En septembre 2011, le physicien Antonio Ereditato a choqué le monde. Sa déclaration pourrait bouleverser notre compréhension de l'univers. Si les données collectées par les 160 scientifiques OPERA étaient correctes, l'incroyable a été observé. Les particules - dans ce cas les neutrinos - se déplaçaient plus vite que la lumière. Selon la théorie de la relativité d'Einstein, cela est impossible. Et les conséquences d'une telle observation seraient incroyables. Il faudrait peut-être revoir 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 dit que les données étaient parfaitement exactes. Au contraire, 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 OPERA étaient erronés. Un câble mal connecté a causé un problème de synchronisation et les signaux des satellites GPS étaient inexacts. Il y a eu un retard inattendu du 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 volaient plus vite que la lumière.
Malgré des mois d'examen minutieux avant de commencer l'expérience et de revérifier les données par la suite, les scientifiques se sont vraiment trompés. Ereditato a démissionné, contrairement aux remarques de beaucoup selon lesquelles de telles erreurs se produisaient toujours en raison de l'extrême complexité du dispositif des accélérateurs de particules.
Pourquoi l'hypothèse - juste l'hypothèse - que quelque chose pourrait se déplacer plus vite que la lumière a-t-elle causé un tel bruit? Dans quelle mesure sommes-nous convaincus que rien ne peut surmonter cet obstacle?
Examinons d'abord la seconde 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.
L'une de nos créations peut-elle concourir dans la course contre la lumière? L'un des objets artificiels les plus rapides jamais construits, la sonde spatiale New Horizons a sifflé Pluton et Charon en juillet 2015. Il a atteint une vitesse relative à la Terre de 16 km / s. Beaucoup moins de 300 000 km / s.
Cependant, nous avions de minuscules particules qui se déplaçaient très rapidement. Au début des années 1960, William Bertozzi du Massachusetts Institute of Technology a expérimenté l'accélération d'électrons à des vitesses encore plus élevées.
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Comme les électrons ont une charge négative, ils peuvent être accélérés - plus précisément repoussés - en appliquant la même charge négative au matériau. Plus l'énergie est appliquée, plus les électrons accélèrent rapidement.
On pourrait penser qu'il suffit d'augmenter l'énergie appliquée pour accélérer à une vitesse de 300 000 km / s. Mais il s'avère que les électrons ne peuvent tout simplement pas bouger aussi vite. Les expériences de Bertozzi ont montré que l'utilisation de plus d'énergie ne conduit pas à 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 même légèrement la vitesse des électrons. Il se rapprochait de plus en plus de la vitesse de la lumière, mais il ne l'atteignait jamais.
Imaginez marcher vers la porte par petits pas, chacun parcourant 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 une distance à surmonter. Bertozzi a été confronté à un tel problème en traitant 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?
«Au fur et à mesure que les objets se déplacent de plus en plus vite, ils deviennent de plus en plus lourds - plus ils deviennent lourds, plus il leur est difficile d'accélérer, de sorte que vous n'atteignez 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 de la masse, il ne pouvait pas se déplacer à la vitesse de la lumière."
Les photons sont spéciaux. Non seulement ils manquent de masse, ce qui leur donne une totale liberté de mouvement dans le vide de l'espace, ils n'ont pas non plus besoin d'accélérer. L'énergie naturelle dont ils disposent se déplace par vagues, tout comme eux, donc au moment de leur création, ils ont déjà une vitesse maximale. Dans un sens, il est plus facile de considérer la lumière comme de l'énergie plutôt que comme un flux de particules, bien qu'en vérité, la lumière soit les deux.
Cependant, la lumière voyage beaucoup plus lentement que prévu. Alors que les technologies Internet aiment parler de communications qui fonctionnent à la «vitesse de la lumière» dans la fibre, la lumière se propage 40% plus lentement dans le verre de cette fibre que dans le vide.
En réalité, les photons voyagent à une vitesse de 300 000 km / s, mais ils rencontrent une certaine quantité d'interférences, interférences provoquées par d'autres photons qui sont émis par les atomes de verre au passage de l'onde lumineuse principale. Cela 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, le nombre de 300 000 sera valide. Nous n'avons rien vu ni créé qui puisse bouger 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 vitesse de la lumière soit strictement respectée?
La réponse a à voir avec un homme nommé Albert Einstein, comme c'est souvent le cas en physique. Sa théorie de la relativité restreinte examine les nombreuses conséquences de ses limites de vitesse universelles. L'un des éléments les plus importants de la théorie est l'idée que la vitesse de la lumière est constante. Peu importe où vous êtes ou à quelle vitesse vous vous déplacez, la lumière se déplace toujours à la même vitesse.
Mais cela pose plusieurs problèmes conceptuels.
Imaginez la lumière tombant d'une lampe de poche sur un miroir au plafond d'un vaisseau spatial stationnaire. La lumière monte, est réfléchie par le miroir et tombe sur le sol de l'engin spatial. Disons qu'il couvre 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 maintenant rapidement avec le vaisseau spatial.
En conséquence, la distance parcourue par la lumière augmente. Disons 5 mètres. Il s'avère 15 mètres au total, pas 10.
Malgré cela, bien que la distance ait 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. Bien que cela semble étrange, cela a été confirmé expérimentalement.
Ce phénomène s'appelle la dilatation du temps. Le temps passe plus lentement pour les personnes qui se déplacent dans des véhicules rapides que pour celles qui sont à l'arrêt.
Par exemple, le temps passe 0,007 seconde plus lentement pour les astronautes de la Station spatiale internationale, qui se déplace à 7,66 km / s par rapport à la Terre, par rapport aux humains sur la planète. Encore plus intéressante est la situation avec des particules comme les électrons mentionnés ci-dessus, qui peuvent voyager près de la vitesse de la lumière. Dans le cas de ces particules, le degré de décélération sera énorme.
Stephen Colthammer, physicien expérimental à l'Université d'Oxford au Royaume-Uni, cite un exemple de 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. Les physiciens tentent depuis longtemps de comprendre pourquoi.
«La réponse à ce mystère est que les muons sont générés avec une énergie telle qu'ils se déplacent à des vitesses proches de la lumière», explique Kolthammer. "Leur sens du temps, pour ainsi dire, leur horloge interne tourne lentement."
Les muons «survivent» plus longtemps que prévu par rapport à nous, grâce à la courbure naturelle actuelle du temps. Lorsque les objets se déplacent rapidement par rapport aux autres objets, leur longueur diminue également, se contracte. Ces conséquences, la dilatation du temps et la diminution de la longueur, sont des exemples de la façon dont l'espace-temps change en fonction du mouvement des choses - moi, vous ou le vaisseau spatial - avec la masse.
Ce qui est important, comme l'a dit Einstein, n'affecte pas la lumière, car elle n'a pas de masse. C'est pourquoi ces principes vont de pair. Si les objets pouvaient se déplacer plus vite que la lumière, ils obéiraient aux lois fondamentales qui décrivent le fonctionnement de l'univers. Ce sont des principes clés. Nous pouvons maintenant parler de quelques exceptions et dérogations.
D'une part, bien que nous n'ayons rien vu se déplacer 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 beaucoup plus rapides que la lumière.
Une autre situation intéressante concerne les particules qui partagent les mêmes propriétés en même temps, quelle que soit la distance les unes des autres. C'est ce qu'on appelle "l'intrication quantique". Le photon tournera de haut en bas, en choisissant au hasard parmi deux états possibles, mais le choix du sens de rotation se reflétera avec précision sur l'autre photon ailleurs s'ils sont intriqués.
Deux scientifiques, chacun étudiant son propre photon, obtiendront le même résultat simultanément, plus rapidement que la vitesse de la lumière ne le permettrait.
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 rapidement que la lumière: ils ont disparu du champ de vision.
Quant aux deux scientifiques avec leurs photons, bien qu'ils aient pu obtenir le même résultat en même temps, ils ne pouvaient se le faire savoir plus vite que la lumière ne se propage entre eux.
«Cela ne nous pose aucun problème, car si vous êtes capable d'envoyer des signaux plus rapidement que la lumière, vous obtenez des paradoxes bizarres selon lesquels les informations peuvent en quelque sorte remonter le temps», explique Kolthammer.
Il existe un autre moyen possible de rendre techniquement possible un voyage plus rapide que la lumière: des fractures dans l'espace-temps qui permettraient au voyageur d'éviter les règles du voyage normal.
Gerald Cleaver de l'Université Baylor au Texas estime qu'un jour nous pourrons peut-être construire un vaisseau spatial qui voyage 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'Einstein. Ils pourraient permettre à un astronaute de sauter d'un bout à l'autre de l'univers en utilisant une anomalie dans 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 voyageant le long du chemin "normal". Mais les trous de ver peuvent ne pas être du tout accessibles aux voyages dans l'espace. Pourrait-il y avoir 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» proposé par le physicien théoricien Miguel Alcubierre en 1994. Il décrit une situation dans laquelle l'espace-temps se contracte devant le vaisseau spatial, le pousse vers l'avant et se développe derrière lui, le poussant également vers l'avant. «Mais alors,» dit Cleaver, «des problèmes sont survenus: comment le faire et combien d'énergie serait nécessaire.
En 2008, lui et son étudiant diplômé Richard Aubosie ont calculé la quantité d'énergie nécessaire.
"Nous avons imaginé un vaisseau spatial 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 d'un Jupiter entier."
Après cela, l'énergie doit être constamment «versée» pour que le processus ne se termine pas. Personne ne sait si cela sera jamais possible ou à quoi ressembleront les technologies requises. «Je ne veux pas être cité pendant des siècles comme prédisant quelque chose qui ne se produira jamais», dit Cleaver, «mais je ne vois pas encore de solutions.»
Ainsi, voyager plus vite que la vitesse de la lumière reste un fantasme pour le moment. Jusqu'à présent, la seule façon de visiter une exoplanète au cours de la vie est de se plonger dans une animation en suspension profonde. Et pourtant, tout n'est pas mauvais. Dans la plupart des cas, nous avons parlé de lumière visible. Mais en réalité, la lumière est bien plus. Des ondes radio et micro-ondes à la lumière visible, aux rayons ultraviolets, aux rayons X et aux rayons gamma émis par les atomes lors de leur désintégration, ces beaux rayons sont tous composés de la même chose: des photons.
La différence est en énergie, c'est-à-dire en longueur d'onde. Ensemble, ces rayons constituent le spectre électromagnétique. Le fait que les ondes radio, par exemple, voyagent à la vitesse de la lumière est incroyablement utile pour la communication.
Dans ses recherches, Kolthammer crée un circuit qui utilise des photons pour transférer des signaux d'une partie du circuit à une autre, il mérite donc le droit de commenter les avantages de l'incroyable vitesse de la lumière.
«Le fait même que nous ayons construit l'infrastructure d'Internet, par exemple, et avant cela la radio basée sur la lumière, a à voir avec 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. Lorsque les électrons d'un téléphone portable commencent à trembler, les photons s'envolent et font aussi trembler les électrons de l'autre téléphone portable. C'est ainsi que naît un appel téléphonique. Les tremblements d'électrons dans le Soleil émettent également des photons - en quantités énormes - qui, bien sûr, forment la lumière qui donne 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 penser à comment se déplacer plus vite que la lumière, mais comment se déplacer plus vite dans cet espace et cette fois? Pour mûrir à la racine, pour ainsi dire?
