Tachyon

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En physique des particules, on nomme tachyon une particule (ou plutôt une classe de particules) satisfaisant aux équations de la relativité restreinte mais qui, si elle existait, se déplacerait à une vitesse supraluminique, c'est-à-dire supérieure à c, vitesse de la lumière dans le vide. Un tel type de particule n'a cependant pas encore de réalité physique avérée et constitue donc plutôt une indication formelle d'une forme d'instabilité de la théorie (ce qui peut arriver pour toute théorie effective) qui prédit ce type de particule.

Le terme « tachyon » a été pour la première fois utilisé en 1964 par le physicien Gerald Feinberg[1]. Il vient du grec ancien tachus, signifiant en français rapide.

Description[modifier | modifier le code]

Un tachyon est une classe de particules subatomiques hypothétique, dont la vitesse est toujours supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Cette propriété revient à dire que sa masse au repos est décrite par un nombre imaginaire pur, alors que son énergie (totale) est mesurée par un nombre réel (comme tout corps physique), possibilité autorisée formellement par l'équation de la relativité restreinte :

E = \gamma_{v}mc^2 = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} dont on déduit  mc^2 = i.E.\sqrt{\frac{v^2}{c^2} - 1} sachant que  i^2 = -1

Bien sûr ici "m" représente la masse au repos. Cette propriété de masse au repos imaginaire peut sembler choquante, mais la mesure de la masse au repos d'une particule ne peut se faire que dans un référentiel où elle est immobile. Or, dans le cas d'un tachyon, un tel référentiel ne peut exister, puisque cette particule ne peut aller moins vite que la vitesse de la lumière. Donc la masse au repos n'est plus qu'un paramètre invariant entre les référentiels, mais sans réalité physique.

Dans la théorie quantique des champs, si cette particule apparaît dans certains calculs, elle n'a jamais l'interprétation d'une particule réelle, mais est le signe d'une instabilité du vide dans le modèle considéré. En considérant la même théorie quantique des champs, mais développée autour du véritable vide de la théorie, le contenu en particules de la théorie est « différent » et le tachyon disparaît.

Un exemple important d'apparition de tachyon est celui d'une brisure spontanée de symétrie : au-delà de la température critique de transition de phase le paramètre d'ordre qui décrit l'état du système acquiert spontanément une valeur non-nulle (comme l'aimantation dans le cas de la transition ferromagnétique par exemple) et si on développe la théorie autour du vide instable (qui était néanmoins stable avant la transition), alors on voit apparaître un mode tachyonique qui indique que le système tend à évoluer vers l'un des nouveaux vides stables.

Dans le cadre plus avancé de la théorie des cordes, la théorie des cordes bosoniques possède une instabilité semblable et contient un tachyon dans son spectre développé autour du « mauvais vide ». Cependant il n'est pas facile de déterminer avec précision le vrai vide de la théorie bosonique[note 1]. Par contre la théorie des supercordes qui est la base de travail réaliste pour faire de la phénoménologie ne contient pas de tachyon dans son spectre.

Récemment, les physiciens James Wheeler et Joseph Spencer ont proposé une représentation équivalente de l'espace-temps qui permet d'exclure tout à fait l'existence de tachyons. Cependant les implications de cette approche (déterminisme du futur) sont assez contraignantes, d'où certains doutes sur sa valeur de preuve[2].

Dans la théorie des cordes[modifier | modifier le code]

Il faut noter qu'en théorie des cordes, les tachyons ont la même interprétation qu'en théorie quantique des champs à la différence que la théorie des cordes est capable (en théorie) de prédire si des champs apparaissent en plus de décrire la topologie des champs de tachyons.

Les champs de tachyons interviennent en effet dans plusieurs versions de théories des cordes. En général, ces théories postulent que ce que nous voyons comme « particules » (électrons, photons, gravitons, etc.) sont en fait différents états de vibration d'une même corde. Les particules élémentaires peuvent être comparées à des notes de musique (analogie souvent utilisée, le mode d'excitation ou « type de particule » est à une corde élémentaire ce qu'une note de musique est à une corde de guitare). La masse d'une particule peut être déduite des vibrations que la corde manifeste ; autrement dit, la masse dépend du mode d'excitation.

Les tachyons apparaissent fréquemment dans le spectre des états possibles. S'il apparaît comme l'état vibratoire d'une corde ouverte, c'est le signe d'une instabilité de la D-brane à laquelle la corde est rattachée. Le système va lentement revenir à un état de cordes fermées et/ou D-brane stable. Si la corde est fermée, le tachyon est le signe d'une instabilité de l'espace-temps lui-même.

Causalité[modifier | modifier le code]

Le principe de causalité, jouant un rôle fondamental dans la théorie de la relativité, s'énonce ainsi : "ni information ni énergie ne peut se déplacer dans un référentiel galiléen à une vitesse supérieure à la vitesse limite d'information de la cause."

Or la vitesse d'information de la cause est justement la vitesse limite que le tachyon dépasse (même si la lumière elle-même était plus lente que la vitesse d'information de la cause, la définition du tachyon est de se déplacer plus vite que la vitesse limite, non que la vitesse de la lumière, cf. Effet Vavilov-Tcherenkov).

Violation du principe de causalité[modifier | modifier le code]

Il est inutile de faire intervenir des boucles de causalité pour résoudre les problèmes posés par le voyage dans le temps des tachyons, car ils ne peuvent provoquer de paradoxes[3]. Les discussions sur les tachyons ont cependant été à l'origine de controverses sur la causalité inversée, c'est-à-dire sur la possibilité qu'un effet précède temporellement (mais pas causalement) sa cause[4].

Expérience de Feinberg[modifier | modifier le code]

Toutefois, Gerald Feinberg[réf. nécessaire] a présenté une expérience de pensée justifiant comment l'existence du tachyon, et même la possibilité de fabriquer des détecteurs de tachyons, ne violerait malgré tout pas la causalité :

En effet, en utilisant les formules de changement de référentiel de la mécanique relativiste, on déduit que pour tout tachyon, il existe des référentiels dans lesquels il se déplace plus vite que la lumière mais sans remonter le temps, et d'autres dans lesquels il 'remonte le temps'. Il faut ici comprendre que ces deux types de référentiels seraient en translation chacun par rapport aux autres, sans qu'aucun ne se déplace plus vite que la lumière par rapport à un autre (les particules 'classiques' -bradyons- étant elles plus lentes que la lumière dans tous ces référentiels, et les luxons allant à la même vitesse dans tous les référentiels).

Les tachyons ne peuvent être que supraluminiques, mais peuvent aller vers le passé ou le futur (passé et futur au sens newtonien, en fait ; au sens de la relativité, les tachyons se déplacent dans l'ailleurs). Or si l'on fabriquait un détecteur de tachyons, il ne percevrait le tachyon qu'au moment de la collision du tachyon et du détecteur, sans pouvoir déterminer si ce tachyon vient du passé ou du futur. Autrement dit un détecteur de tachyons est aussi bien un émetteur de tachyons, et émettre des tachyons d'un appareil à l'autre ne peut servir à transmettre un message, puisque le récepteur ne distinguerait pas les tachyons qu'il recevrait de ceux qu'il émettrait lui-même.

Par conséquent même si les tachyons existent, ils ne permettent de transmettre ni information ni énergie plus vite que la lumière.

Tachyon03.gif

Dans les œuvres de fiction[modifier | modifier le code]

La nature hypothétique et spéculative du tachyon a naturellement nourri la création d'œuvres de fiction. De manière générale, le tachyon est en fiction un unobtainium, un moyen facile de justifier un élément généralement central de l’intrigue. D'autres œuvres font intervenir les tachyons sans employer leurs propriétés supraluminiques[5].

Romans et nouvelles[modifier | modifier le code]

Les tachyons sont souvent utilisés pour justifier les voyages ou transmissions supraluminiques.

Cinéma et télévision[modifier | modifier le code]

  • Les tachyons sont souvent mentionnés dans l'univers de Star Trek comme l'unique résidu des objets rendus a priori invisibles et indétectables par un champ d'occultation.
  • Les tachyons sont évoqués dans un épisode de la saison 4 de la série X-Files.
  • Dans K-Pax, un film américain de Iain Softley, le tachyon est un moyen de transport pour se véhiculer d'une planète à une autre.
  • Dans Babylon 5, les tachyons servent à transmettre des informations à travers l'espace de façon quasi-instantanée ; dans un épisode de la première saison, ils sont responsables d'une brèche dans l'espace-temps permettant aux héros de remonter dans le temps.
  • Dans la série Journeyman, le héros cherche des informations sur les tachyons car il pense qu'il s'agit de ce qui le fait voyager dans le temps.
  • Dans Les Voies d'Anubis de Tim Powers, le voyage dans le temps utilise des tachyons.
  • Dans le film Prince des ténèbres (Prince of darkness) de John Carpenter, les personnages font des rêves étranges, l'un d'eux émet la théorie que cela pourrait provenir de messages envoyés depuis le futur grâce aux particules tachyons qui remonteraient le temps.
  • Dans le film Land of the Lost de 2009, le protagoniste principal crée une machine permettant de voyager dans une dimension parallèle fonctionnant à partir de tachyons.
  • Dans la série Au-delà_du_réel, l'épisode "D'un monde à l'autre" parle d'un fœtus irradié nommé SRI28 produisant des tachyons et permettant les voyages dans le temps.
  • Dans la série Eureka, un accélérateur de tachyon est utilisé dans plusieurs épisodes avec des effets sur le continuum espace temps.
  • Dans Watchmen, un accident nucléaire transforme un homme en super-héros capable de voir l'avenir en réceptionnant des tachyons venant du futur.
  • Dans Flashforward, une impulsion de neutrinos, nécessaire à la reproduction des conditions de l'événement au centre de l'intrigue (le « black-out »), est anticipée à l'aide d'un émetteur de tachyons.
  • Dans Fringe, (Peter Weller) saison 2 épisode 17 : Alister Peck, astrophysicien professeur au MIT durant 6 ans, se réaproprie théorie de la relativité selon Walter Bishop. Dans les formules trouvées dans l'appartement du Pr Peck, il est souvent fait référence aux tachyons. Ce dernier a trouvé une façon de voyager dans le temps afin d'éviter un accident qui a coûté la vie à sa compagne, Arlette Turling.
  • Dans Godzilla : La Série, saison 1, épisode 8. Un vaisseau spatial émet des ondes par tachyons en guise d'appel de détresse.
  • Dans la série Threshold : Premier Contact, épisode 13 : Le combat continue (Alienville). Les êtres humains modifiés d'Allenville construisent un "pulsar à tachyons", capable d'émettre une information à une vitesse plus rapide que la lumière, afin de pouvoir communiquer avec les extraterrestres situés à des milliers d'années lumière.
  • Dans The Wolverine : le combat de l'immortel, apparaît le Silver Samuraï, guerrier capable de générer un champ de tachyons.
  • Dans Andromeda saison 4 - Épisode 17.

Bande dessinée et assimilé[modifier | modifier le code]

Le roman graphique Watchmen d'Alan Moore fait intervenir un personnage omnipotent ayant les dons d'ubiquité et de téléportation grâce aux tachyons, le Dr Manhattan.

Dans X-Men, le champ de tachyons a la propriété de trancher n'importe quelle matière sauf l'adamantium. Le Silver Samuraï peut (entre autres) générer un champ de tachyons.

L'anime Blassreiter mentionne les tachyons au cours du dernier épisode, le numéro 24.

Dans ABC Warriors, le « Tachyon Sacré » est une particule lumineuse qui prolonge la vie de ceux qu'elle éclaire.

Jeux vidéo[modifier | modifier le code]

La production d'ondes tachyon est également à la base des voyages interstellaires dans le jeu vidéo Tachyon : The Fringe.

Dans le jeu Ratchet & Clank : Opération Destruction, l'empereur Perceval Tachyon est l'ennemi principal du jeu.

Dans le jeu de stratégie sur navigateur Impérion, un des moyens de défense des Terrans consiste à un émetteur de tachyons.

Dans le jeu Eve Online, les tachyons sont un type de tourelle-laser longue portée, issu de la race Amarr.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Le formalisme de la théorie de champs de cordes permet en principe de déterminer quel est le vide correct autour duquel le tachyon disparaît, mais ses équations sont extrêmement difficiles à résoudre dans l'état actuel des connaissances.
  1. (en) « Possibility of Faster-Than-Light Particles », Physical Review, vol. 159, no 5,‎ 27 juillet 1967, p. 1089-1105 (lire en ligne)
  2. Faster-than-light 'tachyons' might be impossible after all
  3. cf dialogus d'Einstein
  4. Faye, Jan, "Backward Causation", The Stanford Encyclopedia of Philosophy (Spring 2010 Edition), Edward N. Zalta (ed.), URL = <http://plato.stanford.edu/archives/spr2010/entries/causation-backwards/>.
  5. Cf. infra

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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