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Tous les fans de Star Wars se souviennent bien de la fameuse scène de l'épisode IV, Un nouvel espoir, (le premier opus de la saga par sa date de sortie) lorsque Han Solo décide de passer en « vitesse lumière » pour fuir les forces de l'Empire. Les étoiles fixes dans la Voie lactée vues à travers le cockpit du Faucon Millenium se mettent à défiler en traçant des segments de rayons lumineux. Des étudiants en physique du master de l'University of Leicester (Royaume-Uni) ont cherché à déterminer si les effets spéciaux du film de George Lucas respectaient bien les lois de la théorie d'Einstein, en se basant sur la théorie de la relativité restreinterelativité restreinte.
La question de savoir ce qu'on verrait si l'on se déplaçait à la vitesse de la lumière ou presque est ancienne. C'est à partir d'elle qu'Albert EinsteinEinstein, à l'âge de 16 ans, a commencé à s'engager dans l'aventure intellectuelle qui l'a mené à la découverte de la théorie de la relativité restreinte. Une vidéo a même été réalisée il y a quelques années montrant comment les étoiles apparaîtraient à un voyageur accélérant progressivement pour s'approcher de la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière.
Deux versions de la fameuse scène de Star Wars montrant le passage en « vitesse lumière ». © davnes007, YouTube
L'optique relativiste dans Star Wars
Il n'y avait donc rien de radicalement nouveau dans les travaux publiés en 2013 dans le journal des étudiants du Department of Physics and Astronomy de l'University of Leicester. Seul l'est le lien avec la physique de Star Wars. En outre, cela montre qu'il n'y a pas besoin d'être docteur en physique théorique pour explorer quelques-unes des implications fascinantes de la physique moderne, dignes des rêves de la science-fiction.
Avant de prendre connaissance des résultats des apprentis Jedi-physiciensphysiciens de Leicester, rappelons tout de même que lorsque Han Solo déclare qu'il va passer en « vitesse lumière », il doit nécessairement vouloir dire qu'il va se déplacer d'une façon ou d'une autre au moins des centaines de milliers de fois plus vite que la vitesse de la lumière. En effet, même en imaginant que le Faucon Millenium atteigne vraiment la vitesse de la lumière, il faudrait en moyenne quelques années pour voyager d'une étoile à une autre de la Voie lactée.
Certes, un voyage à une vitesse presque égale à celle de la lumière, en réalité inatteignable pour des particules de matièrematière, pourrait ne durer que quelques minutes pour des Terriens voyageant jusqu'à l'exoplanèteexoplanète en orbiteorbite autour d'Alpha du Centaure du fait de la dilatation relativiste. Mais, pour des observateurs restés sur Terre, le retour aurait lieu 8 ans après le départ. La situation, en effet, est celle du fameux paradoxe des jumeaux de Langevin. Ce n'est clairement pas ce qui se passe dans Star Wars.
William Unruh est un physicien canadien. Il est célèbre pour ses travaux sur le rayonnement des trous noirs et la théorie des champs quantiques. © University of Toronto
Une autre vitesse de la lumière dans un monde parallèle ?
Ainsi, les images des films de George Lucas nous montreraient plutôt une technologie permettant de voyager dans un trou de ver, ou dans des dimensions spatiales supplémentaires ce qui, en pratique, permettrait de s'affranchir du paradoxe des jumeaux de Langevin tout en avalant en quelques heures des milliers d'années-lumièreannées-lumière. Ou alors, il faudrait admettre que Star Wars se déroule dans l'un des nombreux universunivers parallèles envisagés par la physique moderne, avec une vitesse de la lumière au moins 100.000 fois supérieure à celle de notre univers observable.
Contrairement à ce qui est montré dans Star Wars, un vaisseau se déplaçant presque à la vitesse de la lumière ne permettrait pas à ses voyageurs de voir des étoiles à travers un cockpit. La seule manifestation visible serait cette vision d'une sorte de brouillard, correspondant au rayonnement fossile, rendu visible par l'effet Doppler-Fizeau relativiste. © University of Leicester
L'éblouissant rayonnement fossile
Dans notre univers, se déplacer à 0,9999995 fois la vitesse de la lumière, comme le proposent nos jeunes physiciens, aurait deux effets : tout d'abord, en raison de l'effet Doppler-Fizeaueffet Doppler-Fizeau relativiste, un décalage spectral important vers le bleu pour toutes les étoiles, et pas de décalage vers le rougedécalage vers le rouge ; en second lieu, les angles apparents des astresastres sur la sphère céleste subiraient des changements importants du fait du phénomène d'aberrationaberration relativiste, en fonction de la vitesse des observateurs.
Au final, la lumière visible des étoiles subissant un décalage spectral vers le bleu passerait dans le domaine des rayons Xrayons X. En outre, l'ensemble des objets sur la sphère céleste occuperait alors une fraction de celle-ci, rassemblé dans un cônecône d'observation faiblement ouvert. En fait, la seule chose vue par les voyageurs serait une sorte de tache de lumière visible correspondant au rayonnement fossile, normalement dans le domaine des micro-ondes.
Nos apprentis Jedi n'en parlent pas mais un autre effet relativiste doit se produire si les voyageurs subissent (ce qui est improbable) de très fortes accélérations pour atteindre rapidement la vitesse de la lumière. Du fait du principe d'équivalence à la base de la relativité générale, l'accélération subie sera indiscernable de celle exercée par un trou noirtrou noir pour qui s'approche de son horizon. Les voyageurs pourraient donc détecter l'analogue du rayonnement de Hawking avec un spectre de corps noircorps noir, un effet découvert en 1976 par William Unruh et indépendamment un peu plus tôt par Stephen Fulling et Paul Davies.
