Pour la première fois, un physicien a observé expérimentalement comment le temps émerge d’un système quantique isolé, créant ainsi un « mini-univers ». Cette étrange expérience soulève une question intéressante : si l’univers n’a pas de matière externe, d’où vient le temps ?
Nouveau étude Journal publié le 11 juin Enquête d’examen physique, Giovanni BarontiniUn physicien expérimental de l’Université de Birmingham au Royaume-Uni a utilisé des nuages atomiques ultra-froids pour créer son propre mini-univers. Ce système était si bien isolé de son environnement qu’il n’avait rien d’extérieur pouvant servir d’horloge, tout comme l’univers lui-même. Il a divisé ce système en deux, en ignorant une moitié, pour montrer que ce qu’il a appelé un « secteur sombre » pourrait surgir de l’intérieur du système temporel tout entier.
Les résultats offrent le premier aperçu expérimental de la raison pour laquelle l’univers a le temps. “Lorsque vous mettez tout ensemble, tout commence vraiment à avoir un sens”, a déclaré Barontini à Live Science. “C’était incroyable de voir à quel point le temps dans le système s’accélérait, ralentissait et même s’arrêtait, à quel point tout se déroulait bien. C’est plutôt sympa. C’est quelque chose qui n’arrive pas très souvent dans les expériences.”
Ce travail est une confirmation expérimentale d’idées qui circulent depuis des décennies en cosmologie quantique et en thermodynamique. Ce n’est pas une déclaration explosive le temps est une illusionmais c’est la première fois que quelqu’un soumet ces idées à une analyse quantitative directe en laboratoire.
Un univers sans extérieurs
Barontini entreprit de résoudre un problème qui intriguait les physiciens depuis près de 60 ans. L’équation de Wheeler-DeWitt, l’équation centrale de la gravité quantique qui cherche à unifier la théorie de la gravité d’Einstein avec la mécanique quantique, décrit l’univers comme un système global sans paramètres temporels externes. Il n’y a pas de temps cosmique autre que l’univers. Alors d’où vient notre expérience du temps ?
Une idée influente, appelée temps relationnel, affirme que le temps n’est pas une composante fondamentale de la réalité. Au lieu de cela, cela découle des relations dans l’univers, une partie du système agissant comme une horloge pour une autre. Mais cette idée n’a jamais été directement testée en laboratoire.
Barontini a été inspiré en regardant son fils jouer avec des jouets de construction. “Je pensais que c’était très similaire à ce que nous faisons en laboratoire”, a-t-il déclaré à Live Science. “Nous jouons avec des jouets très chers. Nous créons nous-mêmes de petits échantillons de la réalité.”
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Dans son laboratoire, cet échantillon était un Condensat de Bose-Einstein – un état de la matière qui se produit seulement au voisinage du zéro absolu. Les milliers d’atomes contenus dans le condensat de Bose-Einstein ralentissent jusqu’à s’arrêter, se confondent en un seul objet quantique et agissent comme une seule personne.
L’Université de Birmingham a expérimenté le piégeage et le refroidissement des atomes de rubidium près du zéro absolu, première étape dans l’assemblage d’un mini-univers.
(Crédit image : Université de Birmingham)
Le côté obscur du temps
Barontini a piégé le condensat et l’a divisé en deux avec un mince faisceau laser pour simuler un univers sans rien à l’extérieur. Il a prêté une attention particulière à la moitié, le « secteur lumineux », et a délibérément ignoré l’autre moitié, qu’il a appelée le « secteur sombre ».
Les atomes du secteur brillant rebondissent dans le piège, franchissant périodiquement la barrière et se répandant à nouveau. Barontini a appelé les moments où les atomes sont entrés dans le secteur léger « Big Bang » et « Big Crisis » (surnom d’une théorie). comment l’univers finiral’univers lui-même s’effondre). Il a ensuite observé comment l’entropie, une mesure du désordre – la manière dont l’énergie est distribuée au sein du système – était échangée entre les deux moitiés lorsque les atomes franchissaient la barrière.
Au lieu d’utiliser des horloges de laboratoire pour ordonner les événements, il a créé une « horloge entropique », une horloge entièrement déterminée par la quantité d’entropie circulant entre les deux moitiés d’un système. Si l’entropie circulait, le temps aussi. S’il n’y a aucun changement dans l’entropie, le temps s’est arrêté. “L’échange d’entropie entre deux systèmes peut être converti en une variable interne du temps”, a déclaré Barontini.
Le temps s’accélère, ralentit et s’arrête
Ce qui a le plus surpris Barontine, c’est la façon dont tout s’emboîtait parfaitement. Une horloge entropique interne ordonne de manière fiable les événements dans les secteurs lumineux. Cela correspond à la séquence observée en laboratoire, mais s’écoule à un rythme différent.
Le temps entropique passa rapidement alors que l’entropie inondait les branches. Lorsque les échanges ralentissaient, l’horloge aussi. Une fois que les deux côtés atteignent l’équilibre (l’entropie ne circule plus), toute l’horloge interne s’arrête.
Le temps et les flèches du temps sont peut-être simplement nés de l’ignorance.
Giovanni Barontini, physicien expérimental à l’Université de Birmingham
“Le temps s’accélère, ralentit ou même s’arrête en fonction de ce que fait le système”, a déclaré Barontini.
Puis il est allé plus loin : grâce à cette horloge interne, il a réalisé un scénario L’équation de Schrödinger reproduit fidèlement ce qui a été vu lors de l’expérience. “C’était incroyable, c’était incroyable de voir comment tout s’emboîtait”, a-t-il déclaré – “très soigné, d’une certaine manière, ce qui n’arrive pas très souvent lors des tests.”
Le temps lui-même et la flèche du temps – pourquoi le temps s’écoule dans un sens et pas dans l’autre – peuvent être attribués à une seule source : un observateur qui cache des informations. Lorsque Barontini a choisi de ne pas s’intéresser au secteur obscur, il a renoncé à connaître la moitié du système. Cet acte d’ignorance codé dans l’entropie est ce qui a créé le temps dans l’autre moitié.
“Le temps et la flèche du temps – peut-être sont-ils simplement nés de l’ignorance”, a déclaré Barontini. “Il faut renoncer à une certaine liberté pour prendre le temps et observer.”
Barontini considère que ce n’est qu’un début. Dans leur piège, les instruments atomiques froids qui ont créé le mini Big Bang et le Big Crunch pourraient en principe simuler des analogues de trous noirs, les premières conditions de l’univers et des phénomènes plus exotiques tels que ce qui se passe lors du Big Crunch.
“Ce sont des choses que nous pouvons faire très simplement en utilisant les outils dont nous disposons déjà pour développer nos propres systèmes”, a-t-il déclaré.
L’étude est une preuve de concept et la première démonstration qu’un système quantique contrôlé peut servir de banc d’essai pour certains. Questions sans réponse en physique. Pour l’instant, ces questions restent ouvertes.