Depuis Einstein, on sait qu’on ne peut aller plus vite que la lumière dans le vide. Il existe pourtant quelques situations où une vitesse supérieure à cette de la lumière est possible.
On ne va pas pour autant casser toute la physique : ces vitesses sont en fait des vitesses « virtuelles » ou « apparentes », ou sans transport de matière, mais il n’est pas aberrant de se retrouver avec un calcul donnant une vitesse supérieure à celle de la lumière dans le vide.
Cas où la vitesse de la lumière est réduite
Le cas le plus simple : on ralentit la lumière. C’est alors comme si une 2CV roulant à 40 km/h dépasse une Formule 1 roulant au pas.
Quand on dit la vitesse de la lumière infranchissable, c’est de la vitesse de la lumière dans le vide que l’on parle. Dans l’eau ou le verre, la lumière se propage moins vite.
Il est alors possible qu’une particule aille plus vite que la lumière dans ce milieu.
Pour l’eau, on a alors la situation suivante :
$$\mathcal{V}_{\text{lumiere}_{eau}} \lt \mathcal{V}_{\text{particule}_{eau}} \lt \mathcal{c} $$
Où $\mathcal{c}$ est évidemment la vitesse de la lumière dans le vide.
Cette situation, où une particule se déplace plus vite que la lumière dans un milieu transparent permet d’obtenir un flash bleuté, analogue lumineux du mur du son : c’est l’effet Tcherenkov.
Quand la particule est chargée électriquement, le déplacement de charge produit alors une onde électromagnétique. La production de cette onde étant plus rapide que le déplacement de la même onde, elle interfère de façon constructive et on a un sorte de flash.
Ce genre de choses est par exemple ce qui donne la lueur bleue à la piscine d’une centrale nucléaire en fonctionnement.
Vitesse apparente
Ce n’est pas vraiment une vitesse au sens d’un déplacement dans l’espace, mais c’est une vitesse au sens où sa position par rapport à l’observateur change.
Ainsi, bien que la Terre tourne autour du Soleil, quand on observe le ciel c’est le Soleil qui se déplace : notre étoile effectue donc un déplacement apparent dans le ciel (à raison d’un tour d’horizon par jour).
Si l’on prend une étoile plus éloignée, comme Proxima Centauri située à quatre années-lumière, on la voit toujours effectuer un tour du ciel par jour.
Dans notre référentiel, l’étoile parcourt donc un cercle de 4 années lumière en un jour, ce qui correspond à 9 265 fois la vitesse de la lumière.
Cette vitesse est juste une vitesse apparente de déplacement : en réalité l’étoile ne se déplace pas à cette vitesse et c’est bien la Terre qui tourne, mais on peut tout à fait la noter quand-même.
Vitesse de phase d’une onde
Quand une onde se déplace, on distingue plusieurs vitesses. Sur les ondes superposées, on distingue ainsi la vitesse de groupe et la vitesse de phase : la première correspond à la vitesse de déplacement de l’onde dans l’espace. C’est elle qui correspond à la vitesse de propagation matérielle de l’énergie. La seconde est la vitesse à laquelle les oscillations avancent sur l’onde. Elle ne correspond à rien de matérielle, mais elle est là quand-même.
On peut le voir sur cette animation : la double flèche bleue correspond à la vitesse de groupe et donc de propagation de l’énergie, et la flèche verte correspond à la vitesse de phase, donc des « pics » de l’oscillation :
Dans le cas présent, les deux vitesses sont bien différentes et la vitesse de phase est plus rapide que la vitesse de groupe.
La limite fixée par la relativité concerne le déplacement d’énergie, et donc la vitesse de groupe de l’onde. La phase d’une onde ne transportant rien de matériel, et en particulier d’énergie, elle peut donc tout à fait aller plus vite que la lumière dans le vide sans casser toute la physique.
Vitesses due à l’expansion de l’univers
L’univers est en expansion accélérée. Cela signifie que l’espace-temps et la métrique se dilatent. Un peu comme un élastique gradué que l’on étire et sur lequel les graduations s’étirent.
Si deux fourmis marchent sur cet élastique, et que l’on l’étire assez vite, alors les fourmis s’éloigneront l’une de l’autre même en marchent l’une vers l’autre.
Pour l’espace, on peut imaginer quelque chose de similaire : si on prend deux astres suffisamment éloignés, alors leur éloignement dû à l’expansion de l’univers est plus rapide que la vitesse de la lumière dans le vide.
Cette expansion est bien réelle, et cette vitesse également. Néanmoins, il faut tenir compte du fait que c’est l’espace lui-même qui s’étire et tout son contenu avec, donc aussi sa métrique ! Un mètre-ruban mesurera toujours un mètre : si l’espace s’étire, le mètre aussi.
Ainsi, pour en revenir à nos astres, s’ils s’éloignent, on ne peut pas comparer leur éloignement comme on le fait : les mesures de vitesses comme on le fait ne sont plus applicables. La limite imposée par la vitesse de la lumière n’est donc toujours pas « cassée » non-plus.
