La physique plonge le temps dans une crise d'identité quantique

À l'intérieur d'une chambre à vide au National Institute of Standards and Technology dans le Colorado, un unique ion d'aluminium est suspendu dans un piège magnétique, frissonnant à des températures ne dépassant le zéro absolu que d'une fraction de degré. À toutes fins utiles, il s'agit de l'atome le plus ennuyé de l'univers. Mais cette infime poussière de matière glacée est actuellement au centre d'un carambolage conceptuel qui pourrait bien démanteler tout ce que nous pensions savoir sur le cours régulier de l'après-midi.

Pendant des décennies, on nous a répété que le temps est un fleuve. Einstein a modifié cette vision, suggérant que le fleuve coule à des vitesses différentes selon la célérité avec laquelle vous ramez ou votre proximité avec une chute d'eau. Mais une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters suggère que le fleuve n'est pas seulement variable : il est défaillant. Selon une équipe dirigée par Igor Pikovski au Stevens Institute of Technology, le temps peut réellement exister dans un état de superposition. Cela signifie, littéralement, qu'une même horloge peut avancer plus vite et plus lentement en même temps.

Il ne s'agit pas ici d'une simple gymnastique mathématique. C'est un défi fondamental à notre perception de la réalité. Si vous avez déjà eu l'impression qu'un lundi traînait en longueur tandis qu'un samedi s'évanouissait en un clin d'œil, vous étiez victime d'une illusion psychologique. Ce dont parlent Pikovski et ses collègues, c'est d'une réalité physique où l'univers lui-même n'a pas encore décidé quel âge vous avez. C'est le « paradoxe des jumeaux » sous l'effet d'un cocktail de mécanique quantique, et la technologie nécessaire pour le prouver est enfin disponible sur une paillasse de laboratoire.

Le spectre du paradoxe des jumeaux

Pour comprendre pourquoi cela met les physiciens à rude épreuve, il faut se pencher sur les anciennes règles. La relativité restreinte d'Einstein nous a légué le paradoxe des jumeaux : envoyez un jumeau dans une fusée à une vitesse proche de celle de la lumière, et à son retour, il sera plus jeune que celui resté sur Terre. Le temps s'est dilaté. Il s'est étiré. C'est un fait prouvé, utilisé quotidiennement pour éviter que les satellites GPS ne s'écartent de plusieurs kilomètres de leur trajectoire. Mais dans le monde d'Einstein, le jumeau a toujours un âge précis. Il a soit 25 ans, soit 30 ans. Il n'est pas les deux à la fois.

La mécanique quantique, l'adolescente rebelle de la physique, n'est pas d'accord. Dans le monde quantique, les choses n'aiment pas être confinées à un seul état. Les particules peuvent être à deux endroits à la fois — un état appelé superposition — jusqu'à ce que quelqu'un les observe. L'équipe de Pikovski a réalisé que si une horloge est suffisamment petite et régie par les lois quantiques, elle entre elle-même en superposition de mouvement. Et comme le mouvement dicte l'écoulement du temps, le « temps propre » de l'horloge entre lui aussi en superposition.

C'est comme avoir une montre qui affiche simultanément 12h00 et 12h05, et où les deux indications sont techniquement correctes. Nous ne parlons pas d'une montre cassée ; nous parlons d'un univers qui n'a pas encore fait son choix. Pendant des années, cela restait une hypothèse théorique reléguée au fond des carnets. Le problème était que la différence temporelle est si infime — mesurée en attosecondes, soit des quintillionièmes de seconde — qu'aucune construction humaine ne pouvait l'observer. Jusqu'à aujourd'hui.

Presser le vide pour obtenir des réponses

Cette avancée provient d'une technique qui semble tout droit sortie d'un film de science-fiction : le « squeezing » quantique. En laboratoire, les chercheurs ne se contentent pas d'observer l'atome ; ils manipulent le vide même qui l'entoure. En « pressant » l'incertitude d'un système, ils peuvent rendre une mesure incroyablement précise au prix d'une imprécision totale sur une autre. C'est un compromis dicté par le principe d'incertitude d'Heisenberg, mais si l'opération est bien menée, il est possible d'amplifier les signaux infimes et tremblants du temps quantique.

Gabriel Sorci, doctorant travaillant sur le projet, souligne que ces horloges atomiques sont désormais si sensibles qu'elles peuvent détecter les effets altérant le temps des vibrations thermiques à des températures qui tueraient un être humain en quelques secondes. Mais même en éliminant la chaleur jusqu'au zéro absolu, l'horloge ne battrait toujours pas parfaitement. Les fluctuations quantiques de l'univers lui-même — le « bruit » de la réalité — continueraient de perturber l'horloge. En utilisant des états comprimés, l'équipe peut lier le mouvement de l'horloge à son tic-tac, créant ainsi une intrication entre le temps et la matière.

Cette intrication est la preuve irréfutable. Si les chercheurs peuvent démontrer que l'état interne de l'horloge (son « tic-tac ») est intrinsèquement lié à son mouvement quantique (son « frisson »), ils auront prouvé que le temps n'est pas une scène de fond sur laquelle l'univers se donne en spectacle. Au contraire, le temps est un acteur du jeu, soumis aux mêmes règles floues et incertaines que les électrons et les photons. C'est une prise de conscience déconcertante qui complique notre vision nette et linéaire de l'existence.

Pourquoi la seconde est sur le point d'être redéfinie

Mais à mesure que nous atteignons ce niveau de précision, nous nous heurtons à un mur. Si le temps lui-même est fondamentalement quantique et « flou » à ces échelles, comment définir une seconde universelle ? Si une horloge peut avancer à deux vitesses à la fois, laquelle fait foi officiellement ? Ce n'est pas seulement un casse-tête pour le Bureau international des poids et mesures ; c'est le signe que nos outils classiques atteignent leurs limites. Nous essayons de mesurer une réalité défaillante avec une règle qui suppose que tout est solide.

La quête d'une horloge plus précise se transforme involontairement en une quête sur la nature réelle de la réalité. Les physiciens ne sont plus seulement des horlogers ; ils construisent des sondes. Ces horloges deviennent des capteurs de l'invisible, capables de détecter la matière noire ou les ondulations d'ondes gravitationnelles venant des confins du cosmos. Mais le plus stupéfiant serait qu'elles détectent que le temps n'existe pas tel que nous le concevons.

Le temps est-il une illusion collective massive ?

Il existe un débat croissant et quelque peu inconfortable dans la communauté scientifique sur la nature « émergente » du temps. L'idée est qu'au niveau le plus fondamental, le temps n'existe pas du tout. Il ne serait qu'une propriété apparaissant lorsque de nombreux éléments quantiques s'enchevêtrent, un peu comme la « température » qui n'a pas de sens pour un seul atome, mais qui est une réalité tangible pour une casserole d'eau bouillante. Si le temps est émergent, alors l'expérience de superposition de Pikovski est le premier pas pour voir derrière le rideau.

Si nous découvrons que le temps peut être dans deux états à la fois, cela suggère que l'espace-temps lisse et continu d'Einstein n'est qu'une approximation pratique. C'est la version basse résolution d'une réalité bien plus étrange et granulaire. C'est le Saint Graal de la physique moderne : le pont entre la relativité générale (les grandes structures) et la mécanique quantique (l'infiniment petit). Nous passons un siècle à essayer de réconcilier les deux, et le temps pourrait être l'anneau qui les unit.

Einstein demandait, célèbrement, si la Lune était toujours là quand personne ne la regardait. Il détestait l'idée que la réalité puisse dépendre de l'observateur. Mais si le temps lui-même peut être dans un état de superposition « quand personne ne regarde », alors la Lune n'est pas seulement là : elle existe dans une superposition d'âges différents, attendant qu'une mesure la fige dans une ligne temporelle unique. C'est une pensée qui rend le monde rigide et chronométré du travail de neuf à cinq remarquablement fragile.

Le laboratoire est la nouvelle frontière

Le plus passionnant, ce n'est pas la philosophie, c'est le fait que tout cela est en train de se produire réellement. Ce n'est pas une théorie nécessitant un accélérateur de particules de la taille du système solaire. Il suffit des pièges à ions et des lasers déjà présents dans les laboratoires du Colorado et d'Allemagne. Nous sommes arrivés au point où le matériel a rattrapé l'imagination. Les groupes expérimentaux de la Colorado State University et du NIST tracent déjà la voie pour observer ces effets pour la toute première fois.

Nous entrons dans une ère où la « précision de l'horloge » ne consiste plus à s'assurer que votre train est à l'heure. Il s'agit de sonder la friction entre deux versions de l'univers. L'une est celle d'Einstein, où tout est relatif mais certain. L'autre est la version quantique, où tout est possible mais rien n'est fixé. En forçant un seul atome à vivre dans les deux mondes, nous demandons enfin au temps ce qu'il est vraiment lorsqu'il n'est pas observé.

Lorsque ces expériences donneront leurs premiers résultats, elles ne seront pas qu'une simple note de bas de page dans une revue de physique. Elles seront le signal que la « flèche du temps » est davantage une suggestion qu'une règle. Nous pourrions découvrir que l'univers est bien moins stable, et bien plus intéressant, que le tic-tac d'une horloge ne nous le laisse croire. Pour celui qui fait défiler son écran dans le bus, la leçon est simple : la prochaine fois que vous aurez l'impression que la journée ne finit jamais, vous pourriez avoir littéralement raison. Vous attendez simplement que l'univers décide à quelle vitesse il souhaite avancer.