Pouvons-nous voyager plus vite que la vitesse de la lumière? Les nouveaux modèles mathématiques disent… «peut-être»

L'étoile la plus proche de la Terre est Proxima Centauri. Il est à environ 4,25 années-lumière, soit environ 40 billions de kilomètres. Le vaisseau spatial le plus rapide de tous les temps, la sonde solaire Parker maintenant dans l'espace atteindra une vitesse maximale de 450 000 mph. Il ne faudrait que 20 secondes pour aller de Los Angeles à New York à cette vitesse, mais il faudrait environ 6 633 ans à la sonde solaire pour atteindre le système solaire voisin le plus proche de la Terre.

Si l'humanité veut voyager facilement entre les étoiles, les gens devront aller plus vite que la lumière. Mais jusqu'ici, un voyage plus rapide que la lumière n'est possible que dans la science-fiction.

Dans la série Foundation d'Issac Asimov l'humanité peut voyager de planète en planète, d'étoile en étoile ou à travers l'univers en utilisant des commandes de saut. . En tant qu'enfant, j'ai lu autant de ces histoires que je pouvais mettre la main sur. 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 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 Warp sont théoriquement possibles s'ils sont encore une technologie farfelue. Deux articles récents ont fait les gros titres en mars lorsque des chercheurs ont affirmé à avoir surmonté l'un des nombreux défis qui se dressent entre la théorie des entraînements de distorsion et la réalité.

Mais comment fonctionnent réellement ces entraînements de distorsion théoriques? Et les humains feront-ils bientôt le saut vers la vitesse de distorsion?

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 déclare 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 spatiaux s'inquiètent de «rester coincés» ou de «tomber dans» un puits de gravité. Les premiers écrivains de science-fiction John Campbell et Asimov voyaient cette déformation comme un moyen de contourner la limite de vitesse.

Et si un vaisseau 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'élargissant derrière était mathématiquement possible dans les lois of General Relativity . Alors qu'est-ce que cela signifie? Imaginez que la distance entre deux points soit de 10 mètres (33 pieds). Si vous vous tenez au point A et que vous pouvez parcourir un mètre par seconde, cela prendrait 10 secondes pour arriver au point B.Cependant, disons que vous pourriez en quelque sorte compresser l'espace entre vous et le point B de sorte que l'intervalle ne soit plus que d'un mètre. . Ensuite, en vous déplaçant dans l'espace-temps à votre vitesse maximale d'un mètre par seconde, vous seriez en mesure d'atteindre le point B en environ une seconde. En théorie, cette approche ne contredit pas les lois de la relativité puisque vous ne vous déplacez pas plus vite que la lumière dans l'espace qui vous entoure. Alcubierre a montré que la commande de distorsion de «Star Trek» était en fait théoriquement possible.

Proxima Centauri nous voilà, n'est-ce pas? Malheureusement, la méthode d'Alcubierre pour compresser l'espace-temps avait un problème: elle nécessite une énergie négative ou une masse négative.

Un problème d’énergie négative

L’entraînement 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 de chaîne nécessiterait soit une masse négative – un type de matière théorisé – soit un anneau de densité d'énergie négative pour fonctionner. Les physiciens n'ont jamais observé de masse négative, ce qui laisse l'énergie négative comme seule option.

Pour créer de l'énergie négative, un entraînement 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 lecteur de chaîne, l'une des particules serait piégée par la masse et cela entraînerait un déséquilibre. Ce déséquilibre se traduit par une densité d'énergie négative. L'entraînement de distorsion d'Alcubierre utiliserait cette énergie négative pour créer la bulle d'espace-temps.

Mais pour qu'un entraînement de distorsion génère suffisamment d'énergie négative, vous auriez besoin de beaucoup de matière. Alcubierre a estimé qu'un lecteur de distorsion avec une bulle de 100 mètres nécessiterait 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 tout en gardant le La constante de surface réduirait les besoins énergétiques de manière significative à peu près à la masse du soleil. Une amélioration significative, mais toujours bien au-delà de toutes les possibilités pratiques.

Un futur de la science-fiction?

Deux articles récents – un par Alexey Bobrick et Gianni Martire et un autre par Erik Lentz – fournissent 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 pouvaient supprimer le besoin d'utiliser l'énergie négative. Cette solution, cependant, ne produit pas un lecteur de distorsion qui peut aller plus vite que la lumière.

[ Plus de 100 000 lecteurs se fient au bulletin d'information de The Conversation pour comprendre le monde. Inscrivez-vous aujourd'hui .] [19659002] 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 lecteur de distorsion n'aurait pas besoin d'utiliser de l'énergie négative. La solution de Lentz permettrait à la bulle de voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

Il est essentiel de souligner que ces développements passionnants sont des modèles mathématiques. En tant que physicien, je ne ferai pas entièrement confiance aux modèles tant que nous n’aurons pas de preuves expérimentales. Pourtant, la science des entraînements de distorsion apparaît. En tant que fan de science-fiction, je salue toute cette réflexion novatrice. Dans les mots du capitaine Picard les choses ne sont impossibles que tant qu'elles ne le sont pas.

Cet article de Mario Borunda , Professeur agrégé de physique, Oklahoma State University est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original .