La physique dans la science-fiction : ce que les lois permettent et ce qui relève du récit

Le Faucon Millenium a besoin que son hyperpropulseur fonctionne pour s’échapper. Dans une autre histoire, un vaisseau offre à ses occupants quelque chose de beaucoup plus ordinaire : un sol sur lequel marcher. Les deux scènes soulèvent des questions auxquelles la physique peut répondre avec des degrés de certitude très différents. Pour les distinguer, il convient de se demander ce qui devrait se passer hors de l’écran.

Hyperespace et limite de la lumière

Dans la fiction. Dans L’Empire contre-attaque, l’hyperpropulseur du Faucon Millenium tombe en panne pendant la fuite de Hoth. La panne est importante parce que l’hyperespace est la voie d’évasion proposée par le récit.

En physique. La relativité restreinte établit la vitesse de la lumière dans le vide, c, comme limite locale à la transmission des signaux. Lorsqu’on accélère un vaisseau doté d’une masse, chaque augmentation de vitesse coûte plus d’énergie à mesure qu’il se rapproche de c. L’atteindre exigerait une énergie illimitée. La dilatation du temps permet qu’il s’écoule moins de temps à bord que pour ceux qui restent, mais le vaisseau continue à voyager en dessous de cette limite.

Verdict. Dépasser c par accélération locale contredit la relativité. L’hyperespace de la saga est une liberté narrative. Il existe une autre idée mathématique : la géométrie d’Alcubierre permet de décrire un trajet globalement plus rapide sans que le vaisseau dépasse c dans son environnement immédiat. Sa formulation originale requiert des densités d’énergie négatives pour certains observateurs. C’est une hypothèse spéculative, sans mécanisme physique démontré permettant de la mettre en œuvre.

Masse et énergie dans un récipient

Dans la fiction. Dans Anges et Démons, un récipient contenant de l’antimatière dérobée au CERN concentre la menace de l’histoire. La scène tient pour résolu le problème du stockage et du transport d’une quantité suffisante pour produire l’effet montré.

En physique. E₀ = mc² relie la masse d’un système à son énergie au repos. Lorsque des particules de matière et d’antimatière s’annihilent, l’énergie initiale réapparaît dans les produits de la réaction. Dans le cas idéal d’une particule et de son antiparticule initialement au repos, il faut prendre en compte la masse des deux. L’énergie et la quantité de mouvement totales se conservent. La grande valeur de c² explique pourquoi une petite masse peut correspondre à beaucoup d’énergie. Produire de l’antimatière, la confiner et exploiter l’énergie des produits sont des problèmes distincts. Avec les techniques actuelles, on dépense beaucoup plus d’énergie pour produire de l’antimatière qu’on n’en récupérerait en l’annihilant.

Verdict. L’annihilation et l’équivalence masse-énergie relèvent de la physique établie. La disponibilité et le stockage présupposés par la scène sont des libertés narratives.

Un sol qui tourne

Dans la fiction. Dans 2001, l’Odyssée de l’espace, l’équipage peut marcher à l’intérieur d’une section rotative du vaisseau. Le sol accompagne la rotation.

En physique. Le sol pousse les pieds vers l’axe et oblige le corps à suivre une trajectoire circulaire. Cette force de soutien est ressentie comme un poids. L’accélération a pour valeur a = ω²r, où ω est la vitesse angulaire et r la distance à l’axe. Pour une même accélération au sol, un rayon plus grand permet de tourner plus lentement. Dans un habitacle de petite taille, la tête et les pieds peuvent subir des accélérations sensiblement différentes. En marchant ou en bougeant la tête, on ressent aussi les effets de Coriolis, qui modifient la perception du mouvement.

Verdict. La physique permet de produire une gravité apparente par rotation. Ce qui reste spéculatif, c’est la conception et l’exploitation d’un habitat habitable pendant une longue mission. Le rayon, la vitesse de rotation et la tolérance de l’équipage sont importants.

Ce qui est réellement téléporté

Dans la fiction. Dans Star Trek: Strange New Worlds, Una active le téléporteur et Kirk apparaît à bord. L’histoire utilise ce dispositif pour transporter une personne d’un lieu à un autre.

En physique. La téléportation quantique transfère un état quantique à un système récepteur qui existe déjà. Le protocole fait appel à un intrication partagée, à une mesure à l’origine et à un message classique qui permet au récepteur d’achever l’opération. À la fin, il ne reste pas deux copies de l’état initial. La matière du système original ne voyage pas non plus. Tant que le message n’est pas arrivé, le récepteur ne peut pas récupérer l’état à volonté.

Verdict. Transporter une personne comme dans la série est une liberté narrative. Si l’appareil transmet instantanément à distance une information exploitable, cet aspect viole bien la limite causale de la relativité.

Superman, l’avion et l’échelle

Dans la fiction. Dans Superman Returns, Superman tente d’arrêter un avion en train de tomber. La question physique commence lorsqu’il touche le fuselage. Comment l’effort passe-t-il du point de contact au reste de l’appareil ?

En physique. Pour freiner, il faut modifier la quantité de mouvement de l’avion. Plus la manœuvre est brève pour une même variation de quantité de mouvement, plus la force moyenne est importante. Même si Superman pouvait exercer cette force, la structure devrait la transmettre sans se rompre. Pour une charge perpendiculaire uniformément répartie, la contrainte moyenne est la force divisée par la surface. Appliquer la même force sur une petite zone augmente cette contrainte. Un fuselage réel ajoute des complications telles que la flexion, les concentrations de contraintes et la répartition des charges entre ses différentes pièces.

La même idée explique pourquoi rendre un personnage géant change le problème. Si sa taille double tout en conservant sa forme et sa densité, son volume et son poids sont multipliés par huit, tandis que l’aire d’une section semblable est multipliée par quatre. Dans ces conditions, la contrainte due à son propre poids double. Pour se soutenir, il faudrait modifier les proportions, le matériau ou la manière dont la charge est répartie.

Verdict. Arrêter et soutenir un avion est compatible avec la mécanique si la charge et la décélération restent supportables. La liberté narrative consiste à tenir pour acquis que la force du héros suffit et que le fuselage et les passagers supporteront n’importe quelle manœuvre.

Cinq scènes, cinq vérifications

La prochaine fois qu’une scène semble impossible, essayez de déterminer ce qu’il faut expliquer : une vitesse, un bilan d’énergie, une force ou un signal. Chaque question mène à une loi différente. Vous pouvez continuer à les explorer dans la rubrique Physique.