Recherches en la matière

Hermann Bondi, aujourd'hui Master du Churchill College de Cambridge, a été le premier scientifique à discuter de matière négative. En 1957, dans "Reviews of Modern Physics", Bondi discuta de matière négative à propos de la théorie de la gravitation d'Einstein. Il démontra qu'une masse négative repoussait une masse positive avec une vitesse continuellement croissance en accord avec la relativité générale. 

William Bonner du King's College de Londres développa l'idée de Bondi. Ensemble ils découvrirent une solution exacte des équations relativistes du champ décrivant précisément le comportement de deux corps de masses opposées en accélération constante sous l'effet de leur propre champ gravitationnel.

La seule différence entre la solution Newtonienne et la solution de la relativité générale est que dans cette dernière les deux masses ne sont pas tout à fait égales ni opposées car elles sont mesurées dans des référentiels non galiléens, en accélération. Pour que les deux masses gardent une séparation constante dans un référentiel accéléré, la masse négative devait être légèrement plus grande que la masse positive.

S'il existe une grande quantité de particules de masses négatives dans l'univers, les corps positifs comme notre Soleil doivent attirer ces particules de matière négative. Certains chercheurs russes ont calculé que lorsque des particules de matière négative frappent les particules de matière positive du Soleil, elles ne ralentissent pas mais accélèrent continuellement. Au cours de ce processus, elles gagnent de l'énergie cinétique et apportent de l'énergie cinétique au Soleil, qui doit donc se réchauffer. Or le Soleil ne se réchauffe visiblement pas plus que le modèle classique le prévoit. Aussi, certains chercheurs en concluent que soit il existe très peu de particules de masse négative dans l'univers, soit qu'elles interagissent peu avec la matière positive.

Trou noir et énergie négative

Voyons à présent  le concept d'énergie négative. Le concept d'énergie est familier à tous les scientifiques. En fait on traite en général de différences d'énergie, par exemple de l'énergie dépensée en soulevant un poids sans nous préoccuper de la quantité d'énergie contenue dans l'objet. En cosmologie cette notion intervient par exemple dès qu'on aborde la thermodynamique ainsi que les théories de jauge à l'époque de l'univers primordial.

Il n'y a qu'une seule exception à cette règle, c'est concernant la gravitation. La célèbre loi d'équivalence d'Einstein, E = mc², stipule que l'énergie représente une masse. 

Du fait que la masse est source de gravitation, on peut imaginer un état d'énergie de "zéro absolu" comme il en existe un pour la température. Tout ce dont on a besoin pour y parvenir c'est un objet, plus exactement un état, sans champ gravitationnel, par exemple un espace complètement vide de matière. Un état d'énergie négative serait alors tout simplement celui ayant moins d'énergie que celle d'un champ gravitationnel nul. C'est dans ce contexte qu'interviennent les particules virtuelles.

Cet état de vide quantique ne peut pas être dépouillé de ses entités et ces dernières ne peuvent pas en être extraites sauf si quelque chose vient perturber l'état de vide (une interférence, une attraction gravitationnelle ou électromagnétique, etc). Il est donc plutôt difficile de concevoir un objet constitué d'énergie ou de matière négative; il appartient tout au plus à l'univers virtuel. 

C'est dans toutes ces particules virtuelles que réside en fait la clé de l'énergie négative. Prenons par exemple la célèbre expérience de la double fente de Young. Des ondes lumineuses traversent deux fentes pratiquées dans un écran opaque et créent derrière celui-ci une série d'ondes alternativement brillantes et sombres comme l'image présentée ci-dessous l'illustre.

Les régions brillantes représentent les endroits où les ondes sont renforcées; on parle d'interférence constructive. Inversement, les régions sombres matérialisent les endroits où les ondes s'annulent car elles sont en opposition de phase, ce sont des interférences destructives.

Prenons maintenant les photons virtuels du vide quantique. De la même manière que leurs confrères réels, vous pouvez créer des états dans lesquels les "véritables" photons (réels) émis par un laser interfèrent avec les photons virtuels du vide quantique. Dans ce cas, les interférences destructives se forment dans les régions où le niveau d'énergie est inférieur à celui du vide quantique ordinaire, en d'autres mots, où il est négatif. S'il n'y aucun obstacle pour arrêter la lumière, vous obtenez un faisceau d'énergie négative ! Cette forme d'énergie exotique n'appartient donc pas à la science-fiction mais fait partie de l'arsenal aujourd'hui accessible aux physiciens des particules élémentaires.

Entropie et radiation Hawking

Si le four se refroidit, son entropie va décroître. Habituellement, ce processus est accompagné par une augmentation d'entropie partout ailleurs. Or l'énergie négative n'est pas associée à l'entropie et elle ne provoque aucun changement dans le monde entourant le four. Cela signifie que l'entropie totale de l'Univers pourrait diminuer, violant le Seconde principe de la thermodynamique. Etant donné qu'il s'agit de la loi pivot de la thermodynamique, toute violation de ce principe ouvre la voie à de très sérieux problèmes, comme la possibilité de créer des machines à mouvement perpétuel qui pourraient fonctionner sans que le travail fournit ne coûte rien à personne. Si ce serait très intéressant, c'est surtout irréaliste.

L'énergie négative crée également d'autres difficultés dans une situation assez différente. Si vous jetez un objet dans un trou noir, vous perdez temporairement (jusqu'à son évaporation) toutes ses propriétés physiques à l'exception de sa charge électrique qui demeure et forme un champ électrique autour de lui. Ce champ électrique présente de l'énergie, laquelle modifie le champ gravitationnel du trou noir. Si un trou noir présente une charge électrique capable de rivaliser avec la force gravitationnelle, alors vous vous exposez à un vrai problème. Selon la relativité générale, si le rapport entre la charge et la masse dépasse un seuil critique, le trou noir disparaît brutalement. Ce phénomène a alarmé les physiciens parce nous savons tous que le coeur d'un trou noir abrite une singularité, la limite de l'espace-temps Si cette limite était exposée de la sorte, une "singularité nue" pourrait émerger et envahir l'univers.

Heureusement, tant que la singularité est précieusement contenue dans un trou noir, notre vaste univers est sauvegardé. Mais si le trou noir pouvait être retiré de l'univers, laissant la singularité seule, physiquement parlant (en terme d'effets thermodynamique et gravito-quantique) personne n'oserait plus parier sur rien, mis à part Hawking. Or, un faisceau d'énergie négative pourrait créer cette situation en réduisant la masse d'un trou noir sans affecter sa charge électrique jusqu'à ce que la limite critique soit atteinte. Ce jour là nous pourrions dire adieu à notre univers car tous ces singularités exploseront comme des milliards de bombes atomiques.