Dossier du Vendredi #7

Dès 1956, un physicien américain du nom de Théodore Mainman travaille dans un laboratoire privé à obtenir une émission de lumière cohérente...

...c’est-à-dire, un faisceau de rayons lumineux tous identiques, de même fréquence, tous en phase et pointant dans la même direction. Enfin, le 16 mai 1960, Mainman parvient à obtenir une telle émission de lumière cohérente lors d’une expérience avec un cristal de rubis. En réalité, Mainman vient de créer le tout premier laser de l’histoire. Avec cette invention, il enclenche presque une petite révolution industrielle. Et pour cause ! Le laser sera, dans les décennies suivantes, au cœur d’un très grand nombre d’inventions. Il conquiert le monde de la physique et des sciences de l’ingénieur, ainsi que le monde médical, militaire, et même celui des arts du spectacle.

En effet, les propriétés du laser sont très intéressantes. Avec sa fréquence bien définie, il permet des mesures très précises, tel un cousin un peu plus raffiné du radar. Ces mesures permettent, par exemple, de lire le contenu de CD ou de DVD, d’estimer la granularité de surfaces, de caractériser la résistance de matériaux aux déformations et même d’étudier la densité de l’atmosphère terrestre. En plus d’être précis, un laser peut transférer plus ou moins d’énergie via sa toute petite section bien focalisée, ce qui en fait un outil de découpe tout indiqué pour opérer un œil humain ou fabriquer une fine pièce métallique.

De la science à la fiction

Des années plus tard, en 1977, le réalisateur George Lucas dévoile le tout premier épisode de la célèbre saga Star Wars. On y découvre un héros, Luke Skywalker, qui se lance dans une quête pour renverser le tyrannique Empire qui règne sur la galaxie et, en même temps, en apprendre davantage sur son mystérieux passé familial. Ses alliés, les chevaliers Jedi, utilisent une arme particulière et emblématique de ces films : les sabres laser, des épées futuristes constituées de lumière qui s’entrechoquent et sont capables de trancher n’importe quoi, de la main de l’adversaire à une porte blindée de vaisseau spatial. Que penserait Théodore Mainman de cette idée ? Serait-il possible de fabriquer un sabre laser bien réel ?

Malheureusement, les sabres lasers ne sont pas tout à fait conformes aux lois de la physique. Certes, les vrais lasers peuvent couper des tissus et des métaux, mais c’est à peu près le seul point commun qu’ils partagent avec leurs homologues de Star Wars.Pour découvrir l’existence des électrons, Thomson a utilisé les rayons cathodiques et a dû effectuer trois expériences différentes. Si tu as déjà vu de « vieilles » télévisions, tu as sûrement remarqué qu’elles étaient beaucoup plus grosses que nos écrans plats actuels. C’est parce que, pour fonctionner, ces télévisions nécessitaient des tubes cathodiques dans lesquels circulait un faisceau d’électrons qui permettait la formation des images sur l’écran.

D’une part, deux rayons lumineux ne s’entrechoquent pas, ils passent simplement l’un au travers de l’autre sans s’occasionner de dégâts, comme lors de spectacles sons et lumière. Concernant ces spectacles, tu auras peut-être remarqué qu’on utilise parfois des machines à fumée pour créer un faux brouillard. Ces machines sont en fait presqu’indispensables pour qu’on puisse voir les faisceaux laser de n’importe où dans le public. Si tu as déjà vu ou utilisé un pointeur laser lors d’une présentation, tu as constaté qu’on ne voit pas directement le faisceau se propager du pointeur à l’écran, mais qu’on voit uniquement le point rouge sur la surface que le pointeur croise. Le laser se propage dans une seule direction, et il est donc impossible de le voir « sur le côté », puisqu’aucune lumière laser n’atteint alors notre œil. Pour voir un faisceau laser tracer son chemin, il faut placer sur sa trajectoire un petit support de diffusion, de la poussière ou des gouttelettes d’eau par exemple, ce que font les machines à fumée pour que l’on puisse profiter du spectacle.

Enfin, les rayons lumineux se propagent en ligne droite indéfiniment, jusqu’à rencontrer un obstacle. Quand un Jedi allume son sabre laser, le rayon lumineux s’arrête comme par magie à la longueur du sabre, alors qu’il devrait continuer tout droit à l’infini. Pour ces trois raisons déjà, les sabres lasers ne sont pas près d’être fabriqués.

Une centrale nucléaire portable

Demeure un dernier problème, et non des moindres : la puissance supposée d’un sabre laser requiert la production d’une quantité d’énergie tout à fait colossale. Pour en revenir au pointeur laser, ce dernier a en général une puissance de l’ordre du milliWatt ou moins. En comparaison, les découpeuses laser de l’industrie peuvent générer plusieurs milliers de Watts et occupent généralement un gros volume, contrairement au pointeur laser de la taille d’un crayon. Si l’on continue le raisonnement, vu l’utilisation du sabre laser dans Star Wars, il déploie une puissance quasi équivalente à celle produite par… une centrale nucléaire ! Une telle puissance dans une arme qui tient dans la main ? Pratiquement impossible.

Pratiquement, oui, parce qu’une petite astuce permet d’atteindre de très hautes énergies avec des émissions laser : il faut les émettre pendant une durée très courte, bien inférieure à une seconde. En effet, des lasers à impulsion ultra-courtes peuvent atteindre des puissances de l’ordre du million de Watts pendant des durées de l’ordre de la femtoseconde, soit un millionième de milliardième de seconde. Cette astuce ne résout pas complètement le problème de faisabilité des sabres lasers, mais peut faire penser à d’autres armes lasers utilisées dans Star Wars : les canons lasers ou les blasters des Stormtroopers. Des machines ressemblant à des pistolets lasers sont d’ailleurs utilisées pour le détatouage dans la réalité. 

Lois de la physique, lois artistiques

Puissances inimaginables, dimensions impossibles, comportements incohérents : les sabres lasers sont décidément des inventions imaginaires. Cela dit, Star Wars, à l’instar de beaucoup d’autres œuvres de science-fiction, recèle de nombreux aspects plus fantastiques que scientifiques : espèces extra-terrestres exotiques et cohabitant dans une grande civilisation galactique, voyages à la vitesse de la lumière, batailles spatiales bruyantes et explosives… Ne perds pas de vue qu’un film de science-fiction est avant tout un film, pas un cours de science ! Si le cinéma devait respecter à la lettre les lois de la physique, il n’y aurait plus de place pour la magie, le spectaculaire, l’artistique. Malgré l’absence de vraisemblance des sabres laser, il est permis de rêver !

Réflexion

Dans quels autres films ou dessins animés as-tu remarqué l’utilisation de lasers ? À ton avis, ces films sont-ils proches ou lointains de la réalité scientifique ? Est-ce que ça te dérange quand un film ne respecte pas les lois de la physique ? Tu peux en parler avec tes parents ou tes professeurs en classe. 

Activité

Pour aller plus loin, tu peux consulter le dossier pédagogique de Réjouisciences "Star Wars : Sciences (et) fiction" (peux-tu réussir le quiz qui s’y trouve ?) et visionner cette vidéo du Professeur Moustache  : "A quand le sabre laser ?" (émission Tu mourras moins bête sur Arte).

Ressources

• Roland Lehoucq, Faire des sciences avec Star Wars, Le Bélial', 2017.
• https://www.aps.org/publications/apsnews/201005/physicshistory.cfm
• https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.123.1145
• Abstract de l'autobiographie de Mainman, en ligne : https://www.springer.com/gp/book/9783319619392 

Dossier préparé par les "YoungMinds" de Liège.