C’est probablement la question que les gens posent le plus souvent lorsqu’il s’agit de voyage spatial: est-il possible de voyager plus vite que la lumière? Si oui, en sera-t-on capables un jour?

Evidemment, il y a beaucoup à dire sur le sujet… A vrai dire, il y a largement de quoi en écrire un bouquin. Cet article est donc un rapide passage en revue de la théorie, ainsi que des différentes possibilités. La liste de celles-ci n’est en aucun cas exhaustive.

Théorie

D’abord, un rapide coup d’oeil à la théorie. Les communications ou voyages à des vitesses supraluminiques (FTL en anglais pour « faster than light ») renvoient à la propagation d’information ou de matière à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Comme la plupart d’entre vous l’ont probablement déjà lu ou entendu, la théorie de la relativité d’Einstein dit que rien ne peut aller plus vite que la lumière dans le vide, ce qui n’est en fait pas tout à fait exact. La relativité restreinte nous donne l’énergie totale d’une particule:

avec m la masse au repos de la particule, v sa vitesse et c la vitesse de la lumière dans le vide.

Pour une particule avec une vitesse v plus petite que celle de la lumière c, on s’aperçoit qu’il faut une quantité d’énergie infinie pour accélérer la particule à la vitesse de la lumière, sans jamais pouvoir atteindre celle-ci. Cependant, la relativité restreinte n’interdit pas formellement l’existence de particules voyageant plus vite que la lumière, au moins mathématiquement. On appelle ces particules des tachyons.

D’après l’équation ci-dessus, cela implique un dénominateur imaginaire, et une masse au repos imaginaire afin de conserver une énergie totale réelle. Comme ça, une masse imaginaire peut sembler choquante, mais la masse au repos d’une particule ne peut être mesurée que dans un référentiel dans lequel elle est au repos. Dans le cas des tachyons, un tel référentiel ne peut pas exister: tout comme les particules ordinaires, ou bradyons, qui ne peuvent pas accélérer à la vitesse des la lumière, les tachyons ne peuvent pas décélérer à la vitesse de la lumière, car cela nécessiterait une quantité d’énergie infinie. Ainsi, la masse au repos n’a pas de réalité physique dans ce cas particulier.

Même si ils existent (en effet, il s’agit d’une particule hypothétique – quelque chose fonctionnant mathématiquement n’a pas nécessairement de réalité physique), les tachyons sont considérés comme le signe d’un comportement pathologique en théorie des champs, rendant la transmission d’information et la violation de causalité impossible avec des tachyons.

Dans le contexte de la relativité générale, où la gravitation est incluse, le principe qu’aucun objet ne peut accélérer à la vitesse de la lumière  dans le référentiel d’un observateur coïncident est maintenu. Cependant, comme on va le voir plus loin, la relativité générale permet des distorsions de l’espace-temps qui autorisent un objet à se déplacer plus vite que la lumière, du point de vue d’un observateur distant.

Phénomènes supraluminiques triviaux

Il y a quelques exemples dans lesquels certains phénomènes apparaissent se déplacer plus vite que la lumière, mais ils ne transportent ni énergie ni information, ils ne violent donc pas la relativité restreinte ou la causalité.

  1. Ombres et tâches lumineuses: si un laser est déplacé le long d’un objet, la tâche lumineuse peut facilement se déplacer plus vite que la lumière (plus l’objet est distant, plus c’est facile). De la même façon, une ombre projetée sur un objet distant peut se déplacer plus vite que la lumière. Dans aucun des deux cas il n’y a d’information ou de matière se déplaçant plus vite que c.
  2. Intrication quantique: ici, deux particules sont liées d’une façon telle que l’état quantique de l’une ne peut être proprement décrit sans mentionner celui de l’autre, même si les objets sont séparés par une grande distance. Apparemment, l’information peut être transmise plus vite que la lumière. Cependant, cela ne permet pas de véritable communication, puisqu’il n’y a aucun contrôle sur ce qui est transmis: c’est inutile.
  3. L’expansion de l’Univers: les galaxies distantes s’éloignent de nous à des vitesses supérieures à celle de la lumière. L’expansion de l’Univers est la croissance de l’espace-temps lui-même; cet espace-temps peut se déplacer plus vite que la lumière par rapport à un autre endroit, mais les deux endroits ne peuvent pas communiquer entre eux.

Voyage supraluminique apparent

On va maintenant voir qu’il est théoriquement possible de se déplacer plus vite que la lumière. Sauf que… en fait, on ne déplace pas plus vite que la lumière! Deux de ces possibilités (théoriques) sont les « trous de ver » et les « warp drives ». Ces deux exemples utilisent des distorsions de l’espace-temps pour se déplacer apparemment plus vite que la lumière.

Trous de ver

Un trou de ver est un « raccourci » hypothétique à travers l’espace-temps. Les trous de ver sont prédits par la relativité générale, et certains d’entre eux pourraient permettre de voyager très rapidement entre deux points distants de l’Univers (d’autres solutions permettent même le voyage dans le temps ou vers des univers parallèles – je ne les décrirai pas ici). Un trou de ver est constitué de trois parties: deux bouches et une gorge.

Pour un observateur externe, quelqu’un voyageant à travers un trou de ver semblerait avoir voyagé plus vite que la lumière. Ce n’est en fait pas le cas: un faisceau de lumière traversant le trou de ver se déplacerait toujours beaucoup plus vite que quoi que ce soit d’autre – la vitesse de la lumière n’est jamais dépassée localement. Vous pouvez imaginer la situation suivante: courez aussi vite que vous voulez autour d’une montagne pour en rejoindre le côté opposé; cela prendra très probablement beaucoup plus de temps que de marcher tranquillement dans un tunnel la traversant.

Pour qu’un trou de ver soit traversable, de la matière exotique avec une masse négative est nécessaire; sans elle, les trous de ver sont instables et disparaissent avant que quoi que ce soit puisse les traverser. Il existe d’autres modèles qui ne nécessitent pas de matière exotique, mais ils requièrent une modification de la relativité générale utilisant des dimensions supplémentaires. Aucun trou de ver n’a jamais été observé, et ces idées ne sont que spéculations: les trous de ver pourraient tout simplement ne pas exister.

 Warp drives

Miguel Alcubierre a théoriquement établi qu’il serait possible de créer un moteur Alcubierre, dans lequel un vaisseau spatial serait enfermé dans une bulle de distorsion (« warp bubble »), où l’espace à l’avant du vaisseau est rapidement contracté et l’espace à l’arrière rapidement dilaté. Ainsi, la bulle peut atteindre un endroit distant beaucoup plus vite qu’un faisceau de lumière à l’extérieur de la bulle, sans que les objets à l’intérieur de la bulle ne se déplacent plus vite que la lumière. Le truc est en fait que le vaisseau ne bouge pas du tout! C’est l’espace lui-même qui se déplace sous le vaisseau.

Dans ce cas également, de la matière exotique est nécessaire. Et le problème est qu’il en faudrait une quantité démesurée, problème qui n’est en fait pas le seul: il a été montré que l’équipage à bord du vaisseau serait causalement déconnecté des parois de la bulle de distorsion – il serait donc impossible de contrôler, diriger ou encore d’arrêter le vaisseau.

Récemment, un autre type de warp drive a été proposé par Gerald Cleaver et Richard Obousy: la bulle de distorsion serait créée en utilisant la onzième dimension de la théorie M, une extension de la théorie des cordes. Contracter la 11ème dimension à l’arrière du vaisseau permettrait de créer une bulle d’énergie noire, la même énergie noire que l’on pense être responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers. Dilater la 11ème dimension à l’avant du vaisseau ferait diminuer cette bulle. Ici, le problème est que la théorie M, à nouveau, n’est que pure spéculation, et comment manipuler cette 11ème dimension reste un mystère. Même en imaginant que la théorie M soit juste et qu’une telle technologie puisse être développée, la quantité d’énergie nécessaire serait complètement dingue: cela serait équivalent à convertir la masse de Jupiter tout entière en énergie pure! Inutile de dire que c’est bien au-delà de tout ce qu’on est capables de produire…

Enfin, si l’humanité est un jour capable de voyager à des vitesses supérieures à celle de la lumière (enfin, apparemment), ce qui semble pour l’instant plutôt improbable, il semblerait de toute façon que ça ne soit pas pour demain la veille…

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