Vitesse supraluminique

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Une vitesse supraluminique (superluminal en anglais) désigne une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière.

Ce terme peut désigner plusieurs phénomènes (le dépassement de la vitesse de la lumière dans le vide ne crée de problèmes théoriques qu'à partir de la découverte de la relativité restreinte) :

  • des phénomènes optiques où des vitesses semblent être supérieures à celle de la lumière dans le vide, mais ne le sont pas réellement ;
  • des situations où des corps massifs vont à des vitesses supérieures à celle de la lumière dans certains milieux qui ne sont pas le vide et où la lumière est alors ralentie, ces phénomènes sont connus et ne constituent pas un paradoxe (voir effet Vavilov-Tcherenkov) ;
  • des situations, en général quantiques, où la notion de « vitesse de la lumière » doit être détaillée pour que cet énoncé ait un sens : la vitesse de phase (qui « ne correspond pas à la propagation physique réelle de quoi que ce soit[1] » d'après Lev Landau) d'une onde est en général supérieure à c, la théorie de la relativité ne limitant a priori que la vitesse du transport d'énergie et celle de l'information ;
  • des effets quantiques qui ne contredisent pas cette limite mais, soit restent à ce jour extrêmement hypothétiques, soit la contournent conceptuellement en explorant les limites de nos connaissances sur les interactions entre les particules et la matière. Dans ce cadre, ils font l'objet de nombreuses expérimentations[2] ;
  • des théories, qui se veulent cohérentes avec la relativité et la physique quantique, et qui admettent l'existence de particules allant à des vitesses supérieures à celle de la lumière dans le vide ;
  • des phénomènes relevant clairement de la science-fiction.

Historique[modifier | modifier le code]

En l'an 50 avant notre ère, Lucrèce semble être le premier auteur à évoquer des vitesses supraluminiques pour des particules, suivant sa conception de la matière et de la lumière[3].

Galilée aurait essayé de mesurer la vitesse de la lumière, sans succès étant donné les moyens dont il disposait[4]. René Descartes et Pierre de Fermat, sans réussir à la mesurer, ont toujours considéré la vitesse de la lumière comme finie. Les physiciens de la physique classique ont également toujours supposé cette vitesse comme finie, et l'idée de son dépassement était de peu d'intérêt car non problématique en théorie. En 1800, dans le cadre d'un espace physique euclidien (seul imaginé à l'époque), Pierre-Simon de Laplace montre que la vitesse de propagation de la gravitation doit être très grande, bien plus élevée que celle de la lumière, en raison d'une aberration gravitationnelle qui sinon rendrait les orbites instables.[réf. nécessaire]

Diagramme de composition des vitesses relativistes. Le caractère asymptotique de la vitesse c (ici, égale à 1) apparaît nettement.

Le dépassement de la vitesse de la lumière dans le vide devient un problème théorique à partir de la création de la théorie de la relativité restreinte (en 1905), qui postule que cette vitesse est la même dans tout référentiel inertiel (hypothèse d'Einstein « par pure nécessité logique[5] »), ce qui la rend indépassable d'après les calculs théoriques, et ce que confirment nombre d'expériences et observations depuis[5]. La relativité générale conclut que la vitesse de propagation de la gravitation (et donc des gravitons) est égale à celle de la lumière dans le vide[6], mais cette affirmation est délicate à vérifier expérimentalement, l'unique mesure revendiquée restant très critiquée[7].

Dès 1907, Arnold Sommerfeld relevait la possibilité de vitesses de groupes supérieures à c dans la théorie maxwellienne de l'électromagnétisme. Il engagea le jeune Léon Brillouin sur cette piste.[réf. nécessaire] Il s'avéra rapidement que le concept de « vitesse de la lumière » peut relever non pas d'une, mais d'une demi-douzaine de définitions distinctes : vitesses de groupe et de phase, de signal (la vitesse intuitive des mécaniciens), de front, de sommet, de transport de l'énergie, de transport de l'information

En physique des particules[modifier | modifier le code]

Tachyons[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Tachyon.
Visualisation d'un tachyon. Comme cette particule se déplace à une vitesse supérieure à celle de la lumière, on ne pourrait pas la voir arriver. Après son passage, on pourrait voir deux images du tachyon, s'éloignant dans des directions opposées. La ligne noire est l'onde de choc de l'effet Tcherenkov, dont on a seulement représenté l'état à un moment donné.

Les tachyons sont des particules hypothétiques, qui constituent essentiellement une expérience de pensée sur la possibilité d'existence de particules supraluminiques sans contredire la relativité. En effet, dans son article décrivant ces particules, Gerald Feinberg posait son « principe de réinterprétation » qui empêche d'employer les tachyons pour communiquer de l'énergie ou de l'information à vitesse supraluminique[8].

Au contraire des particules ordinaires, dont la vitesse est obligatoirement inférieure à c, les tachyons ont une vitesse obligatoirement supérieure à c. Suivant les équations de relation entre la masse et l'énergie, cela implique également que la masse au repos d'un tachyon est un nombre imaginaire.

E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}.

En physique, un tachyon ne correspondrait pas à une particule ayant une réalité matérielle mais serait une indication que la théorie dans laquelle ils apparaissent possède une forme d’instabilité. Dans ce cas c'est un signe que la théorie a été formulée en faisant un mauvais choix de variables. Lorsqu'on formule la théorie en prenant de bonnes variables les tachyons disparaissent.

Neutrinos[modifier | modifier le code]

Expérience OPERA et autres mesures[modifier | modifier le code]

Détecteur de l’expérience OPERA.

En septembre 2011, les physiciens travaillant sur l'expérience OPERA annoncent que le temps de vol mesuré des neutrinos produits au CERN est inférieur de 60,7±(6,9)stat±(7,4)syst ns à celui attendu pour des particules se déplaçant à la vitesse de la lumière[9],[10]. Cela pourrait signifier que le neutrino se déplace à une vitesse de 299 799,9 ± 1,2 km/s, soit 7,4 km/s de plus que la vitesse de la lumière.

Une telle déviation avait déjà été mesurée par le détecteur MINOS, mais restait compatible avec la vitesse de la lumière dans les marges d'incertitude liées à la mesure[11]. La mesure obtenue par OPERA concerne quant à elle une statistique de 16 000 événements recueillis depuis 2008 (après une mise à jour du détecteur), soit une significance de 6\sigma. Le résultat d'µOPERA[Quoi ?] incitait alors les chercheurs de MINIOS[Quoi ?] à améliorer leur système de mesure de temps pour être en mesure de confirmer effectivement le dépassement de vitesse[12].

Les physiciens de la collaboration OPERA restent prudents et ne cherchent pas à interpréter cette mesure. D'après Jean-Marc Lévy-Leblond, « l'opinion de la majorité des physiciens » est que les conclusions tirées de cette mesure sont dues à « une pression de production qui conduit la science à être de plus en plus dépendante des mécanismes du marché », et probablement erronées[13].

Mais selon Pierre Binetruy (directeur de l'Observatoire de Paris et Prix Paul-Langevin 2000) « ça fait quelques années que les théoriciens envisagent plusieurs dimensions qui pourraient permettre aux neutrinos de prendre la tangente, ce qui serait « l'aube d'une nouvelle physique » »[14]. Globalement, les scientifiques ne remettent pas en question les mesures de l’expérience mais restent modérés quant à son interprétation et s'interdisent de remettre en question la relativité [15].

Une autre observation sur ce thème est celle des neutrinos émis par la supernova SN 1987A, ne permettant pas de supposer une vitesse supraluminique (3 heures d'écart sur 186 000 ans). Mais, il existe trois catégories de neutrinos différents : neutrino électronique e, neutrino du tau t, et neutrino muonique µ [1], et ce n'est que pour cette dernière catégorie que les chercheurs de l'expérience OPERA ont mesuré une vitesse supérieure à celle de la lumière.

Le 17 novembre 2011, la collaboration OPERA annonce de nouveaux résultats qui confortent les précédents. En utilisant des impulsions de protons beaucoup plus courtes (3 ns, séparées de 524 ns) afin d'éliminer tout biais lié à l'utilisation de la corrélation de la densité de probabilité du temps d'émission des protons du SPS avec la densité de probabilité de détection des neutrinos au LNGS. Cette méthode permet de mesurer le temps de vol de chaque neutrino, la durée des impulsions étant plus courte que le décalage mesuré précédemment. 20 neutrinos ont été détectés avec une avance moyenne de 62,1 ± 3,7 ns sur la vitesse de la lumière, en cohérence avec les résultats précédents[16].

Le 22 février 2012, la revue Science fait état d'une mauvaise connexion au niveau de la fibre optique reliant un GPS à une carte électronique du dispositif expérimental d'OPERA et qui pourrait être à l'origine de l'effet observé[17]. Le 23 février, le CERN a confirmé que cette hypothèse était en cours d'investigation[9], tout en mentionnant une autre défaillance possible au niveau d'un oscillateur utilisé pour la synchronisation avec un GPS, qui accentuerait l'effet observé[9]. L'expérience reconduite avec un câblage correct a confirmé que les neutrinos voyageaient à une vitesse inférieure à celle de la lumière dans cette expérience[18]

Exemples d'études antérieures[modifier | modifier le code]

Des théoriciens ont envisagé que les neutrinos aient une vitesse supraluminique, notamment des physiciens Chinois[19],[20],[21] parmi lesquels Ni Guang-Jiong qui a cherché une cohérence de cette hypothèse avec la relativité restreinte dans des mesures admettant que leurs masses puissent être des imaginaires purs[22],[23],[24],[25],[26]. D'autres chercheurs américains, parmi lesquels J.N. Pecina-Cruz[27] ont aussi envisagé ce cas. Rien ne permet de dire à ce jour que ces travaux ont prédit des effets similaires à ceux (encore à confirmer) mesurés par OPERA, ou en apportent une interprétation ou une explication valide.

Effet Vavilov-Tcherenkov[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Effet Vavilov-Tcherenkov.

Très familier pour le personnel des centrales nucléaires, c'est l'effet visuel qui se produit lorsque certaines particules atomiques dépassent le mur de Tcherenkov, c’est-à-dire, la vitesse de la lumière dans un milieu donné autre que le vide.

Pour les centrales nucléaires, il s'agit de l'eau. En effet, dans un tel milieu, la vitesse de propagation de la lumière est de 230 600 km/s (contre presque 300 000 km/s dans le vide), tandis que celle des électrons est de 257 370 km/s dans le même milieu. L'effet Čerenkov lors du dépassement de la lumière est alors analogue à l'effet Mach lorsqu'on dépasse le mur du son ; mais « lumineux » et non « sonore » : l'onde de choc est un flash lumineux qui poursuit la particule chargée. Cet effet est la cause du rayonnement de lumière bleue qui émane des piscines de refroidissement des réacteurs nucléaires.

Ici la relativité n'est pas mise en défaut dans la mesure où seule la vitesse de la lumière dans le vide constitue une limite théorique. La lumière se propageant moins vite dans un milieu matériel ; il est ainsi possible de se déplacer plus vite que la lumière, mais toujours moins vite que c.

Représentation géométrique de l'effet Vavilov-Čerenkov.

Effet STL[modifier | modifier le code]

Il est également possible de ralentir la lumière à travers un cristal photonique.

Inspirés par l'effet Čerenkov, de nombreux scientifiques ont expérimenté les applications du ralentissement de la vitesse de la lumière. Or selon la relativité générale, matière et lumière peuvent l'un et l'autre courber l'espace-temps. L'étude la plus éloquente (reposant donc à la fois sur l’emploi du ralentissement de lumière et sur la courbure de l'espace-temps) est l'expérimentation d'un dispositif créant un faisceau lumineux circulaire dans un cristal photonique pliant la trajectoire de la lumière en la ralentissant[28][réf. incomplète]. L'effet STL (Space-time Twisted by Light) consiste à envoyer un neutron dans l'espace au centre du faisceau. Deux faisceaux dans ce modèle, avec la lumière voyageant dans des directions opposées, tordraient l'espace-temps à l'intérieur de la boucle. Le spin du neutron serait alors affecté par cet espace-temps ainsi déformé. Le neutron se déplaçant à une vitesse supérieure à la lumière circulaire ralentie, il en résulterait une reconstruction du neutron avant sa désintégration dans le dispositif. Le docteur Ronald Mallett de l'université du Connecticut a mis au point ce dispositif qui ralentit considérablement la lumière et pourrait (contrairement à l'effet Vavilov-Tcherenkov) influer sur la causalité[29][réf. incomplète]. Il souligne toutefois les difficultés matérielles d’une telle entreprise et rappelle que le ralentissement de la lumière exige des températures proches du zéro absolu. Cependant, les premières mesures sont tout à fait probantes et soutenues par l'université du Connecticut, le rapport public est d'ailleurs sorti en novembre 2006. Mais d'une part, même si cette expérience marche à l'échelle d'un neutron, on peut s'attendre à un phénomène de décohérence à l'échelle macroscopique. Par ailleurs, à la manière de l'effet Čerenkov, la lumière se propageant moins vite dans ce milieu matériel, il est possible de se déplacer plus vite que cette lumière, mais à une célérité moindre que c néanmoins.

En astrophysique[modifier | modifier le code]

Présentation[modifier | modifier le code]

Jet émis depuis le centre de la galaxie M87 .
Galaxie NGC 4261. On remarque les jets de radiation électromagnétique (à gauche) ainsi que le disque d'accrétion autour du centre de la galaxie (à droite).

En astrophysique, des vitesses supraluminiques apparentes sont parfois observées dans les jets des quasars et des microquasars. Ce phénomène n'est que le résultat d'un effet de projection et de la finitude de la vitesse de la lumière. On trouve dans ces deux classes d'objets un trou noir autour duquel se trouve un disque d'accrétion. Le disque est traversé par un champ magnétique qui permet de propulser des jets, selon un axe perpendiculaire au disque et centré sur le trou noir.

Il n'est pas encore clairement expliqué comment un jet produit par un disque d'accrétion peut atteindre une vitesse suffisamment grande pour sembler supraluminique à un observateur lointain. En effet, même si cet effet est géométrique comme décrit ci-dessous, il faut quand même que le jet atteigne une vitesse minimale pour apparaître comme supraluminique. Un modèle prometteur, développé au LAOG en France, propose qu'à l'intérieur d'un jet classique non-relativiste (c'est-à-dire n'atteignant pas des vitesses semblables à celle de la lumière) se crée sous certaines conditions des paires électrons-positrons. Le jet classique, auto-collimaté par le champ magnétique, permettrait de créer un jet de ces paires atteignant alors des vitesses ultra-relativistes (très proches de c).

Dans notre galaxie, la Voie lactée, le premier objet montrant de tels jets fut découvert en 1994 et s'appelle GRS 1915+105[30], et où la vitesse des jets semble être de 1,3 fois celle de la lumière. Par des observations s'étendant de 2004 à 2009, le trou noir au centre de notre galaxie a permis de repérer un phénomène semblable, trace d'un phénomène plus ancien de 500 ans[31]. Ces jets supraluminiques sont observés généralement dans les ondes radio avec des instruments tels que le VLA ou le VLBA. Des jets supraluminiques sont aussi observés dans le microquasar XTE J1550-564[32].

Démonstration[modifier | modifier le code]

Les vitesses supraluminiques observées en astrophysique résultent d'un phénomène bien compris et en aucun cas des particules de masse non-nulle ne se déplacent réellement à des vitesses supérieures à c. Il n'y a donc pas violation du postulat de la relativité restreinte.

Sur la figure est représenté par un cercle un objet matériel (paquet de gaz, de particules), projeté par le (micro)quasar émettant de la lumière et se déplaçant de haut en bas selon la flèche inclinée, avec une vitesse v. On se place dans le référentiel de l'observateur que nous sommes (ex. : : un astronome observant un microquasar…). L'observateur est situé en bas de la figure, très loin sur l'axe «y». On observe l'objet dans sa position du haut à un temps t_1, et en bas à un temps t_2, (avec t_1 < t_2).

Schéma décrivant le déplacement d'un objet (le rond) le long d'une direction (la flèche). L'observateur se trouve dans la direction de l'axe «y», en bas.

On définit par commodité : \beta \equiv v/c, où c est la vitesse de la lumière. Naturellement, v = \beta \, c. Pour toute particule ayant une masse non-nulle, 0 \leq \beta < 1. Pour la lumière, \beta = 1.

Puisqu'il existe un angle \theta entre l'axe « y » et la direction de l'objet dans l'espace, la vitesse de l'objet en mouvement projetée sur les axes « x » et « y » s'écrivent respectivement, par simple trigonométrie :

v_y = \beta \, c \, \cos(\theta)
v_x = \beta \, c \, \sin(\theta)

Si l'on définit l'intervalle de temps entre t_1 et t_2 comme \Delta t = t_2 - t_1, les intervalles de longueur projetés sur les axes « x » (\Delta l_x) et « y » (\Delta l_y) du déplacement de l'objet s'obtiennent comme :

\Delta l_y = v_y \, \Delta t = \beta \, c \, \cos(\theta) \, \Delta t
\Delta l_x = v_x \, \Delta t = \beta \, c \, \sin(\theta) \, \Delta t

Entre le temps t_1 et le temps t_2, l'objet s'est déplacé selon l'axe « y » d'une longueur \Delta l_y. Mais l'observateur se trouvant à très grande distance de l'objet, il ne peut pas percevoir le mouvement le long de l'axe « y », et l'objet ne semble s'être déplacé que transversalement. En apparence donc, la lumière émise au temps t_1 et celle au temps t_2 a été émise à la même distance de l'observateur. Donc en apparence, le temps observé est plus court que le temps réel, puisque le temps mis par la lumière pour parcourir \Delta l_y n'est pas perçu.

On pourrait dire à l'inverse que l'intervalle de temps effectivement observé est plus court que l'intervalle de temps vrai, puisque la lumière a économisé la distance \Delta l_y entre les deux observations, distance qui est non négligeable lorsque la vitesse réelle est comparable à celle de la lumière. Pour des vitesses habituelles à l'échelle humaine qui sont très faibles devant la vitesse de la lumière, ce temps est minuscule et parfaitement indétectable. Mais dans le cas où l'objet matériel se déplace avec une vitesse comparable à celle de la lumière ce temps n'est pas négligeable. Ainsi :

\Delta t_{\textrm{obs}} = \Delta t \, - \, \frac{\Delta l_y}{c} = \Delta t \, \left( 1 - \beta \, \cos(\theta) \right)

Pour des vitesses à l'échelle humaine, \beta est extrêmement petit, et le terme \beta \, \cos(\theta) tend donc vers 0. Dans ce cas, les intervalles de temps observés et réels sont égaux. De même, pour un angle \theta = 90^{\circ}, le cosinus est nul, la projection le long de l'axe « y » est nulle, et l'effet aussi. Si \theta = 0^{\circ}, on ne voit pas l'objet se déplacer transversalement. Il existe donc un angle intermédiaire, pour lequel cet effet est maximal. Si \beta est assez grand alors la vitesse apparente maximale est plus grande que celle de la lumière.

En effet, la vitesse observée (en fait calculée à partir des observations) transversalement, le long de l'axe « x », ou mieux, en divisant par c :

 \beta_{\textrm{obs}} = \frac{v_{\textrm{obs}}}{c} = \frac{\Delta l_x}{\Delta t_{\textrm{obs}}} \frac{1}{c} = \frac{\beta \, \sin(\theta)}{1 - \beta \, \cos(\theta)}
Courbes de la vitesse observée \beta_{\textrm{obs}} en fonction de \theta, pour différentes valeurs de la vitesse réelle du mouvement, \beta qui, elle, reste toujours inférieure à la vitesse de la lumière.

Cette fonction de \theta est illustrée sur la figure ci-contre, et peut dépasser 1 ! Donc la vitesse observée peut dépasser la valeur de la vitesse de la lumière, même si la vitesse réelle est plus petite (ou en d'autres termes \beta_{\textrm{obs}} > 1 même si \beta < 1).

On obtient la position du maximum de la courbe en annulant sa dérivée :

 \frac{d\beta_{\textrm{obs}}}{d\theta} = \frac{(1-\beta\,\cos(\theta))\,\beta\,\cos(\theta) - (\beta\,\sin(\theta))^{2}}{(1-\beta\,\cos(\theta))^2} = 0

Donc le terme supérieur doit être nul, ce qui implique que le maximum de la courbe s'obtient lorsque \beta = \cos(\theta).

Il existe une valeur minimum de \beta en dessous de laquelle la vitesse observée ne peut jamais être supérieure à la vitesse de la lumière. Inversement, si \beta est plus grand que cette valeur, il existe toujours au moins un angle pour lequel la vitesse observée est plus grande que la vitesse de la lumière (c'est-à-dire \beta_{\textrm{obs}} > 1). En remplaçant \beta par \cos(\theta) dans l'expression de  \beta_{\textrm{obs}}, et en égalant à 1 pour obtenir le maximum de la courbe exactement à la vitesse de la lumière, on obtient que dans ce cas particulier : \beta = \cos(\theta) = \sin(\theta), et que :

\beta_{\textrm{min}} = \frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0.707

Ce qui correspond à environ 212 000 km/s.

Mouvement supraluminique

En relativité générale[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Relativité générale.

De nombreuses situations prédites par la relativité générale ou cohérentes avec elle (expansion de l'Univers, inflation cosmique, trous noirs, trous de versetc.) amènent à des dépassements apparents de la vitesse-limite. Plus précisément, la notion de vitesse doit être adaptée à ce nouveau cadre ; ce qui reste vrai en principe dans cette théorie, c'est l'indépassabilité locale de c, c'est-à-dire que des mesures faites à une échelle suffisamment petite ne contredisent pas ce principe[33]. Mais, par exemple, deux galaxies emportées par l'expansion peuvent finir par s'éloigner l'une de l'autre à des vitesses (non comobiles) supérieures à c[réf. souhaitée], ce qui, au passage, rend toute communication entre elles impossible (situation à relier à la notion d'horizon cosmologique).

En mécanique quantique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : mécanique quantique.

En mécanique quantique, il existe une collection d'effets qui explorent les limites de la notion de vitesse limite indépassable.

Les expériences associées à ces effets sont plus subtiles à interpréter.

Cela dit, on démontre (et on vérifie) que si certains phénomènes donnent l'impression d'impliquer une propagation instantanée, voire remontant le temps, aucun de ces phénomènes ne permet de transporter de l'énergie ou de l'information.

Effet Hartman[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Effet Hartman.
Représentation de l'effet Hartman.


Un photon ou un électron traversant par effet tunnel une barrière quantique peut manifester un délai de traversée plus court que celui mis par la lumière pour une distance équivalente, ce temps étant évalué par l'observation du sommet du paquet d'ondes correspondant, avant et après la barrière.

Compte tenu de l'épaisseur de la barrière tunnel, le sommet du paquet d'onde est réduit, et semble être passé plus vite que la vitesse de la lumière.

Ce phénomène est appelé effet Hartman (ou effet Hartman-Fletcher).

Les explications de ce phénomène dans le cadre de la mécanique quantique s'avèrent interdire son utilisation hypothétique pour le transport d'information ou d'énergie supraluminique.

Paradoxe EPR[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Paradoxe EPR.
Alain Aspect est le physicien qui a conduit le premier test concluant portant sur le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen.

On peut aussi citer ici le cas spectaculaire de l'expérience de pensée d'Einstein, Podolsky et Rosen (paradoxe EPR) qui a pu être réalisée expérimentalement pour la première fois par Alain Aspect en 1981 et 1982. Dans ce cas, la mesure de l'état sur un des systèmes quantiques d'une paire intriquée impose à l'autre système d'être mesuré dans l'état complémentaire. C'est ainsi, également, que fonctionne la téléportation quantique.

Parmi les avancées en la matière les plus spectaculaires aujourd'hui, on peut citer l'équipe autrichienne de Rainer Blatt (université d'Innsbruck) et américaine de David Wineland (National Institute of Standards and Technology, Boulder, Colorado), qui chacune affirment[34] qu'elles ont réalisé une téléportation quantique d'atomes complets de matière (des ions de calcium pour la première et du béryllium pour la seconde). De très nombreuses applications sont en cours sur le plan de l'informatique quantique concernant le paradoxe EPR. Le prix « sciences » de la ville de Genève a par ailleurs été remis en novembre 2006 au professeur Nicolas Gisin pour ses travaux à cet égard (il affirme avoir « dépassé » c 10 millions de fois). La causalité est encore respectée dans ce cadre, mais le phénomène pourrait se révéler d'une grande importance en cryptographie.

Expérience de Marlan Scully[modifier | modifier le code]

Schéma de l'experience de de la gomme quantique à choix retardé.

L'expérience de Marlan Scully est une variante du paradoxe EPR dans lequel l'observation ou non d'une figure d'interférence après le passage d'un photon à travers une fente de Young dépend des conditions d'observation d'un second photon corrélé au premier. La particularité de cette expérience est que l'observation du second photon peut avoir lieu dans un futur lointain par rapport à l'observation du premier photon ce qui donne l’impression que l'observation du premier photon renseigne sur un évènement qui a lieu dans le futur.

En physique ondulatoire[modifier | modifier le code]

Article connexe : physique ondulatoire.

Ce que l'on appelle la propagation supraluminique a été calculée par les physiciens Léon Brillouin et Arnold Sommerfeld dans les années 1940 et 1950[35] (la Diffusion Brillouin Stimulée, est le cadre de ce type de recherche).

À l'époque, on considérait que ce genre de phénomène n'était possible que dans des milieux de dispersion anormale.

Vitesses de phase et de groupe d’une superposition de deux ondes monochromatiques. Le point rouge avance à la vitesse de phase et les points verts à la vitesse de groupe. Dans cet exemple, la vitesse de phase vaut le double de la vitesse de groupe.

Optique[modifier | modifier le code]

Des vitesses de signal supraluminiques ont été observées dans les années 1960, en particulier dans des amplificateurs laser ; elles étaient toutefois liées au différentiel d'amplification entre les fronts avant et arrière d'une impulsion en train de se déformer, et donc difficiles à relier à l'intuition commune du concept de vitesse.

Celle-ci, en revanche, s'applique sans difficulté à des structures indéformables comme les solitons Brillouin, dont la propagation supraluminique en régime fortement non linéaire a été prédite et observée à Nice en 1991[36].

Électrocinétique[modifier | modifier le code]

Ligne ou câble coaxial.

Le même type de considération de physique ondulatoire permet d'obtenir une vitesse de groupe supérieure à celle de la lumière pour un courant électrique dans un câble coaxial[35]. Alain Haché, de l'Université de Moncton, auteur de l'expérience, explique qu'aucune information ne peut être transmise plus rapidement que c dans la mesure où il est nécessaire que la partie du signal qui précède le maximum (pour lequel est calculée la vitesse de groupe) ait déjà traversé le milieu dans lequel le déplacement supraluminique a lieu avant que le maximum y entre. Or, le déplacement de cette partie avancée du signal ne se fait pas à vitesse supraluminique mais à une vitesse bien inférieure.

Au total, le temps mis par l'ensemble du signal (queue et pic inclus), qui est le temps à considérer pour transmettre une information, pour parcourir la distance voulue, est plus grand que celui que met la lumière.

Applications informatiques[modifier | modifier le code]

Diagramme schématique d'un amplificateur à fibre dopée.

De même, l'équipe de Luc Thévenaz a pu émettre des paquets d'onde dont le sommet se déplaçait à vitesse supraluminique dans une fibre optique[réf. nécessaire].

Mais comme on vient de le voir, l'information ne pourra être transmise plus vite que c pour autant.

En revanche, ces phénomènes pourraient être employés pour transmettre l'information à une vitesse très proche de c, la vitesse actuelle étant plutôt de 2/3 c[réf. nécessaire].

Dépassements illusoires[modifier | modifier le code]

Des chercheurs en mathématique appliquée ont étendu la théorie de la relativité restreinte d'Einstein pour qu'elle fonctionne au-delà de la vitesse de la lumière[37].

De nombreuses « expériences de pensée » (dont certaines sont devenues physiquement possibles) permettent apparemment de dépasser la vitesse de la lumière. Ainsi, l'ombre d'un promeneur sur un mur peut facilement s'allonger à une vitesse supérieure à celle de la lumière (et même tendant vers l'infini)[38] ; de même, la tache lumineuse envoyée sur la Lune par un projecteur (un laser puissant, si on veut que l'expérience soit réalisable) tournant à un tour par seconde se déplacera à une « vitesse » de 7 fois la vitesse-limite. Mais les « vitesses » ainsi déterminées sont illusoires : aucun objet, aucune énergie et aucune information ne se déplace réellement.

D'autre part, des expériences de pensée (irréalisables en pratique, cette fois) montrent assez aisément que la relativité restreinte a pour conséquence que le contrôle d'objets dépassant la vitesse-limite (par exemple un hypothétique émetteur de tachyons) permettrait de violer la causalité[39]. En effet, à partir d'un dispositif pouvant envoyer des informations plus vite que la lumière, il est - selon les lois de la relativité restreinte - théoriquement possible de construire un dispositif pour envoyer des informations dans le passé[40], ce qui est difficilement concevable. C'est la raison pour laquelle la communauté scientifique est réticente à accepter l'existence de tels objets.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Lev Landau et Evgueni Lifchits, Physique théorique, tome 6 : Mécanique des fluides, éd. MIR, Moscou [détail des éditions] §67.
  2. Les effets liés à la diffusion Brillouin simulée ne contredisent pas cette règle de vitesse limite puisque - comme il est expliqué- ce ne sont pas à proprement parler des objets constitués de particules bien définies qui se déplacent plus vite que c (c étant le symbole de la vitesse de la lumière).
  3. http://courseweb.stthomas.edu/sjlaumakis/LUCRETIUS.HTML
  4. Voir, par exemple, cette analyse de G.Paturel.
  5. a et b §2-8 et §2-9 du livre de James H. Smith, Introduction à la relativité, InterEditions (1968). 2e édition avec exercices corrigés (1979) (ISBN 978-2-7296-0088-4). Réédité par Masson (Dunod - 3e édition - 1997), (ISBN 978-2-225-82985-7).
  6. (en)The Speed of Gravity: Einstein Was Right!
  7. (en) Hideki Asada, « Light Cone Effect and the Shapiro Time Delay », The Astrophysical Journal Letters, vol. 574, no 1,‎ 2002, p. L69 (DOI 10.1086/342369, Bibcode 2002ApJ...574L..69A, arXiv astro-ph/0206266, lire en ligne).
  8. (en) G. Feinberg, « Possibility of Faster-Than-Light Particles », Physical Review, vol. 159, no 5,‎ 1967, p. 1089–1105 (DOI 10.1103/PhysRev.159.1089, Bibcode 1967PhRv..159.1089F).
  9. a, b et c « L’expérience OPERA annonce une anomalie dans le temps de vol des neutrinos allant du CERN au Gran Sasso » (ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?). Consulté le 30 mars 2013 (communiqué de presse), sur le site du CERN.
  10. (en) T. Adam et al., « Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam », sur arXiv (consulté le 23 septembre 2011).
  11. (en) [PDF] P. Adamson et al., « Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam », sur arXiv (consulté le 23 septembre 2011)
  12. David Larousserie avec Agathe Duparc Excès de vitesse des neutrinos, Le Monde, 24 septembre 2011.
  13. Jean-Marc Lévy-Leblond Ce ne sont pas les neutrinos qui vont trop vite, ce sont les médias.
  14. Interview de Pierre Binetruy, au JT de France 2[vidéo].
  15. Interviews audio de Claude Joseph (physicien, professeur honoraire à l'Université de Lausanne) ; d’Alain Blondel (chef du Groupe de physique des neutrinos à l'Uni de Genève) et de Pierre Bine-Truy (théoricien de la physique et professeur à l'université Paris 7).
  16. « À nouveau, les neutrinos courent plus vite que la lumière », lemonde.fr avec AFP | 18 novembre 2011.
  17. (en) Edwin Cartlidge, "Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results", sciencemag.org.
  18. http://www.lefigaro.fr/sciences/2012/06/08/01008-20120608ARTFIG00713-aucun-neutrino-ne-va-plus-vite-que-la-lumiere.php
  19. (en) Perfect Structure of the Special Relativity, Superluminal, Neutrino-Photon Mass and New Entangled Interaction Yi-Fang Chang[PDF].
  20. (en)Is Neutrino a Superluminal Particle?, Guang-jiong Ni, Tsao Chang.
  21. sur arXiv.
  22. (en)Superluminal Paradox and Neutrino[PDF], Guang-jiong Ni.
  23. (en)A minimal three-flavor model for neutrino oscillation based on superluminal property, Guang-Jiong Ni.
  24. (en)There might be superluminal particles in nature[PDF], Guang-jiong Ni.
  25. [PDF]Evidence for Neutrino being likely a superluminal particle[PDF], Guang-jiong Ni.
  26. (en)Relativity, Gravitation, Cosmology, Contemporary Fundamental Physics, ouvrage collectif sous la direction de Valeri V. Dvoeglazov ; page 149 et suivantes.
  27. (en)Tachyons or Antiparticles?[PDF], J.N. Pecina-Cruz.
  28. http://www.physics.uconn.edu/~mallett/Mallett2000.pdf
  29. http://www.physics.uconn.edu/~mallett/Mallett2003.pdf
  30. (fr) GRS 1915+105.
  31. Reflet du passé présentation du phénomène sur le site du CEA, consulté en décembre 2011.
  32. (fr) XTE J1550-564.
  33. Lev Landau et Evgueni Lifchits, Physique théorique, tome 2 : Théorie des champs, éd. MIR, Moscou [détail des éditions].
  34. dans la revue Nature datée du 17 juin 2006.
  35. a et b Alain Haché, Dépasser la vitesse de la lumière[PDF], La Recherche, no 360, p. 52-55.
  36. (en) Éric Picholle, Carlos Montes, Claude Leycuras, Olivier Legrand et Jean Botineau, « Observation of dissipative superluminous solitons in a Brillouin fiber ring laser », Physical Review Letters, vol. 66, no 11,‎ 1991, p. 1454-1457 (DOI 10.1103/PhysRevLett.66.1454).
  37. « Extension de la théorie d'Einstein au-delà de vitesse de la lumière ».
  38. J.M. Lévy-Leblond, La vitesse de l'ombre, chapitre 1.
  39. Voir par exemple « cette description d'un duel au pistolet à tachyons » (ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?). Consulté le 30 mars 2013 (en)
  40. Voir Diagramme de Minkowski#La vitesse de la lumière comme vitesse limite.
  • Jean-Marc Lévy-Leblond, La vitesse de l'ombre : Aux limites de la science, Collection : Science ouverte, Seuil (2006)

Voir aussi[modifier | modifier le code]