Lecteurs de chaîne: Les physiciens donnent un coup de pouce aux chances de voyager dans l’espace plus vite que la lumière

Par Mario Borunda, Université d’État de l’Oklahoma

L’étoile la plus proche de la Terre est Proxima Centauri. Elle est à environ 4,25 années-lumière, soit environ 25 billions de miles (40 billions de km). Le vaisseau spatial le plus rapide de tous les temps, la sonde Parker Solar Probe, désormais dans l’espace, atteindra une vitesse de pointe de 450 000 miles (724 000 km) par heure. Il ne faudrait que 20 secondes pour aller de Los Angeles à New York à cette vitesse, mais il faudrait à la sonde solaire environ 6 633 ans pour atteindre le système solaire voisin le plus proche de la Terre.

Si jamais l’humanité veut voyager facilement entre les étoiles, les gens devront aller plus vite que la lumière. Mais jusqu’à présent, les voyages plus rapides que la lumière ne sont possibles qu’en science-fiction.

Dans la série Foundation d’Isaac Asimov, l’humanité peut voyager de planète en planète, d’étoile en étoile ou à travers l’univers à l’aide de jump drives. Enfant, je lisais autant d’histoires que possible. Je suis maintenant physicien théoricien et j’étudie la nanotechnologie, mais je suis toujours fasciné par la façon dont l’humanité pourrait un jour voyager dans l’espace.

Certains personnages – comme les astronautes des films “Interstellar” et “Thor” – utilisent des trous de ver pour voyager entre les systèmes solaires en quelques secondes. Une autre approche – familière aux fans de “Star Trek” – est la technologie warp drive. Les entraînements en chaîne sont théoriquement possibles si la technologie est encore farfelue. Deux articles récents ont fait la une des journaux en mars lorsque des chercheurs ont affirmé avoir surmonté l’un des nombreux défis qui se dressent entre la théorie des pulsions de distorsion et la réalité.

Mais comment fonctionnent vraiment ces entraînements de chaîne théoriques? Et les humains feront-ils le saut à la vitesse de distorsion de sitôt?

Compression et expansion

La compréhension actuelle de l’espace-temps par les physiciens provient de la théorie de la Relativité générale d’Albert Einstein. La Relativité générale stipule que l’espace et le temps sont fusionnés et que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. La relativité générale décrit également comment la masse et l’énergie déforment l’espace–temps – des objets lourds comme les étoiles et les trous noirs courbent l’espace-temps autour d’eux. Cette courbure est ce que vous ressentez comme gravité et pourquoi de nombreux héros spatiaux s’inquiètent de “rester coincés” ou de “tomber” dans un puits de gravité. Les premiers écrivains de science-fiction John Campbell et Asimov ont vu ce gauchissement comme un moyen de contourner la limite de vitesse.

Et si un vaisseau spatial pouvait compresser l’espace devant lui tout en élargissant l’espace-temps derrière lui? “Star Trek” a pris cette idée et l’a nommée le lecteur de chaîne.

En 1994, Miguel Alcubierre, un physicien théoricien mexicain, a montré que la compression de l’espace-temps devant le vaisseau spatial tout en l’élargissant derrière était mathématiquement possible dans les lois de la Relativité générale. Alors, qu’est-ce que ça veut dire? Imaginez que la distance entre deux points soit de 10 mètres (33 pieds). Si vous vous tenez au point A et que vous pouvez parcourir un mètre par seconde, cela prendrait 10 secondes pour arriver au point B. Cependant, disons que vous pourriez en quelque sorte comprimer l’espace entre vous et le point B afin que l’intervalle ne soit plus qu’un mètre. Ensuite, en vous déplaçant dans l’espace-temps à votre vitesse maximale d’un mètre par seconde, vous pourrez atteindre le point B en environ une seconde. En théorie, cette approche ne contredit pas les lois de la relativité puisque vous ne vous déplacez pas plus vite que la lumière dans l’espace qui vous entoure. Alcubierre a montré que le warp drive de “Star Trek” était en fait théoriquement possible.

Proxima Centauri nous voilà, non ? Malheureusement, la méthode d’Alcubierre pour comprimer l’espace-temps avait un problème: elle nécessite une énergie négative ou une masse négative.

Un problème d’énergie négative

La commande de distorsion d’Alcubierre fonctionnerait en créant une bulle d’espace-temps plat autour du vaisseau spatial et en courbant l’espace-temps autour de cette bulle pour réduire les distances. L’entraînement en chaîne nécessiterait soit une masse négative – un type de matière théorisé – soit un anneau de densité d’énergie négative pour fonctionner. Les physiciens n’ont jamais observé de masse négative, ce qui laisse l’énergie négative comme seule option.

Pour créer de l’énergie négative, un entraînement en chaîne utiliserait une énorme quantité de masse pour créer un déséquilibre entre les particules et les antiparticules. Par exemple, si un électron et un antiélectron apparaissent près du variateur de chaîne, l’une des particules serait piégée par la masse et cela entraînerait un déséquilibre. Ce déséquilibre se traduit par une densité d’énergie négative. Le lecteur de distorsion d’Alcubierre utiliserait cette énergie négative pour créer la bulle d’espace-temps.

Mais pour qu’un entraînement en chaîne génère suffisamment d’énergie négative, vous auriez besoin de beaucoup de matière. Alcubierre a estimé qu’un entraînement en chaîne avec une bulle de 100 mètres nécessiterait la masse de tout l’univers visible.

En 1999, le physicien Chris Van Den Broeck a montré qu’augmenter le volume à l’intérieur de la bulle tout en maintenant la surface constante réduirait considérablement les besoins en énergie, à peu près la masse du soleil. Une amélioration significative, mais encore bien au-delà de toutes les possibilités pratiques.

Un avenir de science-fiction ?

Deux articles récents – l’un d’Alexey Bobrick et Gianni Martire et l’autre d’Erik Lentz – apportent des solutions qui semblent rapprocher les entraînements de chaîne de la réalité.

Bobrick et Martire ont réalisé qu’en modifiant l’espace-temps dans la bulle d’une certaine manière, ils pourraient éliminer la nécessité d’utiliser de l’énergie négative. Cette solution, cependant, ne produit pas un entraînement de chaîne qui peut aller plus vite que la lumière.

Indépendamment, Lentz a également proposé une solution qui ne nécessite pas d’énergie négative. Il a utilisé une approche géométrique différente pour résoudre les équations de la Relativité générale, et ce faisant, il a constaté qu’un entraînement de distorsion n’aurait pas besoin d’utiliser de l’énergie négative. La solution de Lentz permettrait à la bulle de voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

Il est essentiel de souligner que ces développements passionnants sont des modèles mathématiques. En tant que physicien, je ne ferai pas entièrement confiance aux modèles tant que nous n’aurons pas de preuves expérimentales. Pourtant, la science des entraînements de distorsion est en train de voir le jour. En tant que fan de science-fiction, je salue toute cette pensée innovante. Selon les mots du capitaine Picard:

Les choses ne sont impossibles que si elles ne le sont pas.

Mario Borunda, Professeur agrégé de physique, Université d’État de l’Oklahoma

Cet article est republié de The Conversation sous licence Creative Commons. Lisez l’article original.

Conclusion: Si l’humanité veut voyager entre les étoiles, les gens vont devoir voyager plus vite que la lumière. De nouvelles recherches suggèrent qu’il pourrait être possible de construire des disques de distorsion et de dépasser la limite de vitesse galactique.