Tachyon - Définition

Introduction

En physique des particules, on nomme tachyon une particule (ou plutôt une classe de particules) qui, si elle existait, se déplacerait à une vitesse supraluminique, c'est-à-dire supérieure à c, vitesse de la lumière dans le vide. 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 Gerald Feinberg. Il vient du grec ancien tachus signifiant en français rapide.

Description

Un tachyon est une classe de particules subatomiques hypothétique, dont la vitesse est toujours supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Cette propriété revient à dire que sa masse au repos est décrite par un nombre imaginaire pur, alors que son énergie (totale) est mesurée par un nombre réel (comme tout corps physique), 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 pouvoir écrire un imaginaire pur comme la racine carrée d'un réel négatif. Cette propriété de masse au repos imaginaire peut sembler choquante, mais la mesure de la masse au repos d'une particule ne peut se faire que dans un référentiel où elle est immobile. Or, dans le cas d'un tachyon, un tel référentiel ne peut exister, puisque cette particule ne peut aller moins vite que la vitesse de la lumière. Donc la masse au repos n'est plus qu'un paramètre invariant entre les référentiels, mais sans réalité physique.

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 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 disparait.

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 néanmoins stable avant la transition), alors on voit apparaitre 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 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. 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.

Récemment, les physiciens James Wheeler et Joseph Spencer ont proposé une représentation équivalente de l'espace-temps qui permet d'exclure tout à fait l'existence de tachyons. Cependant les implications de cette approche (déterminisme du futur) sont assez contraignantes, d'où certains doutes sur sa valeur de preuve.

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 limite d'information de la cause."

Or la vitesse d'information de la cause est justement la vitesse limite que le tachyon dépasse (même si la lumière elle-même était plus lente que la vitesse d'information de la cause, la définition du tachyon est de se déplacer plus vite que la vitesse limite, pas la vitesse de la lumière, cf. effet Tcherenkov). 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 référentiels 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 (passé et futur au sens newtonien, en fait ; au sens de la relativité, les tachyons ne 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, 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 problèmes posés par le voyage dans le temps des tachyons, car ils ne peuvent provoquer de paradoxes . Les discussions sur les tachyons ont cependant 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.