Si l’humanité souhaite un jour explorer les confins du système solaire, voire se frotter à d’autres étoiles que la nôtre, il lui faudra construire des véhicules spatiaux munis d’un système de propulsion un peu plus performant que ceux que nous utilisons actuellement. Sans quoi, la civilisation est condamnée à ne pas dépasser le saut de puce cosmique.

De fait, ce moteur devra être suffisamment efficace pour générer une poussée sans consommer une goutte de carburant. Eh oui, si nous voulons nous munir d’un système de transport Terre-Lune (4 heures) ou Terre-Mars (2 mois) routinier et efficace, il nous faudra concevoir un moteur de fusée qui n’a pas besoin de faire le plein à intervalles réguliers.

C’est en tout cas le concept du propulseur à cavité résonante électromagnétique (EmDrive), un système de propulsion électrique théorique qui permet de convertir le courant électrique en micro-ondes qui rebondissent à l’intérieur d’une cavité résonante métallique.

Le concept de l’EmDrive a été qualifié de « farfelu » et « d’impossible » par la communauté scientifique parce que son principe même viole la loi de la conservation de la quantité de mouvement de Newton. Mais à en croire le papier de la NASA ayant leaké samedi, non seulement les scientifiques de la NASA auraient construit un EmDrive, mais ils l’auraient fait fonctionner avec succès.

L’article explique qu’une équipe de physiciens de la NASA dirigée par Harold « Sonny » White et Paul March, deux figures importantes du petit monde des systèmes de propulsion, auraient réussi à générer une poussée grâce à un « prototype RF conique » (c’est-à-dire le prototype d’EmDrive) à l’occasion d’une série de tests au Eagleworks Labs du Johnson Space Center, à l’automne 2015.

En bref, l’EmDrive de la NASA décrit dans l’article se composerait d’un cône fermé en cuivre, dont l’intérieur a été bombardé par des micro-ondes. Pour tester l’EmDrive, les chercheurs l’ont alimenté d’un courant de 40, 60 puis 80 watts et ont constaté que le système était capable de générer jusqu’à 58, 128, et 119 micronewtons de poussée, respectivement. Sachant que cette « anomalie » a été observée de manière répétée par White et ses collègues après examen de possibles erreurs de mesure, les résultats de l’expérience seraient, a priori, probants.

Sur la base de ces résultats, les chercheurs ont estimé que leur engin serait capable de générer environ 1,2 millinewtons de poussée par kilowatt. En comparaison, le propulseur Hall – l’un des plus puissants au monde, alimenté grâce à un système d’éjection plasma – génère environ 60 millinewtons de poussée par kilowatt.

L’EmDrive tel que décrit par la NASA. Image: White, et al./NASA

« Le problème est de réussir à déterminer si le phénomène observé lors de l’expérience est réel, ou non, » explique Jim Woodward, physicien à California State-Fullerton. « Je sais que Paul (Mars) travaille sérieusement. C’est un type honnête. Alors oui, peut-être qu’il s’est vraiment passé quelque chose lors de cette expérience. Pourtant, les résultats obtenus ne peuvent pas être interprétés à la lumière de la théorie proposée par l’équipe. La question est donc : que s’est-il réellement passé ? »

Si l’on en croit Newton, pour propulser une fusée dans l’espace, il faut éjecter de la matière dans la direction opposée à celle empruntée par ladite fusée. Pourtant, dans le cas de l’EmDrive, la quantité de mouvement du système n’est pas conservée puisqu’il génère une force sans apport d’énergie externe. Comment est-ce seulement possible ?

Un certain nombre de théories ont été avancée pour tenter d’expliquer cette violation ostensible de l’un des principes fondateurs de la physique. White est un partisan de l’hypothèse dite du vide quantique, selon laquelle l’EmDrive aurait été capable de générer une poussée en agissant sur des paires de particules « virtuelles » générées par les fluctuations du vide quantique (dans cette théorie, ces fluctuations du vide sont elles-mêmes créées par le champ électromagnétique engendré par l’EmDrive). Ainsi, les micro-ondes auraient été « poussées » à distance de ces particules virtuelles dans la cavité de l’EmDrive pour générer la poussée observée par White et ses collègues lors de leurs expériences.

Autre hypothèse possible : la poussée de l’EmDrive serait un effet de la pression de radiation (c’est la position de son inventeur, Roger Shawyer). Dans ce cadre, lorsque les micro-ondes ont pénétré la cavité de cuivre, le rayonnement aurait exercé une pression sur les parois de l’EmDrive et généré une poussée.

Pourtant, selon Woodward, aucune de ces hypothèses n’est réaliste, pour une simple et bonne raison : elles s’opposent aux lois de la physique.

À titre d’exemple, Woodward montre que l’hypothèse de la pression de radiation est si farfelue dans ce cadre qu’elle revient à affirmer qu’il est possible de faire accélérer une voiture en poussant le pare-brise à deux mains depuis le siège conducteur.

« Est-ce que n’importe quelles micro-ondes sont susceptibles de produire une poussée à l’intérieur de la cavité ? » demande Woodward. « La réponse à cette question est simple : Non. La conservation de la quantité de mouvement implique que tout système électromagnétique isolé est incapable de produire une poussée. Cela est vrai à la fois en mécanique quantique et en électrodynamique classique. C’est physiquement impossible. »

C’est ce qui a amené White à l’hypothèse du vide quantique : si les micro-ondes ne peuvent pas pousser par elles-mêmes les parois internes du cône de cuivre, alors elles ont probablement été poussées vers l’extérieur par quelque chose d’autre. Des paires de particules/anti-particules virtuelles présentes dans le vide quantique, par exemple. Le problème, c’est que même si l’existence du vide quantique a déjà été prouvée de manière expérimentale, les physiciens s’accordent à dire que le vide quantique ne peut en aucun cas générer un phénomène de poussée.

Bien que l’hypothèse du vide quantique de White soit référencée comme l’explication théorique officielle pour interpréter les résultats publiés dans le papier de la NASA ayant leaké ce week-end, ainsi que dans le premier article de la NASA sur le sujet publié en 2014, elle a été falsifiée maintes et maintes fois par la communauté des physiciens.

L’inventeur de l’EmDrive, Roger Shawyer, explique son hypothèse basée sur la pression de radiation.

« Une construction théorique basée sur le vide quantique est parfaitement absurde », a déclaré Woodward. « Il n’existe aucune preuve expérimentale permettant de dire que l’hypothèse de White (ou une hypothèse approchante) est pertinente pour décrire le vide. Aucun spécialiste de théorie quantique des champs ne prend cette hypothèse au sérieux, à ma connaissance. »

À l’inverse, Woodward estime que les résultats de l’expérience EmDrive menée par la NASA peuvent être expliqué sans avoir à bousculer les lois fondamentales de la physique.

« L’effet Woodward (ou effet Mach) est le seul habilité à expliquer ce phénomène de manière rationnelle, » ajoute Woodward. « Quand on est en présence d’un signal anormal, il vaut mieux éviter de l’expliquer avec une hypothèse qui n’a ni queue ni tête. »

Comme son nom l’indique, Woodward a été le premier à théoriser l’effet Woodward en 1990 ; le physicien est donc plutôt bien placé pour savoir de quoi il en retourne. Selon l’hypothèse de l’effet Woodward, la masse d’un corps est susceptible de varier lorsque sa densité énergétique varie dans le temps. Ainsi, lorsque ce corps subit une accélération, une partie de la force qui lui est appliquée ne produit pas d’énergie cinétique, mais est stockée comme énergie potentielle.

Le corps en accélération est alors écrasé entre la force appliquée dans la direction de son accélération et la poussée de la matière présente dans l’univers via un champ gravitationnel. Ces deux forces en opposition modifient donc l’énergie interne du corps, sans qu’aucune loi physique ne soit enfreinte : la quantité de mouvement est conservée, même si de toutes petites quantités de mouvement sont temporairement « stockées » dans le corps en accélération.

Selon Woodward, cette fluctuation de la masse du corps pourrait expliquer la poussée observée au laboratoire Eagleworks de la NASA. Si les micro-ondes se propageant dans le cône de l’EmDrive appliquent une force sur le matériau dont le cône est constitué, alors il est possible d’expliquer la poussée générée par l’effet Woodward.

Woodward a passé les vingt dernières années à construire des dispositifs capables d’illustrer cet effet, mais sa théorie n’a pas encore été pleinement intégrée au corpus de la physique moderne. Pourtant, à chaque nouvelle expérience réussie, elle confirme un peu plus sa pertinence et sa puissance descriptive. March, pour sa part, a travaillé avec Woodward sur plusieurs expériences couronnées de succès au cours de la dernière décennie. Enfin, lors de la conférence Exotic Propulsion qui s’est déroulée à Estes Park dans le Colorado au mois de septembre, trois physiciens ont déclaré avoir reproduit expérimentalement les résultats de Woodward.

« À mon avis, c’est la seule théorie physique à laquelle on peut se fier ; elle n’a pas recours à des vœux pieux ou à la pensée magique », a déclaré Woodward.

Pour le moment, nous pouvons seulement affirmer que le document divulgué samedi est parfaitement authentique – il est passé par le processus de peer review et a été accepté par la revue Journal of Propulsion de l’AIAA. L’article paraîtra dans le numéro de décembre. En revanche, nous ne savons pas à quel point la version de l’article leaké diffère de celle qui sera publiée le mois prochain.

Selon Woodward, qui a consulté une copie de l’article peu de temps après qu’il ait été accepté par Journal of Propulsion, la principale différence entre la version anticipée et la version finale concerne l’interprétation des résultats. Apparemment, l’AIAA n’a accepté le papier qu’à condition que White et ses collègues abandonnent l’hypothèse du vide quantique.

Reste à savoir si d’autres chercheurs pourraient exploiter la théorie de l’effet Woodward afin de reproduire les résultats observés dans le laboratoire Eagleworks de la NASA, offrant ainsi une explication convaincante aux observations de White et son équipe.

« En l’absence d’une hypothèse solide compatible avec les lois de la physique, nous ne pourrons pas déterminer si les résultats de la NASA sont réels, ou s’ils sont le produit d’une erreur humaine » ajoute Woodward. « Ces expériences sont extrêmement difficiles à mener, et les résultats produits jusqu’ici sont extrêmement audacieux. Beaucoup trop audacieux, en fait. Pour le moment, la piste de l’erreur de mesure est à privilégier. »