Soliton ou onde solitaire
Le terme soliton désigne une onde isolée, donc solitaire, qui se propage sans de déformer dans un milieu non linéaire et dispersif. À l’origine, le concept relève de la mécanique des fluides. Au cours des années 1970, il fut introduit dans les domaines de la physique cellulaire et dimensionnelle avec la redéfinition qui s’imposait.
Le phénomène associé fut décrit pour la première fois en 1840 par l’hydraulicien John Scott Russel qui inspectait régulièrement le canal de Glasgow et celui d’Ardrossan, en Ecosse. Il suivit pendant plusieurs kilomètres une vague remontant le courant, qui ne semblait pas vouloir faiblir. Il observait un chaland hélé par deux chevaux le long d’un canal étroit. Lorsque soudain le bateau s’arrêta, les masses d’eau qu’il avait déplacées s’amassèrent au niveau de la proue. Puis elles le laissèrent derrière elles et partirent à grande vitesse en prenant de l’ampleur – une gibbosité aquatique bombée, lisse et bien délimitée, qui se déplaçait dans l’eau sans changer de forme ni réduire sa vitesse, d’après ce qu’il pouvait en voir. L’inspecteur l’a suivit sur son bidet et la doubla pendant qu’elle continuait d’avancer à huit ou neuf milles à l’heure. Ce faisant, elle garda son apparence originelle d’environ trente pieds d long et un à un pied et demi de haut. Sa hauteur diminuait peu à peu et, après un cours poursuite, l’inspecteur la perdit des yeux dans les méandres du canal.
Depuis, ce phénomène a souvent été observé. Il se produit notamment dans les embouchures en forme d’entonnoir, en liaison avec un fort décalage du niveau d’eau au changement de marée. Ces vagues, bien connues désormais en hydrodynamique, peuvent courir des heures durant sur de nombreux kilomètres en amont et causer des dégâts considérables.
Ce mode de propagation d’une vague sur de longues distances explique aussi le déplacement des tsunamis ou raz-de-marée. Ainsi sur l’eau, il est apparenté au mascaret. Il apparaît par exemple dans la Seine à certains moments, ou sur l’Amazone.
La forme d’un soliton est idéale quand la somme d’énergie potentielle et cinétique est minimale, et elle l’est lorsque la courbe traverse la crête de l’onde dans un angle situé exactement entre les extrêmes. L’équation révèle que, pour chaque valeur du champ, on obtient l’énergie interne en élevant au carré le sinus. Un champ qui satisfait à cette équation s’appelle le champ sinus Gordon. En matière de la physique quantique, cela signifie que, dans un champ de matière couplé à un champ Yang-Mills, on peut également produire des solitons en 3D.
Les solitons sont également con vus dans le domaine de l’aérodynamique. Il y en a régulièrement au début de l’été, de bon matin, dans l’atmosphère du Mars, sur les versants du Tharsis.
Si on l’observe respectivement sous l’aspect de physique nucléaire et quantique, le soliton apparaît comme un concentré d’énergie qui peut certes se mouvoir, mais non se distribuer dans l’espace.
En 2024, le concept de soliton fut utilisé pour la première fois en théorie des cordes par le mathématicien birman Hla Thilawuntha. Il s’en servit pour désigner des perturbations du fleuve-temps qu’on n’avait pas perçues jusque-là parce qu’on ne peut les déceler qu’indirectement. C’est grâce à ses travaux théoriques et ses prédictions que, l’année suivante, Folkert Jensma et Koos van Laere de l’Institut Christiaan Huygens à La Haye, purent prouver l’existence des solitons de temps, tels que Thilawuntha l’avait pressentie.
Ces perturbations traversent le fleuve-temps dans les deux directions, c’est-à-dire qu’elles provoquent des refoulements et des accélérations de la dimension temporelle lors de leur passage. Ainsi, elles déforment la structure spatio-temporelle, sans pour autant être perceptibles pour l’observateur à l’Intérieur de cette même structure, à savoir notre univers. On peut cependant prouver leur existence de manière indirecte, car leur passage s’accompagne d’ondes de gravitation d’intensité diverse. D’après les calculs, le passage de chaque soliton est lié à celui de quantités d’énergie dans la zone électron-volt. L’équivalent masse effective s’élève donc au double de la masse de notre univers.
(D’après Wolfgang Jeschke, Le Jeu de Cuse. Traduit de l’allemand par Christina Stange-Fayos. L’Atalante, Nantes, 2005).
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