Un petit point sur la vitesse de la lumière : tout le monde aimerait la dépasser, mais personne n'arrive à sa cheville ! Pour ce qui est de l'atteindre, ce n'est pas gagné. Oh, c'est facile de faire le malin en allumant une lampe, ouvrant les volets, activant le wifi sur son smartphone : nous voilà lanceurs de photons ! Mais pour ce qui est de l'atteindre pour un objet massif, voire la dépasser, cela semble relever de la science-fiction.
De quoi parle-t-on ? Les principes
- La vitesse de la lumière dans le vide est la référence absolue, notée c , dont on reparlera plus bas, à l'occasion de la célèbre formule d'Einstein E=mc²
- Si le milieu de propagation est différent, la vitesse de la lumière peut être plus lente que 'c' .
- A l'heure à laquelle j'écris ces lignes, nous ne connaissons aucun milieu dans lequel la vitesse de la lumière pourrait dépasser la valeur c. Dépasser la vitesse de la lumière, c'est inventer un milieu non vide qui favoriserait la propagation de la lumière au-delà de ce qui est actuellement autorisé. Idée cadeau pour histoire de Hard SF.
- La vitesse est 'relativiste' si elle atteint ou dépasse 10% de celle de la lumière. Voir plus bas ce que ça implique et la fameuse équation d'Einstein. Relativiste signifie qu'elle n'obéit plus aux règles classiques et implique des formules différentes pour les calculs.
- Il n'est pas possible de transmettre d'information ou d'énergie plus vite que c, mais certains phénomènes vont plus vite que la lumière : par exemple l'intrication quantique est instantanée. Mais il n'y a aucun transfert d'énergie (donc d'information), la vitesse de la lumière n'est pas dépassée. Ou plutôt si elle l'est, mais pas selon le principe du transport d'énergie (un photon qui se déplace). L'intrication quantique est le fait d'associer intimement deux particules, qui acquièrent ainsi les mêmes propriétés. Si l'une d'elles change une propriété, l'autre est instantanément modifiée, quelle que soit sa distance.
- Pour les petits malins qui pensent qu'en allumant les phares de la voiture lancée à pleine vitesse, ils vont cumuler la vitesse de la voiture et celle de la lumière pour dépasser cette dernière, c'est raté ! La vitesse de la lumière mesurée restera la même. Je le sais depuis le CM1 et ça m'agace autant que vous ! Elle est indépendante du référentiel, c’est-à-dire qu'elle ne se cumule pas avec la vitesse de la voiture, contrairement à ce que vous faites dans un train lorsque vous marchez vers l'avant, votre vitesse relative s'ajoute à celle du train.
- Pourquoi c vaut-elle 299 792 458 m/s et pas une autre valeur ? Parce que c'est comme ça ! 'c' est une constante, comme celle de Planck et tant d'autres. Sa valeur ne dépend pas des autres constantes. L'univers s'est créé ainsi.
- A priori, si c avait une valeur différente, cela n'aurait pas d'impact (sauf ralentissement excessif, qui ramènerait la lumière au même niveau que le son). Ce n'est pas forcément le cas de toutes les constantes de l'univers, pour lesquels des changements de valeur bouleverseraient tous les équilibres actuels et la viabilité de l'Univers tout entier.
- Plus on s'approche de la vitesse de la lumière, plus le temps passe lentement par rapport à un observateur externe. C'est le paradoxe de jumeaux de Langevin. Le jumeau qui part en voyage vieillit moins que son frère resté sur place, en supposant que les deux se retrouvent à l'issue du voyage. Le temps s'est déroulé moins vite pour lui car il allait très, très vite !
- Conséquence : un photon qui atteint la vitesse de la lumière ne voit pas le temps passer. Donc une personne qui l'atteindrait ne verrait pas le temps passer, mais le monde autour de lui vieillirait du temps correspondant à la distance parcourue. Le photon atteint 'c' uniquement parce qu'il n'a pas de masse. Nous verrons plus bas pourquoi tout corps doté d'une masse ne peut l'atteindre.
- Nous sommes traversés à tout moment par des milliards de particules voyageant à cette vitesse.
Pourquoi ne peut-on pas dépasser la vitesse de la lumière ?
Là ça devient un peu plus compliqué. Vous pouvez passer au paragraphe suivant, mais ce serait dommage...
La réponse est : comme dirait Gavroche, c'est la faute à Einstein ! Il a écrit le fameux E=mc² dont on n'arrive pas à se débarrasser ! Cette formule est valable pour une particule au repos. Elle est moyennement intéressante car la valeur est fixe et fournit une énergie.
Pour une particule en mouvement, c'est à peine plus compliqué : E=γmc² avec γ=gamma (et non 'Y', pour les petits plaisantins qui voudraient chanter "YMC2"). Gamma est variable en fonction de v. Plus v s'approche de c , plus gamma tend vers l'infini. Je vous épargne la formule.
Plus on approche de la vitesse de la lumière et plus la masse augmente et plus il faut d'énergie pour gagner en accélération. Il arrive un moment, proche de la vitesse de la lumière, où l'énergie tend vers l'infini !
Nous en sommes actuellement encore bien loin :
c vaut 299 792 458 m/s
la sonde Parker se déplace à 140 000 m/s et est l'objet le plus rapide jamais lancé par l'homme. Elle est à 0,046 % de la vitesse de la lumière, donc loin d'être relativiste. Nous sommes très loin des 10%.
la sonde Voyager I, l'engin le plus éloigné de nous, est à 17 000 m/s.
Spéculations sur le dépassement de la vitesse de la lumière :
- Détails dans le chapitre suivant : tout d'abord, il peut être inutile de chercher à la dépasser, car les occupants d'un vaisseau lancé à vitesse relativiste ont le sentiment d'aller plus vite que la lumière. Le problème est que leur référentiel, lui, vieillit. Leurs amis restés à vitesse normale vieillissent "plus vite" par rapport à eux. Et l'univers aussi !
- l'inflation de l'univers a déjà permis de dépasser c et son expansion actuelle le permet encore peut-être.
- l'intrication quantique et d'autres phénomènes dépassent la vitesse de la lumière. Cependant, aucun de ces phénomènes ne transfère d'énergie et d'information, la relativité est donc respectée et cela ne résout pas notre problème d'aller plus vite que la lumière
- Les trous de ver sont des moyens de contourner l'interdit, en joignant deux points de l'Univers, voire entre deux univers parallèles. Encore faut-il assurer une certaine stabilité à ces trous ou tunnels, qui ne sont soumis aux lois quantiques. Beaucoup de recherches ramènent aux trous de ver et tentent de trouver des solutions (Univers à 5 dimensions, masse négative, effet Casimir...)
- La propulsion Alcubierre, ou les bulles de distorsion, permettraient théoriquement d'atteindre des vitesses supraluminiques à condition de mettre en jeu des masses négatives permettant de créer un champ de densité d'énergie plus faible que le vide. Tout ceci à condition qu'on arrive à le mettre en pratique (une expérience de décembre 2021 aurait permis d'établir une première preuve) et à condition qu'on dépasse réellement la vitesse de la lumière.
- Je ne vois qu'une solution possible : effectuer d'autres découvertes scientifiques. Je n'aime pas l'idée selon laquelle nous sommes prisonniers de modèles précis et que les constantes de l'univers sont immuables. Elles le sont peut-être dans notre univers depuis le temps de Planck - autant dire dès le début - mais elles auraient donc pu être différentes "avant". On pourrait même imaginer des univers où les constantes seraient différentes. Mauvaises, elles n'auraient pas donné d'univers "viable".
- Enfin, pourquoi n'y aurait-il pas un réglage des lois de l'univers et des constantes, dont c, une zone de méconnaissance de nombreuses lois encore à découvrir ?
Mais a-t-on vraiment besoin d'aller plus vite que la lumière pour voyager ?
Il est tout à fait envisageable que l'homme atteigne la galaxie la plus lointaine en à peine une vie. En effet la vitesse de la lumière n'est pas limitante, puisque plus on accélère, moins le temps passe vite.
Lire à ce sujet le fameux livre "Tau Zero" de Poul Anderson, qui est un chef d'œuvre de science. L'histoire en elle-même ne présente qu'un intérêt limité et n'est pas déplaisante, mais l'accélération de la vitesse constitue une démonstration étourdissante de ma première phrase : l'homme peut atteindre la galaxie la plus lointaine en une vie, à condition d'avoir la technologie lui permettant de voyager proche de la vitesse de la lumière.
En admettant que la galaxie la plus lointaine soit à 13,8 milliards d'années lumière, nous réalisons que 'c' est assez ridicule à l'échelle de l'Univers. Nous pourrions donc croire qu'il faut au moins 13,8 milliards d'années pour atteindre cette galaxie, en raison de la limitation de 'c'. Erreur ! C'est le temps qu'un observateur sur Terre verrait (et voit déjà : les photons qui nous atteignent ont mis 13,8 milliards d'années pour nous parvenir) ; ce n'est pas du tout le temps du photon ou de l'humain-voyageur, qui voit le temps se compresser et dont la vie s'écoule plus lentement.
Le tableau ci-dessous est tiré d'une illustration réalisée par Roland Lehoucq pour le livre "Tau Zero" de Poul Anderson.
Tableau pour une accélération et une décélération constantes de 1g (g correspond à la pesanteur sur Terre soit une accélération de ~ 10m/s²)
| Distance (années-lumière) | Durée vécue par le voyageur | Durée pour un observateur resté sur Terre |
Proxima du Centaure | 4,3 | 3,56 ans | 5,93 ans |
Bételgeuse | 500 | 12,11 ans | 501,9 ans |
Andromède (galaxie) | 2 300 000 | 28,43 ans | 2 300 000 ans |
Galaxie la plus lointaine (*) | 13 000 000 000 | 45,17 ans | 13 000 000 000 ans |
Hypothèse : le vaisseau accélère de 1g pendant la moitié du voyage et décélère de même pendant l'autre moitié. L'important n'est pas d'accélérer de 45 g mais de s'approcher au maximum de c , car 'c' ne peut être atteint.
Si vous mettez 20 ans à atteindre c (ou presque, puisqu'on ne peut pas l'atteindre si on a une masse), vous pouvez, au bout de ces 20 ans, traverser une galaxie de 100 000 années lumière en quelques secondes (pour vous)... et en plus de 100 000 ans pour un observateur.
Le tableau met en évidence le fait que, une fois qu'on est proche de c , il suffit de quelques années supplémentaires pour parcourir une distance énorme (ici, d'une galaxie relativement proche comme Andromède à la galaxie la plus lointaine).
C'est aussi un bon moyen pour voyager dans le temps… vers le futur ! Et sans possibilité de revenir au moment initial. Par exemple pour voir ce que sera la Terre dans 1000 ans, il faudrait faire un aller et retour vers Bételgeuse, qui nous coûterait 24 ans de notre vie.
Non on ne se déplace pas plus vite que la lumière. La relativité dit que plus on approche de la vitesse de la lumière, plus le temps est court pour nous. Alors que pour nos observateurs nous avançons à une vitesse finie, celle de la lumière, pour nous le temps semble plus court.
De manière simple : un observateur voit avancer le vaisseau à sa vitesse réelle tandis que ses occupants voient le temps se contracter. Cela signifie qu'en une seconde, ils parcourent une distance supérieure à 299 793 km !
(*) espérer atteindre la galaxie la plus lointaine est une chimère. La distance de 13 milliards d'années-lumière peut être parcourue en à peine plus de 45 ans mais... la galaxie ne sera pas présente ! Comme me le signale gentiment Pierre Brisson : "La lumière reçue aujourd’hui du Fond Diffus Cosmologique a mis 13,68 milliards d’années pour nous parvenir mais depuis le début, il y a expansion de l’Univers (aujourd’hui accélérée) et il nous faudrait 42 milliards d’années pour retrouver cette époque. Par ailleurs, ce début s’éloigne de nous quasiment à la vitesse de la lumière, toujours du fait de l’expansion de l’Univers. Donc le temps rallongerait au fur et à mesure que nous approcherions…et nous serions toujours limités par le plafond de la vitesse de la lumière."
Merci aux personnes suivantes pour leur relecture attentive et leurs suggestions bienveillantes :