Science

Le tourbillon, un nouveau type de matière active qui défie les lois de la physique

Le mathématicien Nikolai Brilliantov a publié en 2020 un article révélant la découverte d’un nouvel état de la matière active. Baptisé état tourbillonnaire, celui-ci est, comme son nom l’indique, relatif aux tourbillons.

Les particules actives et autopropulsées suscitent un intérêt grandissant chez les chercheurs depuis plusieurs années. Vous avez certainement déjà vu des vidéos montrant de splendides bancs de poissons, essaims d’insectes ou encore d’impressionnants murmures d’étourneaux. Ces systèmes peuvent en réalité démontrer un comportement inhabituel, rendant difficile leur compréhension ou leur modélisation.

Ils établissent en général une forme gigantesque qui tourbillonne tout en gardant une intégrité phénoménale. Mais comment ces formations sont-elles possibles ? Considérez-les comme des exemples surdimensionnés d’un état de la matière qui contourne à certains égards les lois de la physique, plus particulièrement celle de Newton.

Un nouveau type de matière active

Dans un article publié dans la revue Scientific Reports en octobre 2020, Nikolai Brilliantov, mathématicien à l’Institut Skolkovo des Sciences et de la Technologie en Russie et à l’Université de Leicester en Angleterre, affirme que ce genre de comportement de groupe forme un nouveau type de matière active appelé état tourbillonnaire.

La deuxième loi de Newton stipule que l’accélération d’un objet dépend de la force qui agit sur lui et de sa masse. L’accélération augmente en fonction de la force exercée, et à mesure que la masse de l’objet augmente, elle diminue. Il s’avère que cette loi ne s’applique pas aux tourbillons. Elle concerne uniquement les objets passifs non vivants.

Le tourbillon, un nouveau type de matière qui défie les lois de la physique
Un murmure d’étourneaux dans les airs. Crédit photo : Shutterstock / Albert Beukhof

Un comportement assez étonnant

Les simulations sur ordinateurs effectuées par Brilliantov et ses collaborateurs ont effectivement révélé un comportement assez étonnant chez le tourbillon. Au lieu de se déplacer plus vite lorsqu’une force leur était appliquée, les groupes de quasi-particules n’accéléraient pas. « Nous avons été complètement déconcertés de voir comment ces quasi-particules tourbillonnent dans la matière active. Ils se comportaient comme des super-particules individuelles aux propriétés surprenantes, notamment en n’accélérant pas malgré l’application d’une force et en s’agglomérant lors de la collision pour former des tourbillons d’une masse plus importante », a déclaré Brilliantov.

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Le tourbillon, un nouveau type de matière qui défie les lois de la physique
Big eye Trevally Jack (Caranx sexfasciatus). Crédit photo : Shutterstock /Dray van Beeck

Une grande différence entre la matière passive et la matière active

Bref, la matière active se comporte très différemment de la matière passive. Les chercheurs ont notamment découvert que différents états de matière passive pouvaient coexister. Brilliantov a pris pour exemple le cas d’un verre d’eau. Le liquide peut s’évaporer progressivement dans un état gazeux tout en gardant les molécules d’eau. Cela n’est pas le cas de la matière active qui ne peut prendre qu’une seule forme : solide, liquide ou gazeuse.

Les particules étaient également regroupées sous forme de quasi-particules qui interagissaient ensemble, formant un motif circulaire autour d’un vide central. Brilliantov et ses collègues ont alors baptisé ces quasi-particules de tourbillons et le nouvel état de la matière qu’ils formaient de « état tourbillonnaire ». L’équipe espère explorer davantage les tourbillons, en réalisant entre autres des enquêtes et des expériences dans le monde réel.

Marc Odilon

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