Les ombres peuvent voyager plus vite que la lumière, mais ne peuvent pas transporter de matière ou d'informations.

Le vol supraluminique est-il possible ?

Les sections de cet article sont sous-titrées et chaque section peut être référencée séparément.

Exemples simples de voyages supraluminiques

1. Effet Tchérenkov

Lorsque nous parlons de se déplacer à des vitesses supraluminiques, nous entendons la vitesse de la lumière dans le vide. c(299 792 458 m/s). Par conséquent, l’effet Cherenkov ne peut pas être considéré comme un exemple de mouvement à vitesse supraluminique.

2. Troisième observateur

Si la fusée UN s'envole de moi à grande vitesse 0,6cà l'ouest, et la fusée B s'envole de moi à grande vitesse 0,6cà l'est, alors je vois que la distance entre UN Et B augmente avec la vitesse 1.2c. Regarder le vol des fusées UN Et B de l'extérieur, le troisième observateur voit que la vitesse totale de retrait du missile est supérieure à c .

Cependant vitesse relative n'est pas égal à la somme des vitesses. Vitesse de la fusée UN par rapport à la fusée B est la vitesse à laquelle la distance à la fusée augmente UN, qui est vu par un observateur volant sur une fusée B. La vitesse relative doit être calculée à l'aide de la formule relativiste d'addition des vitesses. (Voir Comment ajouter des vitesses en relativité restreinte ?) Dans cet exemple, la vitesse relative est approximativement égale à 0,88c. Donc, dans cet exemple, nous n’avons pas obtenu de vitesse supraluminique.

3. Lumière et ombre

Pensez à la vitesse à laquelle une ombre peut se déplacer. Si la lampe est proche, l'ombre de votre doigt sur le mur du fond se déplace beaucoup plus rapidement que votre doigt. Lorsque vous déplacez votre doigt parallèlement au mur, la vitesse de l'ombre est J/j fois plus rapide que la vitesse de votre doigt. Ici d- distance de la lampe au doigt, et D- de la lampe au mur. La vitesse sera encore plus grande si le mur est situé en biais. Si le mur est très éloigné, le mouvement de l'ombre sera en retard sur le mouvement du doigt, car la lumière met du temps à atteindre le mur, mais la vitesse de l'ombre se déplaçant le long du mur augmentera encore plus. La vitesse d’une ombre n’est pas limitée par la vitesse de la lumière.

Un autre objet qui peut voyager plus vite que la lumière est le point lumineux d’un laser dirigé vers la Lune. La distance à la Lune est de 385 000 km. Vous pouvez calculer vous-même la vitesse à laquelle le point lumineux se déplace sur la surface de la Lune avec de légères vibrations du pointeur laser dans votre main. Vous aimerez peut-être aussi l’exemple d’une vague frappant une ligne droite de plage avec un léger angle. A quelle vitesse le point d'intersection de la vague et du rivage peut-il se déplacer le long de la plage ?

Toutes ces choses peuvent arriver dans la nature. Par exemple, le faisceau lumineux d’un pulsar peut voyager le long d’un nuage de poussière. Explosion puissante peut créer des ondes sphériques de lumière ou de rayonnement. Lorsque ces ondes croisent une surface, des cercles lumineux apparaissent sur cette surface et se dilatent plus rapidement que la lumière. Ce phénomène s'observe par exemple lorsque pulsation éléctromagnétique d'un éclair traverse la haute atmosphère.

4. Solide

Si vous avez une longue tige rigide et que vous frappez une extrémité de la tige, l'autre extrémité ne bougera-t-elle pas immédiatement ? N'est-ce pas un moyen de transmission supraluminique d'informations ?

Ce serait vrai si Il y avait des corps parfaitement rigides. En pratique, l'impact se transmet le long de la tige à la vitesse du son, qui dépend de l'élasticité et de la densité du matériau de la tige. De plus, la théorie de la relativité limite les vitesses possibles du son dans un matériau par la valeur c .

Le même principe s'applique si vous tenez une corde ou une tige verticalement, la relâchez et elle commence à tomber sous l'influence de la gravité. L'extrémité supérieure que vous lâchez commence immédiatement à tomber, mais l'extrémité inférieure ne commencera à bouger qu'après un certain temps, car la disparition de la force de maintien est transmise le long de la tige à la vitesse du son dans le matériau.

La formulation de la théorie relativiste de l’élasticité est assez complexe, mais l’idée générale peut être illustrée à l’aide de la mécanique newtonienne. L'équation du mouvement longitudinal d'un corps idéalement élastique peut être dérivée de la loi de Hooke. Notons la densité linéaire de la tige ρ , module d'élasticité de Young Oui. Déplacement longitudinal X satisfait l'équation d'onde

ρ ré 2 X/dt 2 - Oui ré 2 X/dx 2 = 0

La solution à onde plane se déplace à la vitesse du son s, qui est déterminé à partir de la formule s 2 = Y/ρ. L'équation des vagues ne permet pas aux perturbations du milieu de se déplacer plus rapidement que la vitesse s. De plus, la théorie de la relativité donne une limite à la grandeur de l'élasticité : Oui< ρc 2 . En pratique, aucun matériau connu ne s'approche de cette limite. Veuillez également noter que même si la vitesse du son est proche de c, alors la matière elle-même n’évolue pas nécessairement à une vitesse relativiste.

Bien qu’il n’existe pas de corps solides dans la nature, il existe mouvement des corps rigides, qui peut être utilisé pour vaincre la vitesse de la lumière. Ce sujet concerne la section déjà décrite des ombres et des reflets. (Voir Les ciseaux superluminaux, Le disque rotatif rigide en relativité).

5. Vitesse des phases

Équation d'onde
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

a une solution sous la forme
u = UNE cos(ax - bt), c 2 une 2 - b 2 + w 2 = 0

Ce sont des ondes sinusoïdales se propageant à la vitesse v
v = b/a = carré(c 2 + w 2 /a 2)

Mais c'est plus que c. C'est peut-être l'équation des tachyons ? (voir la section suivante). Non, il s’agit d’une équation relativiste ordinaire pour une particule ayant une masse.

Pour éliminer le paradoxe, il faut distinguer la « vitesse de phase » v ph et "vitesse de groupe" v gr, et
v ph ·v gr = c 2

La solution ondulatoire peut présenter une dispersion de fréquence. Dans ce cas, le paquet d’ondes se déplace avec une vitesse de groupe inférieure à c. À l’aide d’un paquet d’ondes, les informations ne peuvent être transmises qu’à la vitesse du groupe. Les ondes d'un paquet d'ondes se déplacent avec la vitesse de phase. La vitesse de phase est un autre exemple de mouvement supraluminique qui ne peut pas être utilisé pour transmettre des messages.

6. Galaxies superluminales

7. Fusée relativiste

Laissez un observateur sur Terre voir un vaisseau spatial s'éloigner à une vitesse 0,8c Conformément à théorie de la relativité, il verra que l'horloge du vaisseau spatial tourne 5/3 fois plus lentement. Si nous divisons la distance jusqu'au navire par le temps de vol selon l'horloge de bord, nous obtenons la vitesse 4/3c. L'observateur conclut qu'à l'aide de son horloge de bord, le pilote du navire déterminera également qu'il vole à une vitesse supraluminique. Du point de vue du pilote, sa montre fonctionne normalement, mais l'espace interstellaire a été réduit de 5/3 fois. Par conséquent, il parcourt plus rapidement les distances connues entre les étoiles, à une vitesse 4/3c .

Mais ce n’est toujours pas un vol supraluminique. Vous ne pouvez pas calculer la vitesse en utilisant la distance et le temps définis dans différents systèmes de référence.

8. Vitesse de gravité

Certains insistent sur le fait que la vitesse de la gravité est bien plus grande c voire infini. Découvrez La gravité voyage-t-elle à la vitesse de la lumière ? et Qu'est-ce que le rayonnement gravitationnel ? Les perturbations gravitationnelles et les ondes gravitationnelles se propagent à grande vitesse c .

9. Paradoxe de la REP

10. Photons virtuels

11. Effet tunnel quantique

En mécanique quantique, l’effet tunnel permet à une particule de franchir une barrière, même si elle ne dispose pas de suffisamment d’énergie pour le faire. Il est possible de calculer le temps de tunneling à travers une telle barrière. Et cela peut s'avérer inférieur à ce qui est nécessaire pour que la lumière parcoure la même distance à grande vitesse. c. Cela pourrait-il être utilisé pour transmettre des messages plus rapidement que la lumière ?

L'électrodynamique quantique dit « Non ! » Cependant, une expérience a été réalisée qui a démontré la transmission supraluminique d’informations utilisant l’effet tunnel. À travers une barrière de 11,4 cm de large à une vitesse de 4,7 c La Quarantième Symphonie de Mozart a été transférée. L'explication de cette expérience est très controversée. La plupart des physiciens pensent que l'effet tunnel ne peut pas être utilisé pour transmettre information plus rapide que la lumière. Si cela était possible, pourquoi ne pas transmettre le signal dans le passé en plaçant l'équipement dans un référentiel en mouvement rapide.

17. Théorie quantique des champs

A l'exception de la gravité, tous les phénomènes physiques observés correspondent au Modèle Standard. Le modèle standard est une théorie relativiste des champs quantiques qui explique les interactions électromagnétiques et nucléaires, ainsi que toutes les particules connues. Dans cette théorie, toute paire d’opérateurs correspondant à des observables physiques séparés par un intervalle d’événements semblable à un espace « fait la navette » (c’est-à-dire que l’ordre de ces opérateurs peut être modifié). En principe, cela implique que dans le modèle standard, un impact ne peut pas se déplacer plus vite que la lumière, ce qui peut être considéré comme l’équivalent en champ quantique de l’argument de l’énergie infinie.

Cependant, il n’existe aucune preuve impeccablement rigoureuse de la théorie quantique des champs du modèle standard. Personne n’a encore prouvé que cette théorie était cohérente en interne. Ce n’est probablement pas le cas. Quoi qu’il en soit, rien ne garantit qu’il n’existe pas encore de particules ou de forces non découvertes qui n’obéissent pas à l’interdiction des voyages supraluminiques. Il n’existe pas non plus de généralisation de cette théorie incluant la gravité et la relativité générale. De nombreux physiciens travaillant dans le domaine de la gravité quantique doutent que des idées simples sur la causalité et la localité puissent se généraliser. Rien ne garantit que dans une future théorie plus complète, la vitesse de la lumière conservera le sens de vitesse ultime.

18. Le paradoxe du grand-père

En relativité restreinte, une particule se déplaçant plus vite que la lumière dans un référentiel se déplace dans le temps dans un autre référentiel. Les voyages FTL ou transfert d’informations permettraient de voyager ou d’envoyer un message dans le passé. Si un tel voyage dans le temps était possible, vous pourriez remonter le temps et changer le cours de l’histoire en tuant votre grand-père.

C’est un argument très sérieux contre la possibilité d’un voyage supraluminique. Certes, il reste une possibilité presque invraisemblable qu’un voyage supraluminique limité soit possible, empêchant un retour dans le passé. Ou peut-être que le voyage dans le temps est possible, mais que la causalité est violée de manière cohérente. Tout cela est très tiré par les cheveux, mais si nous parlons de voyages supraluminiques, il vaut mieux se préparer à de nouvelles idées.

L'inverse est également vrai. Si nous pouvions voyager dans le temps, nous pourrions vaincre la vitesse de la lumière. Vous pouvez remonter le temps, voler quelque part à basse vitesse et y arriver avant que la lumière envoyée de la manière habituelle n’arrive. Voir Voyage dans le temps pour plus de détails sur ce sujet.

Questions ouvertes sur les voyages plus rapides que la lumière

Dans cette dernière section, je décrirai quelques idées sérieuses sur d’éventuels voyages plus rapides que la lumière. Ces sujets ne sont pas souvent inclus dans la FAQ car ils ressemblent moins à des réponses qu'à de nombreuses nouvelles questions. Ils sont inclus ici pour montrer que des recherches sérieuses sont menées dans cette direction. Seule une brève introduction au sujet est donnée. Vous pouvez trouver des détails sur Internet. Comme pour tout ce qui se passe sur Internet, soyez critique à leur égard.

19. Tachyons

Les tachyons sont des particules hypothétiques qui se déplacent localement plus vite que la lumière. Pour ce faire, ils doivent disposer d’une masse imaginaire. De plus, l’énergie et l’élan du tachyon sont des quantités réelles. Il n’y a aucune raison de croire que les particules supraluminiques ne puissent pas être détectées. Les ombres et les hautes lumières peuvent se déplacer plus rapidement que la lumière et peuvent être détectées.

Jusqu'à présent, aucun tachyon n'a été trouvé et les physiciens doutent de leur existence. Certains ont affirmé que dans les expériences visant à mesurer la masse des neutrinos produits par la désintégration bêta du tritium, les neutrinos étaient des tachyons. C'est douteux, mais n'a pas encore été définitivement réfuté.

La théorie des tachyons pose des problèmes. En plus de perturber éventuellement la causalité, les tachyons rendent également le vide instable. Il est peut-être possible de contourner ces difficultés, mais même dans ce cas, nous ne pourrons pas utiliser les tachyons pour la transmission de messages supraluminiques.

La plupart des physiciens pensent que l’apparition de tachyons dans la théorie est le signe de certains problèmes de cette théorie. L'idée des tachyons est si populaire auprès du public simplement parce qu'ils sont souvent mentionnés dans la littérature de science-fiction. Voir Tachyons.

20. Trous de ver

La méthode la plus célèbre de voyage supraluminique mondial est l’utilisation de trous de ver. Un trou de ver est une coupure dans l'espace-temps d'un point de l'univers à un autre, qui permet de voyager d'un bout à l'autre du trou plus rapidement que le chemin habituel. Les trous de ver sont décrits par la théorie générale de la relativité. Pour les créer, vous devez changer la topologie de l'espace-temps. Peut-être que cela deviendra possible dans le cadre de la théorie quantique de la gravité.

Pour garder un trou de ver ouvert, vous avez besoin de zones d’espace avec une énergie négative. C.W.Misner et K.S.Thorne ont proposé d'utiliser l'effet Casimir à grande échelle pour créer de l'énergie négative. Visser a proposé d'utiliser des cordes cosmiques pour cela. Ce sont des idées très spéculatives et pourraient ne pas être possibles. Peut-être que la forme requise de matière exotique à énergie négative n’existe pas.

En septembre 2011, le physicien Antonio Ereditato a choqué le monde entier. La déclaration qu’il a faite promettait de révolutionner toute la compréhension de l’univers. Et si les données collectées par les 160 scientifiques participant au programme OPERA étaient exactes, cela signifiait que quelque chose d'incroyable avait été découvert. Les particules, en l’occurrence des neutrinos, se déplaçaient plus vite que la vitesse de la lumière.

Incroyable découverte

Selon les théories de la relativité d’Einstein, cela ne devrait pas se produire. Et les conséquences de démontrer que cela s’est produit seraient énormes. De nombreux points de physique seraient à revoir. Et même si Ereditato et son équipe ont indiqué qu'ils avaient un niveau élevé de confiance dans ce qu'ils ont trouvé, ils n'ont pas déclaré qu'ils étaient sûrs à cent pour cent de l'exactitude de leurs observations. En fait, ils ont demandé à d’autres scientifiques de les aider à comprendre ce qui s’était passé.

Erreur dans l'expérience

En conséquence, il s'est avéré que le programme OPERA était erroné. Le problème avec la prise de mesures du temps était dû au fait que le câble, censé transmettre des signaux incroyablement précis des satellites GPS, était mal connecté. En conséquence, il y a eu un retard inattendu dans la transmission du signal. Ainsi, les mesures du temps nécessaire à un neutrino pour parcourir une certaine distance comportaient une erreur d’environ 73 nanosecondes. Cela donnait l’impression que ces particules se déplaçaient plus rapidement que les particules de lumière.

Conséquences

Malgré des mois de tests minutieux avant le début de l'expérience, un grand nombre de vérifications répétées des informations obtenues au cours de l'expérience, cette fois les scientifiques se sont encore trompés. Ereditato a démissionné, même si de nombreuses personnes ont souligné que de telles erreurs se produisaient assez souvent dans la technologie extrêmement complexe des accélérateurs de particules. Mais pourquoi la moindre suggestion selon laquelle quelque chose peut se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière est-elle si importante ? Et les gens sont-ils vraiment sûrs que rien ne peut faire cela ?

Vitesse de la lumière

Examinons d'abord la deuxième de ces questions. La vitesse de la lumière dans le vide est de 299 792,458 kilomètres par seconde, soit un peu en deçà du joli chiffre rond de 300 000 kilomètres par seconde. C'est très rapide. Le soleil est à 150 millions de kilomètres de la Terre et la lumière ne met que huit minutes et vingt secondes pour parcourir cette distance. Tout ce qui est fabriqué par l'homme peut-il rivaliser avec la lumière ? L'un des objets les plus rapides jamais créés par l'homme est la sonde spatiale New Horizons, qui a survolé Pluton et Charon en 2015. La vitesse maximale qu'il a pu atteindre était de 16 kilomètres par seconde, soit bien moins de 300 000 kilomètres par seconde.

Expérience électronique

Cependant, les humains ont réussi à faire bouger de minuscules particules à des vitesses beaucoup plus élevées. Au début des années 60, William Bertozzi du Massachusetts Institute of Technology a expérimenté l'accélération des électrons. Les électrons ayant une charge négative, il est possible de les mettre en mouvement par répulsion si le matériau est chargé de la même charge. Plus on utilisait d’énergie, plus les électrons devenaient rapides.

Pourquoi ne pas appliquer un maximum d’énergie ?

On pourrait penser qu'il suffit d'augmenter l'énergie appliquée à un point tel que la vitesse des particules atteint les 300 000 kilomètres par seconde requis. Cependant, il s’est avéré que les électrons ne pouvaient pas se déplacer aussi rapidement. Les expériences de Bertozzi ont montré qu'utiliser davantage d'énergie ne créait pas une augmentation proportionnelle de la vitesse des électrons. Il a dû appliquer de plus en plus d’énergie pour obtenir des augmentations toujours décroissantes de la vitesse des particules. Ils se rapprochaient de plus en plus de la vitesse de la lumière, mais ne l’atteignaient jamais.

Impossibilité de réalisation

Imaginez que vous deviez marcher jusqu'à la porte en faisant des pas, mais chaque pas suivant sera la moitié de la taille de la précédente. En termes simples, vous n'atteindrez jamais la porte, car à chaque pas suivant, il y aura toujours une certaine distance entre vous et la porte. C’est exactement le problème rencontré par Bertozzi dans son expérience avec les électrons. Or, la lumière est constituée de particules appelées photons. Pourquoi ces particules peuvent-elles se déplacer à la vitesse de la lumière si les électrons ne sont pas à la hauteur ?

Caractéristiques des photons

À mesure qu’un objet se déplace de plus en plus vite, il devient de plus en plus lourd, et il lui devient donc plus difficile de prendre de la vitesse, et c’est pourquoi il ne pourra jamais atteindre la vitesse de la lumière. Les photons n'ont pas de masse. S’ils avaient une masse, ils ne pourraient pas se déplacer à la vitesse de la lumière. Les photons sont des particules uniques. Ils n'ont pas de masse, ce qui leur donne des possibilités illimitées lorsqu'ils se déplacent dans le vide, ils n'ont pas besoin d'accélérer. L’énergie naturelle qu’ils possèdent lorsqu’ils se déplacent par vagues garantit qu’au moment de leur création, les photons atteignent déjà leur limite de vitesse.

25 mars 2017

Les voyages FTL sont l’un des fondements de la science-fiction spatiale. Cependant, probablement tout le monde - même les gens éloignés de la physique - sait que la vitesse maximale possible de déplacement d'objets matériels ou de propagation de tout signal est la vitesse de la lumière dans le vide. Il est désigné par la lettre c et atteint près de 300 000 kilomètres par seconde ; valeur exacte c = 299 792 458 m/s.

La vitesse de la lumière dans le vide est l’une des constantes physiques fondamentales. L'impossibilité d'atteindre des vitesses supérieures à c découle de la théorie de la relativité restreinte (STR) d'Einstein. S’il pouvait être prouvé que la transmission de signaux à des vitesses supraluminiques est possible, la théorie de la relativité échouerait. Jusqu'à présent, cela ne s'est pas produit, malgré de nombreuses tentatives pour réfuter l'interdiction de l'existence de vitesses supérieures à c. Cependant, des études expérimentales récentes ont révélé des phénomènes très phénomènes intéressants, indiquant que dans des conditions spécialement créées, il est possible d'observer des vitesses supraluminiques et en même temps les principes de la théorie de la relativité ne sont pas violés.

Pour commencer, rappelons les principaux aspects liés au problème de la vitesse de la lumière.

Tout d’abord : pourquoi est-il impossible (dans des conditions normales) de dépasser la limite de luminosité ? Car alors la loi fondamentale de notre monde est violée - la loi de causalité, selon laquelle l'effet ne peut pas précéder la cause. Personne n'a jamais observé que, par exemple, un ours tombait d'abord mort, puis que le chasseur tirait. À des vitesses supérieures à c, la séquence des événements s'inverse, la bande temporelle est rembobinée. Ceci est facile à vérifier à partir du raisonnement simple suivant.

Supposons que nous soyons à bord d'une sorte de vaisseau spatial miracle, se déplaçant plus vite que la lumière. Ensuite, nous rattraperions progressivement la lumière émise par la source à des moments de plus en plus précoces. Premièrement, nous rattraperions les photons émis, disons, hier, puis ceux émis avant-hier, puis une semaine, un mois, un an, et ainsi de suite. Si la source de lumière était un miroir reflétant la vie, alors nous verrions d’abord les événements d’hier, puis d’avant-hier, et ainsi de suite. Nous pourrions voir, disons, un vieil homme qui se transforme peu à peu en un homme d'âge moyen, puis en un jeune homme, en un adolescent, en un enfant... Autrement dit, le temps reviendrait en arrière, nous passerions du présent au le passé. Les causes et les effets changeraient alors de place.

Bien que cette discussion ignore complètement les détails techniques du processus d'observation de la lumière, d'un point de vue fondamental, elle démontre clairement que le mouvement à des vitesses supraluminiques conduit à une situation impossible dans notre monde. Cependant, la nature a posé des conditions encore plus strictes : le mouvement non seulement à une vitesse supraluminique est inaccessible, mais aussi à une vitesse égale à la vitesse de la lumière - on ne peut que s'en approcher. De la théorie de la relativité, il résulte que lorsque la vitesse de déplacement augmente, trois circonstances surviennent : la masse d'un objet en mouvement augmente, sa taille dans la direction du mouvement diminue et l'écoulement du temps sur cet objet ralentit (à partir du point de vue d’un observateur externe « au repos »). Aux vitesses ordinaires, ces changements sont négligeables, mais à mesure qu'ils se rapprochent de la vitesse de la lumière, ils deviennent de plus en plus perceptibles, et à la limite - à une vitesse égale à c - la masse devient infiniment grande, l'objet perd complètement de la taille dans la direction du mouvement et le temps s'y arrête. Aucun corps matériel ne peut donc atteindre la vitesse de la lumière. Seule la lumière elle-même a une telle vitesse ! (Et aussi une particule « pénétrante » - un neutrino qui, comme un photon, ne peut pas se déplacer à une vitesse inférieure à c.)

Parlons maintenant de la vitesse de transmission du signal. Il convient ici d'utiliser la représentation de la lumière sous forme d'ondes électromagnétiques. Qu'est-ce qu'un signal ? Ce sont des informations qui doivent être transmises. Parfait onde électromagnétique- il s'agit d'une sinusoïde infinie d'une seule fréquence, et elle ne peut véhiculer aucune information, car chaque période d'une telle sinusoïde répète exactement la précédente. La vitesse de déplacement de la phase d'une onde sinusoïdale - dite vitesse de phase - peut, dans certaines conditions, dépasser la vitesse de la lumière dans le vide dans un milieu. Il n'y a aucune restriction ici, puisque la vitesse de phase n'est pas la vitesse du signal - elle n'existe pas encore. Pour créer un signal, vous devez faire une sorte de « marque » sur l'onde. Une telle marque peut être, par exemple, un changement dans l'un des paramètres de l'onde - amplitude, fréquence ou phase initiale. Mais dès que la marque est faite, l'onde perd sa sinusoïdalité. Il devient modulé, constitué d'un ensemble d'ondes sinusoïdales simples avec différentes amplitudes, fréquences et phases initiales - un groupe d'ondes. La vitesse à laquelle la marque se déplace dans l'onde modulée est la vitesse du signal. Lors de la propagation dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse de groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir « Science et Vie » n° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse de groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas un hasard si l'expression « dans des conditions normales » est utilisée ici, car dans certains cas, la vitesse de groupe peut dépasser c ou même perdre son sens, mais elle ne fait alors pas référence à la propagation du signal. La station service établit qu'il est impossible de transmettre un signal à une vitesse supérieure à c.

Pourquoi cela est-il ainsi? Car l’obstacle à la transmission de tout signal à une vitesse supérieure à c est la même loi de causalité. Imaginons une telle situation. À un moment donné A, un flash lumineux (événement 1) allume un appareil envoyant un certain signal radio, et à un point distant B, sous l'influence de ce signal radio, une explosion se produit (événement 2). Il est clair que l’événement 1 (éruption) en est la cause et que l’événement 2 (explosion) en est la conséquence, survenant plus tard que la cause. Mais si le signal radio se propageait à une vitesse supraluminique, un observateur proche du point B verrait d'abord une explosion, et ensuite seulement la cause de l'explosion qui l'atteindrait à la vitesse d'un éclair lumineux. Autrement dit, pour cet observateur, l’événement 2 se serait produit plus tôt que l’événement 1, c’est-à-dire que l’effet aurait précédé la cause.

Il convient de souligner que « l’interdiction supraluminique » de la théorie de la relativité ne s’applique qu’au mouvement des corps matériels et à la transmission des signaux. Dans de nombreuses situations, un mouvement à n’importe quelle vitesse est possible, mais il ne s’agira pas du mouvement d’objets matériels ou de signaux. Par exemple, imaginez deux règles assez longues situées dans le même plan, dont l'une est située horizontalement et l'autre le coupe sous un petit angle. Si la première règle est déplacée vers le bas (dans la direction indiquée par la flèche) à grande vitesse, le point d'intersection des règles peut être amené à courir aussi vite que souhaité, mais ce point n'est pas un corps matériel. Autre exemple : si vous prenez une lampe de poche (ou, disons, un laser qui produit un faisceau étroit) et décrivez rapidement un arc dans l'air, alors vitesse linéaire Le faisceau lumineux augmentera avec la distance et, à une distance suffisamment grande, il dépassera c. La tache lumineuse se déplacera entre les points A et B à une vitesse supraluminique, mais il ne s'agira pas d'une transmission de signal de A à B, car une telle tache lumineuse ne transporte aucune information sur le point A.

Il semblerait que la question des vitesses supraluminiques soit résolue. Mais dans les années 60 du XXe siècle, des physiciens théoriciens ont avancé l'hypothèse de l'existence de particules supraluminales appelées tachyons. Ce sont des particules très étranges : théoriquement elles sont possibles, mais pour éviter des contradictions avec la théorie de la relativité, il a fallu leur attribuer une masse au repos imaginaire. Physiquement, la masse imaginaire n’existe pas ; c’est une abstraction purement mathématique. Cependant, cela n'a pas suscité beaucoup d'inquiétude, car les tachyons ne peuvent pas être au repos - ils n'existent (s'ils existent !) qu'à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière dans le vide, et dans ce cas, la masse des tachyons s'avère réelle. Il y a ici une certaine analogie avec les photons : un photon a une masse au repos nulle, mais cela signifie simplement que le photon ne peut pas être au repos - la lumière ne peut pas être arrêtée.

Le plus difficile s’est avéré, comme on pouvait s’y attendre, de concilier l’hypothèse des tachyons avec la loi de causalité. Les tentatives faites dans ce sens, bien qu’assez ingénieuses, n’ont pas abouti à un succès évident. Personne n’a non plus pu enregistrer expérimentalement des tachyons. En conséquence, l’intérêt porté aux tachyons en tant que particules élémentaires supraluminales s’est progressivement estompé.

Cependant, dans les années 60, un phénomène a été découvert expérimentalement, ce qui a d'abord dérouté les physiciens. Ceci est décrit en détail dans l'article de A. N. Oraevsky « Ondes superluminales dans les médias amplificateurs » (UFN n° 12, 1998). Nous résumerons ici brièvement l'essence du sujet, en renvoyant le lecteur intéressé par les détails à l'article spécifié.

Peu de temps après la découverte des lasers - au début des années 60 - le problème s'est posé d'obtenir des impulsions lumineuses courtes (d'une durée d'environ 1 ns = 10-9 s) de haute puissance. Pour ce faire, une courte impulsion laser a été transmise à travers un amplificateur quantique optique. L'impulsion a été divisée en deux parties par un miroir diviseur de faisceau. L'un d'eux, plus puissant, était envoyé à l'amplificateur, et l'autre se propageait dans l'air et servait d'impulsion de référence avec laquelle on pouvait comparer l'impulsion traversant l'amplificateur. Les deux impulsions étaient transmises à des photodétecteurs et leurs signaux de sortie pouvaient être observés visuellement sur l'écran de l'oscilloscope. On s'attendait à ce que l'impulsion lumineuse traversant l'amplificateur connaisse un certain retard par rapport à l'impulsion de référence, c'est-à-dire que la vitesse de propagation de la lumière dans l'amplificateur serait inférieure à celle dans l'air. Imaginez l'étonnement des chercheurs lorsqu'ils ont découvert que l'impulsion se propageait à travers l'amplificateur à une vitesse non seulement supérieure à celle de l'air, mais également plusieurs fois supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide !

Après s'être remis du premier choc, les physiciens ont commencé à chercher la raison d'un résultat aussi inattendu. Personne n'avait le moindre doute sur les principes de la théorie de la relativité restreinte, et c'est ce qui a permis de trouver l'explication correcte : si les principes de la SRT sont préservés, alors la réponse doit être recherchée dans les propriétés du milieu amplificateur.

Sans entrer ici dans les détails, nous signalerons seulement que analyse détaillée le mécanisme d'action du milieu stimulant a complètement clarifié la situation. Il s'agissait d'un changement dans la concentration de photons pendant la propagation de l'impulsion - un changement causé par un changement dans le gain du milieu jusqu'à valeur négative lors du passage de la partie arrière de l'impulsion, lorsque le milieu absorbe déjà de l'énergie, car sa propre réserve est déjà épuisée du fait de son transfert à l'impulsion lumineuse. L'absorption provoque non pas une augmentation, mais un affaiblissement de l'impulsion, et ainsi l'impulsion est renforcée dans la partie avant et affaiblie dans la partie arrière. Imaginons que nous observions une impulsion à l'aide d'un appareil se déplaçant à la vitesse de la lumière dans le milieu amplificateur. Si le médium était transparent, on verrait l’impulsion figée dans l’immobilité. Dans l'environnement dans lequel se produit le processus mentionné ci-dessus, le renforcement du front d'attaque et l'affaiblissement du front de fuite de l'impulsion apparaîtront à l'observateur de telle manière que le milieu semble avoir fait avancer l'impulsion. Mais puisque l'appareil (l'observateur) se déplace à la vitesse de la lumière et que l'impulsion le dépasse, alors la vitesse de l'impulsion dépasse la vitesse de la lumière ! C'est cet effet qui a été enregistré par les expérimentateurs. Et ici, il n'y a vraiment aucune contradiction avec la théorie de la relativité : le processus d'amplification est simplement tel que la concentration de photons sortis plus tôt s'avère supérieure à ceux sortis plus tard. Ce ne sont pas les photons qui se déplacent à des vitesses supraluminiques, mais l'enveloppe de l'impulsion, notamment son maximum, qui est observée sur un oscilloscope.

Ainsi, alors que dans les milieux ordinaires il y a toujours un affaiblissement de la lumière et une diminution de sa vitesse, déterminée par l'indice de réfraction, dans les milieux laser actifs il y a non seulement une amplification de la lumière, mais aussi la propagation d'une impulsion à une vitesse supraluminique.

Certains physiciens ont tenté de prouver expérimentalement la présence d'un mouvement supraluminique lors de l'effet tunnel - l'un des phénomènes les plus fréquents. phénomènes étonnants en mécanique quantique. Cet effet consiste dans le fait qu'une microparticule (plus précisément un microobjet, en conditions différentes présentant à la fois les propriétés d'une particule et celles d'une onde) est capable de pénétrer à travers ce qu'on appelle la barrière de potentiel - un phénomène totalement impossible en mécanique classique (dans lequel l'analogue serait la situation suivante : une balle lancée contre un mur finirait de l'autre côté du mur, ou un mouvement ondulatoire imparti à une corde attachée au mur serait transmis à une corde attachée au mur de l'autre côté). L’essence de l’effet tunnel en mécanique quantique est la suivante. Si un micro-objet doté d'une certaine énergie rencontre sur son chemin une zone dont l'énergie potentielle dépasse l'énergie du micro-objet, cette zone constitue pour lui une barrière dont la hauteur est déterminée par la différence d'énergie. Mais le micro-objet « fuit » à travers la barrière ! Cette possibilité lui est offerte par la célèbre relation d'incertitude de Heisenberg, écrite pour l'énergie et le temps d'interaction. Si l'interaction d'un microobjet avec une barrière se produit sur un temps assez certain, alors l'énergie du microobjet sera au contraire caractérisée par une incertitude, et si cette incertitude est de l'ordre de la hauteur de la barrière, alors la cette dernière cesse d'être un obstacle insurmontable pour le microobjet. C'est la vitesse de pénétration à travers la barrière de potentiel qui a fait l'objet de recherches de la part de nombreux physiciens, qui estiment qu'elle peut dépasser c.

En juin 1998, un colloque international sur les problèmes du mouvement supraluminique s'est tenu à Cologne, où les résultats obtenus dans quatre laboratoires ont été discutés - à Berkeley, Vienne, Cologne et Florence.

Et enfin, en 2000, des rapports sont apparus sur deux nouvelles expériences dans lesquelles sont apparus les effets de la propagation supraluminique. L'une d'elles a été réalisée par Lijun Wong et ses collègues du Princeton Research Institute (États-Unis). Son résultat est qu'une impulsion lumineuse entrant dans une chambre remplie de vapeur de césium augmente sa vitesse de 300 fois. Il s'est avéré que la majeure partie de l'impulsion sortait de la paroi arrière de la chambre encore plus tôt que l'impulsion n'entrait dans la chambre par la paroi avant. Cette situation contredit non seulement le bon sens, mais, en substance, la théorie de la relativité.

Le message de L. Wong a suscité d'intenses discussions parmi les physiciens, dont la plupart n'étaient pas enclins à voir dans les résultats obtenus une violation des principes de la relativité. Le défi, estiment-ils, est d’expliquer correctement cette expérience.

Dans l'expérience de L. Wong, l'impulsion lumineuse entrant dans la chambre avec de la vapeur de césium avait une durée d'environ 3 μs. Les atomes de césium peuvent exister dans seize états mécaniques quantiques possibles, appelés « sous-niveaux magnétiques hyperfins de l’état fondamental ». Grâce au pompage optique laser, presque tous les atomes ont été amenés dans un seul de ces seize états, correspondant au zéro quasi absolu de température sur l’échelle Kelvin (-273,15°C). La longueur de la chambre à césium était de 6 centimètres. Dans le vide, la lumière parcourt 6 centimètres en 0,2 ns. Comme l'ont montré les mesures, l'impulsion lumineuse a traversé la chambre contenant du césium en un temps inférieur de 62 ns à celui du vide. Autrement dit, le temps nécessaire à une impulsion pour traverser un milieu césium a un signe moins ! En effet, si l’on soustrait 62 ns à 0,2 ns, on obtient un temps « négatif ». Ce "retard négatif" dans le milieu - un saut temporel incompréhensible - est égal au temps pendant lequel l'impulsion ferait 310 passages dans l'enceinte sous vide. La conséquence de ce « renversement temporel » était que l’impulsion sortant de la chambre parvenait à s’éloigner de 19 mètres avant que l’impulsion entrante n’atteigne la paroi proche de la chambre. Comment expliquer une situation aussi incroyable (à moins, bien sûr, de douter de la pureté de l’expérience) ?

À en juger par la discussion en cours, une explication exacte n'a pas encore été trouvée, mais il ne fait aucun doute que les propriétés de dispersion inhabituelles du milieu jouent ici un rôle : la vapeur de césium, constituée d'atomes excités par la lumière laser, est un milieu avec une dispersion anormale . Rappelons brièvement de quoi il s'agit.

La dispersion d'une substance est la dépendance de l'indice de réfraction de phase (ordinaire) n sur la longueur d'onde de la lumière l. Avec une dispersion normale, l'indice de réfraction augmente avec la diminution de la longueur d'onde, et c'est le cas du verre, de l'eau, de l'air et de toutes les autres substances transparentes à la lumière. Dans les substances qui absorbent fortement la lumière, l'évolution de l'indice de réfraction avec un changement de longueur d'onde est inversée et devient beaucoup plus raide : avec une diminution de l (fréquence w croissante), l'indice de réfraction diminue fortement et dans une certaine région de longueur d'onde devient inférieur à l'unité ( vitesse de phase Vf > s ). Il s’agit d’une dispersion anormale dans laquelle le modèle de propagation de la lumière dans une substance change radicalement. La vitesse de groupe Vgr devient supérieure à la vitesse de phase des ondes et peut dépasser la vitesse de la lumière dans le vide (et devenir également négative). L. Wong souligne cette circonstance comme la raison qui sous-tend la possibilité d'expliquer les résultats de son expérience. Il faut cependant noter que la condition Vgr > c est purement formelle, puisque la notion de vitesse de groupe a été introduite pour le cas de faible dispersion (normale), pour des milieux transparents, lorsqu'un groupe d'ondes ne change quasiment pas de forme. lors de la propagation. Dans les régions de dispersion anormale, l'impulsion lumineuse se déforme rapidement et la notion de vitesse de groupe perd son sens ; dans ce cas, les notions de vitesse du signal et de vitesse de propagation de l'énergie sont introduites, qui dans les milieux transparents coïncident avec la vitesse de groupe, et dans les milieux à absorption restent inférieures à la vitesse de la lumière dans le vide. Mais voici ce qui est intéressant dans l’expérience de Wong : une impulsion lumineuse, traversant un milieu à dispersion anormale, n’est pas déformée – elle conserve exactement sa forme ! Et cela correspond à l’hypothèse selon laquelle l’impulsion se propage avec une vitesse de groupe. Mais si tel est le cas, alors il s'avère qu'il n'y a pas d'absorption dans le milieu, alors que la dispersion anormale du milieu est précisément due à l'absorption ! Wong lui-même, tout en reconnaissant que beaucoup de choses restent floues, estime que ce qui se passe dans son dispositif expérimental peut, en première approximation, être clairement expliqué comme suit.

Une impulsion lumineuse se compose de nombreux composants de différentes longueurs d'onde (fréquences). La figure montre trois de ces composantes (vagues 1 à 3). À un moment donné, les trois ondes sont en phase (leurs maxima coïncident) ; ici, ils s'additionnent, se renforcent mutuellement et forment une impulsion. Au fur et à mesure qu’elles se propagent dans l’espace, les ondes se déphasent et s’annulent ainsi mutuellement.

Dans la région de dispersion anormale (à l’intérieur de la cellule à césium), l’onde qui était plus courte (vague 1) devient plus longue. A l’inverse, la vague qui était la plus longue des trois (vague 3) devient la plus courte.

Par conséquent, les phases des vagues changent en conséquence. Une fois les ondes traversées par la cellule à césium, leurs fronts d'ondes sont restaurés. Ayant subi une modulation de phase inhabituelle dans une substance à dispersion anormale, les trois ondes en question se retrouvent à nouveau en phase à un moment donné. Ici, ils s'additionnent à nouveau et forment une impulsion exactement de la même forme que celle entrant dans le milieu césium.

Généralement dans l'air, et en fait dans tout milieu transparent à dispersion normale, une impulsion lumineuse ne peut pas conserver avec précision sa forme lorsqu'elle se propage sur une distance éloignée, c'est-à-dire que tous ses composants ne peuvent pas être mis en phase en un point éloigné le long du chemin de propagation. Et dans des conditions normales, une impulsion lumineuse apparaît à un point aussi éloigné après un certain temps. Cependant, en raison des propriétés anormales du milieu utilisé dans l'expérience, l'impulsion à un point éloigné s'est avérée être phasée de la même manière que lors de son entrée dans ce milieu. Ainsi, l’impulsion lumineuse se comporte comme si elle avait un retard négatif sur son chemin vers un point distant, c’est-à-dire qu’elle y arriverait non pas plus tard, mais plus tôt qu’elle n’aurait traversé le milieu !

La plupart des physiciens sont enclins à associer ce résultat à l'apparition d'un précurseur de faible intensité dans le milieu dispersif de l'enceinte. Le fait est que lors de la décomposition spectrale d'une impulsion, le spectre contient des composantes de fréquences arbitrairement élevées avec une amplitude négligeable, ce qu'on appelle le précurseur, dépassant la « partie principale » de l'impulsion. La nature de l'implantation et la forme du précurseur dépendent de la loi de dispersion dans le milieu. En gardant cela à l’esprit, il est proposé d’interpréter la séquence d’événements de l’expérience de Wong comme suit. La vague entrante, « étirant » le signe avant-coureur devant elle, s'approche de la caméra. Avant que le pic de l’onde entrante n’atteigne la paroi proche de la chambre, le précurseur déclenche l’apparition d’une impulsion dans la chambre, qui atteint la paroi éloignée et y est réfléchie, formant une « onde inverse ». Cette onde, se propageant 300 fois plus vite que c, atteint la paroi proche et rencontre l'onde entrante. Les sommets d’une vague rencontrent les creux d’une autre, de sorte qu’ils se détruisent mutuellement et qu’il ne reste donc plus rien. Il s'avère que l'onde entrante « rembourse la dette » envers les atomes de césium, qui lui « prêtent » de l'énergie à l'autre bout de la chambre. Quiconque aurait observé uniquement le début et la fin de l'expérience ne verrait qu'une impulsion de lumière qui "sautait" en avant dans le temps, se déplaçant plus vite que c.

L. Wong estime que son expérience n'est pas cohérente avec la théorie de la relativité. Selon lui, l'affirmation selon laquelle la vitesse supraluminique est inaccessible s'applique uniquement aux objets ayant une masse au repos. La lumière peut être représentée soit sous forme d'ondes, auxquelles la notion de masse est généralement inapplicable, soit sous forme de photons avec une masse au repos, comme on le sait, égale à zéro. Par conséquent, selon Wong, la vitesse de la lumière dans le vide n’est pas la limite. Cependant, Wong admet que l'effet qu'il a découvert ne permet pas de transmettre des informations à des vitesses supérieures à c.

"L'information ici est déjà contenue dans le front d'attaque de l'impulsion", explique P. Milonni, physicien au Laboratoire national de Los Alamos aux États-Unis. "Et cela peut donner l'impression d'envoyer des informations plus rapidement que la lumière, même si vous ne l’envoie pas.

La plupart des physiciens estiment que ces nouveaux travaux ne portent pas un coup fatal aux principes fondamentaux. Mais tous les physiciens ne croient pas que le problème soit résolu. Le professeur A. Ranfagni, du groupe de recherche italien qui a réalisé une autre expérience intéressante en 2000, estime que la question reste ouverte. Cette expérience, réalisée par Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni et Rocco Ruggeri, a découvert que les ondes radio centimétriques dans l'air normal se déplacent à des vitesses 25 % plus rapides que c.

Pour résumer, nous pouvons dire ce qui suit.

Travaux dernières années montrent que dans certaines conditions, une vitesse supraluminique peut réellement se produire. Mais qu’est-ce qui se déplace exactement à des vitesses supraluminiques ? La théorie de la relativité, comme nous l'avons déjà mentionné, interdit une telle vitesse pour les corps matériels et pour les signaux porteurs d'informations. Néanmoins, certains chercheurs tentent avec beaucoup de persistance de démontrer le dépassement de la barrière lumineuse spécifiquement pour les signaux. La raison en est que dans la théorie de la relativité restreinte, il n'existe aucune justification mathématique stricte (basée, par exemple, sur les équations de Maxwell pour le champ électromagnétique) de l'impossibilité de transmettre des signaux à des vitesses supérieures à c. Une telle impossibilité dans STR est établie, pourrait-on dire, purement arithmétique, sur la base de la formule d'Einstein pour additionner les vitesses, mais cela est fondamentalement confirmé par le principe de causalité. Einstein lui-même, considérant la question de la transmission du signal supraluminique, a écrit que dans ce cas "... nous sommes obligés de considérer comme possible un mécanisme de transmission du signal, dans lequel l'action réalisée précède la cause. Mais, bien que cela résulte d'un point purement logique " Le point de vue ne se contient pas, à mon avis, il n'y a pas de contradictions ; il contredit néanmoins tellement la nature de toute notre expérience que l'impossibilité de l'hypothèse V > c semble être suffisamment prouvée. " Le principe de causalité est la pierre angulaire qui sous-tend l’impossibilité de transmission du signal supraluminique. Et, apparemment, toutes les recherches de signaux supraluminiques sans exception buteront sur cette pierre, peu importe à quel point les expérimentateurs voudraient détecter de tels signaux, car telle est la nature de notre monde.

Mais imaginons quand même que les mathématiques de la relativité fonctionnent toujours à des vitesses supraluminiques. Cela signifie qu’en théorie, nous pouvons encore découvrir ce qui se passerait si un corps dépassait la vitesse de la lumière.

Imaginons deux vaisseaux spatiaux se dirigeant de la Terre vers une étoile située à 100 années-lumière de notre planète. Le premier vaisseau quitte la Terre à 50 % de la vitesse de la lumière, il faudra donc 200 ans pour terminer le voyage. Le deuxième vaisseau, équipé d'un hypothétique moteur de distorsion, voyagera à 200 % de la vitesse de la lumière, mais 100 ans après le premier. Que va-t-il se passer ?

Selon la théorie de la relativité, la bonne réponse dépend en grande partie du point de vue de l’observateur. Depuis la Terre, il apparaîtra que le premier vaisseau a déjà parcouru une distance considérable avant d'être rattrapé par le deuxième vaisseau, qui se déplace quatre fois plus vite. Mais du point de vue des personnes à bord du premier navire, tout est un peu différent.

Le vaisseau n°2 se déplace plus vite que la lumière, ce qui signifie qu’il peut même dépasser la lumière qu’il émet lui-même. Il en résulte une sorte d’« onde lumineuse » (semblable à une onde sonore, mais à la place des vibrations de l’air, ce sont des ondes lumineuses qui vibrent) qui donne lieu à plusieurs effets intéressants. Rappelez-vous que la lumière du vaisseau n°2 se déplace plus lentement que le vaisseau lui-même. Le résultat sera un doublement visuel. En d’autres termes, l’équipage du navire n°1 verra d’abord que le deuxième navire est apparu à côté d’eux comme sorti de nulle part. Ensuite, la lumière du deuxième vaisseau atteindra le premier avec un léger retard, et le résultat sera copie visible, qui se déplacera dans la même direction avec un léger décalage.

Quelque chose de similaire peut être vu dans jeux d'ordinateur lorsque, à la suite d'une panne du système, le moteur charge le modèle et ses algorithmes à la fin du mouvement plus rapidement que l'animation du mouvement elle-même ne se termine, de sorte que plusieurs prises se produisent. C'est probablement pourquoi notre conscience ne perçoit pas cet aspect hypothétique de l'Univers dans lequel les corps se déplacent à des vitesses supraluminiques - c'est peut-être pour le mieux.

P.S. ... mais en dernier exemple Je ne comprends pas quelque chose, pourquoi la position réelle du navire est-elle associée à la « lumière qu'il émet » ? Eh bien, même s'ils le voient au mauvais endroit, en réalité il dépassera le premier navire !

sources

Dès l'école, on nous a appris qu'il est impossible de dépasser la vitesse de la lumière et que, par conséquent, le mouvement d'une personne dans l'espace est un gros problème insoluble (comment voler vers le système solaire le plus proche si la lumière ne peut parcourir cette distance qu'en quelques mille ans?). Peut-être que des scientifiques américains ont trouvé un moyen de voler à grande vitesse, non seulement sans tricher, mais en suivant également les lois fondamentales d'Albert Einstein. C’est en tout cas ce qu’affirme l’auteur du projet de moteur de déformation spatiale, Harold White.

À la rédaction, nous avons considéré la nouvelle comme absolument fantastique, c'est pourquoi aujourd'hui, à la veille de la Journée de l'astronautique, nous publions un rapport de Konstantin Kakaes pour le magazine Popular Science sur un projet phénoménal de la NASA, en cas de succès, une personne pourra aller au-delà système solaire.

En septembre 2012, plusieurs centaines de scientifiques, d'ingénieurs et de passionnés de l'espace se sont réunis pour la deuxième réunion publique du groupe, intitulée 100 Year Starship. Le groupe est dirigé par l'ancien astronaute Mai Jemison et fondé par la DARPA. L’objectif de la conférence est de « rendre possible le voyage humain au-delà du système solaire vers d’autres étoiles au cours des cent prochaines années ». La plupart des participants à la conférence admettent que les progrès dans l'exploration spatiale habitée sont trop faibles. Malgré les milliards de dollars dépensés au cours des derniers trimestres, les agences spatiales peuvent faire presque autant qu’elles le pouvaient dans les années 1960. En fait, 100 Year Starship a été convoqué pour résoudre tout cela.

Mais venons-en au fait. Après quelques jours de conférence, ses participants ont abordé les sujets les plus fantastiques : la régénération des organes, le problème de la religion organisée à bord d'un navire, etc. L'une des présentations les plus intéressantes de la réunion 100 Year Starship s'intitulait "Strain Field Mechanics 102" et a été donnée par Harold "Sonny" White de la NASA. Vétéran de l'agence, White dirige le programme avancé d'impulsions au Johnson Space Center (JSC). Avec cinq collègues, il a créé la feuille de route des systèmes de propulsion spatiale, qui décrit les objectifs de la NASA pour les futurs voyages spatiaux. Le plan répertorie toutes sortes de projets de propulsion, depuis les fusées chimiques avancées jusqu'aux développements de grande envergure comme l'antimatière ou les machines nucléaires. Mais le domaine de recherche de White est le plus futuriste de tous : il concerne le moteur de distorsion spatiale.

C'est ainsi que la bulle d'Alcubierre est habituellement représentée

Selon le plan, un tel moteur permettra de se déplacer dans l'espace à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière. Il est généralement admis que cela est impossible, car il s'agit d'une violation flagrante de la théorie de la relativité d'Einstein. Mais White dit le contraire. Pour confirmer ses propos, il fait appel aux bulles dites d’Alcubierre (équations dérivées de la théorie d’Einstein, selon lesquelles un corps dans l’espace est capable d’atteindre des vitesses supraluminiques, contrairement à un corps dans des conditions normales). Dans la présentation, il a expliqué comment il avait récemment obtenu des résultats théoriques qui conduisaient directement à la création d'un véritable moteur de déformation spatiale.

Il est clair que tout cela semble absolument fantastique : de tels développements constituent une véritable révolution qui libérera les mains de tous les astrophysiciens du monde. Au lieu de passer 75 000 ans à voyager jusqu'à Alpha Centauri, le système stellaire le plus proche du nôtre, les astronautes à bord d'un navire équipé de ce moteur pourraient faire le voyage en quelques semaines.

À la lumière de la fin du programme de navettes et du rôle croissant des vols privés vers l’orbite terrestre basse, la NASA affirme se recentrer sur des projets de grande envergure, beaucoup plus audacieux, qui vont bien au-delà des voyages sur la Lune. Ces objectifs ne peuvent être atteints que grâce au développement de nouveaux systèmes moteurs – le plus rapide sera le mieux. Quelques jours après la conférence, le directeur de la NASA, Charles Bolden, a répété les mots de White : « Nous voulons voyager plus vite que la vitesse de la lumière et sans nous arrêter sur Mars.

COMMENT CONNAISSONS-NOUS CE MOTEUR

La première utilisation populaire de l'expression « moteur de distorsion spatiale » remonte à 1966, lorsque Jen Roddenberry a publié « Star Trek" Pendant les 30 années suivantes, ce moteur n'a existé que dans le cadre de cette série de science-fiction. Un physicien nommé Miguel Alcubierre a regardé un épisode de la série alors qu'il travaillait sur son doctorat en relativité générale et se demandait s'il était possible de créer un moteur de distorsion spatiale dans la réalité. En 1994, il a publié un document exposant cette position.

Alcubierre a imaginé une bulle dans l'espace. Dans la partie avant de la bulle, l'espace-temps se contracte et à l'arrière, il se dilate (comme cela s'est produit lors du Big Bang, selon les physiciens). La déformation fera glisser le vaisseau en douceur dans l’espace, comme s’il surfait sur une vague, malgré le bruit ambiant. En principe, une bulle déformée peut se déplacer aussi rapidement qu’on le souhaite ; Les limitations de la vitesse de la lumière, selon la théorie d'Einstein, ne s'appliquent que dans le contexte de l'espace-temps, mais pas dans de telles distorsions de l'espace-temps. À l’intérieur de la bulle, comme le supposait Alcubierre, l’espace-temps ne changerait pas et aucun mal ne serait causé aux voyageurs spatiaux.

Les équations d'Einstein en relativité générale sont difficiles à résoudre dans une seule direction en déterminant comment la matière courbe l'espace, mais c'est faisable. Grâce à eux, Alcubierre a déterminé que la répartition de la matière est une condition nécessaire à la création d'une bulle déformée. Le seul problème est que les solutions ont abouti à une forme indéfinie de matière appelée énergie négative.

Parlant dans un langage simple, la gravité est la force d’attraction entre deux objets. Chaque objet, quelle que soit sa taille, exerce une certaine force d’attraction sur la matière environnante. Selon Einstein, cette force est la courbure de l’espace-temps. Cependant, l’énergie négative est gravitationnellement négative, c’est-à-dire répulsive. Au lieu de relier le temps et l’espace, l’énergie négative les repousse et les sépare. En gros, pour qu’un tel modèle fonctionne, Alcubierre a besoin d’énergie négative pour étendre l’espace-temps derrière le vaisseau.

Bien que personne n'ait jamais vraiment mesuré l'énergie négative, selon la mécanique quantique, elle existe et les scientifiques ont appris à la créer en laboratoire. Une façon de le recréer consiste à utiliser l'effet Casimir : deux plaques conductrices parallèles placées à proximité l'une de l'autre créent une certaine quantité d'énergie négative. Le point faible du modèle d’Alcubierre est qu’il nécessite une énorme quantité d’énergie négative, plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ce que les scientifiques estiment pouvoir produire.

White dit qu'il a trouvé un moyen de contourner cette limitation. Dans une simulation informatique, White a modifié la géométrie du champ de déformation afin qu'en théorie, il puisse produire une bulle déformée en utilisant des millions de fois moins d'énergie négative que celle estimée par Alcubierre, et peut-être suffisamment peu pour qu'un vaisseau spatial puisse transporter les moyens de la produire. "Les découvertes", dit White, "changent la méthode d'Alcubierre d'impraticable à entièrement plausible."

RAPPORT DU LABORATOIRE DE WHITE

Le Johnson Space Center est situé près des lagons de Houston, surplombant la baie de Galveston. Le centre ressemble un peu à un campus universitaire de banlieue, uniquement destiné à former des astronautes. Le jour de ma visite, White me retrouve dans le bâtiment 15, un labyrinthe à plusieurs étages de couloirs, de bureaux et de laboratoires où sont effectués les essais des moteurs. White porte un polo Eagleworks (comme il appelle ses expériences sur les moteurs), brodé d'un aigle planant au-dessus d'un vaisseau spatial futuriste.

White a commencé sa carrière en tant qu'ingénieur, menant des recherches au sein d'un groupe de robotique. Il a finalement pris le commandement de toute l’aile robotique de l’ISS tout en terminant son doctorat en physique des plasmas. Ce n’est qu’en 2009 qu’il s’est tourné vers l’étude du mouvement, et ce sujet l’a tellement captivé qu’il est devenu la principale raison pour laquelle il est allé travailler pour la NASA.

"C'est une personne assez inhabituelle", déclare son patron John Applewhite, qui dirige la division systèmes de propulsion. - C'est certes un grand rêveur, mais en même temps un ingénieur talentueux. Il sait transformer ses fantasmes en un véritable produit d’ingénierie. À peu près au même moment où il rejoignait la NASA, White demanda la permission d'ouvrir son propre laboratoire dédié aux recherches avancées. systèmes moteurs. Il a lui-même trouvé le nom d'Eagleworks et a même demandé à la NASA de créer un logo pour sa spécialisation. Puis ce travail a commencé.

White me conduit à son bureau, qu'il partage avec un collègue cherchant de l'eau sur la lune, puis à Eagleworks. Tout en marchant, il me parle de sa demande d’ouvrir un laboratoire et appelle cela « le long et ardu processus de recherche d’un mouvement avancé pour aider l’homme à explorer l’espace ».

White me montre l'objet et me montre sa fonction centrale - quelque chose qu'il appelle une « propulsion quantique à plasma sous vide » (QVPT). Cet appareil ressemble à un énorme beignet de velours rouge avec des fils étroitement enroulés autour du noyau. Il s'agit de l'une des deux initiatives d'Eagleworks (l'autre étant le moteur de distorsion). Aussi ceci développement secret. Quand je demande de quoi il s'agit, White répond que tout ce qu'il peut dire, c'est que la technologie est encore plus cool que le moteur Warp.) Selon un rapport de la NASA rédigé en 2011 par White, l'engin utilise les fluctuations quantiques dans l'espace vide comme source de carburant, ce qui signifie qu'un vaisseau spatial propulsé par QVPT ne nécessiterait aucun carburant.

Le moteur utilise les fluctuations quantiques dans l'espace vide comme source de carburant,
ce qui signifie un vaisseau spatial,
entraîné par QVPT, ne nécessite aucun carburant.

Lorsque l'appareil fonctionne, le système de White semble cinématographiquement parfait : la couleur du laser est rouge et les deux faisceaux se croisent comme des sabres. À l’intérieur de l’anneau se trouvent quatre condensateurs en céramique à base de titanate de baryum, que White charge à 23 000 volts. White a passé les deux dernières années et demie à développer l'expérience et il affirme que les condensateurs présentent une énergie potentielle énorme. Cependant, lorsque je lui demande comment créer l’énergie négative nécessaire à un espace-temps déformé, il évite de répondre. Il explique qu'il a signé un accord de non-divulgation et ne peut donc pas révéler de détails. Je demande avec qui il a conclu ces accords. Il dit : « Avec les gens. Ils viennent et veulent parler. Je ne peux pas vous donner plus de détails.

LES OPPOSANTS À L'IDÉE DU MOTEUR

Jusqu’à présent, la théorie du voyage déformé est assez intuitive – déformer le temps et l’espace pour créer une bulle en mouvement – ​​et présente quelques défauts importants. Même si White réduisait considérablement la quantité d'énergie négative requise par Alcubierre, cela nécessiterait toujours plus que ce que les scientifiques peuvent produire, explique Lawrence Ford, physicien théoricien à l'Université Tufts qui a écrit de nombreux articles sur le thème de l'énergie négative au cours des 30 dernières années. . Ford et d’autres physiciens affirment qu’il existe des limitations physiques fondamentales, non pas tant dues à des imperfections techniques qu’au fait qu’une telle quantité d’énergie négative ne peut pas exister longtemps au même endroit.

Autre défi : pour créer une boule de distorsion qui se déplace plus vite que la lumière, les scientifiques devront générer de l'énergie négative autour et au-dessus du vaisseau spatial. White ne pense pas que ce soit un problème ; il répond très vaguement que le moteur fonctionnera très probablement grâce à un « appareil existant qui crée les conditions nécessaires" Cependant, créer ces conditions à l’avant du vaisseau signifierait fournir un apport constant d’énergie négative se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière, ce qui contredit encore une fois la relativité générale.

Enfin, le moteur de distorsion spatiale pose une question conceptuelle. En relativité générale, voyager à des vitesses supraluminiques équivaut à voyager dans le temps. Si un tel moteur est réel, White crée une machine à voyager dans le temps.

Ces obstacles suscitent de sérieux doutes. "Je ne pense pas que la physique que nous connaissons et les lois de la physique nous permettent de croire qu'il réalisera quoi que ce soit avec ses expériences", déclare Ken Olum, physicien à l'Université Tufts qui a également participé au débat sur la propulsion exotique lors du 100e anniversaire du Starship. Réunion anniversaire." Noah Graham, un physicien du Middlebury College qui a lu deux articles de White à ma demande, m'a envoyé un e-mail : « Je ne vois aucune preuve scientifique valable autre que des références à ses travaux antérieurs. »

Alcubierre, aujourd'hui physicien à l'Université nationale autonome du Mexique, a ses propres doutes. «Même si j'étais sur un vaisseau spatial et que j'avais de l'énergie négative à disposition, je ne pourrais pas la mettre là où elle doit être», me dit-il au téléphone depuis son domicile à Mexico. - Non, l'idée est magique, j'aime ça, je l'ai écrite moi-même. Mais il y a quelques lacunes sérieuses que je peux constater aujourd’hui, au fil des années, et je ne connais pas un seul moyen de les corriger.

L'AVENIR DE LA SUPER VITESSE

À gauche de la porte principale du Johnson Science Center, une fusée Saturn V repose sur le côté, ses étages séparés pour montrer son contenu interne. C'est gigantesque : l'un de ses nombreux moteurs a la taille d'une petite voiture et la fusée elle-même mesure quelques pieds de plus qu'un terrain de football. Ceci, bien entendu, est une preuve assez éloquente des particularités de la navigation spatiale. En outre, elle a 40 ans et l’époque qu’elle représente – lorsque la NASA faisait partie d’un vaste plan national visant à envoyer l’homme sur la Lune – est révolue depuis longtemps. Aujourd'hui, JSC est simplement un endroit qui était autrefois génial mais qui a depuis quitté l'avant-garde spatiale.

Cette avancée pourrait signifier une nouvelle ère pour JSC et la NASA et, dans une certaine mesure, une partie de cette ère commence maintenant. La sonde Dawn, lancée en 2007, étudie l'anneau d'astéroïde à l'aide de moteurs ioniques. En 2010, les Japonais ont mis en service Icarus, le premier vaisseau interplanétaire propulsé par une voile solaire, un autre type de propulsion expérimentale. Et en 2016, les scientifiques prévoient de tester VASMIR, un système alimenté au plasma spécialement conçu pour la propulsion élevée de l'ISS. Mais même si ces systèmes peuvent transporter des astronautes sur Mars, ils ne pourront toujours pas les emmener au-delà du système solaire. Pour y parvenir, a déclaré White, la NASA devra entreprendre des projets plus risqués.

La pulsion de distorsion est peut-être l'effort le plus farfelu de Nas pour créer des projets de mouvement. La communauté scientifique affirme que White ne peut pas le créer. Les experts affirment que cela va à l’encontre des lois de la nature et de la physique. Malgré cela, la NASA est derrière le projet. «Il n'est pas subventionné au plus haut niveau gouvernemental comme il devrait l'être», dit Applewhite. - Je pense que la direction a un intérêt particulier à ce qu'il poursuive son travail ; C’est un de ces concepts théoriques qui, en cas de succès, changent complètement la donne.

En janvier, White a assemblé son interféromètre de contrainte et est passé à sa prochaine cible. Eagleworks est devenu trop grand sa propre maison. Le nouveau laboratoire est plus grand et, déclare-t-il avec enthousiasme, « isolé sismiquement », ce qui signifie qu’il est protégé des vibrations. Mais peut-être la meilleure chose à propos du nouveau laboratoire (et la plus impressionnante) est que la NASA a donné à White les mêmes conditions que Neil Armstrong et Buzz Aldrin sur la Lune. Voyons voir.

En septembre 2011, le physicien Antonio Ereditato a choqué le monde. Sa déclaration pourrait révolutionner notre compréhension de l’univers. Si les données recueillies par les 160 scientifiques du projet OPERA étaient exactes, l'incroyable a été observé. Les particules – en l’occurrence les neutrinos – se déplaçaient plus vite que la lumière. Selon la théorie de la relativité d’Einstein, cela est impossible. Et les conséquences d’un tel constat seraient incroyables. Il faudra peut-être reconsidérer les fondements mêmes de la physique.

Bien qu’Ereditato ait déclaré que lui et son équipe étaient « extrêmement confiants » dans leurs résultats, ils n’ont pas déclaré que les données étaient totalement exactes. Au lieu de cela, ils ont demandé à d’autres scientifiques de les aider à comprendre ce qui se passait.

En fin de compte, il s’est avéré que les résultats d’OPERA étaient erronés. En raison d'un câble mal connecté, il y avait un problème de synchronisation et les signaux des satellites GPS étaient inexacts. Il y a eu un retard inattendu dans le signal. En conséquence, les mesures du temps nécessaire aux neutrinos pour parcourir une certaine distance ont montré 73 nanosecondes supplémentaires : il semblait que les neutrinos se déplaçaient plus vite que la lumière.

Malgré des mois de tests minutieux avant le début de l’expérience et de revérifications des données par la suite, les scientifiques se sont gravement trompés. Ereditato a démissionné malgré les commentaires de nombreuses personnes selon lesquels de telles erreurs se produisaient toujours en raison de l'extrême complexité des accélérateurs de particules.

Pourquoi la suggestion – juste la suggestion – selon laquelle quelque chose pourrait voyager plus vite que la lumière a-t-elle provoqué un tel tapage ? Sommes-nous sûrs que rien ne pourra surmonter cette barrière ?

Examinons d'abord la deuxième de ces questions. La vitesse de la lumière dans le vide est de 299 792,458 kilomètres par seconde. Pour plus de commodité, ce nombre est arrondi à 300 000 kilomètres par seconde. C'est assez rapide. Le soleil est à 150 millions de kilomètres de la Terre et sa lumière atteint la Terre en seulement huit minutes et vingt secondes.

Certaines de nos créations peuvent-elles participer à la course contre la lumière ? L'un des objets artificiels les plus rapides jamais construits, la sonde spatiale New Horizons a survolé Pluton et Charon en juillet 2015. Il a atteint une vitesse par rapport à la Terre de 16 km/s. Bien moins de 300 000 km/s.

Cependant, nous avions de minuscules particules qui se déplaçaient assez rapidement. Au début des années 1960, William Bertozzi du MIT a expérimenté l'accélération d'électrons à des vitesses encore plus élevées.

Parce que les électrons ont une charge négative, ils peuvent être accélérés – ou plus précisément repoussés – en appliquant la même charge négative à un matériau. Plus l’énergie est appliquée, plus les électrons accélèrent rapidement.

On pourrait penser qu’il suffirait d’augmenter l’énergie appliquée pour atteindre une vitesse de 300 000 km/s. Mais il s’avère que les électrons ne peuvent tout simplement pas se déplacer aussi vite. Les expériences de Bertozzi ont montré qu'utiliser plus d'énergie n'entraîne pas une augmentation directement proportionnelle de la vitesse des électrons.

Au lieu de cela, d’énormes quantités d’énergie supplémentaire ont dû être appliquées pour modifier ne serait-ce que légèrement la vitesse des électrons. Elle se rapprochait de plus en plus de la vitesse de la lumière, mais ne l’atteignait jamais.

Imaginez que vous vous dirigez vers la porte par petits pas, chaque pas couvrant la moitié de la distance entre votre position actuelle et la porte. À proprement parler, vous n’atteindrez jamais la porte, car après chaque pas que vous ferez, vous aurez encore une distance à parcourir. Bertozzi a rencontré à peu près le même problème en traitant avec ses électrons.

Mais la lumière est composée de particules appelées photons. Pourquoi ces particules peuvent-elles se déplacer à la vitesse de la lumière, mais pas les électrons ?

"À mesure que les objets se déplacent de plus en plus vite, ils deviennent plus lourds - plus ils deviennent lourds, plus il leur est difficile d'accélérer, donc on n'atteint jamais la vitesse de la lumière", explique Roger Rassoul, physicien à l'Université de Melbourne en Australie. « Un photon n’a pas de masse. S’il avait une masse, il ne pourrait pas se déplacer à la vitesse de la lumière. »

Les photons sont spéciaux. Non seulement ils n’ont pas de masse, ce qui leur confère une totale liberté de mouvement dans le vide de l’espace, mais ils n’ont pas non plus besoin d’accélérer. L'énergie naturelle dont ils disposent se déplace par vagues tout comme eux, donc lorsqu'ils sont créés, ils ont déjà vitesse maximum. D’une certaine manière, il est plus facile de considérer la lumière comme de l’énergie plutôt que comme un flux de particules, même si en réalité la lumière est les deux.

Cependant, la lumière se déplace beaucoup plus lentement que prévu. Bien que les technologues Internet aiment parler de communications fonctionnant à la « vitesse de la lumière » dans la fibre optique, la lumière se déplace 40 % plus lentement dans la fibre optique de verre que dans le vide.

En réalité, les photons se déplacent à une vitesse de 300 000 km/s, mais rencontrent une certaine quantité d’interférences causées par d’autres photons émis par les atomes de verre lors du passage de l’onde lumineuse principale. Ce n’est peut-être pas facile à comprendre, mais au moins nous avons essayé.

De la même manière, dans le cadre d'expériences spéciales avec des photons individuels, il a été possible de les ralentir de manière assez impressionnante. Mais dans la plupart des cas, ce serait à peu près 300 000. Nous n’avons rien vu ni construit qui puisse se déplacer aussi vite, ni même plus vite. Il y a des points particuliers, mais avant de les aborder, abordons notre autre question. Pourquoi est-il si important que la règle de la vitesse de la lumière soit strictement respectée ?

La réponse concerne un homme nommé Albert Einstein, comme c’est souvent le cas en physique. Sa théorie de la relativité restreinte explore les nombreuses implications de ses limites de vitesse universelles. L’un des éléments les plus importants de cette théorie est l’idée selon laquelle la vitesse de la lumière est constante. Peu importe où vous vous trouvez et à quelle vitesse vous vous déplacez, la lumière se déplace toujours à la même vitesse.

Mais cela soulève plusieurs problèmes conceptuels.

Imaginez la lumière qui tombe d’une lampe de poche sur un miroir au plafond d’un vaisseau spatial stationnaire. La lumière monte, se reflète sur le miroir et tombe sur le sol du vaisseau spatial. Disons qu'il parcourt une distance de 10 mètres.

Imaginez maintenant que ce vaisseau spatial commence à se déplacer à une vitesse colossale de plusieurs milliers de kilomètres par seconde. Lorsque vous allumez la lampe de poche, la lumière se comporte comme avant : elle brille vers le haut, frappe le miroir et se reflète sur le sol. Mais pour ce faire, la lumière devra parcourir une distance diagonale et non verticale. Après tout, le miroir se déplace désormais rapidement avec le vaisseau spatial.

En conséquence, la distance parcourue par la lumière augmente. Disons 5 mètres. Cela fait 15 mètres au total, et non 10.

Et malgré cela, même si la distance a augmenté, les théories d'Einstein affirment que la lumière se déplacera toujours à la même vitesse. Puisque la vitesse est la distance divisée par le temps, puisque la vitesse reste la même et que la distance augmente, le temps doit également augmenter. Oui, le temps lui-même doit s’étirer. Et même si cela semble étrange, cela a été confirmé expérimentalement.

Ce phénomène est appelé dilatation du temps. Le temps passe plus lentement pour les personnes qui voyagent dans des véhicules rapides que pour celles qui sont à l’arrêt.

Par exemple, le temps s’écoule 0,007 seconde plus lentement pour les astronautes de la Station spatiale internationale. station spatiale, qui se déplace à une vitesse de 7,66 km/s par rapport à la Terre, par rapport aux habitants de la planète. La situation des particules telles que les électrons susmentionnés, qui peuvent se déplacer à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, est encore plus intéressante. Dans le cas de ces particules, le degré de décélération sera énorme.

Stephen Kolthammer, physicien expérimental à l'Université d'Oxford au Royaume-Uni, cite l'exemple des particules appelées muons.

Les muons sont instables : ils se désintègrent rapidement en particules plus simples. Si vite que la plupart des muons quittant le Soleil devraient se désintégrer au moment où ils atteignent la Terre. Mais en réalité, les muons arrivent sur Terre depuis le Soleil en volumes colossaux. Physiciens pendant longtemps j'ai essayé de comprendre pourquoi.

"La réponse à ce mystère est que les muons sont générés avec une telle énergie qu'ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière", explique Kolthammer. "Leur sens du temps, pour ainsi dire, leur horloge interne est lente."

Les muons « restent en vie » plus longtemps que prévu par rapport à nous, grâce à une distorsion temporelle réelle et naturelle. Lorsque les objets se déplacent rapidement par rapport aux autres objets, leur longueur diminue et se contracte également. Ces conséquences, la dilatation du temps et la réduction de la longueur, sont des exemples de la façon dont l'espace-temps change en fonction du mouvement des objets - moi, vous ou un vaisseau spatial - qui ont une masse.

Ce qui est important, comme le disait Einstein, c'est que la lumière n'est pas affectée car elle n'a pas de masse. C'est pourquoi ces principes vont de pair. Si les objets pouvaient voyager plus vite que la lumière, ils obéiraient aux lois fondamentales qui décrivent le fonctionnement de l’univers. Ce sont les principes clés. Nous pouvons maintenant parler de quelques exceptions et exceptions.

D'une part, même si nous n'avons rien vu aller plus vite que la lumière, cela ne signifie pas que cette limite de vitesse ne peut théoriquement pas être dépassée dans des conditions très spécifiques. Prenons par exemple l’expansion de l’Univers lui-même. Les galaxies de l’Univers s’éloignent les unes des autres à des vitesses dépassant largement la vitesse de la lumière.

Une autre situation intéressante concerne les particules qui partagent les mêmes propriétés au même moment, quelle que soit leur distance. C’est ce qu’on appelle « l’intrication quantique ». Le photon tournera de haut en bas, choisissant aléatoirement entre deux états possibles, mais le choix de la direction de rotation sera exactement reflété dans un autre photon ailleurs s'ils sont intriqués.

Deux scientifiques, étudiant chacun leur propre photon, obtiendraient le même résultat en même temps, plus rapidement que ne le permet la vitesse de la lumière.

Cependant, dans ces deux exemples, il est important de noter qu’aucune information ne voyage plus vite que la vitesse de la lumière entre deux objets. Nous pouvons calculer l’expansion de l’Univers, mais nous ne pouvons pas y observer les objets plus rapides que la lumière : ils ont disparu de notre vue.

Quant à deux scientifiques avec leurs photons, même s'ils pouvaient obtenir un résultat en même temps, ils ne pouvaient pas se le faire savoir plus vite que la lumière ne voyage entre eux.

"Cela ne nous pose aucun problème, car si vous pouvez envoyer des signaux plus rapides que la lumière, vous obtenez d'étranges paradoxes dans lesquels l'information peut remonter dans le temps", explique Kolthammer.

Il existe un autre moyen possible de rendre techniquement possible le voyage plus rapide que la lumière : des failles dans l’espace-temps qui permettraient au voyageur d’échapper aux règles du voyage normal.

Gerald Cleaver, de l'Université Baylor au Texas, estime qu'un jour nous pourrons construire un vaisseau spatial qui se déplacera plus vite que la lumière. Qui se déplace à travers un trou de ver. Les trous de ver sont des boucles dans l'espace-temps qui s'intègrent parfaitement dans les théories d'Einshein. Ils pourraient permettre à un astronaute de sauter d’un bout à l’autre de l’univers via une anomalie de l’espace-temps, une forme de raccourci cosmique.

Un objet voyageant à travers un trou de ver ne dépassera pas la vitesse de la lumière, mais pourrait théoriquement atteindre sa destination plus rapidement que la lumière qui emprunte un chemin « normal ». Mais les trous de ver pourraient être totalement inaccessibles aux voyages spatiaux. Existe-t-il un autre moyen de déformer activement l'espace-temps pour se déplacer à plus de 300 000 km/s par rapport à quelqu'un d'autre ?

Cleaver a également exploré l'idée d'un « moteur Alcubierre », proposée par le physicien théoricien Miguel Alcubierre en 1994. Il décrit une situation dans laquelle l'espace-temps se contracte devant le vaisseau spatial, le poussant vers l'avant, et s'étend derrière lui, le poussant également vers l'avant. "Mais ensuite", explique Cleaver, "des problèmes sont apparus : comment le faire et quelle quantité d'énergie serait nécessaire."

En 2008, lui et son étudiant diplômé Richard Obouzi ont calculé la quantité d'énergie nécessaire.

"Nous avons imaginé un vaisseau de 10 mx 10 mx 10 m - 1 000 mètres cubes - et avons calculé que la quantité d'énergie nécessaire pour démarrer le processus serait équivalente à la masse de Jupiter tout entier."

Après cela, l'énergie doit être constamment « ajoutée » pour que le processus ne se termine pas. Personne ne sait si cela sera un jour possible ni à quoi ressemblera la technologie nécessaire. "Je ne veux pas être cité pendant des siècles comme si j'avais prédit quelque chose qui n'arriverait jamais", déclare Cleaver, "mais je ne vois pas encore de solutions."

Ainsi, voyager plus vite que la vitesse de la lumière reste pour le moment de la science-fiction. Jusqu’à présent, la seule façon de visiter une exoplanète au cours de sa vie est de plonger dans une profonde animation suspendue. Et pourtant, tout n’est pas mauvais. La plupart du temps, nous parlons de lumière visible. Mais en réalité, la lumière est bien plus que cela. Des ondes radio et micro-ondes à la lumière visible, en passant par les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma émis par les atomes lors de leur désintégration, ces magnifiques rayons sont tous constitués de la même chose : des photons.

La différence est en énergie, et donc en longueur d'onde. Ensemble, ces rayons constituent le spectre électromagnétique. Le fait que les ondes radio, par exemple, se propagent à la vitesse de la lumière est extrêmement utile pour les communications.

Dans ses recherches, Kolthammer crée un circuit qui utilise des photons pour transmettre des signaux d'une partie du circuit à une autre. Il est donc bien qualifié pour commenter l'utilité de l'incroyable vitesse de la lumière.

"Le fait même que nous ayons construit l'infrastructure d'Internet, par exemple, et avant elle de la radio, sur la base de la lumière, est lié à la facilité avec laquelle nous pouvons la transmettre", note-t-il. Et il ajoute que la lumière agit comme la force de communication de l’Univers. Quand les électrons sont dans téléphone mobile commence à trembler, les photons s'envolent et font trembler également les électrons de l'autre téléphone mobile. C'est ainsi que naît un appel téléphonique. Le tremblement des électrons du Soleil émet également des photons – en quantités énormes – qui, bien sûr, forment de la lumière, donnant à la vie sur Terre de la chaleur et, euh, de la lumière.

La lumière est le langage universel de l'Univers. Sa vitesse – 299 792,458 km/s – reste constante. Pendant ce temps, l’espace et le temps sont malléables. Peut-être ne devrions-nous pas réfléchir à la manière de nous déplacer plus vite que la lumière, mais à la manière de nous déplacer plus rapidement dans cet espace et dans ce temps ? Aller à la racine, pour ainsi dire ?