Une nouvelle étude montre que la frontière entre le temps qui avance et recule peut s’estomper en mécanique quantique.
Une équipe de physiciens des universités de Bristol, de Vienne, des îles Baléares et de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI-Vienne) a montré comment les systèmes quantiques peuvent évoluer simultanément le long de deux flèches temporelles opposées, à la fois en avant et en arrière dans le temps.
L’étude, publiée dans le dernier numéro de Physique des communications, nécessite de repenser la façon dont l’écoulement du temps est compris et représenté dans des contextes où les lois quantiques jouent un rôle crucial.
Pendant des siècles, les philosophes et les physiciens ont réfléchi à l’existence du temps. Pourtant, dans le monde classique, notre expérience semble éteindre tout doute que le temps existe et continue. En effet, dans la nature, les processus ont tendance à évoluer spontanément d’états avec moins de désordre vers des états avec plus de désordre, et cette propension peut être utilisée pour identifier une flèche du temps. En physique, cela est décrit en termes d’« entropie », qui est la quantité physique définissant la quantité de désordre dans un système.
Illustration artistique d’un gondolier piégé dans une superposition quantique de flux temporels. Crédit:
© Aloop Visual & Science, Université de Vienne, Institut d’optique quantique et d’information quantique de l’Académie autrichienne des sciences
Dr Giulia Rubino du Université de BristolQuantum Engineering Technology Labs (QET labs) et auteur principal de la publication, a déclaré :
« Si un phénomène produit une grande quantité d’entropie, l’observation de son inversion du temps est si improbable qu’elle en devient essentiellement impossible. Cependant, lorsque l’entropie produite est suffisamment faible, il existe une probabilité non négligeable de voir se produire naturellement le retournement temporel d’un phénomène.
« Nous pouvons prendre comme exemple la séquence des choses que nous faisons dans notre routine matinale. Si on nous montrait notre dentifrice passant de la brosse à dents dans son tube, nous serions sans aucun doute sur le fait qu’il s’agissait d’un enregistrement rembobiné de notre journée. Cependant, si nous pressions doucement le tube pour qu’une petite partie seulement du dentifrice sorte, il ne serait pas si improbable de l’observer rentrer dans le tube, aspiré par la décompression du tube.
Les auteurs de l’étude, sous la direction du professeur Caslav Brukner de l’Université de Vienne et de l’IQOQI-Vienne, ont appliqué cette idée au domaine quantique, dont l’une des particularités est le principe de superposition quantique, selon lequel si deux états de un système quantique sont tous deux possibles, alors ce système peut également être dans les deux états en même temps.
« En étendant ce principe aux flèches du temps, il en résulte que des systèmes quantiques évoluant dans l’une ou l’autre direction temporelle (le dentifrice sortant ou rentrant dans le tube), peuvent aussi se retrouver à évoluer simultanément selon les deux directions temporelles.
« Bien que cette idée semble plutôt absurde lorsqu’elle est appliquée à notre expérience quotidienne, à son niveau le plus fondamental, les lois de l’univers sont basées sur des principes de mécanique quantique. Cela soulève la question de savoir pourquoi nous ne rencontrons jamais ces superpositions de flux temporels dans la nature », a déclaré le Dr Rubino.
Le Dr Gonzalo Manzano, co-auteur de l’Université des îles Baléares, a déclaré : « Dans notre travail, nous avons quantifié l’entropie produite par un système évoluant en superposition quantique de processus avec des flèches temporelles opposées. Nous avons trouvé que cela aboutit le plus souvent à projeter le système sur une direction temporelle bien définie, correspondant au processus le plus probable des deux. Et pourtant, lorsque de petites quantités d’entropie sont impliquées (par exemple, lorsqu’il y a si peu de dentifrice renversé qu’on pourrait le voir se résorber dans le tube), alors on peut observer physiquement les conséquences de l’évolution du système en avant et en arrière. directions temporelles en même temps.
Outre la caractéristique fondamentale que le temps lui-même pourrait ne pas être bien défini, le travail a également des implications pratiques en thermodynamique quantique. Placer un système quantique dans une superposition de flèches de temps alternatif pourrait offrir des avantages dans les performances des machines thermiques et des réfrigérateurs.
Le Dr Rubino a déclaré : « Bien que le temps soit souvent traité comme un paramètre en constante augmentation, notre étude montre que les lois régissant son écoulement dans les contextes de la mécanique quantique sont beaucoup plus complexes. Cela peut suggérer que nous devons repenser la façon dont nous représentons cette quantité dans tous ces contextes où les lois quantiques jouent un rôle crucial.
Référence : « Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposition time’s arrows » par Giulia Rubino, Gonzalo Manzano et Časlav Brukner, 26 novembre 2021, Physique des communications.
DOI : 10.1038 / s42005-021-00759-1
Cette recherche a été financée par la Royal Society, le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne, le Fonds autrichien pour la science (FWF), la Commission européenne, le Foundational Questions Institute (FQXi) et la John Templeton Foundation.
Les instituts de recherche de l’Université impliqués dans cette recherche sont les Quantum Engineering Technology Labs (QETLabs) de l’Université de Bristol, l’Institute for Cross-Disciplinary Physics and Complex Systems (IFISC) UIB-CSIC, à l’Universitat Illes Balears, l’Université de Vienne et l’Institut d’optique quantique et d’information quantique à Vienne.
