En physique théorique, la masse négative est un concept hypothétique postulant l'existence de masse de « charge » négative, tout comme il existe des charges électriques positives et négatives. Cette masse négative aurait des propriétés gravitationnelle et inertielle différentes, mais possiblement symétriques, de la masse « normale » qui est conventionnellement positive.

Il ne faut pas confondre la masse négative avec l'antimatière, qui a une masse normale positive comme la matière ordinaire.

vignette|droite|515x515px|Effet de la masse positive et négative sur l'espace-temps.

Histoire En 1951, dans son essai pour la fondation des recherches sur la gravité, Joaquin Luttinger considère la possibilité de l'existence de masse négative et comment cette dernière devrait se comporter sous la gravité et autres forces.

En 1957, Hermann Bondi propose l'existence de la masse négative dans un article publié par la revue Reviews of Modern Physics. Il affirme que cela n'induit pas de contradiction logique tant que les trois formes de masse (masse inerte, masses graves passive et active) sont négatives. Robert L. Forward étudie l'idée, qu'il fera intervenir plus tard dans un concept de propulsion.

En 1988, , Kip Thorne et Ulvi Yurtsever soulignent que l'application de la mécanique quantique à l'effet Casimir peut produire une région de masse négative de l'espace-temps. Ils montrent également que la masse négative pourrait être utilisée pour « stabiliser » un trou de ver.

En 1995, John Cramer et al. poussent plus loin cette analyse et affirment que de tels trous de ver auraient pu exister lors des premiers instants de l'Univers, stabilisés par des boucles de cordes cosmiques négatives.

En 2000, le physicien israélien Max Jammer démontre qu'aucune loi physique n'exclut l’existence de masses négatives.

En 2002, Stephen Hawking prouve que l'énergie négative est une condition nécessaire pour la création d'une courbe de temps fermée par la manipulation de champs gravitationnels dans une région finie de l'espace.

En 2013, Jonathan Belletête et Manu Paranjape, chercheurs à l'Université de Montréal, démontrent la possibilité mathématique d'un plasma gravitationnel de masse positive et négative, à l'intérieur d'un espace-temps de type non-asymptotique comme celui de de Sitter, c'est-à-dire pour un univers à l'expansion exponentielle, qui pourrait correspondre à l'Univers lors de l'inflation cosmique. Ils n'ont pas spécifié de quelle sorte de matière ce plasma pourrait être constitué, seulement que le système en question pourrait avoir contrôlé le comportement des ondes gravitationnelles de cette période.

En 2014, Saoussen Mbarek et Manu Paranjape, toujours de l'Université de Montréal, démontrent que la masse négative peut produire une solution de Schwarzschild sans violer les conditions d'énergie lorsqu'on répand la singularité gravitationnelle avec un plasma de particules négatives et positives.

En , Benoit Guay montre la praticabilité de l’inversion de masse au niveau quantique dans le cadre de la théorie quantique des champs de Dirac.

Signification mécanique d'une « masse négative »

Les trois masses physiques

+Types de masse Types Description Masse inertielle Mesure de la résistance d'un objet à modifier son état d'équilibre quand une force est appliquée. Masse grave active Mesure de la force du flux gravitationnel d'un objet. Masse grave passive Mesure de la force d'interaction d'un objet avec un champ gravitationnel. Sans qu'aucune particule connue n'ait une masse négative, plusieurs physiciens, tels Hermann Bondi, William B. Bonnor et Robert L. Forward, se sont penchés sur la question et ont anticipé les propriétés qu'une telle matière pourrait détenir.

En envisageant le concept de masse négative, il est important de considérer lequel des concepts de masse est négatif. Depuis que Newton a formulé la loi universelle de la gravitation, il y a eu trois concepts distincts de quantités appelées « masse » : La masse inertielle, La masse gravitationnelle « active », source du champ gravitationnel et La masse gravitationnelle « passive », qui est la masse qui découle de la force produite dans un champ gravitationnel. La loi de la conservation de la quantité de mouvement exige que les masses gravitationnelles « active » et « passive » soient identiques : c'est la « masse grave » . Par ailleurs, le principe d'équivalence d'Einstein postule que la masse inertielle doit être égale à la masse gravitationnelle « passive », donc , et jusqu'ici, tous les résultats expérimentaux vont dans ce sens.

Dans la plupart des analyses de la masse négative, on suppose qu'à la fois le principe d'équivalence et celui de conservation de la quantité de mouvement s'appliquent. Dans ce cas, les trois formes de masse sont équivalentes, et la « masse négative » est négative dans ses trois aspects. Inversement, si la loi de conservation de la quantité de mouvement est nécessairement respectée, il reste possible que le principe d'équivalence ne soit pas vérifié sur les masses négatives. Dans ce cas, il peut y avoir trois manières d'envisager ce qu'est une « masse négative », suivant que la charge négative apparaît sur la masse inerte, sur la masse pesante, ou sur les deux à la fois.

C'est l'hypothèse d'une masse inertielle négative qui implique des formes contre-intuitives de mouvement. La principale caractéristique de la masse inertielle est en effet de permettre à la matière de stocker de l'énergie cinétique à travers une augmentation de la vitesse :

Une masse inertielle négative signifierait inversement qu'il faut fournir de l'énergie au système pour le ralentir, ou symétriquement, que le système fournit de l'énergie à son environnement en accélérant. Par exemple, un objet avec une masse inertielle négative accélérerait dans la direction opposée à celle vers laquelle il est poussé ou freiné. Une telle particule de masse inertielle négative serait par conséquent un projectile précieux : il fournit de l'énergie lorsqu'on lui donne une impulsion au départ, accélère sous l'effet des frottements de l'air, et en heurtant un obstacle tendrait donc à accélérer au travers de celui-ci, d'autant plus violemment que la résistance serait importante : un tel projectile serait donc irrésistible.

Mouvement runaway

vignette|En jaune, le mouvement décrit par Bonnor, qui pourrait être utilisé comme moyen de propulsion. Ici, le signe des particules réfère au type masse et non pas à la charge électrique.

Des scientifiques se sont d'abord penchés sur la question d'une matière dont « la masse » soit négative, car rien ne suggère (a priori) que toute masse devrait être positive. Toutefois, ils se sont aperçus qu'une telle matière ne semblait pas respecter une, voire plusieurs conditions sur l'énergie et posséderait certaines propriétés ambiguës comme une accélération dont l'orientation est opposée à la force à laquelle elle est soumise, ou encore une courbure inversée de l'espace-temps. La représentation connue la plus rapprochée du concept est une région de pression pseudo-négative produite par l'effet Casimir. Le concept de masse négative est utilisé dans certaines théories spéculatives abordant l'idée de construction d'un trou de ver.

D'après Hermann Bondi, l'idée de masse négative n'entraîne « aucune contradiction logique » lorsque les trois formes de masse sont négatives. En supposant que les trois formes de masse décrites plus haut soient équivalentes, les interactions gravitationnelles entre elles peuvent être explorées. La combinaison des lois de l'attraction universelle et du principe fondamental de la dynamique conduit à dire que, dans ce cas : Une masse positive attire toutes les autres masses, qu'importe leur signe. Une masse négative, par contre, repousse les autres masses négatives ainsi que les masses positives, ce qui entraîne un mouvement de « fuite » (nommé par William B. Bonnor). Cependant, cette hypothèse de masse négative implique des formes contre-intuitives de mouvement. Par exemple, un objet avec une masse inertielle négative accélérerait dans la direction opposée à celle vers laquelle il est poussé. Hermann Bondi a souligné que deux objets de masses égales et de signes contraires produiraient une accélération constante en direction de la masse positive. Pendant que la masse positive semble « fuir » en raison de la répulsion, la masse négative s'en approche du mieux qu'elle peut. La vitesse du système augmente ainsi de plus en plus en créant l'effet appelé mouvement .

William B. Bonnor a préféré ne pas tenir compte de son existence en déclarant le phénomène si absurde qu'il préfère l'exclure en supposant un univers où la masse inerte est soit toute positive ou toute négative.

Robert L. Forward en est arrivé aux mêmes conclusions, mais a plutôt montré que le système ne viole aucune loi sur l'énergie. Étrangement, même si les deux objets accélèrent dans la même direction sans qu'aucune masse ne voyage de l'autre sens, l'énergie totale est toujours nulle. Après avoir atteint la vitesse , la somme de leurs quantités de mouvement est nulle :

Il n'y a ainsi pas non plus de violation de la conservation de l'énergie puisque leurs énergies cinétiques () s'annulent :

Robert L. Forward concède que la masse négative et l'énergie cinétique négative ne sont pas des concepts standards de la physique newtonienne, mais présente son concept comme « logiquement valide » et propose une utilisation future en tant que propulsion gravitationnelle.

En considérant « l’hypothèse de Bonnor » ci-dessus, on peut spéculer sur l'existence d'un univers connexe au nôtre, où la masse de la matière serait entièrement négative. À l'aide des propriétés découlant d'un tel endroit, William B. Bonnor tente de mieux pouvoir expliquer pourquoi notre Univers ne contiendrait que de la masse positive.

Masse inerte négative

De son côté, une masse inerte négative ne respectant pas le principe d'équivalence conserverait une masse grave positive. Elle aurait en revanche des propriétés gravitationnelle et inertielle différentes, mais possiblement symétriques, de la masse « normale ». Toutefois, une telle matière posséderait certaines propriétés ambiguës comme une accélération dont l'orientation est opposée à la force à laquelle elle est soumise.

Sur le plan gravitationnel, on observerait le même effet entre deux corps de masse grave positive mais de masses inertes opposées : la force gravitationnelle serait des forces égales et opposées comme dans le cas normal ; mais si la réponse du corps à masse inerte positive serait une accélération vers l'autre corps, ce dernier aurait une accélération en sens contraire de la force, donc s'éloignant du premier.

Masse grave négative

vignette|En vert, les mouvements qui diffèrent de ceux élaborés par Bonnor, résolvant le paradoxe avec l'approximation newtonienne.

Jean-Pierre Petit et Gilles d'Agostini ont proposé d'autres lois d'interaction entre les masses positives et négatives. Pour ce faire, ils se basent sur le modèle cosmologique Janus développé par Jean-Pierre Petit, où la gravitation pourrait être décrite par un modèle bimétrique qui étendrait la relativité générale.

Le , le physicien Thibault Damour publie une analyse du modèle cosmologique Janus sur le site de l'Institut des hautes études scientifiques. Prenant en considération « les prépublications des articles récents » de Jean-Pierre Petit () « complétées par, notamment, la page 39 du document "Le Modèle Cosmologique Janus, " » présentant les équations de champ du modèle Janushttps://www.jp-petit.org/science/Le_Modele_Cosmologique_Janus.pdf - Cité dans Thibault Damour, Sur le "modèle Janus" de J. P. Petit, IHES, 4 janvier 2019, p. 1.