Simulation de l'observation d'un tachyon. Puisque ce dernier se déplace plus rapidement que la lumière, son approche ne pourrait être vue. Après être passé à proximité d'un observateur, ce dernier pourrait voir deux images du tachyon allant en directions opposées. La ligne noire représente l'onde de choc engendrée par l'effet Tcherenkov.
L'idée remonte à Arnold Sommerfeld, en 1904, et elle est reprise dans les années 1960. Le tachyon apparaît dans certains modèles de la théorie des cordes, tels la théorie des cordes bosoniques, ainsi que dans certains calculs de la théorie quantique des champs. Dans ces cas, on parle généralement de champ tachyonique et l'apparition de ce dernier est considérée comme étant le signe d'une instabilité du modèle théorique développé.
Ses caractéristiques physiques hors normes, la difficulté (voire l'impossibilité) de son observation ainsi que les possibles paradoxes qui seraient engendrés par son existence amènent cette particule exotique à être régulièrement abordée dans la culture populaire.
Histoire
Un cône de lumière centré sur un évènement. La trajectoire d'un tachyon, de genre espace, reste hors de ce cône.
En 1904, Arnold Sommerfeld étudie la possibilité d'accélérer des particules à des vitesses plus rapides que . Il découvre que de telles particules accélèrent en perdant de l'énergie, à l'inverse des particules ordinaires. À l'époque, l'idée semble absurde.
L'année suivante, lors de son annus mirabilis, Albert Einstein pose les bases de la relativité restreinte en publiant De l'électrodynamique des corps en mouvement, où il affirme, entre autres, que est une constante ainsi qu'une limite qui ne peut être dépassée. Dans Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?, publié la même année, Einstein pose la relation entre la masse et l'énergie d'une particule selon l'approche de la relativité restreinte, ce qui mène à la relation masse-énergie. Einstein fait également la démonstration que l'énergie d'une particule augmente avec sa vitesse selon le facteur de Lorentz, pour atteindre théoriquement l'infini lorsque la vitesse est égale à celle de la lumière dans le vide. Ce résultat pose l'impossibilité théorique pour une particule dotée de masse d'atteindre la vitesse de la lumière,.
Au début des années 1960, encouragés par le principe totalitaire, les physiciens O. M. P. Bilaniuk, V. K. Deshpande et George Sudarshan abordent l'idée d'une classe supraluminique de particules dans l'article Meta-Relativity, publié par l'American Journal of Physics. Utilisant la relation énergie-quantité de mouvement(en), les auteurs séparent les particules en trois classes: celles dont la vitesse est plus petite que la lumière (), celles dont la vitesse est égale à celle de la lumière () et celles dont la vitesse est plus grande que celle de la lumière (). Cette dernière classe est caractérisée par des particules possédant une masse imaginaire pure et une vitesse exclusivement supraluminique (cf. Formalisme).
En 1967, le physicien Gerald Feinberg reprend l'idée dans Possibility of Faster-Than-Light Particles, publié dans Physical Review. Feinberg nomme cette classe de particules «tachyon», d'après le grec ancienταχύς (takhús) signifiant rapide. Bilaniuk et Sudarshan appellent les deux autres classes tardyons et luxons. En 1978, Sudarshan parle plutôt de bradyons pour les particules plus lentes que la lumière.
Feinberg répond aux différentes objections émises à propos d'une telle classe de particules (cf. Paradoxes) et décrit une théorie quantique des champs de tachyons sans interaction.
En 1969, Bilaniuk et Sudarshan publient Particles Beyond the Light Barrier dans Physics Today, un article vulgarisant le concept de tachyon et réfutant les principales objections qui sont émises quant à la possibilité de son existence.
Formalisme
La relation masse-énergie-quantité de mouvement illustrée à l'aide du théorème de Pythagore.
Ainsi, pour une vitesse supraluminique (), le terme devient négatif. La racine carrée d'un nombre négatif est un nombre imaginaire pur. Pour que l'énergie reste réelle, la masse doit donc être elle-même imaginaire pure.
Pour la classe des tachyons, la masse au repos est décrite par un nombre imaginaire pur, alors que son énergie totale est mesurée par un nombre réel, comme pour tout corps physique. Puisque les tachyons ne peuvent aller moins vite que la vitesse de la lumière, ils n'ont jamais de «masse au repos». Cette dernière n'est donc plus qu'un paramètre invariant entre les référentiels, sans réalité physique.
Avec une masse imaginaire, l'énergie d'un tachyon diminue quand sa vitesse augmente. Il accélère donc en perdant de l'énergie, et il faut lui en donner pour le ralentir. Le ramener à la vitesse de la lumière demanderait une énergie infinie. À l'autre extrême, un tachyon infiniment rapide aurait une énergie nulle.
Théorie quantique des champs
Simulation présentant l'observation d'un tachyon. Comme cette particule se déplace à une vitesse supérieure à celle de la lumière, on ne pourrait pas la voir arriver. Après son passage, on pourrait voir deux images du tachyon, s'éloignant dans des directions opposées. La ligne noire est l'onde de choc de l'effet Tcherenkov, dont on a seulement représenté l'état à un moment donné.
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. On parle alors de condensation des tachyons.
Un exemple important d'apparition de tachyon est celui d'une brisure spontanée de symétrie. Lorsque la température descend sous la température critique d'une transition de phase, le paramètre d'ordre qui décrit l'état du système acquiert spontanément une valeur non nulle. C'est le cas de l'aimantation lors de la transition ferromagnétique. Si l'on développe alors la théorie autour de l'ancien vide, stable avant la transition mais devenu instable, on voit apparaître un mode tachyonique. Il 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. En revanche, dans les théories des supercordes, sur lesquelles s'appuient la plupart des tentatives d'unification, le spectre des cordes fermées ne contient pas de tachyon. Des tachyons n'y apparaissent que sur certaines D-branes instables (voir ci-dessous).
En 2009, les physiciens James Wheeler et Joseph Spencer, de l'université d'État de l'Utah, font émerger l'espace-temps d'un espace qui n'a pas de dimension temporelle. Dans leur modèle, le cône de lumière regroupe toutes les trajectoires possibles. Aucune trajectoire ne peut donc en sortir, ce qui exclut les tachyons, qui voyagent hors de ce cône. Le modèle pourrait aussi impliquer un univers déterministe, où l'avenir serait écrit d'avance. Le mathématicien Shahn Majid trouve le résultat suggestif, mais limité par le choix de la méthode mathématique.
Théorie des cordes
En théorie des cordes, les tachyons ont la même interprétation qu'en théorie quantique des champs. Les champs de tachyons interviennent 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.
Des tachyons apparaissent parfois dans le spectre des états possibles. Si un tachyon apparaît comme l'état vibratoire d'une corde ouverte, c'est le signe que la D-brane (ou la paire de D-branes) sur laquelle s'appuie la corde est instable. Elle se désintègre alors en cordes fermées, ou se transforme en D-branes stables de dimension inférieure.
Paradoxes
«Il était une jeune femme nommée Brillante Elle était beaucoup plus rapide que la lumière Elle sortit un jour De manière relative Et revint la nuit précédente.»
En 1917, Richard Tolman imagine deux observateurs qui s'éloignent l'un de l'autre et échangent des signaux plus rapides que la lumière. Le premier envoie un signal. Dès sa réception, le second renvoie un signal du même genre. Au-delà d'une certaine vitesse des signaux, la réponse parvient au premier observateur avant même qu'il ait envoyé le sien. L'effet précède alors la cause. Ce seuil, toujours supérieur à la vitesse de la lumière, est d'autant plus bas que les deux observateurs s'éloignent vite l'un de l'autre. Bilaniuk et Sudarshan tiennent ce paradoxe pour l'objection la plus fine contre les tachyons. Ils pensent qu'il a inspiré le limerick de Buller.
Les discussions sur les tachyons ont aussi 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.
Principe de réinterprétation
En 1967, Gerald Feinberg estime que les objections habituelles contre les tachyons ne tiennent pas en théorie quantique relativiste. Selon Bilaniuk et Sudarshan, sa théorie s'appuie sur leur «principe de réinterprétation». Un tachyon d'énergie négative qui remonterait le temps doit se lire comme un tachyon d'énergie positive qui va vers le futur.
En effet, en utilisant les formules de changement de référentiel de la mécanique relativiste, on déduit 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 ces deux types de référentiels seraient 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 - les bradyons - étant elles plus lentes que la lumière dans tous ces référentiels, et les luxons allant 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, sans pouvoir déterminer si ce 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 distinguerait pas les tachyons qu'il recevrait de ceux qu'il émettrait lui-même.
Bilaniuk et Sudarshan appliquent le même raisonnement au paradoxe de Tolman. Chacun des deux observateurs se voit alors comme l'émetteur des deux signaux, et l'aller-retour disparaît. Les deux auteurs jugent donc les objections tirées de la causalité peu probantes, peut-être même infondées. Ils notent toutefois que la question n'est pas close. Pour trancher les formes les plus élaborées du paradoxe, il faudrait comprendre en détail comment un tachyon serait émis et absorbé.
Tous ne sont pas convaincus. En 1970, Gregory Benford, D. L. Book et W. A. Newcomb reviennent au paradoxe de Tolman. Ils montrent que certaines expériences de détection de l'époque, en cours ou en projet, ne pourraient réussir sans produire des contradictions causales.
Recherches expérimentales
Les premières recherches suivent de peu l'article de Bilaniuk, Deshpande et Sudarshan (1962). De 1963 à 1965, à l'Institut Nobel de Stockholm, Torsten Alväger et Peter Erman examinent les particules émises par une source radioactive bêta. Ils mesurent l'énergie et la quantité de mouvement de chacune, car un tachyon chargé ne présenterait pas le même rapport entre les deux qu'un électron. Ils n'en trouvent aucun.
Une autre expérience, menée par Alväger et Michael Kreisler, mise sur le rayonnement Tcherenkov. Une particule chargée n'en émet que si elle va plus vite que la lumière dans le milieu qu'elle traverse. Dans le vide, seul un tachyon chargé pourrait donc en produire, ce qui le rendrait facile à reconnaître. Les premières mesures ne montrent aucun tachyon.
Les rayons cosmiques offrent une autre piste. Un tachyon venu de l'espace créerait lui aussi une gerbe de particules secondaires. Mais il atteindrait le sol avant elle, ce qui le distinguerait d'un rayon cosmique ordinaire. Aucun tachyon n'a jamais été détecté par cette méthode non plus.
Servant généralement d'unobtainium, les tachyons sont souvent utilisés pour établir des communications voyageant plus rapidement que la vitesse de la lumière, avec ou sans violation de la causalité. Ainsi, dans la série télévisée Babylon 5, les tachyons servent à établir des communications en temps réel sur de longues distances. Dans Un paysage du temps de Gregory Benford, ils servent à envoyer un message dans le passé. Il en va de même dans le film d'horreur Prince des ténèbres, où les tachyons sont utilisés pour envoyer des messages dans le passé pour avertir les personnages d'une catastrophe imminente. Dans le même ordre d'idées, un champ de tachyons est utilisé pour cacher le futur au Dr Manhattan dans Watchmen. Dans l'œuvre de fiction Time Riders écrite par Alex Scarrow, les tachyons servent à envoyer des messages dans le futur ou le passé et à faire voyager dans le temps des objets ou des êtres vivants. Les tachyons reviennent aussi souvent dans la série Flash. On les retrouve aussi dans la Pentalogie du ciel de Bernard Werber.
D'autres œuvres font intervenir les tachyons sans employer leurs propriétés supraluminiques. Dans l'univers de Star Trek, ils sont souvent mentionnés comme l'unique résidu des objets rendus a priori invisibles et indétectables par un champ d'occultation. Dans Space Battleship Yamato, ils sont une source d'énergie et d'armement, tout comme dans les jeux Master of Orion, Privateer et Eve Online.
Dans le film K-PaX, Prot, le personnage principal, parle de tachyons pour voyager.
Allégations thérapeutiques
Sur Internet, des sites proposent de soigner des maladies à l'aide de «chambres à tachyons». Il n'existe pas de preuves scientifiques des effets de ces chambres sur le traitement de maladies. Ces allégations sont toutefois exploitées par des charlatans, jusque dans des dérives sectaires.
Notes et références
Notes
↑«Au début, les gens imaginaient les tachyons comme étant des particules voyageant plus rapidement que la lumière... Mais nous savons maintenant qu'un tachyon indique une instabilité dans la théorie où il apparaît. Malheureusement pour les fans de science-fiction, les tachyons ne sont pas de vraies particules physiques présentes dans la nature».
↑En fait, ils établissent les classes en fonction de .
↑Feinberg écrit plutôt « ταχις (tachys), meaning swift» alors que Bilaniuk et Sudarshan écrivent « ταχισ, meaning swift ».
↑Le formalisme de la théorie de champs de cordes permet en principe de déterminer quel est le vide correct autour duquel le tachyon disparaît, mais ses équations sont extrêmement difficiles à résoudre dans l'état actuel des connaissances.
Traductions
↑(en) «People initially thought of tachyons as particles travelling faster than the speed of light...But we now know that a tachyon indicates an instability in a theory that contains it. Regrettably for science fiction fans, tachyons are not real physical particles that appear in nature»
↑(en) «There was a young lady named Bright Whose speed was far faster than light She went out one day In a relative way And returned the previous night.»
↑(en) Arnold Sommerfeld, «Simplified deduction of the field and the forces of an electron moving in any given way», Knkl. Acad. Wetensch, vol.7, , p.345–367 (présentation en ligne)
↑(de) Albert Einstein, «Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig?», Annalen der Physik, vol.18, no13, , p.639-641 (DOI10.1002/andp.19053231314) (en) W. Perrett et G. B. Jeffery (version en ligne: John Walker), The Principle of Relativity, Londres, Methuen and Company, Ltd., 1923 (version en ligne: 2001) (lire en ligne), Does the Inertia of a Body Depend upon its Energy-Content.
↑(en) George Sudarshan et Erasmo Recami (dir.), Tachyons, monopoles, and related topics: proceedings of the first session of the interdisciplinary seminars on tachyons and related topics Erice, 1-15 September, 1976, Ettore Majorana International Centre for Scientific Culture, North-Holland Pub. Co., , 285p. (présentation en ligne, lire en ligne), «Tachyons and the search for a preferred frame», p.43-47
↑(en) A. Marini, Tr. X. Tran, S. Roy, S. Longhi et F. Biancalana, «Optical analog of spontaneous symmetry breaking induced by tachyon condensation in amplifying plasmonic arrays», Physical Review A, vol.89, no2, , p.023840 (DOI10.1103/PhysRevA.89.023840, arXiv1309.2261)
