Un mini-univers de 24 000 atomes révèle que le temps n'a pas besoin d'horloge — voici comment

Cette expérience, publiée cette semaine dans Physical Review Research, s'attaque à une énigme qui tourmente les fondements de la physique depuis des décennies. Dans les théories de la gravité quantique, le temps n'apparaît pas comme une caractéristique intrinsèque de la réalité. Pourtant, nous percevons une flèche claire allant du passé vers le futur. L'équipe de Birmingham, dirigée par le professeur Giovanni Barontini, a cherché à tester si le temps pouvait émerger purement du changement — plus précisément, de la manière dont les particules se diffusent dans un système, un concept connu sous le nom de temps entropique. Leur réponse, gravée dans une danse de mille cycles d'atomes ultrafroids, est un « oui » prudent.

Forger un mini-univers de 24 000 atomes dans un laboratoire de Birmingham

Le groupe de Barontini a confiné des atomes de rubidium dans un piège optique, en les refroidissant jusqu'à ce que le comportement quantique devienne prédominant. Deux faisceaux laser ont creusé une fine paroi à travers le nuage, créant une région « brillante » que les chercheurs pouvaient observer directement et un secteur « sombre » invisible. Le côté brillant s'étendait et se contractait périodiquement, mimant la cosmologie cyclique d'un univers qui inverserait son expansion. Comme le système entier était isolé de l'environnement extérieur, le seul moyen de reconstruire une chronologie des événements était de l'inférer à partir de la distribution des atomes à l'intérieur.

Les chercheurs ont délibérément choisi 24 000 atomes. En deçà, le signal statistique issu des changements d'entropie aurait été trop bruité. Au-delà, la charge de calcul serait devenue ingérable. À cette échelle, le nuage se comportait comme un univers simplifié, assez grand pour présenter une irréversibilité thermodynamique, mais assez petit pour être simulé sur un ordinateur classique. Chaque cycle durait environ un dixième de seconde, et l'équipe a suivi des centaines de cycles pour établir que le temps entropique qu'ils avaient défini ne dérivait pas simplement — il progressait de manière fiable et unidirectionnelle, même lorsque la région brillante se contractait.

Temps entropique : comment le mini-univers de 24 000 atomes génère sa propre horloge

L'idée derrière le temps entropique est d'une simplicité désarmante : si rien ne change, le temps ne s'écoule pas. Les chercheurs ont lié le passage du temps aux variations de l'entropie de Shannon du système, une mesure de la dispersion des atomes. Lorsque les régions brillante et sombre échangeaient des particules, l'entropie variait et, selon leur formulation, le temps avançait. Lorsque la distribution des atomes atteignait un état stable, le temps s'arrêtait — même si la fonction d'onde quantique sous-jacente continuait d'évoluer d'une manière qui, selon le temps conventionnel, paraîtrait dynamique.

L'équipe de Barontini a observé que ce temps entropique pointait toujours vers l'avant, même durant la phase de contraction qui, dans un cosmos réel, représenterait un Big Crunch. Il ne s'est jamais inversé, bien que la physique sous-jacente fût symétrique par rapport au temps. « Dans certaines théories de l'univers, en particulier la gravité quantique, le temps n'apparaît pas comme une caractéristique intrinsèque », a déclaré Barontini. « 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 dans un sens comme dans l'autre ? » L'expérience suggère une réponse : la flèche émerge de la seule croissance de l'entropie, et non d'une horloge fondamentale.

De plus, le rythme du temps entropique pouvait s'accélérer ou ralentir en fonction de la vitesse de variation de l'entropie. Lors d'une expansion rapide, quand les atomes passaient de la région brillante à la région sombre, le temps entropique s'écoulait plus vite. Lors des contractions lentes, il ralentissait. Il ne s'agit pas d'un simple tour de passe-passe philosophique. L'équipe a réécrit l'équation de Schrödinger — l'équation centrale de la mécanique quantique — en utilisant le temps entropique comme paramètre d'évolution. Ils ont découvert que l'évolution de la distribution de probabilité du nuage atomique restait cohérente avec les prédictions quantiques standard, avec simplement un paramètre temporel défini par le désordre plutôt que par un chronomètre de laboratoire.

Ce qu'un mini-univers de 24 000 atomes signifie pour la gravité quantique

Ces travaux ouvrent une fenêtre expérimentale rare sur des idées qui se limitaient jusqu'ici à des calculs théoriques. Les théories de la gravité quantique se heurtent souvent au temps, car la relativité générale le traite comme dynamique, tandis que la mécanique quantique exige une horloge de fond fixe. Si le temps peut émerger de l'entropie dans un environnement de laboratoire contrôlé, cela donne du crédit aux modèles dans lesquels la flèche du temps de l'univers primitif n'a pas surgi d'une horloge primordiale, mais de l'augmentation rapide de l'entropie après le Big Bang.

Le dispositif de Barontini n'est pas le premier à explorer le temps entropique, mais il est parmi les premiers à le démontrer dans un système quantique à plusieurs corps pouvant être surveillé cycle après cycle. Les propositions précédentes reposaient sur des expériences de pensée abstraites ou des observations cosmologiques impossibles à reproduire. Ici, l'équipe a pu réinitialiser le système et observer la flèche réapparaître, pointant toujours vers l'avant. « Cela offre un nouvel éclairage sur la nature du temps dans la gravité quantique », a déclaré Barontini. « Cela pourrait être utilisé pour décrire la dynamique tout aussi efficacement que le temps conventionnel. »

La plateforme fait également le pont entre deux communautés qui interagissent rarement : les expérimentateurs en atomes froids et les théoriciens de la gravité quantique. La technologie de piège optique qui alimente les meilleures horloges atomiques pourrait désormais être réutilisée pour sonder la nature même du temps. Il ne s'agit pas ici de construire une meilleure horloge, mais de se demander si les horloges sont réellement nécessaires.

Des tableaux noirs aux paillasses de laboratoire : tester l'intestable

Pendant des décennies, les questions sur l'émergence du temps sont restées dans le domaine de la physique théorique. L'expérience de Birmingham montre qu'au moins une partie de ces questions est désormais abordable expérimentalement. En ajustant la barrière laser ou le nombre d'atomes, les chercheurs pourraient simuler différents scénarios cosmologiques, des expansions accélérées aux états finaux de type « mort thermique ». Barontini a suggéré que la plateforme pourrait éventuellement être utilisée pour étudier des analogues de trous noirs ou pour simuler les conditions de l'univers primitif, où les effets quantiques et gravitationnels coexistent.

Bien sûr, un gaz de 24 000 atomes est loin d'être un univers réel. Le système n'est pas relativiste et la gravité n'y joue aucun rôle. Le temps entropique défini ici est un paramètre effectif, pas un champ fondamental. Les critiques pourraient arguer que l'expérience substitue simplement une définition opérationnelle du temps à une autre, sans prouver que le temps est véritablement émergent. Mais l'équipe de Birmingham n'a jamais prétendu avoir clos le débat ; ils ont démontré que, si l'on accepte l'entropie comme horloge, la mécanique quantique reste cohérente et la flèche du temps persiste. C'est une condition nécessaire — mais non suffisante — pour que le temps entropique soit physiquement significatif.

Un univers de laboratoire sans horloge maîtresse

L'implication plus large est que le temps pourrait ne pas être aussi fondamental que nous le supposons. Dans la vie quotidienne, nous comptons sur des horloges — fontaines à césium, oscillateurs à quartz, rotation de la Terre — pour synchroniser les événements. Mais au niveau le plus profond, l'univers pourrait ne pas être doté d'un métronome intégré. L'expérience d'un présent qui s'écoule pourrait être une illusion macroscopique issue de l'augmentation incessante du désordre. Tandis que les atomes se déplaçaient entre les régions brillante et sombre dans la chambre de Barontini, ils ne mesuraient pas le temps ; ils le généraient.

L'expérience survient à un moment curieux pour la physique fondamentale en Europe. Les études pour le futur collisionneur circulaire (FCC) du CERN se disputent des milliards, tandis que les laboratoires nationaux luttent pour maintenir leurs plateformes d'atomes ultrafroids. Le travail de Barontini, financé par des bourses de recherche britanniques standard, a coûté une fraction du prix d'une expérience de grand collisionneur, mais touche à des questions tout aussi profondes. Cela nous rappelle que les énigmes les plus profondes tiennent parfois sur une table optique.

L'équipe prévoit de sonder des systèmes plus complexes, notamment ceux présentant de l'intrication, pour voir si le temps entropique résiste à l'étrangeté totale de la mécanique quantique. Si c'est le cas, la notion d'horloge universelle pourrait lentement s'effacer des lois de la physique — remplacée, peut-être, par rien de plus que la diffusion irréversible des atomes.

Pour l'instant, les 24 000 atomes du piège de Birmingham ont accompli quelque chose de discrètement remarquable : ils ont montré qu'un univers peut fonctionner sur le seul changement. Aucune horloge n'est requise. Mais la question de savoir si ce temps entropique peut finalement détrôner le temps conventionnel utilisé dans tous les manuels de physique reste ouverte. Les atomes ont présenté leurs arguments. Le reste appartient aux théoriciens — et, comme toujours, au prochain cycle de financement.

Sources

• Physical Review Research (article de recherche sur le temps entropique dans un système quantique de 24 000 atomes)
• Documents de presse de l'Université de Birmingham
• Multimédia EurekAlert (images du piège à rubidium ultrafroid)