Moteur à distorsion

Porter un vaisseau plus vite que la lumière en déplaçant l'espace lui-même : ce qu'il faudrait, et la vue de l'intérieur

Une hypothèse : la physique la permet sur le papier, mais personne n'en a jamais vu. Tout suit la théorie telle qu'elle est.

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Étape par étape

Déplacer l'espace, pas le vaisseau

La limite de vitesse de la relativité vaut pour ce qui se déplace dans l'espace. Elle ne dit rien contre le déplacement de l'espace lui-même : les galaxies lointaines s'éloignent plus vite que la lumière parce que l'espace qui les sépare ne cesse de croître. L'idée d'Alcubierre est de faire arriver exprès un petit morceau de cela et d'y emporter un vaisseau.

La bulle est une région d'espace plat entourée d'une paroi, où l'espace est comprimé devant et étiré derrière. Le vaisseau est au repos au milieu, comme un surfeur porté par une vague. Son équipage serait en chute libre dans un espace plat : aucune poussée, aucune dilatation du temps, des horloges qui marchent comme dehors.

C'est une solution des équations d'Einstein, pas une machine. Le graphique dans le coin est celui de la solution elle-même : la vitesse à laquelle l'espace est étiré (au-dessus de la ligne) ou comprimé (au-dessous) le long de la ligne de voyage. L'image montre ce que verrait un observateur derrière la bulle quand elle s'éloigne à deux fois la vitesse de la lumière : un disque de ciel déformé devant, qui rétrécit à mesure qu'elle s'en va.

Ce qui soutient la paroi

Pour tenir la paroi, il faut de la matière d'énergie négative tout autour de la bulle, surtout sur ses côtés. En 1997, Pfenning et Ford ont trouvé qu'une bulle pour porter un vaisseau à travers la Voie lactée en dix ans demande environ −10⁶⁴ kg, bien plus que ne contient l'univers observable.

La formule d'Alcubierre pour l'énergie porte un signe moins partout : le même genre de matière exotique qui tient ouvert un trou de ver. Elle est nulle le long de la ligne de voyage et maximale dans la paroi autour du milieu du vaisseau, l'anneau violet. L'anneau est dessiné.

En 1997, Michael Pfenning et Larry Ford ont appliqué à la bulle les limites que la théorie quantique impose à l'énergie négative. Ils ont trouvé que sa paroi ne pourrait avoir que quelques centaines de longueurs de Planck d'épaisseur, et l'énergie pour une bulle assez grande pour porter un vaisseau loin environ −10⁶⁴ kg : quelque cent milliards de fois la masse de l'univers observable, environ 10⁵³ kg.

Des conceptions ultérieures ont réduit la facture. Celle de Van Den Broeck, de 1999, demande moins de trois Soleils pour une bulle portant quelque chose d'aussi petit qu'un atome. En 2021, Bobrick et Martire ont montré que des bulles plus lentes que la lumière peuvent être faites de matière ordinaire, et Lentz en a proposé une plus rapide qui n'a besoin que d'énergie positive, ce que d'autres contestent. Aucune n'est bon marché, aucune ne fait l'unanimité.

Comment on en construirait une

Sur le papier, un moteur à distorsion se construit en trois étapes : fabriquer énormément d'énergie négative, la mettre en forme de mince paroi tout autour du vaisseau, et l'allumer devant le vaisseau. Personne ne sait faire aucune des trois. L'anneau ici est dessiné.

1. Fabriquer de l'énergie négative. La seule que nous savons faire est minuscule : l'effet Casimir donne environ −4 × 10⁻⁴ joule par mètre cube entre des plaques distantes d'un micromètre, et la lumière comprimée fait de brèves impulsions. Les limites trouvées par Ford et Roman n'en permettent qu'un peu pour peu de temps. La bulle en demande environ −10⁶⁴ kilogrammes.

2. La mettre en forme de paroi. La formule d'Alcubierre place la matière en une coque autour du vaisseau : rien le long de la ligne de route, le maximum sur les côtés, avec une paroi douce. Pfenning et Ford ont trouvé que la paroi ne devrait faire que quelques centaines de longueurs de Planck, environ 10⁻³³ mètre, plus mince que toute matière que nous sachions faire.

3. L'allumer devant le vaisseau. Le vaisseau ne peut pas envoyer de signal à la paroi devant lui, donc il ne peut pas lancer la bulle de l'intérieur. Krasnikov a suggéré en 1995 qu'un vaisseau plus lent pourrait préparer la route au fur et à mesure, laissant derrière lui un tube d'espace modifié, de sorte que les voyages suivants le long de celui-ci seraient rapides.

Rien de tout cela n'existe en tant que machine. Chaque étape est ce que demandent les mathématiques, pas une technologie. L'anneau d'énergie négative de l'image et la route devant sont dessinés.

Dans la bulle

À l'intérieur, vous ne sentiriez rien. Le vaisseau est au repos dans l'espace plat : aucune poussée, aucune dilatation du temps, des horloges qui marchent comme partout ailleurs. Ce qui change, c'est le ciel. Montez le moteur et les étoiles devant s'entassent, brillent davantage et virent au bleu.

Au centre, l'espace est plat et au repos. Rien ne vous pousse quand la bulle accélère, puisque vous n'accélérez pas ; c'est la paroi de la bulle qui bouge. Votre montre marque le temps que marque celle de tout le monde.

Seule la lumière qui entre montre ce qui se passe. Elle doit traverser la paroi, où l'espace s'écoule, et ressort décalée : la lumière de devant est relevée en fréquence de 1 plus la vitesse, celle de derrière abaissée de 1 moins la vitesse. Chaque rayon ici est suivi à travers la géométrie de la bulle.

Les teintes sont un substitut simple des couleurs décalées, et la luminosité suit le facteur Doppler. Le vaisseau lui-même, au centre, n'est pas dessiné.

Ce que voit le vaisseau

Clark, Hiscock et Larson ont suivi la lumière à travers la bulle en 1999, et Thomas Müller et ses collègues de Stuttgart ont fait plus tard des films de la vue. Au-delà de la vitesse de la lumière, les étoiles de la moitié avant paraissent plus proches de la direction du voyage qu'elles ne le sont, et deviennent plus brillantes et plus bleues vers elle.

Derrière le vaisseau, le facteur Doppler, 1 moins la vitesse, tombe à zéro à la vitesse de la lumière, et au-delà un cône s'ouvre autour de directement derrière, d'où aucune lumière n'arrive. Son demi-angle est l'arc dont le cosinus est 1 sur la vitesse : 60° à deux fois la vitesse de la lumière, davantage quand le vaisseau va plus vite.

Le cône est un horizon, comme le cône de Mach derrière un avion supersonique : ce qui est dedans est dépassé par sa propre lumière. En regardant droit derrière, l'équipage ne verrait que du noir, avec quelques faibles étoiles rouges vers son bord.

Ce que voit un observateur

De l'extérieur, une bulle de distorsion est presque invisible : aucune lueur, aucune paroi à voir. De derrière, elle apparaît comme un disque de ciel déformé devant, qui rétrécit à mesure que la bulle s'éloigne ; de côté, vous ne remarqueriez rien avant qu'elle soit passée.

La lumière d'étoiles très en avant traverse la paroi de la bulle avant de vous atteindre, et la paroi la dévie de dizaines de degrés et change sa couleur. Ce que vous voyez est un disque de ciel qui vient en fait d'une vaste étendue du firmament, tassée dans un petit cercle autour de la direction du voyage : plus la bulle est loin, plus le disque est petit. La caméra est ici au repos dans l'espace, derrière la bulle.

La bulle va plus vite que n'importe quelle lumière ne pourrait la montrer : son image ne vous parviendrait qu'après son passage. Quiconque serait sur son chemin serait dépassé avant de la voir venir, comme le bang sonique suit un avion supersonique.

Le vaisseau au milieu n'est pas dessiné, ni la lueur propre de la paroi, si elle en avait une : seul est montré ce que les équations font à la lumière des étoiles.

Ni direction, ni arrêt

En 1995, Sergueï Krasnikov a fait remarquer que rien de ce qu'envoie le vaisseau ne peut atteindre l'avant de la bulle plus vite que la lumière : l'équipage ne peut donc ni créer la paroi, ni la diriger, ni l'arrêter. Tout ce qui concerne la paroi devrait être arrangé devant le vaisseau, avant son passage.

Clark, Hiscock et Larson ont trouvé les deux cônes dessinés ici : devant, un où le vaisseau ne peut envoyer aucun signal, et derrière, celui d'où aucune lumière ne peut l'atteindre. Chacun a un demi-angle dont le cosinus est 1 sur la vitesse.

Ainsi, un vaisseau dans une bulle de distorsion ne pourrait pas s'arrêter à destination à moins qu'une machinerie déjà sur place le fasse. La réponse de Krasnikov lui-même était un tube d'espace déformé posé d'avance le long de la route. Ce sont des idées, pas des plans.

Deux autres problèmes

Si la bulle est allumée à partir d'un espace plat, les calculs disent que les effets quantiques s'accumulent sans limite sur sa paroi avant et la détruisent. Et une façon d'aller plus vite que la lumière peut aussi être une façon de remonter le temps.

Finazzi, Liberati et Barceló ont montré en 2009 qu'une bulle plus rapide que la lumière faite à partir d'un espace plat acquiert un horizon sur sa paroi avant, et que l'énergie des champs quantiques y croît exponentiellement dans le temps. Leur résultat traite la gravité classiquement et la matière quantiquement ; une théorie complète de la gravité quantique pourrait donc différer.

Allen Everett a montré en 1996 qu'un simple changement du modèle permet à un vaisseau de parcourir une boucle qui le ramène chez lui avant son départ. Comme le trou de ver, une bulle plus rapide que la lumière est une machine à remonter le temps autant qu'un moteur.

La conjecture de protection de la chronologie de Stephen Hawking dit que la nature empêche toujours la formation de telles boucles. Qu'elle vaille pour les bulles de distorsion, on ne le sait pas. La lueur pulsante dessinée sur la paroi avant représente l'énergie qui s'accumule ; elle est dessinée.

Quelqu'un en a-t-il construit une ?

Non. Une équipe de la NASA dirigée par Harold White a cherché un minuscule champ de distorsion avec un interféromètre laser en 2011 et 2012 et n'a trouvé aucun signe convaincant. Un moteur à distorsion reste dans les équations, attendant l'énergie négative qu'il lui faudrait.

Au Centre spatial Johnson de la NASA, White et Richard Juday ont construit un interféromètre pour chercher une déformation de l'espace créée par un minuscule anneau de condensateurs en céramique. Les résultats ont été peu concluants, et une analyse de 2014 a soutenu que les distorsions qu'un tel montage peut produire sont bien trop petites pour qu'il les voie.

La relativité générale permet la forme de la bulle ; ce qui manque, c'est la matière. Aucun matériau connu n'a d'énergie négative en quantités suffisantes, et la théorie quantique n'en permet que de minuscules, comme celles de l'effet Casimir, pour de courtes durées.

L'idée fait encore un travail utile. Elle montre ce que la relativité permet et interdit, et elle a poussé les physiciens à demander lesquelles des règles sur l'énergie la nature respecte vraiment. Des bulles plus lentes que la lumière faites de matière ordinaire sont étudiées maintenant pour ce qu'elles disent de la gravité, non comme moteurs.