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Du fond du labo #6

Elle vous a manqué, la revoilà. Votre rubrique de brèves actualités scientifiques émise depuis le fond du labo est de retour ! Au programme de ce sixième épisode, Hawking et les trous noir, le zéro absolu, l’évolution réinventée en éprouvette et une émission TV à ne pas rater.

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Stephen Hawking remet-il en cause l’existence des trous noirs ? Cette annonce fracassante a fait le tour des réseaux sociaux et sites d’information, plaçant une fois de plus le célèbre physicien au centre des projecteurs médiatiques. Mais contrairement au fameux jumeaux du paysage audiovisuel français, Hawking n’est pas un simple agitateur du buzz. Aussi le court article qu’il a déposé sur la plate-forme arxiv le 22 janvier dernier n’est pas le pavé jeté dans la mare que nous décrit la presse internet. Au contraire, Hawking y livre ses dernières réflexions sur la théorie des trous noirs, bien loin de remettre en cause l’existence de ces phénomènes astrophysiques. Il propose plutôt une autre interprétation de l’horizon des événements, cette région de l’espace-temps correspondant à la surface d’un trou noir et constituant un point de non-retour au-delà duquel rien ne peut sortir, ni matière, ni énergie. Hawking propose d’abandonner ce caractère destructeur de l’horizon d’un trou noir, estimant que cette région ne fait que piéger temporairement la lumière et la matière. Pour Hawking, un trou noir serait une sorte d’état lié du champ de gravitation, turbulent et chaotique. Si la proposition d’Hawking laisse certains physiciens dubitatifs, elle pourrait cependant venir en aide à la théorie des cordes, et notamment l’hypothèse du physicien Samir Mathur qui envisage les trous noir comme des « pelotes de cordes ». Dans ce modèle, l’essentiel de la théorie standard des trous noirs serait toujours valable, mais les propositions récentes d’Hawking seraient également vérifiées. Encore une passionnante énigme posée à la physique du XXIème siècle. A lire sur Futura-Sciences.

Les températures thermodynamiques négatives n’existeraient pas. Du moins, c’est ce que prétendent Jörn Dunkel, mathématicien du MIT, et Stefan Hilbert, membre du Max Planck Institute for Astrophysics. Et ce malgré les travaux des Prix Nobel de physique Edward Purcell et Norman Ramsey au début des années 1950. Depuis lors, le débat restait animé, certains physiciens pensant interpréter les systèmes thermodynamiques en-dessous de ce zéro absolu (-273,15°C) comme soumis à des supra-rendements, voire même au tendancieux concept de mouvement perpétuel à l’échelle quantique. Dunkel et Hilbert couperaient donc court à ces spéculations. Leur article, paru dans la revue Nature Physics, revient sur une méthode de dénombrement des nombres d’états microscopiques d’un système thermodynamique. Cette méthode n’a cependant rien de novateur ou d’inédit, puisqu’elle fut proposée par le célèbre physicien Gibbs en personne et oubliée depuis lors. Elle permet de retrouver des interprétations similaires aux prédictions de la physique statistique à ces échelles microscopiques, mais sans jamais obtenir de températures thermodynamiques négatives. Ces dernières seraient un artefact d’une mauvaise définition de l’entropie par Boltzmann en mécanique statistique. Si leur interprétation est correcte, il faudra donc corriger certains modèles théoriques mais également une partie de nos enseignements en thermodynamique et physique statistique. A lire sur Science.

Peut-on réinventer l’évolution moléculaire en laboratoire ? Un des thèmes de recherche mené par les biologistes moléculaires consiste à comprendre comment des reconnaissances aussi étroites ont pu s’établir entre biomolécules au fil du temps. Ce dilemme, difficilement expliqué par les théories chimiques, a peut-être été résolu en mimant in vitro ce processus darwinien. Pour cela, les chercheurs de l’Université de Floride ont eu recours au processus SELEX (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment). Cette méthode expérimentale permet de sélectionner à partir d’une banque aléatoire d’ADN ou d’ARN les séquences reconnaissant le mieux une molécule-cible précise. Dans cette méthode, la séquence génétique codée n’importe pas. Seule la capacité chimique de l’ADN ou l’ARN à s’associer par liaison faible avec un ligand spécifique est retenue. Mais nos chercheurs sont allés encore plus loin : s’associant avec la Foundation for Applied Molecular Evolution, ils ont eu recours à une méthode révolutionnaire, appelée AEGIS (Artificially Expanded Genetic Information System). Cette technique permet de concevoir des séquences d’ADN possédant non pas quatre mais jusqu’à 12 bases nucléiques différentes dans leurs séquences ! En combinant les méthodes SELEX-AEGIS, les chercheurs sont parvenus à sélectionner dans une banque d’ADN artificiels (AxN) à 6 acides nucléiques différents (dont deux nouvelles formes Z et P) une séquence (ou aptamère) reconnaissant spécifiquement une lignée de cellules cancéreuses. Le développement de banques aléatoires d’AxN ouvre de nouvelles perspectives quant à l’élaboration de nouveaux médicaments anticancéreux. Mais la méthode SELEX-AEGIS constitue également un fascinant outil d’étude in vitro de l’évolution moléculaire. La NASA s’est d’ailleurs montré intéressée par cette technique en exobiologie, qui permet d’envisager la conception in vitro de xéno-ADN et l’étude de leur évolution darwinienne dirigée. A lire sur PhysOrg.

Enfin, terminons sur une annonce des plus réjouissantes, puisque la célèbre émission de vulgarisation scientifique Cosmos (1978-80), initialement présentée par Carl Sagan, revient sous une nouvelle mouture. Cette fois-ci, l’astrophysicien Neil deGrasse Tyson présentera le programme, rebaptisé pour l’occasion Cosmos: A Space-Time Odyssey. Le premier épisode sera diffusé le 9 mars prochain sur la Fox et la National Geographic Channel.

 


Le voyage dans le temps est-il possible ?

Qui n’a jamais rêvé de voyager dans le temps ? De visiter la Rome impériale du temps de sa splendeur, de suivre le périple d’Alexandre le Grand, d’assister à la chute de Byzance ou encore d’assister à la naissance de l’Europe moderne ? Le grand voyage dans le temps n’a de cesse de fasciner les auteurs, d’autant plus qu’il permet d’explorer sa nature même, sujet âprement discuté par les philosophies et encore irrésolu par la science. Mais les auteurs ont toujours eu la liberté de s’amuser de la nature. A la lecture de la Machine à voyager dans le temps d’H.G. Wells, le lecteur est ainsi frappé par la capacité du voyageur temporel à se promener le long d’un axe du temps comme s’il s’agissait d’un simple déplacement vectoriel. En enclenchant le bon levier, voilà notre voyageur qui laisse le cours du temps défiler devant lui, pouvant l’accélérer ou bien faire marche arrière comme bon lui semble. L’adaptation cinématographique de George Pal (1960) reproduit à merveille cette impression de déroulement subjectif du temps selon le référentiel de la machine par rapport au référentiel extérieur. Notre voyageur s’amuse ainsi à observer depuis son siège le fil des journées, puis des saisons, qu’il voit défiler devant lui de manière accélérée. Après que notre héros imprudent eut connu de nombreuses aventures, le voilà même qui revient à son époque de départ en remontant tout aussi vite le cours du temps, comme un film que l’on rembobine !

Or, rien qu’avec cette savoureuse fiction d’H.G. Wells, notre voyageur se retrouve déjà confronté à de nombreux paradoxes temporels ; le premier de taille, puisqu’il repose sur la notion physique même du temps ! Si l’écoulement du temps tel le cours d’une rivière est une métaphore des plus classiques en poésie, cette interprétation commune de la notion de temps a quelque chose de trompeuse. Le temps s’écoule, nous échappe, suit son chemin. L’idée même qu’il soit assimilé à une ligne droite, orientée selon une flèche du temps et défilant selon cet axe fit remarquer à Kant, dans sa Critique de la raison pure, que cette analogie du temps en une dimension spatiale est trompeuse : elle ne rend pas compte du fait que les parties du temps sont successives, et non pas simultanées [1]. Henri Bergson, dans Durée et Simultanéité, s’interroge également [2] : comment peut-on passer d’une succession de points, représentés comme des instants temporels dans un référentiel spatial, à une temporalisation des évènements ? Il faut donc que l’écoulement du temps soit « subjectif », comme le propose Descartes, pour pouvoir dissocier son égrainage jusqu’à son plus petit dénominateur commun (le temps de Planck : 10-43 s) de son interprétation subjective comme continuum de l’instant présent rattaché au passé et au futur.

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Du père Bourdin à Newton

Dans ses Principia [3], Newton définit le temps comme un espace absolu, sans relation aux choses externes, et orienté vers le futur. La vitesse dépend du référentiel, elle est relative, tandis que l’accélération est absolue. La sensation de cours du temps devient donc subjective et l’exemple de Descartes tient toujours [4] : le malheureux père Bourdin, assoupi, entend sonner quatre heures, mais croit son horloge devenue folle en sonnant quatre fois une heure ! La perception du temps comme une continuité hétérogène entre passé, présent et futur n’est donc qu’une opération de la pensée et n’a pas de réalité physique. Sur le plan neurologique, les mécanismes entrant en jeu au niveau cérébral pour que nous conservions une « mémoire » des instants précédents sont de nos jours mieux compris, et il semblerait que nous soyons biologiquement capables de relier plusieurs instants écoulés en une sorte de continuité intelligible. Ce mécanisme-là nous est essentiel pour écouter une mélodie, lire un roman ou visionner une vidéo. Il nous permet également de discerner une sorte de causalité, puisque nous pouvons faire la différence entre un film projeté dans le bon sens ou son sens inverse. Cependant, Newton lui-même, pourtant partisan de la nature substantielle du temps, remarque que nous ne mesurons jamais directement le temps t mais que nous observons une succession ordonnée de différentes valeurs physiques selon des instants précis de mesure. La variable t devient alors le chef d’orchestre du ballet de ces grandeurs observables qui s’associent entre-elles selon une causalité physique évidente pour l’observateur. C’est le temps absolu de la mécanique, qui s’écoule uniformément sans relation à rien qui lui soit extérieur. A moins que le temps n’échappe au monde, ou que comme le disait Lucrète, le temps n’existe pas lui-même, seuls comptent les phénomènes par lesquels découlent le sentiment de passé, de présent et d’avenir [5]. « Le temps est invention, où il n’est rien du tout » concluait Bergson [6].

L’axe newtonien du temps est donc homogène et continu, orienté selon une flèche du temps, et chaque instant s’égraine sur cet axe selon un ordre irréversible. Passé et futur n’existent pas, seul l’instant présent n’a de sens en cela qu’il peut être rapporté en une série de valeurs physiques mesurées à un moment précis. Le voyageur de Wells pose donc un paradoxe temporel de taille, qu’Alain rapportait déjà : si le temps est irréversible, le retour du voyageur en son époque nécessite qu’un état passé de l’univers demeure. Or si le passé n’est plus, alors il existe des temps différents sur lesquels voyage notre héros.

Le même problème apparaît avec Le voyageur imprudent de Barjavel. Dans ce roman, un voyageur temporel remonte le temps pour assassiner Bonaparte. Mais en agissant ainsi, il tue dans le feu de l’action un garde, qui n’est autre que son futur aïeul. Un paradoxe temporel apparaît, puisque le voyageur temporel ayant éliminé son ancêtre, sa naissance future est rendue impossible. Avons-nous alors modification du temps présent et par conséquent du futur à venir, ou bien assistons-nous à un dédoublement de l’univers dans lesquels les deux causalités (grand-père vivant et grand-père assassiné) sont respectées ? Et que devient alors notre voyageur temporel, vers quelle causalité est-il entraîné ? Ce paradoxe temporel est également mis en scène dans le premier volet de la trilogie Retour vers le Futur : Marty McFly, en arrivant accidentellement dans le passé, rencontre sa future mère. L’adolescente tombe amoureuse de son futur fils, compromettant sérieusement sa relation amoureuse avec son futur époux. Marty tente alors tout au long du film de réparer ce paradoxe temporel, avant qu’une nouvelle causalité ne s’établisse définitivement. La fameuse scène du bal de lycéens, durant laquelle Marty est en train de s’effacer, semble marquer une sorte d’hésitation de l’univers entre deux causalités : celle désormais violée par le voyage temporel de Marty, et une nouvelle basée uniquement sur l’instant présent. Marty semble lui-même s’estomper, comme s’il était effacé de la « mémoire » de l’univers au profit d’une nouvelle causalité ! Cette vision subjective du temps, basée sur l’idée même d’une « mémoire » du passé et du futur, n’a strictement aucune réalité physique. Et pourtant, elle illustre également le paradoxe souligné par Kant. Si des états passés et futurs demeurent, et qu’une causalité les relie, sont-ils simultanés ou séquentiels ? Et qui en conserve la « mémoire » ? Marty ou bien l’univers lui-même ? Ces questions de paradoxes temporels supposent également que le temps puisse être bouclé, et qu’il est donc possible de rencontrer dans le passé ou dans le futur un instant ayant conservé une réalité, un état de l’univers accessible. Or, si passé et futur n’existent pas et que seul l’instant newtonien positionné sur l’axe du temps n’a de sens, le paradoxe temporel du voyageur temporel devient alors insoluble.

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Doit-on dépasser notre notion du temps ?

La physique classique semble exclure toute perspective de voyage dans le temps. La physique moderne nous montre cependant que l’irréversibilité du cours du temps ne concerne pas le temps en lui-même (la flèche du temps) mais ses phénomènes (la causalité). Il faut ainsi attendre les travaux d’autres physiciens pour que la notion de temps sorte de son cadre newtonien, et que la notion de flèche du temps soit à nouveau discutée. Boltzmann propose ainsi que l’axe du temps puisse être inversé. Si t est newtonien, son opposé -t conserve aussi les propriétés des lois de Newton. La différence entre passé et futur pourrait être alors liée à des asymétries dans l’organisation de la matière. Boltzmann relègue la flèche du temps à une simple « émanation » ; le débat fut vif lorsqu’il exposa ses conclusions [7]. Cette vision de Boltzmann avait pourtant déjà quelque chose d’anticipatif vis à vis de la physique moderne des particules. Depuis Paul Dirac, les physiciens savent qu’à chaque particule est associée une antiparticule dont le comportement diffère suffisamment pour observer des phénomènes particuliers. Vient en renfort de ce premier modèle la théorie des symétries CPT, comprenant les symétries C (transformation des charges), les symétries P (parité, ou effet miroir, dans la répartition et l’orientation des particules) et les symétries T (renversement de t en -t à l’échelle particulaire). Ces symétries sous-entendent-elles qu’une antiparticule puisse « renverser le cours du temps » ? Pour mieux comprendre les symétries CPT, les physiciens du milieu du XXème siècle se sont intéressés à leurs violations expérimentales [8]. L’équipe de Chien-Shiung Wu démontra en 1957 une violation de la symétrie P à partir de la désintégration β du colbalt 60: c’est à dire que les électrons émis n’étaient pas répartis en quantité égale dans deux directions opposées comme attendu, mais presque tous étaient émis dans la direction opposée à celle du spin du cobalt. Garwin, Lederman et Weinrich confirmèrent la même année cette violation de la symétrie P en étudiant la désintégration d’assemblages quark-antiquark (des pions chargés) et notèrent que leur expérience impliquait aussi une violation de la symétrie C. James Cronin, Val Fitch, James Christenson et René Turlay démontrèrent en 1964, à partir de l’étude des kaons (d’autres assemblages quark-antiquark), qu’il existait une violation de la symétrie CP, cette dernière impliquant en conséquence directe une violation de la symétrie T. Ces travaux entrent en jeu alors que les physiciens s’interrogent non pas directement sur la notion de temps mais sur le devenir de l’antimatière née tout comme la matière de l’énergie issue du Big Bang. Or par un mécanisme encore inconnu, l’asymétrie entre matière et antimatière dans notre Univers a largement favorisé la matière, au détriment de l’antimatière qui y est devenue très marginale. L’interprétation de la violation de la symétrie T peut donc être trompeuse, car la physique des particules et l’antimatière respectent la causalité physique. Il n’est donc nullement question de particules « remontant le cours du temps » comme le laisserait à penser Dirac avec sa théorie des particules d’énergie négative et sa découverte du positron au début des années 30. Une telle conclusion serait d’autant plus erronée que cette particule « remontant le temps » se manifeste, comme le souligne Etienne Klein [9], dans notre propre temps d’observation. Il ne peut donc s’agir en aucune manière d’un voyage temporel mais d’une subjectivité de l’observateur. Une simple question de perspectives, en résumé.

La physique moderne a également abouti au développement de la mécanique quantique, qui nous montre que les phénomènes ne sont plus suivis en fonction d’une variable du temps, comme par exemple une oscillation en mécanique classique, mais se focalisent sur des quantités élémentaires de grandeurs physiques, les quantas. A l’échelle quantique, le temps n’est plus cette variable bien ordonnée de Newton : les instants peuvent se superposer selon leurs états quantiques. C’est le fameux exemple du chat de Schrödinger, dont l’état vivant et l’état mort se superposent à chaque instant pour l’observateur. Ce phénomène ne s’observe cependant pas réellement à l’échelle macroscopique, et le passage d’un état quantique à un état physique classique s’explique par les lois de la décohérence quantique. A l’échelle quantique, un qubit (état quantique représentant la plus petite unité de stockage d’information quantique) peut être téléporté dans l’espace, et peut-être même dans le temps, selon une réflexion théorique proposée en 2011 par Timothy C. Ralph et S. Jay Olson [10]. Ces derniers proposent ainsi une expérience imaginaire qui permettrait la mise en évidence d’une intrication quantique dans le temps. Mais tout ceci reste très éloigné d’une machine à voyager dans le temps, tel que l’avaient titré abusivement certains journaux relayant cet article scientifique [11]. La mécanique quantique se base sur le principe des quantas, or s’il existe un quantum d’énergie, il n’existe pas de quantum de temps. De même, à l’échelle subatomique, il n’est pas possible de dépasser la vitesse de la lumière, et le renversement du temps impliqué par la violation des symétries CP ne solutionne pas non plus le voyage dans le temps. Dans tous les cas, Einstein semble avoir toujours raison lorsqu’il conclut « on ne peut pas envoyer de télégrammes dans le passé ». C’est le paradoxe que le mathématicien et vulgarisateur Martin Gardner mit en avant en discutant d’un fictif « téléphone tachyonique », par lequel l’information serait transmise à une vitesse supraluminique [12]. En effet, les tachyons sont une classe de particules dont on suppose, encore aujourd’hui, qu’elle pourrait se déplacer dans le vide à une vitesse supérieure à c, sans que ceci ait été confirmé expérimentalement par la physique moderne. Un tel téléphone serait paradoxal. Supposons que Fingo passe un coup de fil à Caracole. Quand Caracole reçoit l’appel, il entend le message de Fingo et lui répond immédiatement. Mais avec le jeu de vitesses supérieures à c, les messages remontent le temps, ce qui fait que Fingo risque bien de recevoir le dernier message de leur conversation avant même qu’il ne songe à appeler Caracole ! Greg Egan s’amuse également de ce paradoxe, en jouant sur ce principe de causalité. Un phénomène astrophysique permettant de communiquer avec le passé autorise les hommes d’un futur proche à nous transmettre des messages, nous leurs doubles du passé. Mais comment le futur peut-il vraisemblablement interagir avec le passé ? La violation de la causalité n’est qu’un premier obstacle à un tel phénomène, la conservation de l’information l’est également. Si mon double futur me dicte, par exemple, le texte d’un livre que j’écrirai en 2050 afin de le publier aujourd’hui, en 2013, qui aura écrit le livre au final? Moi ou mon double ? Il s’instaure alors une fois de plus un paradoxe temporel !

Nous avons discuté du postulat de Boltzmann, puis de la physique des particules, pour enfin aborder la mécanique quantique et de son abstraction du temps au profit des quantas de grandeurs physiques et des probabilités. Certains physiciens, comme Carlo Rovelli [13], ont prolongé la réflexion en proposant à partir de là une physique moderne « affranchie du temps » dans laquelle ne subsisterait plus que cette impression de « flux continu » que nous appelons subjectivement « temps » et qui ne serait, à notre échelle macroscopique, qu’une manifestation du « temps thermodynamique ». Le temps peut alors se décrire, selon la théorie de Torita-Takesaki, comme une évolution temporelle à partir de tout état statistique. Il existe une multitude d’états thermodynamiques à l’échelle de sous-systèmes microscopiques dont nous ignorons la transformation individuelle, impossible à distinguer à notre échelle macroscopique autrement que comme la somme de leurs évolutions en un ensemble cohérent. La diffusion d’un produit coloré dans un verre d’eau pure, par exemple, est un phénomène irréversible (le colorant ne va pas faire machine arrière pour se concentrer spontanément en la goutte versée initialement dans le verre d’eau) dont nous observons subjectivement le déroulement. C’est l’idée même d’un temps thermodynamique, irréversible, et assimilable dans une certaine mesure à notre « temps subjectif ». Puisqu’il serait bien plus excitant d’embarquer un être humain à bord d’une machine à voyager dans le temps plutôt que de se contenter d’envoyer des informations dans le temps, il n’est plus possible de s’intéresser aux seuls paradoxes quantiques ou subatomiques. Nous devons donc nous intéresser à un temps rapporté comme écoulé. Il est donc nécessaire de se pencher sur d’autres théories de la physique moderne, qui prendront en compte la mesure d’un intervalle de temps, et agiront sur cet intervalle pour que notre voyageur puisse comparer son propre temps par rapport à une horloge de référence restée à son point de départ.

Einstein et la machine à voyager dans le temps

La relativité a quelques solutions qui permettent d’envisager ce genre de réflexion. Selon la relativité restreinte d’Einstein, la détermination des évènements qui se produisent au même instant dépend du mouvement de l’observateur. Il y a distorsion du temps lorsque ce mouvement atteint des vitesses de plus en plus proches de c. Il s’agit du fameux paradoxe des jumeaux qui vient illustrer ce phénomène de dilatation du temps. Si la durée d’un événement dans le référentiel R d’un observateur immobile est égale à Δt, alors dans le référentiel R’ d’une fusée la durée de l’événement sera égale à Δt’. Selon la transformation de Lorentz qui relie les deux référentiels, les deux intervalles de temps Δt et Δt’ sont reliés par l’équation suivante :

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Selon cette formule, pour l’astronaute qui parcourt l’espace pendant un an à la vitesse relativiste de 0,9c (soit 90% de la vitesse de la lumière), il se sera déroulé sur Terre 2,29 ans. Plus la vitesse relativiste se rapproche de c, plus Δt >> Δt’.

Heinlein, dans le roman l’Age des Etoiles, illustre à sa manière ce paradoxe des jumeaux. Deux jeunes gens, vrais jumeaux de naissance, sont engagés par une agence spatiale pour servir aux communications lors des premiers voyages relativistes interstellaires. Heinlein imagine que les vrais jumeaux disposent d’un pouvoir télépathique latent qu’il suffit d’exercer pour obtenir un moyen de communication instantané se jouant des lois physiques et de la relativité. Cette ficelle fantastique permet à Heinlein de mettre en scène ses deux jumeaux, qui servent ainsi d’émetteur-récepteur entre la Terre et la fusée. L’un d’entre-eux monte à bord, l’autre reste au sol. Le voyage à bord de la fusée dure plusieurs années, la Terre restant en contact avec ses astronautes grâce au pouvoir télépathique de ces frères jumeaux. Mais la relativité restreinte s’applique tout de même à bord du vaisseau. Et lorsque notre jeune jumeau astronaute rentre sur Terre au terme de son voyage, il retrouve à la place de son frère un vieillard acariâtre ! Poul Anderson joue également avec la dilatation du temps dans un roman de hard science récemment traduit en français : Tau zéro. Anderson imagine le vol relativiste d’une fusée vers une étoile proche qui, suite à une collision avec une nébuleuse, connaît une avarie et se retrouve bloquée en accélération permanente. Le facteur de Lorentz γ augmente alors dans de telles proportions qu’en l’espace de quelques mois, nos voyageurs se retrouvent propulsés des millions, puis des milliards d’années dans le futur…

La relativité restreinte, aussi élégante soit-elle, ne résout pas pour autant un problème de taille : nous n’avons pas de fusée relativiste à notre disposition. Mais rassurez-vous, nous disposons déjà d’authentiques machines à voyager dans le temps, pour lesquelles certaines cartes d’embarquement sont même à la portée de quasiment toutes les bourses. Vous ne me croyez pas ? Eh bien rien de plus simple. Il vous suffit de voler à bord d’un avion de ligne pendant huit heures à une vitesse moyenne de 920 km/h pour voyager 10 nanosecondes vers le futur. Si vous vous engagez comme sous-marinier à bord d’un sous-marin nucléaire pour une mission de 6 mois à 300 mètres de profondeur, vous partirez 500 nanosecondes dans le futur. Cela peut sembler dérisoire, mais ces chiffres permettent de se rappeler que la dilatation du temps s’exerce forcément pour n’importe qu’elle vitesse, puisque comme l’a démontré Einstein, le temps écoulé selon deux observateurs dépend de leur mouvement propre.

Einstein démontra également, grâce à la relativité générale, que la gravitation déforme le temps. L’écoulement d’une seconde ne signifie plus la même chose selon l’endroit où nous nous trouvons. Cependant, ce phénomène s’interprète beaucoup plus facilement en considérant des corps astronomiques très massifs, comme par exemple une étoile à neutrons. Dans ce cas, la gravité à la surface d’une telle étoile est si forte que le temps est ralenti d’environ 30% par rapport à un référentiel terrestre. La gravité déforme l’espace-temps autour d’un corps astronomique selon une relation décrite par la relativité générale. Rien que pour le système GPS ultra-précis, ce phénomène est pris en compte et compensé par des algorithmes. Les physiciens continuent à étudier cette déclinaison de la relativité générale même pour la gravitation terrestre. En 2014, la mission ACES de l’agence spatiale européenne enverra à bord de l’ISS l’horloge pharao et un maser à hydrogène pour tester expérimentalement la relativité générale et vérifier la stabilité des constantes physiques fondamentales [14]. En ce qui concerne les voyages dans le temps, cet effet gravitationnel permettrait de ralentir le temps à bord d’un vaisseau spatial en orbite autour d’un objet hyper-massif. L’équipage verrait ainsi son temps ralenti par rapport au référentiel terrestre en effectuerait des orbites vers le futur.

Paul Davies propose dans son essai Comment construire une machine à explorer le temps ? [15] une astuce basée en grande partie sur ce principe. Imaginons que notre civilisation soit capable de maîtriser des énergies si fabuleuses qu’elle puisse fabriquer à la demande des « trous de ver » grâce à des accélérateurs de particules situés dans l’espace. C’est à dire des tunnels reliant deux endroits de l’espace. Imaginons également que nous puissions agrandir ces trous de ver d’une taille subatomique jusqu’à une échelle exploitable, et que nous les stabilisions suffisamment par effet casimir. Car notre objectif reste de permettre à un signal ou à un objet de traverser ces trous de ver sans craindre que le tunnel ne rétrécisse en un point de densité quasi-infinie et ne devienne un trou noir. Une fois notre trou de ver stabilisé, imaginons que nous remorquions une de ses extrémités jusqu’à la plus proche étoile à neutrons. Nous obtiendrions ainsi un tunnel reliant deux points séparés dans l’espace et dans le temps ! Grâce aux effets relativistes, nous avons ainsi la possibilité de voyager selon un facteur correspondant à la différence de temps écoulé entre les deux référentiels A et B. Supposons que cette différence soit de 10 ans. Un astronaute se rendant à la sortie B ferait un bond de 10 années dans le futur par rapport à l’entrée A. Dans le sens inverse, l’astronaute remonterait de 10 ans en arrière. Ce qui signifie qu’en retournant à son point de départ à grande vitesse dans l’espace ordinaire, il rentrerait même au bercail avant d’être parti ! Si durant la traversée du trou de ver, l’astronaute voyage à des vitesses relativistes, les dilatations temporelles s’accumulent alors. Il serait ainsi possible, en voyageant dans le sens retour, de remonter le temps et d’arriver quelques années avant son départ ! Mais ceci reste néanmoins possible que dans la limite de la date de création du trou de ver. Impossible de remonter au-delà de cet événement : il nous faut tout de même respecter une certaine causalité.

Dans la série Hypérion de Dan Simmons, les « portails distrans » sont des trous de vers permettant de voyager instantanément d’un point à l’autre de la galaxie, et dont l’Hégémonie abuse largement, notamment avec le fleuve Téthys s’écoulant sur plusieurs planètes ou encore avec ses palais richissimes dont certaines pièces sont situées sur d’autres mondes. Michael Crichton, dans Prisonniers du temps, utilise des trous de vers pour remonter le temps vers des état passés conservés de l’univers. Les séries TV ne sont pas non plus en reste : Stargate reste l’exemple le plus connu de trous de vers artificiels générés par entre les portes des étoiles. L’excellente série Sliders, quant à elle, utilise les trous de ver non pas pour voyager dans le temps mais entre des mondes parallèles. D’une certaine manière la causalité est ainsi respecté en proposant plusieurs états de l’univers accessibles grâce au paradoxe d’Einstein-Podolsky-Rosen.

A l’inverse, voyager vers un passé antérieur à notre machine causerait beaucoup plus de contraintes qu’un voyage vers le futur. Pour plusieurs raisons. Tout d’abord, retourner dans son propre passé induit dans tous les cas un problème de doublon et donc de conservation de la masse et de l’énergie. L’Univers se retrouverait subitement en excédent de matière à un instant précis… Mais ce retour en arrière contrarierait avant tout la notion de causalité physique, principe qu’Etienne Klein considère comme l’argument principal invalidant les voyages dans le passé. L’Univers ne peut se permettre de laisser violer sa causalité. A moins que, comme le propose Paul Davies, les voyages temporels autorisés par l’Univers ne correspondent qu’à des paradoxes temporels respectant la causalité [16]. C’est l’exemple du paradoxe de la boule de billard. La boule remonte le temps par notre trou de ver et frappe sa version antérieure. La collision l’empêche alors de remonter le temps. C’est le « paradoxe ultime », dont la résolution serait alors très simple : la boule se doit de respecter la logique de la causalité tout comme les lois de la physique. Seules les sorties du trou de ver autorisant son entrée dans une version antérieure lui seraient permises, les autres cas ne lui seraient tout simplement pas accessibles.

Le voyage vers le passé suppose également le recours à des théories physiques alternatives. En 1949, le mathématicien de génie Kurt Gödel fait douter Einstein avec son « Univers de Gödel » un modèle relativiste autorisant les voyages dans le temps, puisqu’il permet à une particule prise dans une « boucle de genre temps » de ne violer ni la causalité ni l’Univers. Les « univers tournants de Gödel » sont d’élégantes théories mathématiques, mais n’ont hélas que très peu d’écho en physique [17]. Une autre idée s’intéresserait aux courbes fermées dans l’espace de Minkowski à 4 dimensions : l’espace-temps possédant une courbure due à son contenu de matière et d’énergie, il serait possible de concevoir selon la théorie d’Einstein une trajectoire sous forme de boucle temporelle dans laquelle notre observateur reviendrait à son point de départ spatial et temporel. Un demi-tour dans l’espace-temps, en quelque sorte. Toujours est-il que malgré ces réflexions mathématiques, les voyages vers le passé posent quelques problèmes de taille, ne serai-ce parce que leur mise en oeuvre dépasse l’entendement actuel des physiciens ! A moins de repenser la physique moderne ou de lui trouver de nouvelles théories généralistes résolvant la notion de temps, il n’y a guère de chances de fabriquer une machine à remonter le temps… Mince espoir, l’unification de la mécanique quantique et de la gravitation, grâce à la théorie des cordes ou à d’autres hypothèses, résoudra peut-être cette question. En attendant, la génération expérimentale de trous de ver subatomiques éphémères par le LHC pourrait apporter quelques nouveaux éléments de compréhension, en permettant probablement de générer de fugaces boucles causales. Qui sait ce que l’avenir nous réserve ? Nous pouvons toujours nous consoler en nous rappelant que nous ne sommes qu’à l’aube de la physique de ce nouveau millénaire.

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Albert Einstein et Kurt Gödel à Princeton, en 1948.

Bibliographie et ouvrages conseillés :

 

[1] Kant, Critique de la raison pure (1781), PUF, 1971.

[2] Bergson, Durée et simultanéité (1922), PUF, 1972.

[3] Newton, Isaac. Principes mathématiques de la philosophie naturelle (1687), Paris, Jacques Gabay, 1990.

[4] , [7] Klein, Etienne. Le facteur temps ne sonne jamais deux fois (2007), collection champs sciences, Flammarion (2009).

[5] Lucrète, De natura rerum, livre I, v. 460.

[6] Bergson, L’évolution créatrice (1907), PUF, 2007.

[8] Schune, Marie-Hélène. Du sens du temps à la violation de la symétrie CP. Pour la Science, n°397, novembre 2010, pp. 64-70.

[9] Conférence d’Etienne Klein : « Peut-on voyager dans le temps ? » Université de Nantes, 18 novembre 2008.

[10] S. Jay Olson; Timothy C. Ralph. (2011). Extraction of timelike entanglement from the quantum vacuumarXiv :1101.2565v1

[11]  » La physique quantique de la machine à voyager dans le temps  » – Traqueur Stellaire [En ligne]

[12] Boulanger, Philippe. Les paradoxes temporels. Pour la Science, n°397, novembre 2010, pp. 84-87.

[13] Rovelli, Carlo. S’affranchir du temps. Pour la Science, n°397, novembre 2010, pp. 50-55.

[14] http://smsc.cnes.fr/PHARAO/Fr/

[15] Davies, Paul. Comment construire une machine à explorer le temps ? EDP Sciences (2007).

[16] Davies, Paul. Peut-on créer une machine à remonter le temps ? Pour la Science, n°397, novembre 2010, pp. 88-93.

[17] Lehoucq, Roland. SF: la science mène l’enquête. Editions le Pommier (2007), p. 98.


La voiture électrique qui battit le record de vitesse en 1899

L’histoire automobile cite habituellement l’invention du moteur Diesel (1893) et la production en masse de la Ford T (1908-1927) comme références chronologiques d’une épopée uniquement dédiée au pétrole. Mais la voiture électrique n’est pas pour autant une invention récente, bien au contraire. Ses origines sont contemporaines à l’aventure des frères Renault, en 1899. A cette époque, la voiture électrique était même considérée comme plus prometteuse que la voiture à énergie fossile, battant les records de vitesse et faisant déjà rêver industriels comme urbanistes.

En 1859, le physicien français Gaston Planté révolutionne l’électrochimie naissante en inventant le premier accumulateur au plomb. La batterie vient d’être inventée, et va enflammer l’imagination des inventeurs. En 1898, l’ingénieur belge Camille Jenatzy installé à Paris rêve de lancer sa propre compagnie de transports automobiles. Fils du fabriquant de pneumatiques Jenatzy, cet ingénieur réputé et pilote redoutable n’est pas un oisif fils à papa. Surnommé le « Diable rouge » sur les circuits de course, il souhaite marquer les esprits avec un prototype révolutionnaire qui assoira la réputation de son entreprise naissante. Camille Jenatzy conçoit alors un nouveau prototype de voiture électrique, la « Jamais contente« . Le véhicule de 1,4 tonnes possède une carrosserie en forme d’obus, construite par le carrossier Rothschild en alliage léger de partinium (un alliage d’aluminium, de tungstène et de magnésium laminé). Dotée de deux moteurs électriques Postel-Vinary montés à l’arrière et alimentés par des batteries d’accumulateurs Fulmen au plomb, ils peuvent être couplés en série ou en parallèle et initier six modes de marche, pour une puissance maximale de 68 chevaux et une vitesse de rotation de 600 tours/min.

Le 29 avril 1899, la « Jamais contente » lancée sur la route centrale du parc agricole d’Achères battit le record de vitesse mondial, précédemment détenu par le comte Gaston de Chasseloup-Laubat (92,78 km/h). Avec une moyenne de 105,85 km/h et une pointe de vitesse à 120 km/h, la « Jamais contente » devient ainsi le premier véhicule automobile à franchir la barre des 100 km/h. Malheureusement, la technologie électrique ne parvient pas à atteindre les performances et l’autonomie des moteurs à combustion interne. Le XXème siècle fut celui du pétrole, et la « Jamais contente » oubliée par l’histoire industrielle. En 1909, Camille Jenatzy atteignit les 200 km/h à bord d’une Mercedes. Il mourut accidentellement en 1913 lors d’une partie de chasse. Quant à la voiture électrique, il faudra attendre encore près d’un siècle avant que des constructeurs automobiles prennent de nouveau le concept au sérieux…

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Voyager 1 atteint l’espace interstellaire : le vrai et le faux !

Une grande nouvelle astronomique est relayée depuis quelques jours par les médias : la sonde Voyager 1 a atteint l’espace interstellaire ! Ed Stone, responsable scientifique de la mission à l’Institut de technologie de Californie, l’a annoncé en grande pompe : « Maintenant que nous avons ces nouvelles données-clés, nous pensons que l’humanité a franchi un pas historique en entrant dans l’espace interstellaire  » . La nouvelle fera marque dans l’histoire des sciences, et mérite bien ce moment d’émerveillement collectif qui réchauffera nos cœurs en ces périodes d’actualité morose. Mais l’exagération médiatique n’a pas manqué de toucher cette annonce, et chacun y va presque de sa sur-enchère. Surtout face aux impressionnantes données fournies par la NASA ! Il était donc important de faire un petit FAQ sur Voyager 1 :

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1. Voyager 1 est le premier objet envoyé par l’homme à atteindre l’espace intersidéral.

Cela manque de précision, impossible de confirmer cette affirmation rédigée telle-quelle : Voyager 1 est plus exactement la première sonde dont l’arrivée dans l’espace intersidéral a été expérimentalement confirmée ! Nous avons perdu le contact depuis plus d’une décennie avec les deux précédentes sondes, Pioneer 10 et 11, alors qu’elles suivaient également une trajectoire d’échappement du système solaire. Cependant leur dernière distance supposée se situait entre 86 et 106 UA, ce qui les rapprochait de la zone fluctuante de l’héliopause, limite où le vent solaire se heurte au milieu interstellaire. Nous pouvons donc supposer qu’actuellement, la sonde Pioneer 10 soit en train de réaliser le même exploit que Voyager 1.

Il serait donc plus prudent d’affirmer que Voyager 1 est en fait la première sonde en état de marche envoyé par l’homme a avoir pu confirmer, grâce à ses instruments, son entrée dans l’espace intersidéral. La nuance est de taille, mais les sondes Pioneer étant disqualifiées de cette course au milieu interstellaire en raison de la perte de contact, l’approximation journalistique reste encore acceptable. Pioneer 10 vogue désormais en direction d’Aldébaran, tandis que Pioneer 11 se dirige vers la constellation de l’Aigle.

2. La limite entre le système solaire et l’espace intersidéral fluctue

Oui, et c’est la découverte majeure de Voyager 1. L’héliopause est définie comme la frontière où la pression du vent solaire équilibre celle du milieu interstellaire. Nous savons désormais que le vent solaire influence la limite de l’héliosphère, et que la sonde Voyager 1 s’est ainsi retrouvée ballottée au niveau de cette héliopause fluctuante. Les ingénieurs de la NASA suivant les données transmises par les instruments de Voyager 1 ont remarqué depuis quelques mois des baisses répétées mais constantes du flux de rayons cosmiques à basses énergies en provenance du Soleil. Mais pour annoncer la sortie de l’héliosphère, ces ingénieurs attendaient que la sonde enregistre durablement une modification de la direction du champ magnétique local. Finalement, c’est une forte éjection de masse coronale issue d’une éruption solaire de mars 2012 qui a apporté la preuve tant attendue. Le flux de particules éjectées à l’état de plasma a mis quelques semaines seulement avant d’atteindre en avril-mai 2012 les limites de l’héliosphère et d’être détecté par les instruments de la sonde. La différence de flux de plasma est alors si prononcée par rapport aux mesures habituelles que les ingénieurs proposent en août 2012 l’explication que nous connaissons désormais : la sonde vogue déjà dans le milieu interstellaire !

3. On a entendu le « chant » du milieu interstellaire.

Désolé de décevoir les rêveurs, mais le fameux bruit diffusé par la NASA n’est pas une prise de son directe du milieu interstellaire. L’instrument Voyager Plasma Wave Science (PWS) mesure en permanence l’amplitude et la fréquence des ondes de plasma traversant la sonde Voyager 1. Ces données s’étalent sur 225 jours de mesure, entre octobre 2012 et mai 2013. Elles ont été compressées 1,6 millions de fois pour donner un fichier audio de 12 secondes. Cela donne une nouvelle preuve de la détection sporadique de flux de plasma dans l’espace interstellaire, mais inutile de vouloir brancher vos écouteurs sur l’espace interstellaire !

4. La sonde Voyager 1 n’en a pas encore fini avec l’influence gravitationnelle du Soleil

Vrai, la sonde n’a pour le moment franchi que l’héliopause. L’influence gravitationnelle du Soleil s’étend encore bien au-delà de cette limite, et elle traversera dans les années à venir le fameux nuage d’Oort, qui s’étend entre 20000 et 154000 UA. Nous savons peu de choses sur cette ceinture extérieure, si ce n’est qu’elle comprend de la matière : méthane, glace, particules organiques, ainsi que des corps célestes comme des astéroïdes et des comètes. Malgré son immense volume, sa masse cumulée resterait très inférieure à celle de la Terre. Hélas pour nous, Voyager 1 mettra encore 300 ans avant d’atteindre ce mystérieuse nuage d’Oort, et encore 30000 ans pour s’échapper définitivement de l’influence gravitationnelle du Soleil. Ce qui pousse certains scientifiques à contester les titres de journaux actuels, en argumentant qu’il faudra encore trente millénaires pour que Voyager 1 quitte définitivement le système solaire dans sa définition la plus étendue !

Voyager 1 se trouve actuellement à un peu plus de 125 UA du Soleil, s’en éloignant à la vitesse de 3,6 UA par an. Sa sœur, Voyager 2, se trouve à plus de 102 UA et s’éloigne du Soleil à 3,3 UA par an. Elle devrait à son tour officiellement atteindre l’espace interstellaire dans les mois à venir. D’ici quarante millénaires, Voyager 1 passera à proximité de l’étoile AC+79 3888, dans la constellation de la girafe. Mais ces nouvelles aventures resteront silencieuses. En effet, Voyager 1 se retrouvera à court d’énergie en 2020. Elle dérivera alors pour l’éternité dans notre galaxie…

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Le voyage par téléportation est-il envisageable ?

TNG-Transporter-0113-mdn« Beam me up, Scotty ! ». Quiconque parle de téléportation citera très certainement Star Trek, tant le téléporteur est devenu un élément incontournable des séries télévisées et films dérivés de cet univers. A l’origine utilisée comme trucage à bas coût pour remplacer d’onéreux effets spéciaux de décollages et d’atterrissages de navettes spatiales, le téléporteur s’est rapidement révélée être un excellent ressort scénaristique, à tel point que le concept fut largement approfondi au fil des épisodes. Dans Star Trek, la téléportation est un procédé courant, qui permet d’effectuer un voyage quasi-instantané depuis la plate-forme d’un vaisseau spatial jusqu’à la surface d’une planète. La téléportation s’effectue alors comme le scanner complet d’un objet ou d’un être vivant et l’enregistrement de sa structure dans une « mémoire tampon ». Les voyageurs sont ensuite désassemblés en particules élémentaires qui transitent le long d’un rayon d’énergie jusqu’à une zone de rematérialisation. Il peut arriver que des accidents de téléporteurs aient lieu, entraînant la mort du téléporté ou provoquant des paradoxes inattendus, comme le dédoublement de personnages ou leur projection dans des univers parallèles.

Si la physique contemporaine est encore loin d’accomplir les exploits de Star Trek, la téléportation fait partie de ces concepts qui, en plus de faire rêver certains scientifiques, rappellent même des expériences réalisées en laboratoire. Ainsi le physicien Charles Bennett fut l’un des premiers à comprendre, en 1993, comment la physique quantique pouvait autoriser la téléportation d’états quantiques entre deux systèmes séparés dans l’espace en mettant à profit l’intrication quantique. Plus récemment, en 2012, une équipe germano-chinoise est parvenue à réaliser la téléportation d’états quantiques entre deux objets macroscopiques d’un millimètre de diamètre (contenant 100 millions d’atomes de rubidium chacun) à travers une fibre optique de 150 m de long avec un taux de réussite de 88% [1]. Malgré toutes ces avancées prometteuses, nous sommes encore très loin de la téléportation d’objets aussi complexes que des êtres humains comme l’imaginaient les créateurs de Star Trek. Tout au plus pouvons-nous espérer que ces avancées scientifiques trouvent des débouchés potentielles en informatique ou en télécommunication.

Si la téléportation quantique consiste à transférer des informations et non de la matière, pourrions-nous envisager un téléporteur fonctionnant sur ce principe ? Des étudiants de quatrième année du département de physique et d’astronomie de Leicester (U.K.) se sont posé la question en estimant quelle taille minimale de données serait nécessaire lors d’une procédure de téléportation d’un être humain, et quelle serait la durée de transmission de ces données jusqu’au lieu de téléportation. En effet, la première étape de toute téléportation serait également la plus délicate. Pour permettre un réassemblage correct de notre voyageur, jusqu’à quel niveau de précision faut-il scanner sa structure ? Moléculaire, atomique ou bien au-delà ? La moindre imprécision pourrait se révéler mortelle ou gravement handicapante pour notre voyageur. Imaginons que la procédure scanner s’en tienne au niveau atomique et conserve dans sa mémoire cache la structure 3D de l’ensemble des atomes le constituant. Avec une telle échelle de précision du scanner, nous pourrions déjà émettre des sérieux doutes quant à la survie de notre voyageur, même si par un prodige technologique sa structure était restituée totalement à l’identique à l’arrivée. Car si des particules subatomiques telles que le proton ou l’électron étaient tout simplement ignorées, leur absence lors de la « reconstruction » du voyageur aurait pour conséquence de perturber brutalement le métabolisme et l’homéostasie de la moindre cellule scannée ! Il faudrait donc, pour s’assurer la transmission de données les plus fiables possibles, réaliser au moins un scanner à l’échelle particulaire comme suggéré dans l’univers de Star Trek, ou encore mieux à l’échelle quantique. Et augmenter par la même occasion de façon exponentielle la taille des données à téléporter.

Nos étudiants britanniques ont spéculé sur une procédure potentiellement moins gourmande en taille de données en imaginant [2] qu’au lieu de téléporter un être humain entier depuis un vaisseau en orbite jusqu’à la surface d’une planète, on transmette plutôt l’information génétique nécessaire pour produire son clone à l’arrivée. La durée effective de la téléportation serait bien plus longue que dans Star Trek, puisqu’il faudrait ensuite réussir le clonage de ce génome téléporté, mais la quantité d’information à transmettre serait infiniment plus petite que lors d’un scanner global de notre voyageur. Cependant, une fois les informations génomiques transmises, il faudrait aussi transférer le scanner du cerveau de notre voyageur dans l’espoir de pouvoir le reproduire « à l’identique » physiquement et mentalement. Pour téléporter la totalité du génome d’une cellule diploïde humaine, nos étudiants britanniques estiment qu’à raison de 2 bits par paire de base la totalité des données aurait une taille de 1,2.1010 bits (soit 1,5 gigaoctets). Ceci peut sembler déjà très volumineux, mais rapidement transférable avec les technologies les plus abouties. En imaginant une communication sur une bande passante de 29,5-30 GHz (supra-haute fréquence) et les meilleurs protocoles de transmission associés, le taux de transfert optimal serait de l’ordre de 2,9.1019 b/s. Nos données génomiques seraient donc reçues en quelques fractions de seconde. Concernant le cerveau de notre voyageur, nos quatre étudiants ne prennent aucun risque et optent pour son scanner complet à l’échelle quantique. L’espace mémoire nécessaire pour stocker l’ensemble de ces données serait de l’ordre de 2,6.1042 bits selon l’estimation rapportée [3]. En imaginant que pour éviter toute erreur regrettable de transmission de ces précieuses informations nous ayons recours à un code correcteur comme le code de Hamming, la taille des données monte alors à 4,55.1042 bits, soit 5,7.1029 téraoctets [4] ! Mais le pire reste à venir avec le temps de téléportation de ces données. En reprenant notre moyen de communication très haut débit proposée ci-dessus, il nous faudrait cette fois-ci non plus quelques picosecondes mais pas moins de 5.1015 années de transmission !

Outre ces délais de transmission dépassant l’entendement, les besoins énergétiques associés seraient tout aussi fantastiques, pour une méthode de téléportation se voulant plus « abordable » que celle de Star Trek ! Nos quatre étudiants britanniques montrent donc qu’en se basant sur nos connaissances et technologies actuelles, la téléportation d’un voyageur reste clairement impossible à mettre en pratique. Outre l’ambitieux clonage d’un génome humain entièrement recréé et le tout aussi fantasque formatage d’un cerveau mature à partir d’informations quantiques téléchargées, la téléportation des données nécessaires à ces deux opérations dans un laps de temps raisonnable se révèle totalement impossible. Mais ces spéculations biotechnologiques, bien que compliquant un peu la démonstration, ont l’avantage de montrer que même en cherchant à diminuer considérablement la taille des données à téléporter, celle-ci restent totalement démesurée. Par comparaison avec Star Trek, les téléportations rapides et peu énergétiques mises en scène à l’écran demanderaient des scanners encore plus gourmands en taille ! Vraisemblablement irréalisable, la téléportation reste tout de même un passionnant sujet de scientifiction et un excellent exercice pédagogique, comme le démontre le travail de nos quatre étudiants britanniques. Validé par leurs enseignants et publié dans la revue peer-reviewed Journal of Physics Special Topics, qui regroupe l’ensemble des travaux d’étudiant de Master du département de physique et d’astronomie de l’Université de Leicester, cet article a permis à nos quatre jeunes physiciens d’obtenir leur année universitaire tout en travaillant sur la téléportation. Voilà qui fera rêver plus d’un étudiant. « Fascinating » , aurait conclu Mr. Spock !

 

 

Notes de lecture :

 

[1] Bao et al. (2012). Quantum teleportation between remote atomic-ensemble quantum memories. arXiv:1211.2892 [quant-ph].

[2] Roberts, D., Nelms, J., Starkey, D., Thomas, S. (2012). Travelling by Teleportation. Journal of Physics Special Topics 11(1), 2p. [En ligne].

[3] Wikipedia : Bekenstein bound. http://en.wikipedia.org/wiki/Bekenstein_bound

[4] Les préfixes d’octets sont présentés ici en puissance de 10 comme recommandé par le SI, et non en préfixes binaires comme cela fut longtemps l’usage en informatique.


A Houston, la NASA étudie la faisabilité du voyage spatial supraluminique

warp_drive_white_NASAPour beaucoup, le « warp drive » n’est qu’un moyen imaginaire de voyager dans l’espace à des vitesses plus grandes que la lumière dans la mythique série Star Trek. Mais pour le Dr. Harold G. White, ce moyen de propulsion n’appartient pas qu’à l’imaginaire du space opéra. Physicien à la NASA, ce scientifique et son équipe d’ingénieurs en propulsion spatiale en ont fait un réel sujet de recherche, se donnant pour objectif de déterminer si oui ou non, le moteur à distorsion équipera un jour lointain des vaisseaux spatiaux interstellaires.

Le warp drive ou « distorsion » consiste en une déformation de l’espace-temps qui permet aux vaisseaux-spatiaux de l’univers de fiction Star Trek de voyager à des vitesses supérieures à celle de la lumière dans le vide. Cette notion de vitesse supraluminique semble souvent fantaisiste, car la relativité restreinte a introduit dans l’imaginaire collectif l’idée d’une « vitesse limite » et invariante correspondant à c = 299 792 458 m/s, la vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, en relativité restreinte, seul prévaut le respect du principe de causalité ! Aussi, il est assez aisé de décrire ou d’envisager différents cas de dépassement de la vitesse de la lumière. Il suffit, tout simplement, de s’intéresser à la vitesse de la lumière en-dehors du vide ! Le spectaculaire effet Cherenkov le rappelle tous les jours aux ingénieurs de l’énergie nucléaire. Dans un milieu aqueux, la vitesse de propagation de la lumière est de c(aq) = 230 600 km/s [1]. Des particules soumises à des vitesses relativistes supérieures ou égales à la vitesse de la lumière en milieu aqueux sont émises par désintégrations radioactives au sein du réacteur nucléaire avant d’être ralenties par l’eau de la « piscine » du réacteur. Il se produit alors une émission lumineuse intense : la particule passe un « mur de la lumière » en analogie au fameux « mur du son » [2]. Le fond de la « piscine » semble éclairée par une lumière bleutée ! L’effet Cherenkov est également observable lors de leurs séjours spatiaux : les particules cosmiques voyageant à très grande célérité produisent des flashs bleutés en traversant l’humeur aqueuse des yeux des astronautes. Souvenez-vous des fameuses « lucioles » de John Glenn lors de son vol à bord de la capsule Mercury, il s’agissait tout simplement de ce phénomène ! De telles observations sont fréquemment rapportées par les astronautes, le français Jean-Loup Chrétien en témoigna notamment lors de son séjour à bord de la station Mir. Hélas pour nous autres terriens que nous sommes, ce phénomène n’est pas observable dans notre atmosphère. Quant à dépasser la vitesse de la lumière dans le vide, prenons à titre d’exemples les vitesses supraluminiques apparentes sont parfois observées dans les jets des quasars et des microquasars, ou encore l’hypothèse des tachyons, cette classe de particules qui se déplacerait à des vitesses supérieures à la célérité c.

Si dépasser la vitesse de la lumière n’est donc pas une hérésie pour la physique moderne, voyager dans l’espace à des vitesses supraluminiques tout en respectant les principes de la relativité demeure une tout autre paire de manches. L’idée, qui relève plutôt du roman de space opéra, a fini par être rattrapée par la physique moderne. Le principe théorique le plus connu est très certainement la métrique d’Alcubierre. En 1994, Miguel Alcubierre publia une métrique qui décrit mathématiquement la géométrie de l’espace-temps lors d’un voyage supraluminique dans les conditions de la théorie de la relativité générale [3]. Cette métrique d’Alcubierre permet de déplacer un objet à des vitesses supérieures à la lumière en manipulant l’espace-temps. Localement, l’objet ne dépasse pas la vitesse de la lumière. Mais sa vitesse relative par rapport à un observateur stationnaire, grâce à la contraction et l’extension de l’espace-temps, dépasse la vitesse c. L’objet se déplacerait dans un sorte de bulle de distorsion (ou warp bubble en anglais) : face à lui, l’espace-temps serait contracté, tandis que derrière lui, l’espace-temps serait en expansion. En d’autres termes, nous sommes dans une sorte de distorsion à la Star Trek.

Presque vingt ans après la publication de l’article original d’Alcubierre, sa théorie n’a de cesse d’intéresser les physiciens, au point que la prestigieuse agence spatiale américaine a fini par se poser la question de son hypothétique application à l’aérospatiale. La construction d’un moteur à distorsion pose évidemment de prodigieux problèmes techniques qui ne seront pas réglés de sitôt. Mais le Dr. White et son équipe du Johnson Space Center restent convaincus que les deux décennies de recherche sur la métrique d’Alcubierre ont rendu l’hypothèse moins impossible. Avec un budget de seulement 50,000 $, White et son équipe ne rêvent pas à leur futur prototype de moteur à distorsion. Leur objectif est d’ailleurs beaucoup plus terre-à-terre : générer à l’aide d’un anneau de condensateurs en céramique soumis à un très fort voltage de microscopiques bulles de distorsion. Leur mise en évidence par interférométrie de Michelson pourrait apporter une preuve expérimentale à leurs propres travaux théoriques sur la métrique d’Alcubierre. Pour cela, l’équipe du Dr. White a emménagé dans un ancien laboratoire de développement d’équipements pour les missions Apollo, dont le système pneumatique isolant le plancher des vibrations naturelles ou artificielles du sol a été restauré [4]. Toutes les précautions sont prises pour que la moindre interférence ne vienne pas perturber la traque de ces bulles de distorsion !

Bien sûr, la technologie du voyage warp n’émergera pas de ce modeste laboratoire, et le scepticisme du Dr. Alcubierre interrogé à ce sujet aurait de quoi enterrer le moindre espoir. Mais n’y voyez pas pour autant le rêve adolescent de physiciens trekkies autorisés à poursuivre leurs chimères au fond d’un vieux préfabriqué retapé. Comme le rappellent Steve Stich, de la direction du Johnson Space Center, et l’astrophysicien Neil deGrasse Tyson, il faut toujours garder un œil sur le futur, même lointain. Or sans recherches préliminaires, comment savoir si la métrique d’Alcubierre aura la moindre chance de déboucher sur d’hypothétiques systèmes de propulsion spatiale ? Spéculer sur l’aérospatiale des siècles à venir n’est donc pas une perte de temps, bien au contraire. Le modeste projet de l’équipe du Dr. White ne se limite d’ailleurs pas à expérimenter la métrique d’Alcubierre. Il apporte sa part de rêve aux nouvelles générations de physiciens et contribue par ce biais à construire la physique du XXIème siècle. Car sans rêves, comment imaginer la science de demain ?

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Notes de lecture :

 

[1] La vitesse de la lumière dans un milieu est égal à c/n avec la célérité c de la lumière dans le vide divisée par l’indice de réfraction n du milieu, d’où cette valeur c(milieu) < c.

[2] « Plus vite que la lumière : effet Cherenkov ». ENS de Lyon [En ligne].

[3] Alcubierre, M. (1994). The warp drive: hyper-fast travel within general relativity. Class Quantum Grav 11, pp. L73–L77.

[4] « Faster Than the Speed of Light ? » The New York Times (22/07/13). [En Ligne].