Une nouvelle expérience offre un banc d’essai puissant pour les idées en cosmologie quantique et en gravité – les théories relatives à l’univers primordial peuvent désormais être testées en laboratoire.
Un scientifique de l’Université de Birmingham a construit un « mini-univers » qui franchit une étape vers la réponse à l’une des plus grandes questions de la science : « qu’est-ce que le temps ? »
Publiant ses résultats aujourd’hui dans Physical Review Research, le professeur Giovanni Barontini montre comment il est possible de mesurer l’écoulement du temps sans utiliser d’horloge du tout. Les nouveaux résultats fournissent un modèle scientifique où une version du temps émerge de l’ expérience elle-même.
Certaines théories de la physique, comme l’équation de Wheeler-DeWitt, suggèrent qu’à son niveau le plus profond, l’univers n’a pas de temps intégré, mais existe comme un seul état quantique immuable où les particules exhibent à la fois des propriétés ondulatoires et corpusculaires. Il traite l’univers comme un tout avec aucune horloge externe, et toute notion de temps doit émerger des relations internes entre les parties.
Le professeur Barontini a utilisé un nuage de 24 000 atomes ultrafroids – juste quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu – pour créer un système quantique hermétiquement scellé qui imite un « univers » simple. Les particules étaient piégées et divisées avec une fine barrière formée par deux faisceaux laser de fréquences différentes pour créer une région observée (« brillante ») et une région non observée (« sombre »).
Le secteur « brillant » se dilate et s’effondre de manière répétée, connaissant quelque chose comme un Big Bang et un Big Crunch – un scénario hypothétique où l’expansion du cosmos finit par s’inverser. L’expérience permet de reconstruire la séquence des événements depuis l’intérieur du mini-univers lui-même, sans aucune référence à une horloge de laboratoire externe.
L’expérience a démontré que le temps pouvait émerger des changements se produisant à l’intérieur d’un système quantique, plutôt que d’exister comme quelque chose d’externe qui tourne indépendamment.
En utilisant le « mini-univers », il a été démontré que le « temps » pouvait être créé à partir du désordre ou de l’étalement (entropie) des atomes et de la façon dont ils se comportaient dans un système. Les atomes pouvaient se déplacer entre les régions « brillante » et « sombre », mais le système était autrement isolé du monde extérieur.
Lorsque l’étalement des particules dans le secteur brillant augmentait ou diminuait à mesure que les atomes entraient ou sortaient, le système « avançait dans le temps ». Lorsque cette distribution d’atomes ne changeait pas, le temps s’arrêtait effectivement. Le professeur Barontini a appelé ce processus « temps entropique », après avoir constaté que cette version du temps :
- « S’écoule dans une direction cohérente, donnant une claire « flèche du temps » »
- « Ordonne correctement les événements, même dans un système en expansion et contraction comme un mini-cosmos »
- « S’accélère ou ralentit selon la façon dont l’entropie se déplace »
Le professeur Barontini a déclaré : « Dans certaines théories de l’univers, surtout la gravité quantique, le temps n’apparaît pas comme une caractéristique intégrée. Pourtant, dans la vie de tous les jours, 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 dans les deux sens ?
« Cette étude fournit la première preuve expérimentale contrôlée que le « temps » peut être défini par des changements au sein d’un système plutôt que comme l’« horloge qui tourne » externe que nous considérons comme le temps. Elle offre un nouvel aperçu de la nature du temps en gravité quantique qui pourrait être utilisé pour décrire la dynamique aussi efficacement que le temps conventionnel. »
L’étude démontre également qu’une version de l’équation principale de la mécanique quantique (Schrödinger) peut toujours être écrite en utilisant le temps entropique – permettant de prédire comment le « nuage de probabilité » d’un système quantique changera au fil du temps.
L’expérience répond à une question de longue date en physique – dans certaines théories de l’univers, il n’y a pas d’horloge intégrée, alors comment dire ce qui vient « avant » et « après » sans temps externe ?
Le professeur Barontini a montré que le système suit les équations standard de la physique quantique et démontre que des questions profondes sur la nature du temps – généralement discutées uniquement dans les théories sur l’univers dans son ensemble – peuvent être testées dans des expériences de laboratoire contrôlées.
L’expérience offre un banc d’essai puissant pour les idées en cosmologie quantique et en gravité, ce qui signifie que les idées relatives à l’univers primordial peuvent désormais être testées expérimentalement en laboratoire.
L’approche pourrait être étendue à des systèmes plus complexes, permettant potentiellement aux chercheurs de sonder la physique du Big Bang et du « Big Crunch ». Elle pourrait également être utilisée pour simuler des trous noirs en laboratoire ou tester des théories concurrentes sur la façon dont le temps émerge dans l’univers.
Article : Testing the problem of time with cold atoms – Journal : Physical Review Research – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Birmingham U.
