Pour la première fois, un physicien a observé expérimentalement le temps émerger d’un système quantique isolé – en créant un « mini-univers ». Cette expérience bizarre soulève une question intrigante : si l’univers n’a rien à l’extérieur, d’où vient le temps ?
Dans un nouveau étude publié le 11 juin dans la revue Recherche sur l’examen physique, Giovanni Barontiniun physicien expérimental de l’Université de Birmingham au Royaume-Uni, a utilisé un nuage d’atomes ultrafroids pour construire son mini-univers. Le système était si bien isolé de son environnement que, comme l’univers lui-même, il n’avait rien d’extérieur pouvant servir d’horloge. Il a divisé ce système en deux et a ignoré la moitié – ce qu’il a appelé le « secteur sombre » – pour montrer que le temps pouvait provenir entièrement de l’intérieur du système.
Le résultat offre le premier aperçu expérimental de la raison pour laquelle l’univers a du temps. « Lorsque vous mettez tout ensemble, les choses commencent vraiment à avoir un sens », a déclaré Barontini à Live Science. « La façon dont le temps à l’intérieur du système accélérait ou ralentissait, ou même s’arrêtait – c’était assez surprenant, à quel point tout se passait bien. Très proprement, d’une certaine manière. Ce qui n’arrive pas si souvent dans les expériences. »
Ce travail est une vérification expérimentale d’idées qui circulent depuis des décennies dans la cosmologie quantique et la thermodynamique. Il ne s’agit pas d’une affirmation explosive selon laquelle le temps est une illusionmais c’est la première fois que quelqu’un soumet ces idées à un test quantitatif direct en laboratoire.
Un univers sans rien à l’extérieur
Barontini s’est penché sur un problème sur lequel les physiciens se demandent depuis près de 60 ans. L’équation de Wheeler-DeWitt — une équation centrale de la gravité quantique, le domaine qui cherche à unifier la théorie de la gravité d’Einstein avec la mécanique quantique — décrit l’univers comme un système global sans paramètre temporel externe. Il n’existe pas d’horloge cosmique en dehors de l’univers. Alors d’où vient notre expérience du temps ?
Une idée influente, appelée temps relationnel, dit que le temps n’existe pas en tant qu’ingrédient fondamental de la réalité. Au lieu de cela, il émerge des relations au sein de l’univers, une partie du système agissant comme une horloge pour une autre. Mais cette idée n’avait jamais été testée directement en laboratoire.
L’inspiration de Barontini est venue en regardant son fils jouer avec des jouets de construction. « Je pensais que c’était quelque chose de très similaire à ce que nous faisons dans nos laboratoires », a-t-il déclaré à Live Science. « Nous jouons avec des jouets très chers. Nous créons nos propres petits échantillons de réalité. »
Dans son laboratoire, cet échantillon est un Condensat de Bose-Einstein – un état de la matière qui ne se forme qu’à un niveau proche du zéro absolu. Dans un condensat de Bose-Einstein, des milliers d’atomes ralentissent jusqu’à s’arrêter et se confondent en un seul objet quantique, se comportant comme un seul.
Le côté obscur du temps
Pour imiter un univers sans rien à l’extérieur, Barontini a placé le condensat dans un piège et l’a divisé en deux avec une fine feuille de lumière laser. Il a observé la moitié, le « secteur lumineux », et a délibérément ignoré l’autre moitié, qu’il a appelé le « secteur sombre ».
Les atomes du secteur brillant se balançaient d’avant en arrière dans le piège, se déversant périodiquement par-dessus la barrière et vice-versa. Barontini a appelé les moments où les atomes ont envahi le secteur brillant le « Big Bang » et les moments où ils ont vidé le « Big Crunch » (le surnom d’une théorie de comment l’univers finiraavec l’univers s’effondrant sur lui-même). Ensuite, il a suivi comment l’entropie – une mesure du désordre ou la répartition de l’énergie au sein d’un système – était échangée entre les deux moitiés lorsque les atomes franchissaient la barrière.
Au lieu d’utiliser le temps de laboratoire pour ordonner les événements, il a construit un « temps entropique » – une horloge entièrement définie par la quantité d’entropie circulant entre les deux moitiés du système. Si l’entropie circulait, le temps passait. Si aucune entropie n’était échangée, le temps s’arrêtait. « L’échange d’entropie entre les deux systèmes pourrait être transformé en une variable temporelle interne », a déclaré Barontini.
Le temps s’accélère, ralentit et s’arrête
Ce qui a le plus surpris Barontini, c’est la façon dont tout s’emboîte parfaitement. Le temps interne et entropique ordonnait de manière fiable les événements dans le secteur lumineux. Cela correspondait à la séquence observée en laboratoire, mais il s’écoulait à un rythme différent.
Lorsque l’entropie inondait les secteurs, le temps entropique s’écoulait rapidement. Lorsque les échanges ralentissaient, l’horloge aussi. Et lorsque les deux moitiés ont atteint l’équilibre (plus d’entropie circulant), l’horloge interne s’est complètement arrêtée.
Le temps et la flèche du temps – peut-être sont-ils simplement nés de l’ignorance.
Giovanni Barontini, physicien expérimental à l’Université de Birmingham
« Le temps s’accélérait ou ralentissait, voire s’arrêtait, selon ce que faisait le système », a déclaré Barontini.
Il est ensuite allé plus loin : en utilisant ce temps interne, il a dérivé une version du équation de Schrödinger et a montré qu’il reproduisait fidèlement ce qu’il avait vu dans l’expérience. « C’était assez surprenant de voir à quel point tout s’est bien déroulé », a-t-il déclaré – « très proprement, d’une certaine manière, ce qui n’arrive pas si souvent dans les expériences. »
Le temps lui-même et la flèche du temps – pourquoi le temps s’écoule dans un sens plutôt que dans l’autre – peuvent provenir de la même source : un observateur abandonnant une information. Lorsque Barontini a choisi de ne pas s’intéresser au secteur obscur, il a renoncé à connaître cette moitié du système. Cet acte d’ignorance, codé dans l’entropie, est ce qui a donné naissance au temps dans l’autre moitié.
« Le temps et la flèche du temps – peut-être sont-ils simplement nés de l’ignorance », a déclaré Barontini. « Pour avoir le temps et observer, il faut renoncer à certains degrés de liberté. »
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Barontini considère que ce n’est qu’un début. Le même kit d’outils d’atomes froids qui a généré un Big Bang et un Big Crunch miniatures dans son piège pourrait, en principe, être conçu pour simuler des phénomènes bien plus exotiques, tels que les analogues des trous noirs, les conditions de l’univers primitif et ce qui se passera au moment du Big Crunch lui-même.
« Ce sont des choses que nous pouvons faire très simplement, en utilisant les outils dont nous disposons déjà pour concevoir nos systèmes », a-t-il déclaré.
L’étude est une preuve de concept : une première démonstration que les systèmes quantiques contrôlés peuvent servir de banc d’essai pour certains questions sans réponse en physique. Pour l’instant, ces questions restent ouvertes.
