masse négative, les chercheurs américains ont refroidi, à l'aide de lasers, des atomes de rubidium à une température à peine au-dessus du zéro absolu. Parce qu'en exploitant l'action mécanique de la lumière particulièrement pure du laser, il est possible de faire chuter la vitesse moyenne d'agitation des atomes. Et il devient possible ainsi d'obtenir ce que les physiciens qualifient de condensat de Bose-Einstein. Un état particulier de la matière dans lequel un grand nombre de particules peut occuper un même état quantique de plus basse énergie appelé état fondamental.

Une photo de Satyandra Nath Bose vers 1925. Ses travaux vont conduire Einstein à découvrir le phénomène quantique appelé depuis condensation de Bose-Einstein. © DP-Wikipédia

Une méthode pour simuler le comportement d'une vraie masse négative ?

Au cœur du fluide créé par les chercheurs, les particules se déplacent incroyablement lentement. Du moins, du point de vue du physicien des particules. Puisque, de plusieurs centaines de mètres par seconde à température ambiante, les particules ne se meuvent plus, ici, qu'à quelques centimètres par seconde. Et, suivant les principes de la mécanique quantique, elles se comportent comme des ondes. Elles ont également tendance à se synchroniser et à se mouvoir à l'unisson pour former un superfluide, c'est-à-dire un fluide qui s'écoule sans perte d'énergie.

Les chercheurs américains ont également profité des lasers pour piéger les atomes de rubidium dans une sorte de bol virtuel ne mesurant pas plus d'une centaine de microns de diamètre. À ce stade, le rubidium présentait encore une masse classique positive. Alors ils ont fait appel à une seconde série de lasers. L'objectif ? Agiter les atomes d'avant en arrière jusqu'à ce que le bol virtuel précédemment créé se brise. Le rubidium s'en est alors échappé suffisamment rapidement pour que celui-ci se comporte comme s'il avait une masse négative effective.

Les résultats obtenus par les chercheurs américains sont intéressants en ceci notamment que la méthode qu'ils ont employée leur permet d'assurer une certaine maîtrise sur la matière de masse négative créée. De quoi donc étudier son comportement de manière précise, et espérer mettre en œuvre des expériences qui permettraient d'en apprendre un peu plus sur ce qui se joue au cœur des étoiles à neutrons, des trous noirs ou des trous de ver en simulant le comportement d'une matière ou d'une énergie exotique mathématiquement décrit par des équations similaires.