Un physicien crée un « mini-univers » en laboratoire, apportant un pas de plus vers la compréhension du temps
Un physicien de l’Université de Birmingham a développé un « mini-univers » en laboratoire, permettant aux scientifiques d’approcher l’une des questions les plus fondamentales de la physique : qu’est-ce que le temps ? Dans une étude publiée dans Physical Review Research, le professeur Giovanni Barontini démontre qu’il est possible de mer le passage du temps sans dépendre d’une horloge. L’expérience révèle qu’une version du temps peut émerger naturellement du comportement d’un système quantique.
Plusieurs théories de la physique moderne suggèrent que le temps pourrait ne pas exister comme une caractéristique intrinsèque de l’univers. Par exemple, l’équation de Wheeler-DeWitt décrit l’univers comme un état quantique unique sans horloge externe. Dans ce cadre, les particules affichent à la fois un comportement d’onde et de particule, et le flux familier du temps doit émerger des relations entre différentes parties du système plutôt que d’une horloge indépendante.
Pour explorer cette idée expérimentalement, le professeur Barontini a créé un « univers » quantique simplifié en utilisant un nuage de 24 000 atomes ultrafroids, refroidis à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Les atomes étaient enfermés dans un système isolé et séparés par une fine barrière créée par deux faisceaux laser de fréquences différentes, produisant ainsi deux régions : une région observée (« lumineuse ») et une région non observée (« sombre »).
Dans ce mini-univers, la région lumineuse se dilatait et se contractait de manière répétée, ressemblant à une version simplifiée d’un Big Bang suivi d’un Big Crunch, un événement hypothétique où l’expansion de l’univers finit par s’inverser. Étant donné que le système était complètement isolé, les chercheurs ont pu reconstruire la séquence des événements en utilisant uniquement les informations provenant de l’intérieur du mini-univers, sans se référer à une horloge extérieure.
Les résultats ont montré que le temps pouvait émerger des changements au sein du système quantique, plutôt que d’exister comme un fond indépendant qui avance toujours. L’expérience a révélé que le « temps » est né de changements dans le désordre, ou l’entropie, des atomes en mouvement entre les régions lumineuse et sombre. Lorsque la distribution des particules dans la région lumineuse augmentait ou diminuait, le système avançait effectivement dans le temps. Lorsque la distribution des particules cessait de changer, le temps lui-même s’arrêtait.
Le professeur Barontini qualifie ce concept de « temps entropique ». Dans l’expérience, ce type de temps présente plusieurs caractéristiques : il s’écoule dans une direction cohérente, produisant une « flèche du temps » claire ; il ordonne correctement les événements, même lorsque le mini-univers se dilate et se contracte ; et il peut s’accélérer ou ralentir en fonction de la redistribution de l’entropie.
Cette étude fournit la première preuve expérimentale contrôlée que le « temps » peut être défini par des changements internes à un système, plutôt que par l’horloge externe que nous considérons habituellement. Elle offre de nouvelles perspectives sur la nature du temps dans le cadre de la gravité quantique, et pourrait être utilisée pour décrire des dynamiques aussi efficacement que le temps conventionnel.
Les chercheurs ont également découvert qu’une version de l’équation de Schrödinger, l’équation fondamentale de la mécanique quantique, peut être exprimée en utilisant le temps entropique. Cela signifie que les scientifiques peuvent toujours prédire comment le « nuage de probabilité » d’un système quantique évolue dans le temps, même lorsque le temps est défini par des changements internes plutôt que par une horloge externe.
Le mini-univers constitue une plateforme expérimentale précieuse pour tester des idées en cosmologie quantique et en gravité quantique. Les scientifiques pourraient ainsi explorer des concepts liés à l’univers primitif à travers des expériences en laboratoire, ouvrant la voie à des expérimentations sur le Big Bang, le Big Crunch, les trous noirs simulés et les théories concurrentes sur l’émergence du temps lui-même.
Source : Physical Review Research
