Relativité des observateurs supraluminiques dans l’espace-temps 1+3

Comment notre monde serait-il perçu par des observateurs se déplaçant plus vite que la lumière dans le vide ? Une telle image serait clairement différente de ce que nous rencontrons tous les jours. « Nous devrions nous attendre à voir non seulement des phénomènes qui se produisent spontanément, sans cause déterministe, mais aussi des particules voyageant simultanément le long de plusieurs chemins », affirment des théoriciens des universités de Varsovie et d’Oxford.

De plus, le concept même de temps serait complètement transformé – un monde supraluminique devrait être caractérisé par trois dimensions temporelles et une dimension spatiale et il devrait être décrit dans le langage familier de la théorie des champs. Il s’avère que la présence de tels observateurs supraluminiques ne conduit à rien de logiquement incohérent, de plus, il est tout à fait possible que des objets supraluminiques existent réellement.

Au début du XXe siècle, Albert Einstein a complètement redéfini notre façon de percevoir le temps et l’espace. L’espace tridimensionnel a acquis une quatrième dimension, le temps, et les concepts de temps et d’espace, jusqu’alors séparés, ont commencé à être traités comme un tout. « Dans la théorie de la relativité restreinte formulée en 1905 par Albert Einstein, le temps et l’espace ne diffèrent que par le signe dans certaines équations », explique le prof. Andrzej Dragan, physicien de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie et du Centre des technologies quantiques de l’Université nationale de Singapour.

Einstein a fondé sa théorie de la relativité restreinte sur deux hypothèses : le principe de relativité de Galilée et la constance de la vitesse de la lumière. Comme le soutient Andrzej Dragan, le premier principe est crucial, qui suppose que dans chaque système inertiel, les lois de la physique sont les mêmes et que tous les observateurs inertiels sont égaux. « En règle générale, ce principe s’applique aux observateurs qui se déplacent les uns par rapport aux autres à des vitesses inférieures à la vitesse de la lumière (c). Cependant, il n’y a aucune raison fondamentale pour laquelle les observateurs se déplacent par rapport aux systèmes physiques décrits à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière ne devrait pas y être soumise », explique Dragan.

Que se passe-t-il lorsque nous supposons – au moins théoriquement – que le monde pourrait être observable à partir de cadres de référence supraluminiques ? Il est possible que cela permette l’incorporation des principes de base de la mécanique quantique dans la théorie restreinte de la relativité. Cette hypothèse révolutionnaire du prof. Andrzej Dragan et le prof. Artur Ekert de l’Université d’Oxford a présenté pour la première fois dans l’article « Principe quantique de relativité » publié il y a deux ans dans la Nouveau Journal de Physique.

Ils y ont considéré le cas simplifié des deux familles d’observateurs dans un espace-temps composé de deux dimensions : une dimension spatiale et une dimension temporelle. Dans leur dernière publication dans la revue Gravité classique et quantiqueintitulé « Relativité des observateurs supraluminiques dans l’espace-temps 1 + 3 », un groupe de 5 physiciens va plus loin 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 de l’observateur supraluminique, une seule dimension de ce monde conserve un caractère spatial, celle le long de laquelle les particules peuvent se déplacer.

« Les trois autres dimensions sont des dimensions temporelles », explique le prof. Andrzej Dragan. « Du point de vue d’un tel observateur, la particule « vieillit » indépendamment à chacun des trois temps. Mais de notre point de vue, les mangeurs de pain illuminés, cela ressemble à un mouvement simultané dans toutes les directions de l’espace, c’est-à-dire à la propagation d’un onde sphérique de mécanique quantique associée à une particule », commente le prof. Krzysztof Turzyński, co-auteur de l’article.

C’est, comme l’explique le prof. Andrzej Dragan, conformément au principe de Huygens formulé au XVIIIe siècle, selon lequel chaque point atteint par une onde devient la source d’une nouvelle onde sphérique. Ce principe ne s’appliquait initialement qu’à l’onde lumineuse, mais la mécanique quantique a étendu ce principe à toutes les autres formes de matière.

Comme le prouvent les auteurs de la publication, l’inclusion d’observateurs supraluminiques dans la description nécessite la création d’une nouvelle définition de la vitesse et de la cinématique. « Cette nouvelle définition préserve le postulat d’Einstein de la constance de la vitesse de la lumière dans le vide même pour les observateurs supraluminiques », prouvent les auteurs de l’article. « Par conséquent, notre relativité restreinte étendue ne semble pas être une idée particulièrement extravagante », ajoute Dragan.

Comment évolue la description du monde à laquelle nous introduisons les observateurs supraluminiques ? Après avoir pris en compte les solutions supraluminiques, le monde devient non déterministe, les particules – au lieu d’une à la fois – commencent à se déplacer le long de plusieurs trajectoires à la fois, conformément au principe quantique de superposition.

« Pour un observateur supraluminique, la particule ponctuelle newtonienne classique cesse d’avoir un sens, et le champ devient la seule quantité qui peut être utilisée pour décrire le monde physique », note Andrzej Dragan. « Jusqu’à récemment, on croyait généralement que les postulats sous-jacents à la théorie quantique sont fondamentaux et ne peuvent être dérivés de rien de plus fondamental. Dans ce travail, nous avons montré que la justification de la théorie quantique en utilisant la relativité étendue, peut être naturellement généralisée à 1 + 3 espace-temps et un tel l’extension conduit à des conclusions postulées par la théorie quantique des champs », écrivent les auteurs de la publication.

Toutes les particules semblent donc avoir des propriétés extraordinaires dans la relativité restreinte étendue. 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 simple », explique le prof. Krzysztof Turzyński. « La simple découverte expérimentale d’une nouvelle particule fondamentale est un exploit digne du prix Nobel et réalisable dans une grande équipe de recherche utilisant les dernières techniques expérimentales. Cependant, nous espérons appliquer nos résultats à une meilleure compréhension du phénomène de rupture spontanée de symétrie. associée à la masse de la particule de Higgs et d’autres particules dans le modèle standard, en particulier dans l’univers primitif. »

Andrzej Dragan ajoute que l’ingrédient crucial de tout mécanisme de rupture de symétrie spontanée est un champ tachyonique. Il semble que les phénomènes supraluminiques puissent jouer un rôle clé dans le mécanisme de Higgs.