La vitesse de la lumiere dans le vide, c = 299 792 458 metres par seconde, est la limite de vitesse la plus fondamentale en physique. La relativite restreinte d'Einstein a etabli qu'aucun objet dote de masse ne peut etre accelere jusqu'a la vitesse de la lumiere. Mais la relativite dit quelque chose de plus subtil que la plupart des gens ne le realisent : elle n'interdit pas categoriquement les particules qui ont toujours ete supraluminiques. La recherche de telles particules s'etend sur plus d'un siecle.
1. La vitesse de la lumiere comme barriere, pas comme mur
La relativite restreinte divise l'univers en trois secteurs cinematiques. La matiere ordinaire (bradyons) se deplace toujours en dessous de c. Les particules sans masse comme les photons (luxons) se deplacent toujours exactement a c. Le troisieme secteur, occupe par les particules supraluminiques hypothetiques (tachyons), decrit des entites qui se deplacent toujours au-dessus de c.
L'idee cruciale est que la vitesse de la lumiere fonctionne comme une barriere, pas comme un mur. Les bradyons ne peuvent pas etre pousses a travers c par le bas, et les tachyons ne peuvent pas etre ralentis a travers c par le haut. Chaque classe est definitivement confinee de son cote de la division. Les mathematiques de la relativite restreinte sont parfaitement coherentes a l'interieur de chaque secteur. Rien dans les equations de la transformation de Lorentz ne produit de contradiction logique lorsqu'elles sont appliquees a v > c, a condition que la particule n'ait jamais ete a c ou en dessous au depart.
2. Propositions historiques de particules supraluminiques
L'idee que des particules puissent depasser la vitesse de la lumiere est anterieure a Einstein. En 1904, le physicien allemand Arnold Sommerfeld a analyse le diagramme de rayonnement electromagnetique d'une particule chargee se deplacant plus vite que la lumiere, decouvrant qu'elle produirait un cone de rayonnement analogue au bang supersonique d'un avion supersonique. Ce rayonnement "de type Tcherenkov" pour les charges supraluminiques n'etait a l'epoque qu'un exercice purement theorique.
Le fondement theorique moderne a ete pose en 1962 par Olexa-Myron Bilaniuk, V. K. Deshpande et E. C. George Sudarshan a l'Universite de Syracuse. Leur article "Meta Relativity" demontrait que les particules supraluminiques sont pleinement compatibles avec les postulats de la relativite restreinte. Ils ont montre que de telles particules auraient une masse au repos imaginaire, une energie et une impulsion reelles, et la propriete contre-intuitive d'accelerer lorsqu'elles perdent de l'energie.
En 1967, Gerald Feinberg a l'Universite Columbia a publie "Possibility of Faster-Than-Light Particles" dans la Physical Review, inventant le terme tachyon. Feinberg est alle plus loin que ses predecesseurs en tentant de construire une theorie quantique des champs pour les tachyons, en analysant leurs proprietes d'emission et d'absorption, et en proposant des signatures experimentales susceptibles d'etre recherchees. Son article reste la reference fondatrice du domaine. Pour un traitement complet de la physique des tachyons, consultez notre guide complet.
3. Les tachyons : le principal candidat supraluminique
Les tachyons demeurent le seul candidat theoriquement bien defini pour une particule fondamentale supraluminique. Leurs proprietes sont entierement determinees par la relativite restreinte et l'hypothese d'une masse imaginaire (m² < 0) :
- Plage de vitesse : De juste au-dessus de c (a haute energie) a une vitesse infinie (a energie nulle). Un tachyon ne peut jamais decelerer jusqu'a c ou en dessous.
- Inversion energie-vitesse : Contrairement aux particules ordinaires, les tachyons accelerent lorsqu'ils rayonnent de l'energie. L'etat d'energie minimale correspond a une vitesse infinie.
- Observables reelles : Malgre la masse imaginaire, l'energie, l'impulsion et la vitesse d'un tachyon sont toutes des grandeurs reelles et mesurables.
- Rayonnement Tcherenkov : Un tachyon charge se deplacant dans le vide emettrait un rayonnement Tcherenkov electromagnetique, analogue a la lueur bleue emise par les particules depassant la vitesse de la lumiere dans un milieu comme l'eau.
Les recherches experimentales de tachyons se sont concentrees sur la detection de ce rayonnement Tcherenkov dans le vide et sur les anomalies dans la cinematique des desintegrations de particules. Aucune detection positive n'a ete realisee. Pour plus de details sur les efforts experimentaux, consultez notre page sur les methodes de detection des tachyons.
4. Phenomenes apparemment supraluminiques qui ne le sont pas reellement
Plusieurs phenomenes physiques bien connus semblent impliquer une propagation supraluminique mais, a l'analyse attentive, ne transmettent pas d'information plus vite que la lumiere. Comprendre ces cas est essentiel pour distinguer un veritable phenomene supraluminique d'une illusion.
Vitesse de phase et vitesse de groupe
La vitesse de phase d'une onde monochromatique (la vitesse a laquelle une crete se deplace) peut depasser c dans de nombreux milieux. Pour la propagation des rayons X dans le verre, la vitesse de phase est supraluminique. De meme, la vitesse de groupe d'un paquet d'ondes peut depasser c dans les regions de dispersion anormale, comme l'a demontre Lijun Wang a Princeton en 2000, qui a envoye une impulsion lumineuse a travers du gaz de cesium a une vitesse de groupe de -c/310 (ce qui signifie que le pic est sorti avant d'entrer). Ni la vitesse de phase ni la vitesse de groupe ne transportent d'information. La vitesse du signal, definie par le front d'onde, reste a ou en dessous de c.
Effet tunnel quantique
Lorsqu'une particule traverse par effet tunnel une barriere de potentiel, le temps de traversee peut etre extremement court, conduisant a une vitesse de traversee apparemment supraluminique. Gunter Nimtz a l'Universite de Cologne a affirme dans les annees 1990 avoir transmis la 40e Symphonie de Mozart a 4,7 fois c a travers un guide d'ondes micro-ondes sous la frequence de coupure. Cependant, le consensus est que l'effet tunnel implique une mise en forme du paquet d'ondes plutot qu'une veritable propagation supraluminique d'un signal. Le front d'onde qui porte l'information n'est jamais veritablement supraluminique.
Expansion de l'univers
Les galaxies lointaines s'eloignent de nous a des vitesses depassant c en raison de l'expansion de l'espace lui-meme. Les galaxies au-dela de la sphere de Hubble ont des vitesses de recession superieures a c, et nous pouvons en observer certaines car leur lumiere a ete emise lorsqu'elles etaient plus proches. Cela ne constitue pas une violation de la relativite restreinte car la limite de vitesse s'applique aux objets se deplacant a travers l'espace, pas a l'expansion de la metrique spatiale elle-meme. Aucune information n'est transmise plus vite que la lumiere.
Intrication quantique
Mesurer une particule intriquee determine instantanement l'etat de sa partenaire, quelle que soit la distance. Einstein appelait cela "l'action fantomatique a distance". Cependant, le theoreme de non-communication prouve rigoureusement que l'intrication ne peut pas etre utilisee pour transmettre de l'information. Les resultats des mesures apparaissent aleatoires pour chaque observateur individuellement ; les correlations ne deviennent apparentes que lorsque les observateurs comparent leurs notes par un canal classique (subluminique).
5. L'effet Scharnhorst
L'une des predictions theoriques les plus intrigantes de propagation supraluminique veritable provient de Klaus Scharnhorst et Gabriel Barton. En 1990, ils ont calcule que les photons se deplacant entre deux plaques de Casimir (des surfaces conductrices rapprochees qui suppriment les fluctuations quantiques du vide) devraient voyager legerement plus vite que c. Le vide supprime reduit la "trainee" effective sur les paires virtuelles electron-positron qui apparaissent brievement pendant la propagation du photon.
L'augmentation de vitesse predite est extraordinairement faible : environ une partie sur 10 a la puissance 36 pour des plaques separees d'un micrometre. C'est bien au-dela des capacites de mesure actuelles. Neanmoins, cela represente un cas ou l'electrodynamique quantique standard elle-meme predit v > c pour les photons dans un vide modifie. Pour un traitement detaille, consultez notre page sur l'effet Casimir et la physique tachyonique.
6. L'incident OPERA
En septembre 2011, l'experience OPERA au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie a rapporte que des neutrinos muoniques envoyes depuis le CERN (a 730 km de distance) etaient arrives 60,7 nanosecondes plus tot que prevu pour un trajet a la vitesse de la lumiere. Si le resultat avait ete correct, il aurait constitue la premiere observation directe de particules supraluminiques.
L'annonce a declenche une enorme attention scientifique et mediatique. Des milliers d'articles theoriques ont tente d'expliquer ou d'integrer le resultat. Cependant, la collaboration OPERA a identifie deux problemes d'equipement en fevrier 2012 : une connexion defectueuse de fibre optique dans le systeme de synchronisation GPS (qui faisait paraitre les neutrinos en avance) et un oscillateur d'horloge fonctionnant legerement trop vite. Une fois corriges, le temps de trajet des neutrinos etait compatible avec la vitesse de la lumiere.
Lecons d'OPERA
L'episode OPERA a demontre a la fois la rigueur et la nature autocorrectrice de la physique. La collaboration a ete transparente concernant son resultat anomal, a invite l'examen critique et a finalement identifie l'erreur systematique. Quatre experiences independantes (ICARUS, LVD, Borexino et OPERA elle-meme apres reparations) ont ensuite confirme que les neutrinos se deplacent a une vitesse compatible avec c dans les limites de la precision experimentale.
7. Pourquoi les particules supraluminiques briseraient la causalite
L'objection la plus profonde aux particules supraluminiques ne concerne pas l'energie ou l'impulsion mais la causalite. En relativite restreinte, si un signal peut voyager plus vite que la lumiere dans un referentiel donne, alors il existe d'autres referentiels (lies par une transformation de Lorentz standard) dans lesquels ce signal voyage en arriere dans le temps. Si deux signaux de ce type sont echanges entre deux observateurs en mouvement relatif, une boucle causale fermee est creee : un message peut etre envoye dans le propre passe de l'expediteur.
Cette construction, decrite pour la premiere fois par Albert Einstein et plus tard formalisee sous le nom d'antitelephone tachyonique, permettrait de veritables paradoxes de voyage dans le temps. On pourrait, en principe, s'envoyer un message a soi-meme avant d'avoir decide de l'envoyer, creant une contradiction logique.
Les resolutions proposees incluent le principe de reinterpretation (initialement par Bilaniuk, Sudarshan et Feinberg), qui reinterprete un tachyon d'energie negative voyageant en arriere dans le temps comme un tachyon d'energie positive voyageant en avant dans le temps dans la direction opposee. La question de savoir si cela resout completement le paradoxe reste debattue. Certains physiciens soutiennent qu'une theorie quantique des champs coherente des tachyons necessiterait d'abandonner le principe de causalite invariante de Lorentz.
8. Etat actuel de la recherche
Au milieu des annees 2020, aucune particule supraluminique n'a ete detectee experimentalement. Les contraintes sont strictes :
- Mesures de vitesse des neutrinos : Les experiences post-OPERA ont confirme que les neutrinos se deplacent a c a quelques parties par milliard pres. L'observation multi-messagers de la fusion d'etoiles a neutrons GW170817 en 2017 a contraint la vitesse des ondes gravitationnelles par rapport a la lumiere a une partie sur 10 a la puissance 15.
- Recherches de Tcherenkov dans le vide : Les observations de rayons cosmiques a haute energie imposent des limites strictes a l'existence de tachyons charges. S'ils existaient avec un couplage appreciable au champ electromagnetique, leur rayonnement Tcherenkov aurait ete detecte.
- Experiences en collisionneurs : Aucune signature d'energie manquante anormale compatible avec la production de tachyons n'a ete observee au LHC ou dans les collisionneurs precedents.
- Champs tachyoniques en theorie : Bien que les champs tachyoniques (m² < 0) soient essentiels dans le modele standard (le champ de Higgs avant la brisure de symetrie) et en theorie des cordes (tachyons de cordes ouvertes sur des branes instables), ils decrivent des instabilites du vide, pas des particules supraluminiques detectables.
Le paysage theorique a evolue. La plupart des physiciens considerent desormais les champs tachyoniques non pas comme des sources de particules literalement supraluminiques, mais comme des signaux d'instabilite du vide qui se resolvent par condensation. Neanmoins, la question de savoir si le troisieme secteur cinematique de la relativite restreinte est physiquement realise reste ouverte. Les particules supraluminiques ne sont pas logiquement interdites, et l'absence de preuve n'est pas une preuve d'absence. La recherche se poursuit a travers les experiences de precision sur les neutrinos, les observatoires de rayons cosmiques et les travaux theoriques sur la violation de l'invariance de Lorentz.