Rien ne peut voyager plus vite que la lumière dans notre concept des lois de la physique, y compris les trois dimensions spatiales et la dimension temporelle. Et si nous pouvions dépasser cette vitesse ? Récemment, des chercheurs ont franchi cette limite et identifié un système qui ne contredit pas la physique existante et pourrait même ouvrir la voie à de nouvelles théories, dont celle impliquant un univers temporel tridimensionnel pour une dimension spatiale.
Au début du 20ème siècle, Albert Einstein a complètement changé notre perception du temps et de l’espace. L’espace tridimensionnel a acquis la quatrième dimension – le temps. Les notions de temps et d’espace, jusqu’alors séparées, se sont révélées inextricablement liées. Il s’agit d’une théorie spéciale de la relativité basée sur deux hypothèses – le principe de relativité de Galilée et la constance de la vitesse de la lumière.
Plus précisément, la relativité restreinte se limite au mouvement des objets par rapport à des référentiels inertiels. En d’autres termes, les observateurs en mouvement relatif perçoivent le temps différemment : il est possible que deux événements se produisent simultanément du point de vue d’un observateur, mais se produisent à des moments différents du point de vue d’un autre. Et les deux observateurs auront raison. La simultanéité est relative.
Habituellement, ce principe est appliqué à des observateurs se déplaçant les uns par rapport aux autres à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière. Mais les observateurs se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière peuvent également suivre ces lois physiques, explique Andrzej Dragan, co-auteur d’une nouvelle étude publiée dans la revue Classical and Quantum Gravity.
Récemment, lui et ses collègues ont défini un nouveau cadre pour une description cohérente des phénomènes physiques associés à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Ce qu’ils ont proposé est une « extension de la relativité restreinte » qui combine trois dimensions de temps avec une dimension d’espace, par opposition aux trois dimensions d’espace et une dimension de temps que nous connaissons.
Relation entre la mécanique quantique et la théorie de la relativité
Cette nouvelle étude s’appuie sur des travaux antérieurs de certains des mêmes chercheurs qui soutiennent que les perspectives supraluminiques (au-delà de la vitesse de la lumière) peuvent aider à relier la mécanique quantique à la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, l’une des quêtes fondamentales des physiciens.
Cette conjecture révolutionnaire des professeurs Andrzej Dragan et Arthur Eckert de l’Université d’Oxford a été présentée pour la première fois il y a deux ans dans le New Journal of Physics. Ils ont considéré un cas simplifié de deux observateurs dans un espace-temps composé de deux dimensions : l’espace et le temps.
Dans leur dernière publication, ils vont plus loin, avec leurs collègues, comme détaillé dans un communiqué de presse, en présentant des conclusions sur l’espace-temps quadridimensionnel complet. Les auteurs partent du concept d’espace-temps correspondant à notre réalité physique : à trois dimensions spatiales et une dimension temporelle. Cependant, du point de vue d’un observateur supraluminique, une seule dimension de ce monde conserve son caractère spatial, celle le long de laquelle les particules peuvent se déplacer. « Les trois autres dimensions sont des dimensions temporelles », explique Dragan.
Ainsi, du point de vue d’un tel observateur, la particule « vieillit » indépendamment dans chacune des trois dimensions temporelles. Dragan ajoute : « Mais de notre point de vue, cela ressemble à un mouvement simultané dans toutes les directions de l’espace, c’est-à-dire à la propagation d’une onde sphérique de mécanique quantique associée à une particule. »
De plus, les auteurs notent que dans ce modèle, la vitesse de la lumière dans le vide resterait constante même pour des observateurs se déplaçant plus vite qu’elle, ce qui préserve l’un des principes fondamentaux d’Einstein.
Redéfinir la vitesse
Sur la base de ce nouveau modèle, les objets FTL ressembleront à des particules se dilatant dans l’espace comme une bulle. D’un autre côté, un objet à grande vitesse « expérimentera » plusieurs chronologies différentes.
Cependant, les chercheurs reconnaissent que le passage au modèle espace-temps 1+3 soulève de nouvelles questions, malgré les réponses qu’il apporte. Ils suggèrent qu’une extension de la relativité restreinte est nécessaire pour inclure des cadres de référence plus rapides que la lumière.
En d’autres termes, la prise en compte des observateurs supraluminiques dans la description nécessite une nouvelle définition de la vitesse et de la cinématique. Il comprend une combinaison des concepts de la relativité restreinte, de la mécanique quantique et de la théorie classique des champs (qui vise à prédire comment les champs physiques interagissent les uns avec les autres).
Pour les auteurs, y compris pour les solutions supraluminiques, toutes les particules se mettent à se déplacer sur plusieurs trajectoires à la fois, conformément au principe quantique de superposition. Pour un observateur supraluminique, la particule ponctuelle newtonienne classique n’a plus de sens, et le champ devient la seule quantité utilisable pour décrire le monde physique, note Dragan.
Ainsi, il semble que toutes les particules aient des propriétés quantiques, ainsi que des propriétés de relativité restreinte étendue. Comme mentionné précédemment, il y a beaucoup de nouvelles questions : « Est-ce que ça marche dans l’autre sens ? » Pouvons-nous détecter des particules normales pour les observateurs supraluminiques, c’est-à-dire des particules se déplaçant par rapport à nous à des vitesses supraluminiques ? Ce n’est pas si facile », conclut Krzysztof Turzynski, co-auteur.
