L’invisibilité, un pouvoir en passe de devenir réalité grâce à la science

Depuis des milliers d'années, l'Homme raconte des histoires mettant en scène des créatures magiques capables de naviguer le monde sans être aperçues, littéralement.

Des djinns exauceurs de vœux du folklore arabe aux êtres de l'ombre de la mythologie inuit, il y a bien longtemps que les créatures dotées de l'extraordinaire pouvoir d'invisibilité captivent notre imagination. Plus récemment, diverses séries de science-fiction et de fantasy ont popularisé la possibilité pour des humains ordinaires d'acquérir ce pouvoir grâce à une cape d'invisibilité, comme Harry Potter, à des mutations génétiques, comme les superhéros de l'univers Marvel, ou encore à des technologies avancées, comme les vaisseaux de Star Trek.

Mais alors, existe-t-il vraiment un moyen étayé par la science de produire la plus formidable des illusions ? Les scientifiques à travers le monde y travaillent. 

Les chercheurs ont déjà montré qu'il était au moins théoriquement possible de créer une cape permettant à des objets ordinaires de disparaître. Inspirés par ces résultats, d'autres scientifiques imaginent actuellement des stratégies visant à rendre les bâtiments « invisibles » aux séismes et les salles de concert « invisibles » au son. Tous ces numéros de disparition s'appuient sur une approche similaire d'orientation intelligente des ondes, qu'il s'agisse d'ondes lumineuse, sonore ou sismique, afin de produire l'illusion d'un espace vide.

Bien qu'il existe encore des obstacles majeurs à la création d'une cape d'invisibilité semblable à celle portée par nos héros favoris, certains scientifiques affirment que l'idée n'est pas totalement exclue du champ des possibles. 

« L'objectif est très simple », indique Yun Lai, chercheur spécialiste de l'invisibilité à l'université de Nankin en Chine. « La clé est de déterminer comment fabriquer la matière capable de produire cette illusion. »

LES DÉBUTS SCIENTIFIQUES DE L'INVISIBILITÉ

La cape d'invisibilité est passée des couloirs de Poudlard aux laboratoires scientifiques il y a une vingtaine d'années.

Entre la fin des années 1990 et le début des années 2000, les scientifiques ont commencé à développer de nouveaux matériaux, appelés métamatériaux, dont les propriétés à la fois étranges et extrêmes n'existent pas dans la nature, car ils embarquent des structures microscopiques d'une incroyable finesse. Lorsque le physicien Ulf Leonhardt a eu vent de leurs fantastiques propriétés optiques au début des années 2000, il s'est mis à imaginer comment utiliser ces métamatériaux pour atteindre l'illusion ultime : l'invisibilité.

« Je me suis juste dit, ce serait vraiment génial », déclare Leonhardt, en ajoutant qu'il lisait L'Homme invisible de H.G. Wells à l'époque où il a entendu parler de ces matériaux. « Qu'est-ce qu'il faudrait pour y parvenir ? » s’est-il alors demandé.

En 2006, Leonhardt et une autre équipe de chercheurs de la Duke University et de l'Imperial College London ont publié deux articles dans la revue Science théorisant la fabrication d'une cape d'invisibilité. Ils ont imaginé la création d'un métamatériau comportant une multitude de trous minuscules, ou d'autres structures, qui dirigeraient les ondes lumineuses entrantes autour de la cape sans la traverser. Puisque la lumière quitte donc la cape dans la même direction qu'elle aurait eue en l'absence de manipulation, cela crée l'illusion que la lumière aurait traversé l'objet sans rencontrer autre chose qu'un espace vide.

« C'est la première fois que l'invisibilité a été démontrée comme étant scientifiquement possible », indique Lai. 

Quelques mois plus tard, les mêmes scientifiques des deux universités déclaraient avoir fabriqué la toute première cape d'invisibilité du genre, capable de protéger un objet contre des rayonnements micro-ondes en deux dimensions. Dans leur expérience, un cylindre en cuivre a été « dissimulé » sous une cape constituée de 10 anneaux concentriques d'un matériau habituellement utilisé dans les circuits électriques et mesurant moins de 13 centimètres de diamètre. La cape est parvenue à rediriger les ondes autour de l'objet de sorte que le cylindre en cuivre semblait avoir disparu. 

Bien que considérée comme un grand pas en avant, la démonstration a également dévoilé des limites majeures dans l'utilisation des métamatériaux. 

Pour qu'une cape en métamatériau détourne une longueur d'onde de lumière donnée, les trous doivent mesurer environ un dixième de cette longueur d'onde, indique Sebastien Guenneau, un physicien qui étudie ce phénomène au sein de l'Imperial College London mais ne faisait pas partie de l'équipe de recherche initiale. Pour dévier les longueurs d'onde du spectre visible de la lumière qui sont mesurées en nanomètres, soit un milliardième de mètre, il faudrait avoir recours à la nano-ingénierie de haute précision.

« Difficile d'imaginer Harry Potter vêtu de ce type de métamatériau : la cape coûterait plusieurs milliards de dollars », indique Guenneau. 

Une autre limite des capes en métamatériau est qu'elles ne fonctionneraient que pour une longueur d'onde spécifique : une cape conçue pour dévier la lumière rouge ne dissimulera pas les objets exposés à la lumière bleue, par exemple. Par ailleurs, le fait de dévier la lumière autour d'un objet prend plus de temps que la trajectoire en ligne droite, ce qui implique que les ondes doivent se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière pour atteindre l'autre côté sans retard. Il s'avère que ce phénomène est uniquement possible pour une seule fréquence à la fois.

Certains chercheurs ont utilisé du verre ou des prismes pour créer des capes d'invisibilité à large spectre afin de dissimuler des objets sous des angles spécifiques, ce qui démontre la faisabilité théorique de l'idée. Cependant, les métamatériaux se montrent bien plus prometteurs en matière d'invisibilité sophistiquée et restent, pour la science, un défi majeur. 

Ironiquement, même si une cape pouvait être conçue de manière à dévier le spectre complet de la lumière visible, cela poserait un nouveau problème pour celui qui la porte. En l'absence de lumière pénétrant la cape, « le porteur ne pourrait pas voir l'extérieur de la cape », souligne Guenneau. En d'autres termes, « Harry ne pourrait pas voir Voldemort ».

INVISIBILITÉ À DISTANCE

Les métamatériaux ne sont pas l'unique piste pour faire disparaître des objets. « Au cours de mes recherches, j'ai découvert qu'il y avait une multitude de façons de concrétiser l'invisibilité », témoigne Lai.

Une autre option étudiée par Lai est de rendre invisibles des objets placés à une certaine distance en manipulant la diffusion de la lumière. Pour résumer, si un dispositif d'invisibilité est placé à la bonne distance d'un objet, les ondes lumineuses se diffuseront entre les deux objets et s'annuleront mutuellement.

Un tel dispositif présente l'avantage de permettre à l'objet dissimulé de « voir » les ondes entrantes. Néanmoins, Lai précise que le mécanisme est hautement complexe et pourrait n'être utile que pour des ondes de basse fréquence, comme les ondes radio, plutôt que pour la lumière visible. 

D'autres chercheurs ont imaginé des dispositifs qui émettent activement des ondes visant à annuler les ondes entrantes, une stratégie baptisée « active exterior cloaking » (invisibilité extérieure active, NDLR). En 2021, des chercheurs ont montré qu'en encerclant un objet avec une série de pompes à chaleur, il était possible de le dissimuler aux yeux d'une caméra thermique, qui détecte le rayonnement infrarouge non visible à l'œil nu. L'étude a également constaté que les pompes à chaleur pouvaient être utilisées pour donner à l'objet une signature thermique différente, permettant ainsi de lui donner l'apparence thermique d'un autre objet. 

« On peut faire passer une pomme pour une orange », résume le coauteur de l'étude Fernando Guevara Vasquez, professeur de mathématiques à l'université de l'Utah.

Là où les capes d'invisibilité conçues à partir de métamatériaux offrent une fonction spécifique et immuable, celles qui utilisent des sources de rayonnement, comme les pompes à chaleur, peuvent être adaptées à différents types d'ondes. « C'est un peu comme le paramétrage d'un logiciel », illustre Guevara Vasquez.

Quoiqu'il en soit, quiconque utilisant une telle cape devrait au préalable définir le type d'ondes qu'il souhaiterait annuler. Par exemple, si des militaires souhaitent rendre un objet invisible aux yeux d'un radar, qui utilise des ondes radio, ils devront déterminer à l'avance les fréquences radio contre lesquelles diriger le bouclier. Tant qu'ils n'ont pas identifié ces fréquences et paramétré le bouclier, l'objet reste visible, indique le scientifique.

La recherche sur les dispositifs d'invisibilité à distance reste en grande partie théorique, avec des expériences limitées. Pour trouver des capes d'invisibilité prêtes à être déployées en situation réelle, il faut penser plus grand.

INVISIBILITÉ SISMIQUE

Si la taille microscopique des ondes lumineuses rend par nature difficile de concevoir des matériaux capables d'altérer leur trajectoire, les scientifiques s'intéressent également à un autre type d'invisibilité : dissimuler des objets face à des ondes bien plus grandes, comme les vagues de l'océan ou les secousses des séismes.

L'idée devient alors nettement plus réalisable.

« La taille des trous serait de l'ordre de quelques mètres », reprend Guenneau, qui a déjà étudié les capes d'invisibilité sismiques. « On peut alors utiliser n'importe quelle machine de forage et oublier la nanotechnologie. »

Ainsi, le chercheur nous explique qu'en forant dans le sol qui entoure un bâtiment une série de trous concentriques adaptés à la fréquence des ondes sismiques locales, facilement prévisible grâce à l'étude du sol et des propriétés de la roche environnante, les ondes sismiques peuvent être réorientées. De la même façon, des colonnes de béton pourraient être enfoncées dans le plancher océanique pour protéger une plateforme pétrolière. Les scientifiques étudient ce type d'invisibilité à grande échelle depuis plus d'une décennie avec l'ambition de protéger les villes, les sites historiques, les réacteurs nucléaires ou même des équipements scientifiques fragiles, comme les détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Guenneau et d'autres chercheurs se sont même intéressés aux arbres comme métamatériaux naturels. Leurs travaux montrent que les forêts sont capables d'atténuer les ondes sismiques à la surface de la Terre ; en espaçant les arbres à la bonne distance, il serait possible d'optimiser cet effet.

Si ces boucliers sismiques peuvent paraître tristement éloignés des dispositifs d'invisibilité romuliens, ce domaine d'application n'aurait probablement jamais vu le jour si les chercheurs n'avaient pas exploré des formes plus fictionnelles de cape d'invisibilité. 

« À mes yeux, l'invisibilité ne relève plus de la science-fiction », assure Guenneau. « C'est un phénomène extrêmement utile pour améliorer la protection existante contre les séismes et les vagues. »

LES CAPES D'INVISIBILITÉ EXISTERONT-ELLES UN JOUR ?

Pour le moment, la science-fiction se réserve encore l'exclusivité de la cape suffisamment légère pour permettre à une personne de disparaître en l'enfilant, mais l'étude de l'invisibilité continue de faire des progrès spectaculaires. 

En 2024, Lai et ses collègues ont proposé une nouvelle stratégie pour pallier la restriction de fréquence inhérente aux capes reposant sur les métamatériaux. En utilisant un dispositif en métamatériaux composé de « tunnels acoustiques » d'une grande précision permettant de guider les ondes sonores autour d'un objet et à travers une surface de sortie, les chercheurs ont montré qu'il était possible de produire l'illusion que l'espace situé entre l'entrée et la sortie du son n'existait pas.  

Par conséquent, contrairement aux dispositifs traditionnels en métamatériaux, avec lesquels une seule fréquence de la lumière peut aller d'un côté à l'autre de l'objet sans subir de délai, les chercheurs ont démontré que les ondes sonores d'un spectre acoustique étendu pouvaient traverser la cape à la même vitesse. 

Bien que ces travaux soient limités aux ondes sonores à ce stade, Lai indique vouloir étendre l'approche aux ondes électromagnétiques, notamment à la lumière visible. 

Si certains experts émettent de sérieux doutes quant à la faisabilité des capes d'invisibilité nées de la science-fiction, Lai reste convaincu que la science continuera de faire tomber les barrières a priori insurmontables au fil du temps. 

« Un jour, nous pourrons peut-être recréer la cape de Harry Potter », dit-il. « Il est primordial de continuer à poursuivre ce rêve. »