Davantage de preuves que les ondes sonores transportent une masse

Habituellement, lorsque nous pensons aux ondes sonores, nous imaginons des vibrations invisibles qui se déplacent en apesanteur dans l’air, sans avoir de masse.

Cela va peut-être changer. Des physiciens viennent de fournir d’autres preuves que les particules sonores peuvent réellement transporter de minuscules quantités de masse. Et cela signifie qu’ils peuvent produire leurs propres champs gravitationnels, ce qui pourrait être important pour notre compréhension de l’espace.

Mais revenons en arrière une seconde et à l’essentiel. Lorsque vous frappez une balle, vous y appliquez de l’énergie. Einstein vous dirait que vous avez aussi contribué à ajouter un peu de masse en l’accélérant. Si cette balle est une minuscule particule, et que le coup de pied est une onde sonore, vous pouvez imaginer la même chose. Pourtant, pendant des décennies, les physiciens ont débattu pour savoir si l’élan d’une déferlante de particules frétillantes représente une quantité nette de masse.

L’an dernier, le physicien Alberto Nicolis, avec ses collègues de l’université Columbia de New York, a commencé à étudier comment différentes ondes se désintègrent et se dispersent dans un fluide super froid d’hélium (superfluide hélium). Non seulement ils ont montré que les sons peuvent générer une valeur non nulle de masse, mais ils peuvent aussi bizarrement  » flotter  » le long de champs gravitationnels.

Cela ne changera pas grand-chose à votre vie quotidienne sur Terre, mais pour les vrombissements des étoiles qui se diffusent à travers des objets denses comme les étoiles à neutrons, les interactions entre de massives ondes sonores et la gravité pourraient être importantes.

Bien que les deux chercheurs aient affirmé cette possibilité, elle était limitée à un ensemble de conditions spécifiques. Nicolis a donc utilisé un ensemble de différentes de techniques pour montrer que les sons ont une masse à l’intérieur des fluides et des solides ordinaires, et qu’ils créer même leur propre champ gravitationnel.

Leur nouvelle conclusion contredit l’opinion selon laquelle les phonons sont sans masse. Leurs mouvements ne réagissent pas seulement de manière étrange à un champ gravitationnel, ils sont également à l’origine d’une source d’un champ.

Dans un sens newtonien, c’est la définition même de la masse.

Le cœur du problème réside dans la façon dont les ondes se déplacent dans un milieu. Tout comme une onde de lumière s’appelle un photon, une onde vibratoire peut être considérée comme une unité appelée un phonon.

Imaginez que vous vous tenez immobile à un concert et que vous appréciez le spectacle. La masse de votre corps est la même que le matin quand vous vous êtes posé sur la balance. Puis, sur le rythme de la musique, votre voisin vous pousse, accélérant votre corps. La loi d’Einstein, celle qui stipule que l’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré (E=MC²), affirme que la petite quantité d’énergie que vous gagnez par la bousculade est aussi de la masse. En entrant en collision avec la personne suivante, l’énergie se transfère avec l’imperceptible petite masse. Dans cette métaphore, la chaîne des corps secoués qui va et vient à travers la foule est le phonon, et puisque c’est un transfert d’énergie, on pourrait vous pardonner de penser immédiatement que c’est aussi un mouvement de masse.

Dans des conditions aussi simples, le parfait mouvement de va-et-vient des corps et le transfert direct de l’élan peuvent être décrits comme une forme de dispersion linéaire.

Bien que les niveaux d’énergie puissent fluctuer pendant la bousculade, votre corps se “réinitialise” pour ne pas donner de masse globale à l’ensemble du cycle du phonon. Cette dispersion linéaire donne à chaque phonon une masse nette nulle, tout comme pour les photons de lumière. Mais la réalité n’est pas toujours aussi simple.

Les ondes lumineuses se déplaçant dans le vide et les phonons dans un matériau théoriquement parfait pourraient bien être linéaires, mais les solides et les fluides se bousculant les uns les autres obéissent à une variété d’autres lois en fonction de certains domaines et influences. Celles-ci sont un peu complexes, en raison de l’état du support et de ses composants.

Ainsi, en utilisant des approximations connues sous le nom de théorie effective, Nicolis et ses collègues de l’université Columbia, Angelo Esposito et Rafael Krichevsk, ont eu une idée générale de la façon dont le phonon se déplace dans ces milieux et comment calculer leur réponse à un champ gravitationnel.

Et ce qu’ils ont montré, c’est que même dans ces conditions  » réelles  » désordonnées, les ondes sonores pouvaient transporter de la masse.

Comme on pourrait s’y attendre, cette masse est ridiculement petite. C’est à peu près de la même quantité d’énergie dans le phonon divisé par le carré de la vitesse de la lumière.

Il est également important de garder à l’esprit que les mathématiques qui sous-tendent cette affirmation n’ont pas vraiment été mises à l’épreuve. Mis à part de solides fondations théoriques, quelqu’un doit maintenant mesurer les déplacements gravitationnels des atomes refroidis à près de zéro, ce qui pourrait bien être possible lorsque nous explorons de tels condensats dans l’espace.

Par ailleurs, les chercheurs suggèrent qu’il pourrait être plus facile de peser un tremblement de terre. Le son produit par un grand tremblement peut atteindre une masse de milliards de kilogrammes.

L’étude publiée dans Physical Review Letters : Gravitational Mass Carried by Sound Waves.