Opera révolutionnaire?

« – On ne sert pas les neutrinos ici! dit le barman
Un neutrino entre dans un bar. »

On lit plein de trucs sur ces infâmes neutrinos qui iraient plus vite que la lumière et contrediraient Einstein. Les articles mentionnent souvent qu’un tel phénomène remettrait en question “le principe de causalité” ou qu’il reviendrait à faire voyager les neutrinos dans le temps, mais sans plus d’explications. Je vous propose donc aujourd’hui quelques expériences imaginaires pour comprendre pourquoi. Les âmes sensibles peuvent sans problème sauter les paragraphes qui contiennent des équations indigestes.

Reprenons d’abord la recette de la relativité restreinte. A la base, trois hypothèses très sages et raisonnables:
1) L’espace n’a pas de direction privilégiée, il est homogène et isotrope
2) Les lois de la physique sont les mêmes dans tous les référentiels en déplacement uniforme les uns par rapport au autres (c’est le principe de la relativité simple, cher à Gallilée)
3) On suppose qu’on sait synchroniser toutes les horloges d’un même référentiel, autrement dit on sait se débrouiller pour qu’elles donnent toutes la même heure à un instant donné.

Moyennant ces trois hypothèses, on peut montrer qu’il existe une vitesse limite c “absolue”, qu’aucun objet ne peut dépasser (le détail des calculs est dans ce billet). Avant de parler de vitesse de la lumière, considérons d’abord les conséquences d’une telle vitesse limite c sur le temps qui passe.

En voyage on ne voit pas le temps passer!

Si l’on envoie une fusée dans l’espace et qu’elle s’éloigne de nous à très grande vitesse, l’horloge qu’on y aura placée nous paraît battre plus lentement qu’aux astronautes embarqués dans la fusée.

Pour les curieux uniquement, voici une manière simple de retrouver ce résultat:
Supposons que deux événements se produisent: on mesure la distance et la durée séparant ces deux événements soit depuis la Terre (x et t) soit depuis la fusée (x’ et t’)
Si la fusée s’éloigne à une vitesse V de la terre, les équations de Lorentz donnent la relation entre ces quatre variables:
(1) ct=γ(ct’+Vx’/c)
(2) x=γ(x’+Vt’)
avec γ=1/√(1-V²/c²)
On vérifie facilement que γ est toujours supérieur à 1. Si par exemple V=0.866 c, γ=2.
Calculons le temps t qui passe sur Terre à chaque seconde qui s’écoule à la montre d’un astronaute. Vu de lui x’=0 (sa montre ne bouge pas) et t’=1 seconde.
Vu de la Terre en revanche, la durée entre le tic et le tac de sa montre se calcule en appliquant la formule (1) et vaut t=γt’=2 secondes. La montre des astronautes semble aller deux fois trop lentement!

Cette dilatation des durées du point de vue de celui qui s’estime immobile confirme ce qu’on savait déjà: le temps passe plus lentement pour celui qui ne part pas en voyage. Bon, l’analogie n’est pas tout à fait valable car du point de vue des astronautes, c’est la Terre qui s’éloigne à la vitesse V et en faisant exactement le même raisonnement que précédemment, ils concluent que ce sont les horloges terrestres qui vont deux fois plus lentement que les leurs! Chacun voit le temps de l’autre battre plus lentement. Qui a raison? Personne bien sûr puisque les durées et les distances sont des notions “relatives” à chaque observateur (d’où le nom de la théorie).

Duel de Tachyons

Supposons maintenant qu’on découvre des particules allant plus vite que cette vitesse maximale c et qu’on appellerait des tachyons. Dans un premier temps on suppose que les tachyons vont à une vitesse infinie. Quand on dégaine son pistolet à tachyons, les tachyons qu’on tire passent instantanément d’un point à l’autre de l’espace. Imaginons donc un duel intergalactique entre deux bandes rivales, les bleus et les rouges, écumant l’univers à la poursuite les uns des autres à bord de leurs fusées intergalactiques. Les règles sont simples: on a le droit de se tirer dessus 4 secondes après que les fusées se sont croisées. Regardez ce qui se passe quand on décompose la scène au ralenti:
– Au top, les fusées se croisent et s’éloignent l’une de l’autre à la vitesse V. Chacun regarde fébrilement son chronomètre et ajuste son pistolet.
– Dans la fusée bleue à t=4 secondes, on tire sur la fusée rouge. Touché! (mais pas coulé).
– Comme on vient de le voir, lorsqu’il s’est passé 4 secondes dans la fusée bleue, il ne s’en est écoulé que 2 dans la fusée rouge. Les rouges se sentent grugés: les bleus ont tiré au bout de deux secondes au lieu des quatre convenues! Blessés mais pas morts, ils voient rouge (forcément) et ripostent instantanément sur ces salauds de bleus.
– Les rouges tirent sur les bleus à t’=2 secondes et ne ratent pas leur coup, eux. Il est alors t=1 seconde chez les bleus (toujours à cause de cette satanée dilatation des durées) quand ils volent en poussière.

Sauf que… attendez. STOP! ARRETEZ TOUT!!! Ya un problème: A t=1 seconde, les bleus n’ont pas encore tiré sur les rouges. Ils ne peuvent pas être détruits en représailles à une attaque qu’ils n’ont pas encore lancé! Et puis quand t’=2 chez les rouges, quelle heure est-il chez les bleus: t=4 ou t=1?

Manifestement du fait de leur vitesse infinie, les tachyons violent le sacro-saint principe de causalité (qui veut qu’une cause précède toujours son effet) et leur vitesse infinie en font des machines à retomber dans le temps avec toutes les boucles paradoxales que ça suppose (l’histoire du gars qui tue son arrière-grand-père, ce qui implique qu’il n’a pas pu naître donc pas pu tuer son aïeul qui n’est donc pas mort etc).
La démonstration vaut même si les tachyons ont une vitesse v supérieure à c qui n’est pas infinie. Il suffit de choisir la vitesse des fusées suffisamment grande pour violer le principe de causalité.

Prenons par exemple v=1.25c pour les tachyons et V=0.866c pour la fusée. Vu des bleus, entre le moment où ils tirent et celui où la fusée rouge est atteinte à la distance x, il s’écoule un délai t = x/v=0.8x/c (t et x sont tous deux positifs). Vu des rouges, le trajet des tachyons dure t’=2(t-0.866 x/c) = 2(0.8 – 0.866) x/c = -0.132 x/c.
Le fait que t’ est négatif signifie qu’aux yeux des rouges, leur fusée est endommagée avant que les bleus ne leur aient tiré dessus. Pour eux l’effet précède la cause.

Aucune particule ne peut donc aller plus vite que c à moins d’admettre qu’on peut violer le principe de causalité et remonter dans le temps. A ce propos, j’adore la raison pour laquelle un objet massif ne peut remonter dans le temps. Si par hasard il y parvenait, au moment où il atterrirait dans le passé, sa masse s’ajouterait à la quantité totale de matière contenue dans l’univers, violant alors le sacro-saint principe de conservation de cette masse totale (le fameux “rien ne se perd, rien ne se crée…”). Impossible!

Les neutrinos supraluminiques peuvent-ils définir “c”? NON!

Alors certes, on ne peut dépasser la vitesse c à moins de supposer certaines anomalies dans l’isotropie de l’espace par exemple. Mais rien ne dit pour l’instant que “c” correspond à la vitesse de la lumière dans le vide. Pourquoi c ne serait-il pas la vitesse de ces neutrinos supraluminiques par exemple? La raison en est que les seules particules autorisées à aller à la vitesse maximale c sont celles:
– qui ont une masse nulle
– qui ne peuvent que se déplacer à la vitesse c, sans jamais se reposer
– pour lesquelles le temps ne s’écoule pas (ça je vous le démontre pas sauf si vous le demandez).

La formule générale de l’énergie d’une particule vaut E = (1-V²/c²)-½ mc², V étant la vitesse de la particule par rapport au référentiel dans lequel on mesure son énergie. Lorsque la particule est au repos V=0 et on retrouve le fameux E=mc². Quand V=c, le seul cas où l’énergie reste définie correspond à m=0 donc à une particule de masse nulle. Réciproquement une particule de masse nulle n’a d’énergie que si elle va à la vitesse de la lumière.

Or on a déjà prouvé que les neutrinos ont une (toute petite) masse. Ils sont donc le maillon faible éliminés de la compétition pour la course à c. Les photons (qui transportent la lumière) sont par contre des prétendants très sérieux car terriblement balaises au concours weight-watcher. Certes il n’est pas démontré qu’ils ont une masse rigoureusement nulle mais on peut leur faire passer un tas d’épreuves pour vérifier que leur masse éventuelle ne peut dépasser certaines limites.

A la recherche de la masse perdue du photon
 Première épreuve (facile): les lois de l’électromagnétisme, celles que Maxwell a découvert vers 1870, prédisent qu’une onde électromagnétique se déplace à la vitesse limite c. Or toutes les mesures expérimentales ont jusqu’ici montré que c correspond justement la vitesse de la lumière dans le vide. Le photon passe donc avec succès les éliminatoires.

Deuxième épreuve (plus dur): si les photons avaient une masse, leur vitesse varierait légèrement selon que la source de lumière s’éloigne ou se rapproche de l’observateur. Dans une série d’expériences devenues célèbres vers 1880, Michelson et Morley démontrèrent que la vitesse de la lumière restait identique quelque soit la vitesse de sa source. C’est d’ailleurs ce résultat qui permit à la théorie de la relativité de gagner aussi vite ses galons. Bravo les photons!

Troisième épreuve (difficile): Si les photons avaient une masse, explique Feynman dans son cours sur la gravitation, leur vitesse varierait en fonction de leur énergie donc de leur longueur d’onde. La lumière bleue irait à une vitesse légèrement différente de la vitesse rouge.Lors de l’éclipse d’une étoile double on devrait donc observer l’éclipse bleue et l’éclipse rouge à des instants différents. Comme on n’a jamais rien observé de semblable, on en déduit que la masse du photon est inférieure à un milliardième de celle de l’électron. Quelle minceur!

Quatrième épreuve (très dur): Les mêmes observations faites sur les émissions de rayon X des pulsars permettent de tester une limite encore plus petite pour la masse du photon. Epreuve remportée haut la main par les photons, dont la masse est maintenant certifiée inférieure au milliardième de millionième de celle de l’électron!

Cinquième et dernière épreuve (pour l’instant): la physique quantique décrit chaque type de force fondamentale (gravitation, électromagnétique, force nucléaire forte et faible) comme un échange d’une certaine particule caractéristique. Le calcul montre que la portée d’une interaction décroît exponentiellement avec la masse de cette particule associée (c’est le potentiel de Yukawa si vous voulez faire chic). La gravitation dont la portée est infinie correspond donc nécessairement à une particule de masse nulle. La force électromagnétique, elle, est véhiculée par le photon, donc sa portée nous renseigne précisément sur la masse du photon. Ah ah! On ne rigole plus avec ce genre de test! Il se trouve que les rayons cosmiques qui nous arrivent du soleil, sont sensibles aux effets du champ magnétique terrestre alors qu’ils sont encore à plusieurs dizaines de milliers de kilomètres de la Terre. Une telle portée signifie que la masse du photon est inférieure à au moins 10-20 fois celle de l’électron! En toute rigueur, rien ne dit que l’on ne trouvera pas un jour une toute petite masse pour le photon, mais pour l’instant tous ceux qui ont essayé (Louis de Broglie par exemple) s’y sont cassé les dents. Aucune expérience n’a encore mis en défaut l’hypothèse d’une masse nulle pour le photon. C’est la raison pour laquelle on admet que la vitesse de la lumière dans le vide correspond à la vitesse limite c.

Et l’expérience OPERA donc?

Si les résultats d’Opera sont si étonnants, c’est donc qu’ils remettent en question non pas Einstein, mais pratiquement toute la physique du XXeme siècle! S’ils étaient confirmés il faudrait supposer des trucs hallucinants:

– l’espace pourrait ne pas être homogène dans toutes les directions (mais après tout pourquoi l’axe Italie-Suisse serait-il moins privilégié que l’axe Franco-Allemand?);
– le principe de causalité (“une cause précède toujours son effet”) aurait-il des failles?
– les photons ont-ils une masse? La vitesse de la lumière serait-elle variable en fonction de la longueur d’onde?

Ce ne serait donc pas un “petit accroc” à la théorie de la relativité, une anomalie marginale qu’on pourrait réparer avec un patch astucieux, mais une véritable révolution conceptuelle. On comprend pourquoi les chercheurs se sont montrés extrêmement prudents en publiant ces résultats…

Sources:
Wayne Throop: Why FTL implies time travel pour le duel de tachyons et une démonstration avec un diagramme de Minkowsky
Richard Feynman: Leçons sur la gravitation

Billets connexes:
La relativité lumineuse même sans la lumière

12 comments for “Opera révolutionnaire?

  1. Science Etonnante
    27/11/2011 at 08:38

    Merci pour ce bon billet ! Je n’avais pas en tête tous ces tests sur la masse des photons !

    Est-ce qu’un moyende s’en sortir ne serait pas d’avoir une théorie dans laquelle on n’a plus l’équivalence :

    (Masse=0) si et seulement si (vitesse=c)

    Je suis d’accord que ça doit impliquer un truc genre violer l’homogénéité de l’espace, mais c’est bien le minimum qu’on peut attendre d’une théorie de gravité quantique !

    Je n’ai pas été lire ce qui a été écrit sur la manière dont par exemple la « doubly special relativity » s’accorderait avec l’expérience OPÉRA, mais il me semble avoir lu que ça ne marche pas…

    • 27/11/2011 at 11:55

      Salut David! Je ne connais pas suffisamment (c’est un euphémisme 😉 la relativité doublement restreinte pour te répondre, mais effectivement la relation entre masse et vitesse (m=gamma m0) s’obtient directement en écrivant que la quantité de mouvement totale se conserve dans tous les référentiels lorsque deux particules se percutent élastiquement (la démonstration est ici). Du coup, pour supprimer l’équivalence entre masse nulle et vitesse limite, il faudrait modifier soit la relation de Lorentz soit la conservation de la quantité de mouvement: dans les deux cas, c’est effectivement l’espace qui n’est plus homogène, d’après le théorème de Noether.

  2. raph
    27/11/2011 at 17:04

    Dans la 5ème épreuve, manque-t-il un mot dans « inférieure à au moins 10-20 fois celle de l’électron »?
    Merci pour tous ses billets très intéressant.

    • 27/11/2011 at 17:32

      @ralph: euh non je ne crois pas: cette épreuve montre que la masse du photon est au moins inférieure à 10 ou 20 fois la masse de l’électron.

  3. 28/11/2011 at 10:01

    Bonjour !

    Mes commentaires sur « Opéra révolutionnaire ? »

    Tout le raisonnement sur les vitesses est compliqué mais facile à suivre… jusqu’à l’étude d’une vitesse limite c “absolue”, qu’aucun objet ne peut dépasser…
    Les trois hypothèses de la recette de la relativité restreinte sont effectivement sages et raisonnables, mais pourquoi nous donnent-elles une vitesse limite ?
    Et pourquoi cette vitesse limite découle-t-elle de comparaison de vitesses dans des référentiels différents, avec nécessité d’une transformation de Lorentz ?

    Donc nous ne savons rien de cette vitesse c.

    On nous dit que c’est la vitesse de la lumière.
    Sans nous dire ce qu’est la lumière.

    Elle existerait partout dans l’Univers et le remplirait tout entier.
    Mais on ne sait pas ce qu’elle est. Est-ce une substance ou matière, indépendante de l’espace ou l’espace lui-même ?

    Si elle existe partout nous arrivons à deux problèmes :
    Comment différencier cette lumière générale, de celles qui nous arrivent des étoiles et du Soleil et nous permettent de les voir différentes, et des objets proches de nous avec leurs images ?

    – Pourquoi et comment se déplace-t-elle ?
    Si elle est générale pourquoi se déplace-t-elle ? Et comment voit-on qu’elle se déplace ?

    Si la lumière est faite de photons,
    Soit ils sont tous semblables, et leur masse n’a aucune importance et leurs déplacements non plus.
    Soit ils sont différents les uns des autres.
    Pourquoi et par quoi : leur masse, leur énergie, leur vitesse ?

    La lumière pourrait donc ne pas être constituée de particules comme les photons.

    Alors ce serait une onde, ou de nombreuses ondes qui se déplacent, dans l’espace de l’Univers et celui des objets, galaxies, étoiles, planètes, (ou dans rien, ce qui soulève d’autres problèmes).
    Ces ondes diverses pourraient se distinguer les unes des autres.

    Mais qu’est-ce qu’une onde, toujours déterminée par des fréquences et longueurs d’ondes ?

    Les dictionnaires « scientifiques » nous disent que c’est le déplacement d’une « perturbation ».
    Pour la lumière générale de l’Univers, quelles seraient cette ou ces perturbations ?

    Pour qu’une perturbation NOUS soit sensible, elle doit être… « plusieurs » et variées et ce sont leurs manifestations suivies, à une certaine fréquence rapide, qui nous sont perceptibles en tant qu’onde, la fréquence déterminant les longueurs d’ondes (et l’inverse).
    Quel est l’événement qui créerait une, ou une série ininterrompue de perturbations, dans ou avec une matière substance ou objet de l’espace ?

    Alors je n’ai pas encore compris cette vitesse limite « c » ?

    Dans une théorie simple que j’explique dans un essai dit de science-fiction (voir ici), l’Univers est constitué uniquement d’électrons vibrants tous semblables, avec une vitesse du mouvement d’expansion des vibrations, intrinsèque et invariable partout et de tout temps dans l’Univers.

    Les électrons, avec les qualités reconnues par les scientifiques, expliquent tout. Ils sont masse, temps et énergie. Il n’existe qu’une seule forme d’énergie et la gravité n’est pas une force d’attraction.

    Tous les électrons vibrent en permanence, partout de la même façon. C’est la seule vitesse invariable et constante dans l’espace et tous les référentiels éventuels.
    Ce mouvement entraîne, à une certaine vitesse, selon le milieu, des électrons et autres objets et événements tels que des perturbations de l’espace, qui sont formées lors d’intrications des électrons.

    De nombreux êtres vivants sur Terre se sont créés des outils pour exploiter certains phénomènes de l’espace. Des suites de perturbations à certaines fréquences NOUS créent la lumière et des images. À des fréquences différentes, les perturbations sont utilisées par d’autres sens ou accessoires de vie.
    C’est ainsi que, depuis les temps les plus anciens, des astronomes ont pu, grâce à leur vue complétée par des accessoires de plus en plus perfectionnés, observer et reconnaître certaines perturbations, variables avec les objets qui les créent, et déterminer une certaine vitesse de leurs déplacements, qui pouvaient leur paraître presque constante.

    C’est la vitesse « c », celle de la lumière.

  4. guillaume de Lamérie
    30/11/2011 at 06:10

    Merci pour ce billet encore une fois passionnant. Par contre je suis surpris par la conclusion du paragraphe sur l’écoulement relatif du temps pour les astronautes en vadrouille et les terriens : « ils (les astronautes) concluent que ce sont les horloges terrestres qui vont deux fois plus lentement que les leur. Chacun voit le temps de l’autre battre plus lentement. Qui a raison? Personne bien sûr puisque les durées et les distances sont des notions “relatives” à chaque observateur (d’où le nom de la théorie). » . J’avais cru comprendre que le temps des astronautes, du fait de leur vitesse, s’écoulaient réellement plus lentement que le temps des terriens, ce qui leurs permettraient de vieillir moins vite que les terriens. Des scénarios de SF utilisent d’ailleurs ce procédé pour revenir avec des années en moins sur terre après un petit tour dans l’espace à une vitesse proche de la lumière ?
    Qu’est-ce que je n’ai pas compris ?

  5. 02/12/2011 at 08:11

    Damned j’ai un problème avec WordPress qui ne prend pas mes commentaires! Désolé si celui-ci apparaît à plusieurs reprises…
    @Guillaume: tout le monde a raison! C’est le fameux paradoxe de Langevin qui imagina deux jumeaux, l’un qui reste à Terre et l’autre qui part en voyage spatial. Lorsque l’astronaute revient, que se passe-t-il? Chacun ne peut évidemment voir l’autre plus jeune que lui: les lois de la relativité restreintes seraient-elles prises en défaut? Pas du tout: le truc c’est que pour faire l’aller-retour, l’astronaute a dû subir au moins trois séries d’accélérations (une pour partir, une pour le demi-tour et une pour atterrir), contrairement à son frère. Or les lois sur la dilatation des durées dont je parle ne sont valables que si les deux jumeaux se déplacent toujours à vitesse constante l’un par rapport à l’autre. L’effet des accélérations sur le temps n’est pas décrit par la relativité restreinte mais par la relativité générale et cet effet n’est plus du tout symétrique: celui qui accélère voit son temps ralentir de façon absolue. L’accélération rajeunit bel et bien et l’astronaute rentre sur Terre plus jeune que son frère! Je te suggère ce site qui analyse le paradoxe de Langevin en détail.

  6. 03/12/2011 at 18:28

    – Congrats pour le déménagement !
    – I like the neutrino joke…
    – *s’y sont cassés les dents

  7. 03/12/2011 at 19:01

    Merci Miss pour ton oeil vigilant!

  8. nevereven
    07/12/2011 at 15:40

    La masse des neutrino est-elle supérieure à la limite connue de la masse du photon ?

  9. 07/12/2011 at 22:29

    @nevereven: oui très largement, on estime sa limite inférieure à un dix millionième de la masse de l’électron. Dans notre série d’épreuve, le neutrino ne passerait même pas la barre de la troisième!

    • nevereven
      08/12/2011 at 11:00

      Un neutrino finalement beaucoup plus lourd qu’un photon mais qui va plus vite qu’un photon dans le vide… c’est en effet très perturbant tout ça.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *