Quelque chose peut-il aller plus vite que la vitesse de la lumière?

Un fait communément connu en physique est que vous ne pouvez pas vous déplacer plus vite que la vitesse de la lumière. Bien que ce soit fondamentalement c'est vrai, c'est aussi une simplification excessive. Selon la théorie de la relativité, il existe en fait trois façons dont les objets peuvent se déplacer:

• À la vitesse de la lumière
• Plus lent que la vitesse de la lumière
• Plus rapide que la vitesse de la lumière

Se déplacer à la vitesse de la lumière

L'une des idées clés qu'Albert Einstein a utilisées pour développer sa théorie de la relativité était que la lumière dans le vide se déplace toujours à la même vitesse. Les particules de lumière, ou photons, se déplacent donc à la vitesse de la lumière. C'est la seule vitesse à laquelle les photons peuvent se déplacer. Ils ne peuvent jamais accélérer ou ralentir. (Remarque: Les photons changent de vitesse lorsqu'ils traversent différents matériaux. C'est ainsi que se produit la réfraction, mais c'est la vitesse absolue du photon dans le vide qui ne peut pas changer.) En fait, tous les bosons se déplacent à la vitesse de la lumière, pour autant que nous puissions en juger.

Plus lent que la vitesse de la lumière

Le prochain ensemble majeur de particules (à notre connaissance, toutes celles qui ne sont pas des bosons) se déplacent plus lentement que la vitesse de la lumière. La relativité nous dit qu'il est physiquement impossible d'accélérer ces particules assez rapidement pour atteindre la vitesse de la lumière. Pourquoi est-ce? Il s'agit en fait de quelques concepts mathématiques de base.

Puisque ces objets contiennent de la masse, la relativité nous dit que l'énergie cinétique de l'équation de l'objet, basée sur sa vitesse, est déterminée par l'équation:

E_k = m₀(γ - 1)c²

E_k = m₀c² / racine carrée de (1 - v²/c²) - m₀c²

Il se passe beaucoup de choses dans l'équation ci-dessus, alors décompressons ces variables:

• γ est le facteur de Lorentz, qui est un facteur d'échelle qui apparaît à plusieurs reprises en relativité. Il indique le changement dans différentes quantités, telles que la masse, la longueur et le temps, lorsque les objets se déplacent. Puisque γ = 1 / / racine carrée de (1 - v²/c²), c'est ce qui cause l'apparence différente des deux équations présentées.
• m₀ est la masse au repos de l'objet, obtenue lorsqu'il a une vitesse de 0 dans un référentiel donné.
• c est la vitesse de la lumière dans l'espace libre.
• v est la vitesse à laquelle l'objet se déplace. Les effets relativistes ne sont significativement significatifs que pour des valeurs très élevées de v, c'est pourquoi ces effets pouvaient être ignorés longtemps avant l'arrivée d'Einstein.

Remarquez le dénominateur qui contient la variable v (pour la vitesse). À mesure que la vitesse se rapproche de plus en plus de la vitesse de la lumière (c), cette v²/c² terme se rapprochera de plus en plus de 1… ce qui signifie que la valeur du dénominateur ("la racine carrée de 1 - v²/c²") se rapprochera de plus en plus de 0.

À mesure que le dénominateur devient plus petit, l'énergie elle-même devient de plus en plus grande, s'approchant de l'infini. Par conséquent, lorsque vous essayez d'accélérer une particule presque à la vitesse de la lumière, cela prend de plus en plus d'énergie pour le faire. En fait, accélérer à la vitesse de la lumière elle-même nécessiterait une quantité infinie d'énergie, ce qui est impossible.

Par ce raisonnement, aucune particule qui se déplace plus lentement que la vitesse de la lumière ne pourra jamais atteindre la vitesse de la lumière (ou, par extension, aller plus vite que la vitesse de la lumière).

Plus rapide que la vitesse de la lumière

Et si nous avions une particule qui se déplace plus vite que la vitesse de la lumière. Est-ce que c'est possible?

Strictement parlant, c'est possible. De telles particules, appelées tachyons, sont apparues dans certains modèles théoriques, mais elles finissent presque toujours par être éliminées car elles représentent une instabilité fondamentale dans le modèle. À ce jour, nous n'avons aucune preuve expérimentale pour indiquer qu'il existe des tachyons.

Si un tachyon existait, il se déplacerait toujours plus vite que la vitesse de la lumière. En utilisant le même raisonnement que dans le cas des particules plus lentes que la lumière, vous pouvez prouver qu'il faudrait une quantité infinie d'énergie pour ralentir un tachyon jusqu'à la vitesse de la lumière.