Pour que le son soit affecté par la gravité et exerce une force gravitationnelle, il doit posséder une certaine masse. Or, nos observations courantes montrent que le son est une vibration se propageant à travers un milieu ; une énergie se déplaçant au sein d’un matériau sans masse propre. Jusqu’à présent, nous avons intuitivement compris que la masse du milieu dans lequel l’onde sonore ou la vibration se propage influence la vitesse et la diffusion du son. Les ondes sonores se déplacent à des vitesses différentes selon le milieu – eau, huile, bois. Le déplacement d’une masse (les atomes d’un matériau) par rapport à une position d’équilibre est perçu comme un son. Tout semble clair, n’est-ce pas ? Eh bien, voici l’élément manquant : l’énergie qui provoque le déplacement des atomes possède elle-même une masse ! C’est ce que concluent les résultats de la recherche présentée ci-dessous.
Phonons : les particules du son
Voyons comment… Les atomes d’un matériau soumis à une stimulation sonore subissent des déplacements mécaniques proportionnels à l’énergie de l’onde sonore ou de la vibration, souvent représentée par un ressort. À l’échelle atomique, cette vibration d’énergie mécanique est quantifiée en unités discrètes appelées phonons, tout comme un atome absorbe ou émet l’énergie contenue dans les vibrations des ondes électromagnétiques – que nous appelons lumière – sous forme de quantités discrètes appelées photons. Ces phonons, ou « particules de son », tout comme les photons, ou « particules de lumière », impliquent que les ondes auxquelles ils appartiennent se propagent sous forme de quantités discrètes appelées quanta. Si un photon est un quantum de lumière, un phonon serait un quantum de son. On considérait ces deux quanta comme dépourvus de masse, mais jusqu’à très récemment – et presque par accident – on a découvert que les phonons transportent en réalité une infime quantité de masse. Ils sont massifs.
L’équation d’Einstein E=mc² et le son
Ce n’est pas une surprise, puisque la célèbre équation d’Einstein, E = mc², nous indique qu’il existe une équivalence exacte entre l’énergie et la masse. Pour mieux comprendre cette équation, utilisons l’image suivante : très grossièrement, la masse est une vibration confinée, ce qui se traduit par un effet gravitationnel. La lumière, en revanche, est une vibration qui se propage, si bien que la condition limite entre vibration propagée et vibration confinée correspond précisément à la constante de proportionnalité connue sous le nom de vitesse de la lumière c. Cette dernière fixe la vitesse maximale à laquelle une masse peut se déplacer, autrement dit, la limite au-delà de laquelle les vibrations cessent d’être confinées et donc d’exercer une gravité. C’est pourquoi les vibrations électromagnétiques (lumière) sont des vecteurs d’énergie qui restent sans masse en mouvement, car elles se propagent à la vitesse de la lumière. Puisque le son est une vibration se propageant sous forme de phonons voyageant à une vitesse inférieure à celle de la lumière, une certaine masse est impliquée.
On pourrait s’attendre à ce que des résultats de physique classique comme celui-ci soient connus depuis longtemps maintenant – Angelo Esposito, Columbia University
Esposito et ses collaborateurs de l’Université Columbia ont montré qu’une onde sonore d’un watt se déplaçant pendant une seconde dans l’eau transporterait une masse d’environ 0,1 milligramme. Il s’est avéré que cette masse ne représente qu’une fraction de la masse totale d’un système qui se déplace avec l’onde lorsqu’il est déplacé d’un point à un autre.
Il convient de noter que les chercheurs n’ont pas réellement mesuré la masse transportée par une onde sonore, mais ont utilisé des calculs mathématiques pour démontrer que ce phénomène se produit. La masse d’un phonon serait extrêmement faible, comparable à celle d’un atome d’hydrogène, soit environ 10⁻²⁴ gramme, et bien que minuscule, elle pourrait être mesurable. Ils suggèrent de mener des expériences pour obtenir des mesures réelles en étudiant des ondes sonores se propageant à travers un superfluide ou un condensat de Bose-Einstein composé d’atomes ultra-froids, ce qui permettrait une détection plus aisée de la masse transportée. Une autre approche, potentiellement plus efficace, consisterait à mesurer la masse transportée par les ondes sonores traversant la Terre lors d’un séisme, car ces ondes déplacent des milliards de kilogrammes de masse ; le son qu’elles génèrent pourrait être détectable par des instruments mesurant les signaux gravitationnels, à l’image des ondes gravitationnelles observées lors de la collision de deux trous noirs supermassifs.
Leur travail, publié dans la revue Physical Review Letters, affirme que l’idée selon laquelle les ondes sonores ne transportent pas de masse n’est vraie qu’à l’ordre linéaire. Comme l’indique le résumé de cette publication : « En utilisant des techniques de théorie des champs efficaces, nous confirmons le résultat obtenu par Nicolis et Penco [Phys. Rev. B 97, 134516 (2018)] pour les superfluides à température nulle et l’étendons aux solides ainsi qu’aux fluides ordinaires. Nous montrons qu’en réalité, les ondes sonores transportent de la masse, et en particulier de la masse gravitationnelle. Cela implique qu’une onde sonore n’est pas seulement affectée par la gravité, mais génère également un champ gravitationnel minuscule, un aspect qui n’avait pas été pris en compte jusqu’à présent. Nos découvertes s’appliquent également aux milieux non relativistes et pourraient avoir des implications expérimentales intrigantes. »
La science unifiée en perspective
Il semble que le phénomène classique ait beaucoup plus à révéler à nos yeux et à nos oreilles que nous ne le pensions. La réalité continue de nourrir notre imagination…
Le fait que la masse du phonon soit très proche de celle de l’atome d’hydrogène (essentiellement la masse du proton lui-même) est très intrigant ; cela suggère un lien plus profond, qui sera exploré plus avant par notre équipe de recherche.
