Certaines lois de la physique sont si fondamentales qu’elles ont servi de référence pour la science pendant des siècles. Mais, avec les progrès technologiques, les physiciens peuvent—et ce, temporairement—créer de petits mondes qui échappent à ces lois. Et lorsque cela se produit, des phénomènes étranges apparaissent.
Dans une étude récente publiée dans Physical Review Letters, des physiciens japonais ont mis au point un système constitué de plus de 10 000 particules qui ont défié la troisième loi de Newton pendant une heure. Selon cette loi, les particules passives exercent des forces mutuelles égales les unes sur les autres, de sorte qu’aucune ne peut simplement se mettre à bouger d’elle-même. Mais en concevant ce système, l’équipe a soumis les particules à un champ électrique alternatif qui a provoqué chez elles la formation spontanée de paires et les a amenées à se poursuivre les unes les autres dans un milieu liquide.
« Cette recherche démontre que la rupture de la symétrie action-réaction est un principe fondamental qui engendre de nouveaux mouvements collectifs et une auto-organisation de la matière », a déclaré Yutaka Sumino, co-auteur de l’étude et physicien à l’Université des sciences de Tokyo, au Japon.
Un arrêt physique
Pour citer Isaac Newton lui-même, la troisième loi du mouvement veut que « les actions mutuelles de deux corps l’un sur l’autre soient toujours égales et dirigées dans des directions opposées ». L’élément clé ici est la symétrie — une relation réciproque entre l’action et la réaction.
Les scientifiques ont également trouvé des moyens d’exploiter ce principe à leur avantage. Par exemple, la poussée d’un moteur-fusée provient de l’action du gaz chaud qui s’échappe vers l’arrière, ce qui engendre une poussée dans la direction opposée.
Au-delà des cadres habituels
Plus récemment, les chercheurs s’intéressent à des systèmes qui rompent cette symétrie, selon l’étude—the latest study. Pour la toute dernière étude, l’équipe a suspendu des particules colloïdales microscopiques dans l’eau, puis les a confinées entre des électrodes spécialement fabriquées. Ensuite, les chercheurs ont appliqué un champ électrique alternatif. Au départ, les particules plus grosses ont généré un flux électrique plus important, attirant les particules plus petites.
Ceci a introduit un déséquilibre qui a conduit les particules à se déplacer comme des unités auto-propulsées à travers la suspension, expliquent les auteurs dans l’article. À titre de comparaison, l’équipe a tenté quelque chose de similaire pour des suspensions comprenant des particules d’une seule taille. Toutefois, les résultats furent très différents, les particules montrant des interactions réciproques et s’organisant progressivement en un cristal.
« Pour le dire plus simplement, les particules qui s’attirent mutuellement, comme le sable, la poussière ou les gouttes de pluie, ont généralement tendance à se regrouper au fil du temps et à former des amas de plus en plus importants », a déclaré Sumino. « Le système composé de particules de tailles différentes, en revanche, a fini par s’agréger mais n’a jamais formé un seul amas permanent, se regroupant puis se scindant », a-t-il ajouté.
L’équipe suppose que des interactions similaires se produisent dans des systèmes biologiques, tels que des colonies cellulaires et des groupes d’animaux. Si cela s’avère exact, le mécanisme étudié ici pourrait même inspirer des matériaux programmables et des systèmes microrobotisés, selon ses observations.
