Un voyage plus rapide que la lumière est le seul moyen pour les humains d'atteindre d'autres étoiles en un temps raisonnable. Crédit : NASA
L'étoile la plus proche de la Terre est Proxima Centauri. Il se trouve 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 solaire Parker, désormais dans l'espace, atteindra une vitesse maximale de 450,000 20 mph. Il ne faudrait que 6,633 secondes pour aller de Los Angeles à New York à cette vitesse, mais il faudrait environ XNUMX XNUMX ans à la sonde solaire 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 que dans la science-fiction.
Dans la série Foundation d'Issac Asimov, l'humanité peut voyager d'une planète à l'autre, d'une étoile à l'autre ou à travers l'univers à l'aide de lecteurs de saut. Quand j'étais enfant, j'ai lu autant d'histoires que possible. Je suis maintenant physicien théoricien et j'étudie les nanotechnologies, mais je suis toujours fasciné par les façons 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 d'entraînement par distorsion. Les entraînements de distorsion sont théoriquement possibles si la technologie est encore farfelue. Deux articles récents fait la une des journaux en mars quand les chercheurs ont affirmé à ont surmonté l'un des nombreux défis qui se dressent entre la théorie des moteurs de distorsion et la réalité.
Mais comment ces moteurs de distorsion théoriques fonctionnent-ils vraiment ? Et les humains feront-ils bientôt le saut à la vitesse de distorsion ?
Cette représentation bidimensionnelle montre la bulle d'espace-temps plate et non déformée au centre où un moteur de distorsion serait assis entouré d'espace-temps compressé à droite (courbe vers le bas) et d'espace-temps étendu à gauche (courbe vers le haut). Crédit : AllenMcC/Wikimedia Commons
Compression et expansion
La compréhension actuelle des physiciens de l'espace-temps 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 la gravité et pourquoi de nombreux héros de l'espace s'inquiètent de "se coincer" ou de "tomber dans" un puits de gravité. Les premiers écrivains de science-fiction John Campbell et Asimov ont vu cette déformation comme un moyen de contourner la limite de vitesse.
Et si un vaisseau spatial pouvait comprimer 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 distorsion.
En 1994, Miguel Alcubierre, un physicien théoricien mexicain, a montré que la compression de l'espace-temps devant le vaisseau spatial tout en l'étendant derrière était mathématiquement possible dans les lois de la relativité générale. Alors qu'est-ce que cela signifie? Imaginez que la distance entre deux points est 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 compresser 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 seriez capable d'atteindre le point B en une seconde environ. 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 moteur de distorsion de "Star Trek" était en fait théoriquement possible.
Proxima Centauri nous voilà, n'est-ce pas ? Malheureusement, la méthode d'Alcubierre pour comprimer l'espace-temps avait un problème : elle nécessite une énergie négative ou une masse négative.
Cette représentation bidimensionnelle montre comment la masse positive courbe l'espace-temps (côté gauche, terre bleue) et la masse négative courbe l'espace-temps dans une direction opposée (côté droit, terre rouge). Crédit : Tokamac/Wikimedia Commons, CC BY-SA
Un problème d'énergie négative
Le moteur de distorsion d'Alcubierre fonctionnerait en créant une bulle d'espace-temps plat autour du vaisseau spatial et en incurvant l'espace-temps autour de cette bulle pour réduire les distances. L'entraînement par distorsion nécessiterait soit une masse négative - un type de matière théorique - 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 moteur de distorsion 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 moteur de distorsion, 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 moteur de distorsion d'Alcubierre utiliserait cette énergie négative pour créer la bulle d'espace-temps.
Mais pour qu'un moteur de distorsion génère suffisamment d'énergie négative, il faudrait beaucoup de matière. Alcubierre a estimé qu'un moteur de distorsion avec une bulle de 100 mètres nécessite la masse de tout l'univers visible.
En 1999, le physicien Chris Van Den Broeck a montré que l'expansion du volume à l'intérieur de la bulle mais en gardant la surface constante permettrait réduire considérablement les besoins énergétiques, 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 par Alexey Bobrick et Gianni Martire et un autre par Érik Lentz - fournir des solutions qui semblent rapprocher les entraînements de distorsion de la réalité.
Bobrick et Martire ont réalisé qu'en modifiant l'espace-temps dans la bulle d'une certaine manière, ils pourraient supprimer le besoin d'utiliser de l'énergie négative. Cette solution, cependant, ne produit pas d'entraînement de distorsion pouvant 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 découvert qu'un moteur 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 moteurs de distorsion fait son apparition. En tant que fan de science-fiction, j'accueille favorablement toute cette pensée novatrice. Dans le paroles du Capitaine Picard, les choses ne sont impossibles que tant qu'elles ne le sont pas.
Écrit par Mario Borunda, professeur agrégé de physique, Oklahoma State University.
Initialement publié sur The Conversation.
