Tachyon - Définition

En physique des particules, on nomme tachyon une particule qui, si elle existait, se déplacerait à une vitesse supraluminique, c'est-à-dire supérieure à celle de la lumière. Formellement, on peut la voir comme une particule qui aurait une masse au repos imaginaire. 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 G. Feinberg.^[1]

Étymologie

Le mot tachyon vient du grec tachus signifiant rapide.

Description

Un tachyon est une particule sub-atomique dont la vitesse est toujours supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Cette propriété est une conséquence du fait que sa masse au repos est décrite par un nombre imaginaire pur, alors que son énergie est mesurée par un nombre réel, 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 qu'on peut écrire un imaginaire pur comme racine carrée d'un réel négatif.

Dans la théorie quantique des champs, si cette particule apparait dans certains calculs elle n'a jamais l'interprétation d'une particule réelle mais est le signe d'une instabilité du vide du 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 stable avant la transition cependant) 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 telle instabilité 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.

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 causale."

Or la vitesse causale est justement la vitesse limite que le tachyon dépasse (même si la lumière elle-même était plus lente que la vitesse causale, la définition du tachyon est de se déplacer plus vite que la vitesse limite, pas la vitesse de la lumière). 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 référenciels 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. 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 paradoxes posés par le voyage dans le temps des tachyons.

Dans les œuvres de fiction

Les tachyons sont souvent mentionnés dans l'univers de Star Trek dans lequel le voyage dans le temps est possible. Ils apparaissent également pour justifier les voyages ou transmissions supraluminiques dans Hypérion de Dan Simmons et dans Fondation foudroyée d'Isaac Asimov. La génération d'ondes tachyon est également à la base des voyages interstellaires dans le jeu vidéo Tachyon. Dans K-PAX, un film américain de Iain Softley, le Tachyon est un moyen de transport pour véhiculer d'une planète à une autre.

D'autres œuvres font intervenir les tachyons sans employer leurs propriétés supraluminiques. Par exemple dans Les X-Men, le champ de tachyons a la propriété de trancher n'importe qu'elle matière sauf l'adamantium.