Et si le temps n’était pas une partie fondamentale de l’univers, mais quelque chose qui émergeait des changements qui s’y produisent ? Un physicien de l’Université de Birmingham a créé en laboratoire un univers miniature qui offre une nouvelle manière surprenante d’étudier cette possibilité.
En utilisant des milliers d’atomes refroidis à des températures à peine supérieures au zéro absolu, le professeur Giovanni Barontini a démontré que le passage du temps peut être mesuré sans recourir à une horloge externe. Au lieu de cela, une forme de temps émerge naturellement du comportement des particules au sein du système expérimental.
Les résultats, publiés dans Recherche sur l’examen physiquefournissent des preuves expérimentales d’une idée intrigante en physique théorique : le temps n’est peut-être pas un ingrédient essentiel de la réalité. Cela pourrait résulter des relations et des changements qui se produisent au sein de l’univers lui-même.
Pourquoi certains physiciens pensent que le temps n’est peut-être pas fondamental
Nous considérons généralement le temps comme quelque chose qui avance continuellement, indépendamment de ce qui se passe autour de nous. Les secondes passent, les planètes tournent autour des étoiles et l’univers évolue. Mais certaines théories physiques suggèrent que le temps peut fonctionner de manière très différente au niveau le plus fondamental.
Un exemple est l’équation de Wheeler-DeWitt, qui apparaît dans les tentatives de combiner la mécanique quantique et la gravité. Dans ce cadre, l’univers peut être décrit comme un état quantique unique et immuable, sans horloge externe marquant le passage du temps. Les particules quantiques peuvent présenter à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires, mais l’univers dans son ensemble n’a pas nécessairement de variable temporelle intégrée.
Cela crée un casse-tête majeur. Si l’univers n’a pas d’horloge externe, comment quelque chose peut-il se produire dans un ordre particulier ? Qu’est-ce qui détermine quels événements surviennent en premier et lesquels se produisent ensuite ?
Une possibilité est que le temps émerge des relations changeantes entre les différentes parties de l’univers. Barontini a conçu une expérience pour déterminer si un tel processus pouvait être observé en laboratoire.
Créer un univers miniature avec 24 000 atomes
Pour construire son cosmos miniature, Barontini a utilisé un nuage d’environ 24 000 atomes refroidis à seulement quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. À ces températures extraordinairement basses, les effets quantiques deviennent particulièrement importants, permettant aux chercheurs d’étudier des comportements normalement difficiles à observer.
Les atomes étaient confinés dans un système quantique soigneusement contrôlé, conçu pour rester isolé de son environnement. Deux faisceaux laser fonctionnant à des fréquences différentes ont créé une fine barrière qui a divisé le système en deux régions : une région observée (« lumineuse ») et une région non observée (« sombre »).
Même si le système global était isolé du monde extérieur, les atomes pouvaient se déplacer entre ces deux régions.
La région lumineuse a subi des cycles répétés d’expansion et de contraction, ressemblant à des versions simplifiées de deux événements cosmologiques dramatiques. L’expansion était analogue au Big Bang, tandis que la contraction ressemblait à un Big Crunch, un destin hypothétique de l’univers dans lequel l’expansion cosmique finirait par s’inverser et tout s’effondrerait vers l’intérieur.
L’expérience n’a pas recréé ces événements cosmiques réels. Au lieu de cela, il fournissait un modèle quantique simplifié dans lequel les chercheurs pouvaient étudier comment une séquence d’événements pouvait être reconstruite sans se référer à une horloge extérieure au système.
Comment le temps est apparu sans horloge
La clé de l’expérience était l’entropie, un concept physique associé à la propagation ou au désordre (entropie) des particules et de l’énergie.
Plutôt que d’utiliser les secondes ou les minutes, Barontini a développé un moyen de suivre le temps en fonction des changements dans la répartition des atomes dans l’univers miniature.
À mesure que les atomes se déplaçaient entre les régions claires et sombres, la répartition des particules dans la région claire changeait. Ces changements ont permis de définir la progression du système dans le temps, même lorsque la région lumineuse alternait entre expansion et contraction.
Lorsque la distribution des particules augmentait ou diminuait, le système continuait d’avancer selon cette mesure interne du temps. Lorsque la répartition restait inchangée, la progression de cette forme particulière de temps s’arrêtait effectivement.
Surtout, cela ne signifie pas que le temps s’est littéralement arrêté dans le laboratoire. Cela signifiait que la mesure interne du temps cessait d’avancer lorsque les changements pertinents dans le système disparaissaient.
Barontini a appelé ce concept « temps entropique ». L’expérience a montré que cette forme de temps possède plusieurs propriétés importantes. Il se déplace constamment dans une direction, établissant ce que les physiciens appellent la « flèche du temps », la distinction entre le passé et le futur. Il place également les événements dans le bon ordre, même si l’univers miniature s’étend et se contracte.
Le plus surprenant peut-être est que le temps entropique n’avance pas toujours au même rythme. Sa progression peut s’accélérer ou ralentir en fonction de l’évolution de l’entropie au sein du système.
Un nouvel indice sur l’un des plus grands mystères de la physique
Le professeur Barontini a déclaré : « Dans certaines théories de l’univers, en particulier la gravité quantique, le temps n’apparaît pas comme une caractéristique intégrée. Pourtant, dans la vie quotidienne, le temps s’écoule du passé vers le futur – pourquoi en est-il ainsi, alors que la plupart des lois fondamentales de la physique fonctionnent de la même manière en avant et en arrière ?
“Cette étude fournit la première preuve expérimentale contrôlée que le “temps” peut être défini par des changements au sein d’un système plutôt que par une “horloge à retardement” externe que nous considérons comme le temps. Elle offre un nouvel aperçu de la nature du temps dans la gravité quantique qui pourrait être utilisé pour décrire la dynamique tout aussi efficacement que le temps conventionnel. “
La distinction entre le temps quotidien et les lois physiques sous-jacentes est particulièrement importante. De nombreuses équations physiques fondamentales fonctionnent aussi bien que le temps soit mathématiquement inversé ou autorisé à avancer. Pourtant, notre expérience du monde a une direction claire : nous nous souvenons du passé, pas du futur, et les événements se déroulent selon une séquence reconnaissable.
L’entropie a longtemps joué un rôle central dans l’explication de cette différence. L’expérience de Barontini va plus loin en démontrant comment les changements d’entropie peuvent fournir une mesure opérationnelle du temps à l’intérieur d’un système quantique contrôlé.
Les résultats vont également au-delà de la simple organisation des événements dans le bon ordre.
Barontini a démontré qu’une version de l’équation de Schrödinger, l’une des équations fondamentales de la mécanique quantique (Schrödinger), peut être exprimée en utilisant le temps entropique. Cette équation décrit l’évolution de l’état quantique d’un système, y compris les changements dans la probabilité de trouver des particules dans des emplacements ou des états particuliers.
En d’autres termes, la mesure du temps générée en interne pourrait toujours être utilisée pour faire des prédictions sur le comportement du système quantique, tout comme le temps conventionnel est utilisé dans la mécanique quantique standard.
Un petit univers pourrait-il aider à expliquer le Big Bang ?
Pendant des décennies, les questions sur l’origine et la nature fondamentale du temps ont largement appartenu à la physique théorique, en particulier à la cosmologie quantique et à la gravité quantique. Ces domaines tentent de comprendre comment l’univers se comporte lorsque les effets quantiques et la gravité doivent être considérés ensemble, y compris dans les conditions extrêmes associées au cosmos primitif.
L’expérience de Barontini offre un moyen d’étudier certaines de ces idées en utilisant des systèmes physiques que les scientifiques peuvent créer, manipuler et observer.
L’univers miniature a continué d’obéir aux équations établies de la physique quantique tout en offrant une manière différente de décrire son évolution. Cela en fait un terrain d’essai potentiellement précieux pour les théories dans lesquelles le temps n’est pas supposé exister indépendamment du système étudié.
De futures expériences pourraient étendre cette approche à des systèmes quantiques plus complexes, permettant aux chercheurs d’explorer plus en détail les modèles du Big Bang et du Big Crunch. Des techniques similaires pourraient éventuellement aider à simuler certains aspects des trous noirs ou à distinguer des explications concurrentes sur la façon dont le temps émerge.
L’expérience n’établit pas que le temps est une illusion ni ne prouve que notre univers manque de temps fondamental. Au lieu de cela, cela démontre quelque chose qui était auparavant difficile à tester : un système quantique peut posséder une mesure interne significative du temps sans dépendre d’une horloge externe.
En créant un univers miniature à partir de seulement 24 000 atomes, les chercheurs ont acquis un nouvel outil expérimental pour étudier une question qui interpelle les physiciens et les philosophes depuis des siècles : qu’est-ce qui fait que le temps s’écoule ?
