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En 1970, [[Jean-Marie Souriau]] a démontré, par le [[Groupe de Poincaré|groupe de Poincaré]] de la [[théorie des groupes]], qu'inverser l'énergie d'une particule (d'où sa masse, si elle en à une) revient à inverser sa [[flèche du temps]].<ref>{{ouvrage |nom=Souriau |prénom=J. M. |date=1970 |titre=Structure des Systèmes Dynamiques |url=http://www.jmsouriau.com/structure_des_systemes_dynamiques.htm |lieu=Paris |éditeur=Dunod |page=199 |langue=fr |issn=0750-2435}}</ref>{{,}}<ref>{{ouvrage |nom=Souriau |prénom=J. M. |titre=Structure of Dynamical Systems |chapitre=A mechanistic description of elementary particles: Inversions of space and time |lieu=Boston |éditeur=Birkhäuser |date=1997 |langue = en|isbn=978-1-4612-6692-1 |doi=10.1007/978-1-4612-0281-3_14}}</ref>
En 1970, [[Jean-Marie Souriau]] a démontré, par le [[Groupe de Poincaré|groupe de Poincaré]] de la [[théorie des groupes]], qu'inverser l'énergie d'une particule (d'où sa masse, si elle en à une) revient à inverser sa [[flèche du temps]].<ref>{{ouvrage |nom=Souriau |prénom=J. M. |date=1970 |titre=Structure des Systèmes Dynamiques |url=http://www.jmsouriau.com/structure_des_systemes_dynamiques.htm |lieu=Paris |éditeur=Dunod |page=199 |langue=fr |issn=0750-2435}}</ref>{{,}}<ref>{{ouvrage |nom=Souriau |prénom=J. M. |titre=Structure of Dynamical Systems |chapitre=A mechanistic description of elementary particles: Inversions of space and time |lieu=Boston |éditeur=Birkhäuser |date=1997 |langue = en|isbn=978-1-4612-6692-1 |doi=10.1007/978-1-4612-0281-3_14}}</ref>


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[[Fichier:LorentzianWormhole.jpg|vignette|Exemple de trou de ver]]
L'univers selon la [[relativité générale]] est une [[variété riemannienne]] associé à un [[tenseur métrique]] de l'équation des champ d'Einstein. Dans une telle situation, le mouvement runaway empêche l'existence de la matière négative.
L'univers selon la [[relativité générale]] est une [[variété riemannienne]] associé à un [[tenseur métrique]] de l'équation des champ d'Einstein. Dans une telle situation, le mouvement runaway empêche l'existence de la matière négative.


Quelques {{Lien|trad=bimetric theory|lang=en|fr=théories bimétriques}} de l'univers comme celle déjà mentionnée proposent que deux [[Univers parallèle|univers parallèles]] au lieu d'un seul pourrait exister avec une flèche du temps contraire, lié ensemble depuis le [[Big Bang]] et interagissant ensemble seulement selon la gravitation. <ref name="Sakharov 1980">A.D. Sakharov: "Cosmological model of the Universe with a time vector inversion". ZhETF 79: 689–693 (1980); translation in JETP Lett. 52: 349–351 (1980)
Quelques {{Lien|trad=bimetric theory|lang=en|fr=théories bimétriques}} de l'univers comme celle déjà mentionnée proposent que deux [[Univers parallèle|univers parallèles]] au lieu d'un seul pourrait exister avec une flèche du temps contraire, lié ensemble depuis le [[Big Bang]] et interagissant ensemble seulement par la gravitation. <ref name="Sakharov 1980">A.D. Sakharov: "Cosmological model of the Universe with a time vector inversion". ZhETF 79: 689–693 (1980); translation in JETP Lett. 52: 349–351 (1980)
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:<math>R_{\mu \nu}^{(-)} - {1 \over 2}g_{\mu \nu}\,R^{(-)} g_{\mu \nu}^{(-)} = - {8 \pi G \over c^4} [ \phi T_{\mu \nu}^{(+)} + T_{\mu \nu}^{(-)} ]</math>

L'approximation Newtonienne stipule les lois d'interaction suivantes:

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[[Fichier:LorentzianWormhole.jpg|vignette|Exemple de trou de ver]]
Ces théories spéculatives se basent sur la formation de [[trou de ver|trous de ver]]. Le creux formé dans l'espace temps déboucherait ainsi sur cet univers connexe au notre, lié selon la [[quatrième dimension]], et donc invisible.
Ces théories spéculatives se basent sur la formation de [[trou de ver|trous de ver]]. Le creux formé dans l'espace temps déboucherait ainsi sur cet univers connexe au notre, lié selon la [[quatrième dimension]], et donc invisible.


Version du 15 avril 2015 à 16:44

Page d’aide sur l’homonymie

Ne doit pas être confondu avec antimatière.

En physique théorique, la masse négative est un concept hypothétique postulant l'existence de masse de « charge » négative, tout comme il existe des charges électriques positives et négatives. Cette masse négative aurait des propriétés gravitationnelle et inertielle différentes, mais possiblement symétriques, de la masse « normale ».

Les scientifiques se sont d'abord penchés sur la question car rien ne suggère que toute la masse devrait être positive. Toutefois, ils ont vite compris qu'une telle matière ne respecterait pas une, voir plusieurs conditions sur l'énergie et posséderait certaines propriétés particulières issues de l’ambiguïté du fait que l'attraction devrait référer à la force ou à l'accélération d'orientation opposée de la masse négative[style à revoir].

La représentation connue la plus rapprochée du concept est une région de pression pseudo-négative produite par l'effet Casimir. Le concept de masse négative est utilisé dans certaines théories spéculatives abordant l'idée de construction d'un trou de ver.

Il ne faut pas confondre la masse négative avec l'antimatière, qui a une masse normale[1].

Histoire

En 1957, Hermann Bondi propose l'existence de la masse négative dans un article publié par la revue Reviews of Modern Physics[2]. Il affirme que cela n'induit pas de contradiction logique tant que les trois formes de masse (masse inerte, masses graves passive et active) sont négatives.

Robert L. Forward étudie l'idée, qu'il fera intervenir plus tard dans un concept de propulsion[1].

En 1988, Morris (en), Thorne et Yurtsever soulignent que l'application de la mécanique quantique à l'effet Casimir peut mener à une région de masse négative de l'espace-temps[3]. Ils montrent également que la masse négative pourrait être utilisée pour « stabiliser » un trou de ver[3]. En 1995, Cramer et al. poussent plus loin cette analyse et affirment que de tels trous de ver auraient pu exister lors des premiers instants de l'Univers, stabilisés par des boucles de cordes cosmiques négatives[4].

En 2000, le physicien israélien Max Jammer réalise qu'aucune loi physique n'exclue l’existence de masses négatives[5].

En 2002, Stephen Hawking prouve que l'énergie négative est une condition nécessaire pour la création d'une courbe de temps fermée (en) par la manipulation de champs gravitationnels dans une région finie de l'espace[6].

En 2013, Jonathan Belletête et Manu Paranjape, chercheurs à l'Université de Montréal, démontrent la possibilité mathématique de faire une déformation d'une solution de masse négative singulière vers une configuration non-singulière, à l'intérieur d'un espace-temps de type asymptotique à celui de de Sitter[Quoi ?][7]. Ils n'ont pas montré de quelle sorte de matière pourrait consister cette déformation, seulement qu'il est possible avec de la matière qui obéit à la condition d'énergie dominante. En 2014, Saoussen Mbarek et Manu Paranjape, toujours de l'Université de Montréal, montrent que la masse négative peut produire une solution de Schwarzschild sans violer les conditions d'énergie lorsqu'on répand la singularité avec un fluide parfait[style à revoir][8],[9].

Propriétés et conséquences

Matière exotique

Article détaillé : matière exotique.

En relativité générale

Bien que la relativité générale décrit bien les lois du mouvement pour les particules positive et négative,seule la stress component est incluse parmi les interactions élémentaires.

Généralisée, la masse négative fait référence à toute région de l'espace où une densité de matière négative est mesurée. Cela ce produirait pour une région dans laquelle les composantes de tension du Tenseur d'Einstein sont plus grande en magnitude que la densité de masse. Elle présenterait plusieurs propriétés étranges, telles une possible force gravitationnelle répulsive. Ces caractéristiques ne respectent pas les conditions d'énergie positive de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Cependant, ces conditions ne sont pas requises pour la cohérence mathématique de la théorie. D'autres versions mathématique des conditions d'énergie positive comme les conditions d'énergie faible et d'énergie dominante sont étudiées par Matt Visser[11].

Inertielle par rapport à gravitationnelle

Depuis que Newton a formulé sa théorie sur la gravité, il y a eu trois concept distinct de quantité appelés masse: masse inertielle, masse gravitationnelle "active" (source du champ gravitationnel), et la masse gravitationnelle "passive" (masse évidente qui découle de la force produite dans un champ gravitationnel). Le principe d'équivalence d'Einstein postule que la masse inertielle doit être égale à la masse gravitationnelle "passive". De plus, la loi de conservation de la quantité de mouvement exige que la masse gravitationnelle "active" et "passive" soient identique. Jusqu'à aujourd'hui, toutes les évidences expérimentales démontre que, en effet, elles s'équivalent toujours. En envisageant le concept de masse négative, il est important de considérer lequel des concepts de masse est négatif. Dans la plupart des analyse de la masse négative, on suppose que le principe d'équivalence et de conservation de la quantité de mouvement s'applique. Par conséquent, les trois formes de masse s'équivalent.

En 1951, dans son essai pour la fondation des recherches sur la gravité, Joaquin Mazdak Luttinger considère la possibilité d'une masse négative et comment elle devrait se comporter sous la gravité et autres forces.[12]

Suivant les idées de Luttinger, c'est en 1957 que Hermann Bondi a suggéré dans un article dans Reviews of Modern Physics que la masse pourrait être négative aussi bien que positive.[2] Il mentionne que ça n'implique aucune contradiction logique t'en que les trois formes de masse sont négatives, mais que l'hypothèse de la masse négative implique des formes contre-intuitives de mouvement. Par exemple, un objet avec une masse inertielle négative accélérerait dans la direction opposée à celle vers laquelle il est poussé.

Il y a eu plusieurs autres analyse sur la masse négative, mais aucune d'entre elles n'abordaient la question de l'énergie et le dynamisme nécessaire pour décrire la masse négative. En effet, la solution de Schwarzschild pour les paramètres de la masse négative possède une singularité à une position spatial déterminée. Il est toutefois possible d’atténuer cette singularité en impliquant une densité de masse négative, mais pas avec de l'énergie et dynamisme qui satisfait les conditions sur l'énergie dominantes.

Mouvement runaway

Il est difficile de traduire exactement ce concept tiré de l'anglais qui revient à un mouvement de fugue ou mouvement de propulsion comme décrit plus haut. Sans qu'aucune particule connue n'ait une masse négative, plusieurs physiciens (d'abord Hermann Bondi en 1957[2],William B. Bonnor en 1989[13], puis Robert L. Forward[1]) ce sont penchés sur la question et ont anticipé les propriétés qu'une telle matière pourrait détenir. En assumant que les trois formes de masse décrite plus haut sont équivalentes, les interactions gravitationnelles entre elles peuvent être explorées. En se basant sur l'Équation d'Einstein, soit la relativité générale:

  • Une masse positive attire toutes les autres masses, qu'importe leur signe.
  • Une masse négative, par contre, repoussent les autres masses négatives et les masses positives.

Cela aurait pour effet de créer des phénomènes physiques bien particuliers.

  • 1.Bien entendu, pour deux masses positives, rien ne changent et les deux objets sont attirés l'un vers l'autre par la force gravitationnelle.
  • 2.Deux masses négatives, quant à elles, se repoussent en raison de leur signe négatif. Bien qu'inhabituelle, cette réaction est assez facile à s'imaginer.
  • 3.Toutefois, lorsque deux signes contraires se rencontrent, la masse négative repousse la masse positive en même temps que la masse positive tente d'attirer la masse négative.

Par conséquent, Bondi a souligné que deux objets de masses égales et de signes contraires produiraient une accélération constante en direction de la masse positive. Pendant que la masse négative tente de fuir, la masse positive s'en approche du mieux qu'elle peut. La vitesse du système augmente ainsi de plus en plus en créant l'effet appelé mouvement runaway par Bonnor, qui a préféré ne pas tenir compte de son existence en physique théorique en déclarant le phénomène si absurde qu'il préfère l'exclure en supposant un univers ou la masse inerte est soit toute positive ou toute négative.[13]

Forward en est arrivé aux mêmes conclusions [1], mais a plutôt montré que le système ne viole aucune loi sur l'Énergie.

Étrangement, même si les deux objets accélèrent dans la même direction sans qu'aucune masse ne voyage de l'autre sens, l'énergie totale est toujours nulle. Après avoir atteint la vitesse , la somme de leur quantités de mouvement est de zéro:

Il n'y a pas non plus de violation de la conservation de l'énergie, puisque leurs énergies cinétiques s'annulent:

Forward concède que la masse négative et l'énergie cinétique négative ne sont pas des concepts standards de la physique Newtonienne, mais présente son concept comme logiquement valide et propose une utilisation future en tant que propulsion gravitationnelle.

Jean-Pierre Petit et Gilles D'Agostini supportent également d'éventuelles recherches scientifiques après l'atteinte de conclusions similaires à l'aide d'autres lois d'interaction. Pour ce faire, ils se basent sur un nouveau modèle de l'Univers où la gravitation pourrait être un phénomène bimétrique. [14]

Univers parallèle et trous de ver

En considérant l'hypothèse de Bonnor, on peut spéculer sur l'existence d'un Univers connexe au notre, où la masse de la matière serait entièrement négative. À l'aide des propriétés découlant d'un tel endroit, Bonnor tente également de mieux pouvoir expliquer pourquoi notre Univers ne contiendrait que de la masse positive.[13]

En 1970, Jean-Marie Souriau a démontré, par le groupe de Poincaré de la théorie des groupes, qu'inverser l'énergie d'une particule (d'où sa masse, si elle en à une) revient à inverser sa flèche du temps.[15],[16]

L'univers selon la relativité générale est une variété riemannienne associé à un tenseur métrique de l'équation des champ d'Einstein. Dans une telle situation, le mouvement runaway empêche l'existence de la matière négative.

Quelques théories bimétriques (en) de l'univers comme celle déjà mentionnée proposent que deux univers parallèles au lieu d'un seul pourrait exister avec une flèche du temps contraire, lié ensemble depuis le Big Bang et interagissant ensemble seulement par la gravitation. [17],[18],Erreur de référence : Paramètre invalide dans la balise <ref> Alors, l'univers est décrite comme étant une variété associée à deux métriques riemannienne (une avec de la matière de masse positive et l'autre avec de la matière de masse négative). En théorie, la matière de la métrique conjuguée apparaitrait comme celle de l'autre métrique, mais avec une masse et flèche du temps opposée (le temps est considéré comme étant toujours positif). Les deux métriques ont leur propre géodésique et sont la solution de deux équations de champ couplés: [19][20]


L'approximation Newtonienne stipule les lois d'interaction suivantes:


Exemple de trou de ver

Ces théories spéculatives se basent sur la formation de trous de ver. Le creux formé dans l'espace temps déboucherait ainsi sur cet univers connexe au notre, lié selon la quatrième dimension, et donc invisible.

Relation avec les tachyons

Dans un article sur les conséquences de la masse négative datant de 2014, trois physiciens européens démontrent qu'en relativité restreinte, la masse négative et les tachyons ne peuvent exister l'un sans l'autre.[21] Leur affirmation requiert cependant deux critères :

Éventuellement, la découverte de particules de masse négative signifierait que des particules à vitesse supraluminique comme les tachyons doivent exister aussi. De manière similaire, il suffirait de prouver que les tachyons ne peuvent exister pour invalider l'hypothèse d'une masse négative.

En mécanique quantique

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Negative mass » (voir la liste des auteurs).
  1. ↑ a b c et d (en) Robert L. Forward, « Negative matter propulsion », Journal of Propulsion and Power, vol. 6, no 1,‎ , p. 28-37 (DOI 10.2514/3.23219, résumé) Erreur de référence : Balise <ref> incorrecte : le nom « Forward 1990 » est défini plusieurs fois avec des contenus différents.
  2. ↑ a b et c (en) H. Bondi, « Negative Mass in General Relativity », Rev. Mod. Phys., vol. 29, no 3,‎ , p. 423 (DOI 10.1103/RevModPhys.29.423, Bibcode 1957RvMP...29..423B, lire en ligne) Erreur de référence : Balise <ref> incorrecte : le nom « Bondi 1957 » est défini plusieurs fois avec des contenus différents.
  3. ↑ a et b (en) Michael Morris, Kip Thorne et Ulvi Yurtsever, « Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition », Physical Review, vol. 61, no 13,‎ , p. 1446–1449 (PMID 10038800, DOI 10.1103/PhysRevLett.61.1446, Bibcode 1988PhRvL..61.1446M, lire en ligne)
  4. ↑ (en) John Cramer, Robert Forward, Michael Morris, Matt Visser, Gregory Benford et Geoffrey Landis, « Natural Wormholes as Gravitational Lenses », Phys. Rev. D, vol. 51, no 6,‎ , p. 3117–3120 (DOI 10.1103/PhysRevD.51.3117, Bibcode 1995PhRvD..51.3117C, arXiv astro-ph/9409051)
  5. ↑ (en) Max Jammer, Concepts of Mass in Contemporary Physics and Philosophy, Princeton University Press,
  6. ↑ (en) Stephen Hawking, The Future of Spacetime, W. W. Norton, (ISBN 0-393-02022-3), p. 96
  7. ↑ (en) Jonathan Belletête Manu Paranjape, « On negative mass », Int.J.Mod.Phys., no D22 1341017,‎ (2013)
  8. ↑ (en) Saoussen Mbarek et M. B. Paranjape, « Negative mass bubbles in de Sitter space-time », arXiv,‎ (résumé, lire en ligne)
  9. ↑ (en) Saoussen Mbarek et Manu Paranjape, « Cosmologists Prove Negative Mass Can Exist In Our Universe », ArXiv.org
  10. ↑ « Qu'est-ce qu'une masse négative », sur phys.umontreal.ca, (consulté le )
  11. ↑ (en) M. Visser, Lorentzian Wormholes: from Einstein to Hawking, Woodbury NY, AIP Press, (ISBN 1-56396-394-9)
  12. ↑ J. M. Luttinger, « On "Negative" mass in the theory of gravitation », Awards for Essays on Gravitation, Gravity Research Foundation,‎ (lire en ligne)
  13. ↑ a b et c (en) W. B. Bonnor, « Negative mass in general relativity », General Relativity and Gravitation,‎ , p. 1143-1157 (DOI 10.1007/BF00763458, lire en ligne)
  14. ↑ (en) Jean-Pierre Petit et Gilles dAgostini, « Can negative mass be considered in General Relativity? », ArXiv.org
  15. ↑ J. M. Souriau, Structure des Systèmes Dynamiques, Paris, Dunod, (ISSN 0750-2435, lire en ligne), p. 199
  16. ↑ (en) J. M. Souriau, Structure of Dynamical Systems, Boston, Birkhäuser, (ISBN 978-1-4612-6692-1, DOI 10.1007/978-1-4612-0281-3_14), « A mechanistic description of elementary particles: Inversions of space and time »
  17. ↑ A.D. Sakharov: "Cosmological model of the Universe with a time vector inversion". ZhETF 79: 689–693 (1980); translation in JETP Lett. 52: 349–351 (1980)
  18. ↑ (en) J.P. Petit, « Twin Universes Cosmology », Astrophysics and Space Science, vol. 226, no 2,‎ (DOI 10.1007/BF00627375, lire en ligne)
  19. ↑ DOI 10.1007/s10509-014-2106-5
  20. ↑ DOI 10.1142/S021773231450182X
  21. ↑ (en) J. X. Madarász, G. Székely et M. Stannett, « On the possibility and consequences of Negative Mass », ArXiv.org

Bibliographie

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Voir aussi

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