Tachyon

En physique des particules, on nomme tachyon une particule (ou plutôt une classe de particules) satisfaisant aux équations de la relativité restreinte mais qui, si elle existait, se déplacerait à une vitesse supraluminique, c'est-à-dire supérieure à c, vitesse de la lumière dans le vide. Un tel type de particule n'a cependant pas de réalité physique et est plutôt une indication formelle d'une forme d'instabilité de la théorie (ce qui peut arriver pour une théorie effective) qui prédit ce type de particule.

Le terme tachyon a été pour la première fois utilisé en 1964 par le physicien Gerald Feinberg^[1]. Il vient du grec ancien tachus signifiant en français rapide.

Description

Un tachyon est une classe de particules subatomiques hypothétique, dont la vitesse est toujours supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Cette propriété revient à dire que sa masse au repos est décrite par un nombre imaginaire pur, alors que son énergie (totale) est mesurée par un nombre réel (comme tout corps physique), possibilité autorisée formellement par l'équation de la relativité restreinte :

Bien sûr ici "m" représente la masse au repos. L'équation est écrite en admettant pouvoir écrire un imaginaire pur comme la racine carrée d'un réel négatif. Cette propriété de masse au repos imaginaire peut sembler choquante, mais la mesure de la masse au repos d'une particule ne peut se faire que dans un référentiel où elle est immobile. Or, dans le cas d'un tachyon, un tel référentiel ne peut exister, puisque cette particule ne peut aller moins vite que la vitesse de la lumière. Donc la masse au repos n'est plus qu'un paramètre invariant entre les référentiels, mais sans réalité physique.

Dans la théorie quantique des champs, si cette particule apparaît dans certains calculs, elle n'a jamais l'interprétation d'une particule réelle, mais est le signe d'une instabilité du vide dans le modèle considéré. En considérant la même théorie quantique des champs, mais développée autour du véritable vide de la théorie, le contenu en particules de la théorie est différent et le tachyon disparaît.

Un exemple important d'apparition de tachyon est celui d'une brisure spontanée de symétrie : au-delà de la température critique de transition de phase le paramètre d'ordre qui décrit l'état du système acquiert spontanément une valeur non-nulle (comme l'aimantation dans le cas de la transition ferromagnétique par exemple) et si on développe la théorie autour du vide instable (qui était néanmoins stable avant la transition), alors on voit apparaître un mode tachyonique qui indique que le système tend à évoluer vers l'un des nouveaux vides stables.

Dans le cadre plus avancé de la théorie des cordes, la théorie des cordes bosoniques possède une instabilité semblable et contient un tachyon dans son spectre développé autour du mauvais vide. Cependant il n'est pas facile de déterminer avec précision le vrai vide de la théorie bosonique^[2]. Par contre la théorie des supercordes qui est la base de travail réaliste pour faire de la phénoménologie ne contient pas de tachyon dans son spectre.

Récemment, les physiciens James Wheeler et Joseph Spencer ont proposé une représentation équivalente de l'espace-temps qui permet d'exclure tout à fait l'existence de tachyons. Cependant les implications de cette approche (déterminisme du futur) sont assez contraignantes, d'où certains doutes sur sa valeur de preuve^[3].

Dans la théorie des cordes

Il faut noter qu'en théorie des cordes, les tachyons ont la même interprétation qu'en théorie quantique des champs à la différence que la théorie des cordes est capable (en théorie) de prédire si des champs apparaissent en plus de décrire la topologie des champs de tachyons.

Les champs de tachyons interviennent en effet dans plusieurs versions de théories des cordes. En général, ces théories postulent que ce que nous voyons comme « particules » (électrons, photons, gravitons, etc.) sont en fait différents états de vibration d'une même corde. Les particules élémentaires peuvent être comparées à des notes de musique (analogie souvent utilisée, le mode d'excitation ou « type de particule » est à une corde élémentaire ce qu'une note de musique est à une corde de guitare). La masse d'une particule peut être déduite des vibrations que la corde manifeste ; autrement dit, la masse dépend du mode d'excitation.

Les tachyons apparaissent fréquemment dans le spectre des états possibles. S'il apparaît comme l'état vibratoire d'une corde ouverte, c'est le signe d'une instabilité de la D-brane à laquelle la corde est rattachée. Le système va lentement revenir à un état de cordes fermées et/ou D-brane stable. Si la corde est fermée, le tachyon est le signe d'une instabilité de l'espace-temps lui-même.

Causalité

Le principe de causalité, jouant un rôle fondamental dans la théorie de la relativité, s'énonce ainsi : "ni information ni énergie ne peut se déplacer dans un référentiel galiléen à une vitesse supérieure à la vitesse limite d'information de la cause."

Or la vitesse d'information de la cause est justement la vitesse limite que le tachyon dépasse (même si la lumière elle-même était plus lente que la vitesse d'information de la cause, la définition du tachyon est de se déplacer plus vite que la vitesse limite, pas la vitesse de la lumière, cf. effet Tcherenkov). Pourtant, Gerald Feinberg a présenté un mécanisme expliquant comment l'existence du tachyon, et même la possibilité de fabriquer des détecteurs de tachyons, ne violerait pas la causalité. En effet, en utilisant les formules de changement de référentiel de la mécanique relativiste, on constate que pour tout tachyon, il existe des référentiels dans lesquels il se déplace plus vite que la lumière, mais sans remonter le temps, et d'autres dans lesquels il remonte le temps.

Il faut ici comprendre que les deux types de référentiels sont en translation chacun par rapport aux autres, sans qu'aucun ne se déplace plus vite que la lumière par rapport à un autre. Les particules classiques sont plus lentes que la lumière dans tous ces référentiels, et les luxons vont à la même vitesse dans tous les référentiels.

Les tachyons, ne peuvent être que supraluminiques, mais peuvent aller vers le passé ou le futur (passé et futur au sens newtonien, en fait ; au sens de la relativité, les tachyons se déplacent dans l'ailleurs). Or si l'on fabriquait un détecteur de tachyons, il ne percevrait le tachyon qu'au moment de la collision du tachyon et du détecteur, et ne saurait donc si le tachyon vient du passé ou du futur. Autrement dit un détecteur de tachyons est aussi bien un émetteur de tachyons, et émettre des tachyons d'un appareil à l'autre ne peut servir à transmettre un message, puisque le récepteur ne distinguera pas les tachyons qu'il reçoit de ceux qu'il émet lui-même. Même si les tachyons existent, ils ne permettent de transmettre ni information ni énergie plus vite que la lumière.

Il est donc inutile de faire intervenir des boucles de causalité pour résoudre les problèmes posés par le voyage dans le temps des tachyons, car ils ne peuvent provoquer de paradoxes^[4]. Les discussions sur les tachyons ont cependant été à l'origine de controverses sur la causalité inversée, c'est-à-dire sur la possibilité qu'un effet précède temporellement (mais pas causalement) sa cause^[5].

Dans les œuvres de fiction

La nature hypothétique et spéculative du tachyon a naturellement nourri la création d'œuvres de fiction. De manière générale, le tachyon est en fiction un unobtainium, un moyen facile de justifier un élément généralement central de l’intrigue. D'autres œuvres font intervenir les tachyons sans employer leurs propriétés supraluminiques^[6].

Romans et nouvelles

Les tachyons sont souvent utilisés pour justifier les voyages ou transmissions supraluminiques.

• Hypérion de Dan Simmons
• Fondation foudroyée d'Isaac Asimov
• Les Voies d'Anubis de Tim Powers
• Un paysage du temps de Gregory Benford
• La guerre éternelle de Joe Haldeman
• Les Thanatonautes de Bernard Werber
• Étoile après étoile de Troy Denning, roman de l'univers étendu de Star Wars
• Les Chasseurs de Dune et Le Triomphe de Dune de Brian Herbert et Kevin J. Anderson
• Flashforward de Robert J. Sawyer
• Les Petits Dieux de Terry Pratchett
• La tour de verre de Robert Silverberg
• Le vieil Homme et la Guerre de John Scalzi
• Le Secret des Etoiles Sombres de Anton Parks

Cinéma et télévision

• Les tachyons sont souvent mentionnés dans l'univers de Star Trek comme l'unique résidu des objets rendus a priori invisibles et indétectables par un champ d'occultation.
• Les tachyons sont évoqués dans un épisode de la saison 4 de la série X-Files.
• Dans K-Pax, un film américain de Iain Softley, le tachyon est un moyen de transport pour se véhiculer d'une planète à une autre.
• Dans Babylon 5, les tachyons servent à transmettre des informations à travers l'espace de façon quasi-instantanée ; dans un épisode de la première saison, ils sont responsables d'une brèche dans l'espace-temps permettant aux héros de remonter dans le temps.
• Dans la série Journeyman, le héros cherche des informations sur les tachyons car il pense qu'il s'agit de ce qui le fait voyager dans le temps.
• Dans Les Voies d'Anubis de Tim Powers, le voyage dans le temps utilise des tachyons.
• Dans le film Prince des ténèbres (Prince of darkness) de John Carpenter, les personnages font des rêves étranges, l'un d'eux émet la théorie que cela pourrait provenir de messages envoyés depuis le futur grâce aux particules tachyons qui remonteraient le temps.
• Dans le film Land of the Lost de 2009, le protagoniste principal crée une machine permettant de voyager dans une dimension parallèle fonctionnant à partir de tachyons.
• Dans la série Eureka, un accélérateur de tachyon est utilisé dans plusieurs épisodes avec des effets sur le continuum espace temps.
• Dans Watchmen, un accident nucléaire transforme un homme en super-héros capable de voir l'avenir en réceptionnant des tachyons venant du futur.
• Dans FlashForward, une impulsion de neutrinos, nécessaire à la reproduction des conditions de l'événement au centre de l'intrigue (le « black-out »), est anticipée à l'aide d'un émetteur de tachyons.
• Dans Fringe, (Peter Weller) saison 2 épisode 17 : Alister Peck, astrophysicien professeur au MIT durant 6 ans, se réaproprie théorie de la relativité selon Walter Bishop. Dans les formules trouvées dans l'appartement du Pr. Peck, il est souvent fait référence aux tachyons. Ce dernier a trouvé une façon de voyager dans le temps afin d'éviter un accident qui a coûté la vie à sa compagne, Arlette Turling.
• Dans Godzilla, la série, saison 1, épisode 8. Un vaisseau spatial émet des ondes par tachyons en guise d'appel de détresse.

Bande dessinée et assimilé

Le roman graphique Watchmen d'Alan Moore fait intervenir un personnage omnipotent ayant les dons d'ubiquité et de téléportation grâce aux tachyons, le Dr Manhattan.

Dans Les X-Men, le champ de tachyons a la propriété de trancher n'importe quelle matière sauf l'adamantium.

L'anime Blassreiter mentionne les tachyons au cours du dernier épisode, le numéro 24.

Dans la bande dessinée des A.B.C. Warriors, le "Tachyon Sacré" est une particule lumineuse qui prolonge la vie de ceux qu'elle éclaire.

Jeux vidéo

La production d'ondes tachyon est également à la base des voyages interstellaires dans le jeu vidéo Tachyon : The Fringe.

Dans le jeu Ratchet & Clank : Opération Destruction, l'empereur Perceval Tachyon est l'ennemi principal du jeu.

Dans le jeu de stratégie sur navigateur Impérion, un des moyens de défense des Terrans consiste à un émetteur de tachyons.

Dans le jeu Eve Online, les tachyons sont un type de tourelle-laser longue portée, issu de la race Amarr.

Voir aussi

Liens internes

• causalité inversée
• théorie quantique des champs
• brisure spontanée de symétrie
• mécanisme de Higgs
• bradyon ou Tardon
• graviton

Notes et références

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