Deux flèches du temps issues du monde quantique : une découverte qui bouleverse notre compréhension du temps

Le temps s'écoule-t-il toujours dans une seule direction, du passé vers le futur ? Cette question, qui intrigue les scientifiques et les philosophes depuis des siècles, vient d'être remise en question par une étude récente menée par des chercheurs de l'Université de Surrey. Selon leurs conclusions, le temps pourrait ne pas être une réalité strictement linéaire et irréversible, mais plutôt un phénomène plus complexe, pouvant s'écouler dans les deux directions sous certaines conditions quantiques. Cette avancée scientifique bouleverse non seulement notre perception du temps, mais elle ouvre aussi de nouvelles perspectives dans les domaines de la mécanique quantique, de la cosmologie et de la compréhension des lois fondamentales de l'Univers.

EN BREF

- Arthur Eddington a introduit le concept de la flèche du temps en 1927, entraînant l'irréversibilité du temps dans notre quotidien.

- L'étude du Dr Andrea Rocco sur les systèmes quantiques ouverts révèle que le temps peut s'écouler dans les deux directions à l'échelle quantique.

- Cette découverte pourrait révolutionner notre compréhension du temps et influencer des domaines comme la cosmologie et l'informatique quantique.

La flèche du temps : un concept ancré dans notre réalité quotidienne

Dans notre vie de tous les jours, le temps semble irréversible. Un verre qui se brise ne se reconstitue jamais spontanément, la fumée d'un feu ne revient pas dans les braises, et nous vieillissons sans possibilité de rajeunir. Cette observation intuitive repose sur ce que les médecins appellent la flèche du temps, un concept introduit par Arthur Eddington en 1927. Il désigne le fait que le temps semble toujours avancer dans une seule direction, du passé vers le futur.

La principale explication de cette asymétrie temporelle repose sur le deuxième principe de la thermodynamique, qui stipule que l'entropie – c'est-à-dire le degré de désordre d'un système – ne peut qu'augmenter avec le temps. C'est cette tendance à l'augmentation du désordre qui explique pourquoi un verre peut se casser, mais jamais se réparer spontanément.

Cependant, si l'on se tourne vers les lois fondamentales de la physique, notamment celles qui régissent la mécanique quantique, un constat surprenant émerge : ces équations sont symétriques dans le temps. Cela signifie que, mathématiquement, elles fonctionnent aussi bien dans un sens que dans l'autre. Rien, dans ces équations, ne semble imposer une direction privilégiée au temps. Alors pourquoi, à l'échelle macroscopique, avons-nous l'impression que le temps ne peut s'écouler que vers l'avant ?

Une étude qui bouscule notre compréhension du temps

C'est pour tenter de répondre à cette question que le Dr Andrea Rocco et son équipe de chercheurs à l'Université de Surrey ont mené une étude approfondie sur les  systèmes quantiques ouverts . Ces systèmes étudient la manière dont un système quantique interagit avec son environnement, une approche essentielle pour comprendre les phénomènes à l'échelle subatomique.

Leur objectif était de déterminer si la perception d'une flèche du temps irréversible découle directement des lois fondamentales de la mécanique quantique ou si elle résulte plutôt de l'influence de l'environnement à une plus grande échelle.

Pour cela, les chercheurs ont utilisé une modélisation dans laquelle l'environnement était traité comme un système vaste et dissipatif, permettant à l'énergie et à l'information de se dissiper sans retour vers le système initial. Grâce à cette approche, ils ont cherché à comprendre si la direction du temps émerge de l'interaction entre le système et son environnement ou si elle est induite aux lois quantiques.

Des résultats surprenants : le temps peut s'écouler dans les deux directions

. Les résultats obtenus ont été inattendus. Même en prenant en compte un environnement dissipatif, les équations décrivant ces systèmes quantiques restent symétriques par rapport au temps. Autrement dit, ces systèmes peuvent évoluer aussi bien vers le futur que vers le passé, selon les conditions du système lui-même.

Cela signifie que, d'un point de vue quantique, la flèche du temps n'est pas une caractéristique absolue de l'Univers, mais plutôt une  propriété émergente , qui dépend du niveau d'interaction avec l'environnement. À l'échelle subatomique, le temps peut être réversible, mais lorsque l'on agrège ces interactions à un niveau macroscopique, nous percevons une direction unique du temps en raison des lois thermodynamiques et de l'augmentation de l'entropie.

Le rôle du noyau de mémoire : un élément clé de la symétrie temporelle

L'un des aspects les plus fascinants de cette étude concerne la découverte d'un phénomène appelé le  noyau de mémoire . Ce dernier joue un rôle crucial dans le maintien de la symétrie temporelle des équations du système quantique.

Les chercheurs ont mis en évidence que ce noyau conserve les informations sur l'état du système, ce qui lui permet, en théorie, de restaurer des configurations passées, rendant possible un écoulement du temps dans les deux sens. Cette découverte pourrait expliquer pourquoi certaines expériences en mécanique quantique semblent défier l'intuition et suggèrent une absence de direction fixe du temps.

(Image : Schéma montrant le concept à l'origine de la transformation par inversion du temps. Le système et l'environnement se déplacent vers l'arrière dans le temps.)

Quelles implications pour la physique et la cosmologie ?

Les implications de cette découverte sont profondes et pourraient bouleverser plusieurs domaines majeurs de la physique moderne.

En mécanique quantique, cette étude renforce l'idée que l'univers microscopique ne suit pas les mêmes règles que notre réalité quotidienne. Si les systèmes quantiques peuvent théoriquement évoluer dans les deux directions temporelles, cela remet en question notre compréhension de la causalité à l'échelle subatomique. Ces résultats pourraient avoir des répercussions sur des technologies émergentes comme l'informatique quantique et la cryptographie, où la manipulation de l'information quantique est essentielle. La possibilité d'exploiter des états réversibles du temps pourrait, par exemple, améliorer la transmission sécurisée de données ou optimiser les algorithmes de calcul quantique.

En cosmologie, ces résultats ouvrent la porte à de nouvelles théories sur l'origine et l'évolution de l'Univers. Si le temps peut s'écouler dans les deux sens à l'échelle quantique, il est envisageable que l'Univers ne soit pas apparu lors d'un événement unique comme le Big Bang, mais qu'il soit le fruit d'un processus cyclique ou d'une fluctuation quantique plus vaste. Cela pourrait même relancer l'idée d'un univers oscillant, où des cycles d'expansion et de contraction se succèdent, remettant en question notre vision linéaire de l'histoire cosmique.

Enfin, pour les trous noirs et la gravité quantique, cette découverte pourrait être cruciale. Les trous noirs, où l'espace-temps est déformé de manière extrême, sont des laboratoires naturels pour étudier la frontière entre la relativité générale et la mécanique quantique. Si le temps peut devenir réversible dans des conditions extrêmes, cela pourrait aider les médecins à mieux comprendre ce qui se passe au-delà de l'horizon des événements ou même à déchiffrer les mystères de la singularité centrale des trous noirs.

En somme, cette étude pourrait être la clé pour repenser notre compréhension du temps, depuis l'infiniment petit jusqu'à l'échelle de l'Univers entier.

Une nouvelle vision du temps : entre physique et philosophie

Au-delà des implications scientifiques, cette étude remet en question l'une des notions les plus fondamentales de notre existence : notre perception du temps. Si le temps peut, en théorie, s'écouler dans les deux directions, notre vision du passé, du présent et du futur est-elle une simple illusion issue des interactions macroscopiques ?

Ces résultats rappellent certaines idées avancées par des penseurs comme Albert Einstein, qui affirmaient que « la distinction entre passé, présent et futur n'est qu'une illusion, aussi tenace soit-elle » ." Cette étude offre un nouvel éclairage sur cette conception et suggère que notre compréhension du temps pourrait être bien plus complexe qu'il n'y paraît.