Un physicien a créé un « mini-univers » en laboratoire pour tenter de répondre à l’une des plus grandes questions de la physique : la nature du temps. En refroidissant des milliers d’atomes à une température proche du zéro absolu afin de reproduire certaines propriétés des premiers instants de l’Univers, le chercheur a montré qu’il était possible de définir une variable temporelle interne au système. Autrement dit, la notion de temps émergerait de l’expérience elle-même et des changements qui se produisent au sein d’un système.
De nombreuses théories et observations suggèrent que les phénomènes macroscopiques présentent une flèche du temps, c’est-à-dire une évolution orientée dans un seul sens. Cette idée est étayée par de nombreuses expériences et observations, ainsi que par plusieurs théories physiques. La deuxième loi de la thermodynamique avance par exemple l’existence d’une « flèche » du temps où les débuts de l’Univers sont marqués par un état ordonné évoluant vers un état de plus en plus désordonné, conformément au principe d’entropie.
Cependant, d’autres approches, comme celle associée à l’équation de Wheeler-DeWitt, suggèrent qu’à son niveau le plus fondamental, la description de l’Univers pourrait ne pas comporter explicitement de paramètre temporel. Autrement dit, le temps n’aurait pas de direction définie mais émergerait des relations entre les différentes composantes de l’Univers.
De ces contradictions sont nées des décennies de remise en question de la nature ou de l’existence même de la notion de temps. Pour tenter de répondre à cette question, Giovanni Barontini, professeur de physique à l’Université de Birmingham, propose une expérience simulant un mini-univers composé d’un ensemble d’atomes refroidis, permettant de sonder le temps à son niveau le plus fondamental.
« Nous réalisons un système d’atomes froids pour tester quantitativement les constructions relationnelles du temps », écrit-il dans son article publié dans la revue Physical Review Research.
Quand le temps émerge des changements du système
Pour effectuer son expérience, Barontini a rassemblé un nuage de 24 000 atomes de rubidium refroidis à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu afin de simuler un système quantique clos et hermétique imitant un Univers simplifié. Ce système de particules, appelé « condensat de Bose-Einstein », correspond à un état dans lequel les atomes perdent leur individualité et se comportent collectivement comme une seule particule.
Les atomes ont été piégés et séparés par une barrière de faisceaux laser de manière à créer deux régions distinctes : une partie observée (« brillante ») et une région non observée (« sombre »).
Les atomes pouvaient se déplacer entre ces deux régions, tout en maintenant le système isolé du monde extérieur. Dans cette expérience, la région observée est comparée à l’Univers observable, tandis que la région sombre refléterait, par analogie, une partie inaccessible de l’Univers composée de matière noire et d’énergie noire.
Une horloge basée sur les échanges d’entropie
D’après le chercheur, la région brillante connaîtrait des cycles d’expansion et de contraction répétés, dans une analogie très simplifiée avec les concepts cosmologiques de Big Bang et de Big Crunch, ce dernier désignant un scénario hypothétique dans lequel l’expansion de l’Univers finirait par s’inverser.
Le mouvement des atomes entre la région brillante (observée) et la région sombre (non observée). La migration des atomes vers le secteur brillant représente le Big Bang (étoiles bleues), tandis que la migration vers le secteur sombre représente le Big Crunch (étoiles vertes). © Giovanni Barontini, Phys. Rev. Res ., 2026
Ce système de mini-univers aurait permis de faire émerger un « temps entropique » à partir de l’agencement des atomes et de leur comportement au sein du système. Ainsi, le mouvement des atomes offrirait une notion du temps fondée sur l’entropie.
« Dans cette expérience, la partie observée du système échange des atomes et de l’entropie avec la partie non observée. À partir de cet échange d’entropie, nous définissons un temps interne, dit “entropique” », a expliqué Barontini à ScienceAlert. « Ce temps augmente lorsque l’entropie est échangée, et il s’arrête lorsque l’échange d’entropie cesse. »
D’après le chercheur, lorsque la dispersion des atomes dans la région brillante augmentait ou diminuait à mesure qu’ils en sortaient ou y entraient, le système avancerait alors dans le temps. Lorsque la distribution des atomes demeurait inchangée, la variable temporelle définie à partir des échanges d’entropie cesserait d’évoluer. En d’autres termes, cette version du temps accélérerait ou ralentirait selon la manière dont l’entropie circule ou se stabilise.
« Pour simplifier, on pourrait dire que le mini-univers n’a pas besoin d’un paramètre temporel externe pour ordonner les événements ; son propre flux d’entropie indique quel événement suivra », explique-t-il à ScienceAlert.
« Cette étude fournit la première preuve expérimentale contrôlée montrant que le “temps” peut être défini par des changements au sein d’un système plutôt que par le “tictac” externe auquel nous pensons lorsque nous parlons du temps », a-t-il ajouté dans un communiqué de l’Université de Birmingham.
Mis à part l’exploration de la nature du temps, Barontini estime que sa plateforme de mini-univers pourrait permettre d’étudier d’autres grandes questions, notamment celles liées au Big Bang, au Big Crunch ou encore à la gravité quantique. Pour cela, il serait possible de modifier la forme du piège laser, les interactions entre les atomes ou le couplage entre les différentes régions du système, suggère le physicien.
