Il est facile de prendre la flèche du temps comme acquise, mais selon les scientifiques, les rouages de la physique fonctionneraient tout aussi bien en sens inverse.
Il faut savoir que la flèche du temps, est l’expression introduite en 1928 par Arthur Eddington pour décrire le phénomène selon lequel le temps semble s’écouler toujours dans la même « direction ». Cette expression recouvre tout un ensemble de théories stipulant pourquoi le temps s’écoule de manière unidirectionnelle.
Cependant, une expérience récente a permis de montrer à quel point nous pouvons nous attendre à une marge de manœuvre, pour distinguer le passé du futur ; du moins à une échelle quantique. Bien entendu, cette découverte ne nous fera pas voyager dans le temps, mais elle pourrait nous aider à mieux comprendre les mécanismes si complexes du temps.
Des chercheurs russes et américains se sont associés pour trouver un moyen de casser, ou du moins de remettre en question, l’une des lois les plus fondamentales de la physique sur l’énergie. La deuxième loi de la thermodynamique (également connue sous le nom de deuxième principe de la thermodynamique), établit l’irréversibilité des phénomènes physiques, en particulier lors des échanges thermiques. Il s’agit donc davantage d’un principe directeur de l’Univers, que d’une loi pure et dure.
Cette dernière stipule que les éléments chauds deviennent plus froids avec le temps, à mesure que l’énergie se transforme et se répand des zones les plus intenses. Il s’agit d’un principe qui explique pourquoi votre café ne reste pas chaud dans une pièce froide, pourquoi il est plus facile de brouiller un œuf que de le dé-brouiller.
C’est également ce qui se rapproche le plus d’une règle permettant d’expliquer pourquoi nous pouvons nous souvenir de ce que nous avons mangé hier, mais n’avons aucun souvenir du prochain Noël. « Cette loi est étroitement liée à la notion de la flèche du temps, qui établit le sens (à sens unique) du temps vers le futur », explique le physicien quantique Gordey Lesovik, de l’Institut de physique et de technologie de Moscou.
Il faut s’avoir qu’en effet, pratiquement toutes les autres règles de la physique peuvent être inversées et toujours avoir un sens. Par exemple, si vous zoomiez sur une partie de billard, une simple collision entre deux boules n’aurait pas l’air étrange si vous la regardiez à l’envers. Par contre, si vous regardiez des balles sortir des trous et reformer le triangle de départ, alors là, ce serait une expérience qui ferait réfléchir. Mais dans le cadre de cette nouvelle expérience, nous nous concentrons sur des engrenages vraiment minuscules de la réalité : des électrons solitaires. Et c’est là que nous pouvons commencer à constater certaines lacunes de nos lois physiques.
En effet, les électrons ne ressemblent pas du tout à de minuscules boules de billard, ils s’apparentent davantage à des informations occupant un espace. Leurs détails sont définis par quelque chose appelé l’équation de Schrödinger, qui représente les possibilités des caractéristiques d’un électron comme une onde probabiliste.
Si cela vous semble un peu déroutant, c’est parce que ça l’est. Donc, revenons à l’image d’une partie de billard. Mais cette fois-ci, imaginez que les lumières de la salle sont éteintes, mais vous savez que vous avez une boule blanche dans la main, et que vous la faites rouler sur la table.
L’équation de Schrödinger vous indique que la balle se trouve quelque part sur la table de billard et se déplace à une certaine vitesse. En termes quantiques, la balle est partout sur la table, et possède un certain nombre de vitesses différentes… certaines sont juste plus susceptibles d’être plus exactes que d’autres.
Vous pourriez tendre la main pour saisir et localiser l’emplacement de la boule, mais vous n’êtes pas sûr de la vitesse à laquelle elle va. Ni de sa direction. Vous pourriez également gentiment approcher un doigt, dans l’optique d’effleurer la boule et de connaître sa vitesse, mais encore une fois, vous n’avez aucune idée de la direction dans laquelle elle est partie. Il y a une autre astuce que vous pourriez utiliser : une fraction de seconde après avoir envoyé la boule, vous pouvez être presque certain que cette dernière se trouve encore à proximité de votre main, évoluant à une vitesse donnée.
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En un sens, l’équation de Schrödinger prédit la même chose pour les particules quantiques. Au fil du temps, les possibilités de positions et de vitesses d’une particule, augmentent. « Cependant, l’équation de Schrödinger est réversible », explique Valerii Vinokur, un scientifique spécialiste des matériaux, du laboratoire Argonne National Laboratory, aux États-Unis. « Mathématiquement, cela signifie que sous une certaine transformation appelée conjugaison complexe, l’équation décrira un électron ‘‘maculé’’ se localisant dans une petite région de l’espace au cours de la même période », ajoute Vinokur.
En gros, c’est comme si votre boule blanche ne se « répandait » plus dans une plage de positions possibles infinie sur la table de billard se trouvant dans l’obscurité, mais qu’elle revenait dans votre main. En théorie, rien n’empêche que cela se produise de manière spontanée. Cependant, il faudrait regarder 10 milliards de tables de billard à l’échelle des électrons, et ce à chaque seconde pendant la durée de vie de notre Univers, pour que cela se produise de sûr une seule fois.
Donc, plutôt que d’attendre patiemment et d’observer le temps qui s’écoule, l’équipe de recherche a utilisé les états indéterminés de particules d’un ordinateur quantique (comme une boule de billard), et une manipulation intelligente de l’ordinateur en tant que « machine à remonter le temps ». Chacun de ces états, ou qubits, était disposé dans un état simple qui correspond à une main tenant la boule. Une fois que l’ordinateur quantique a été mis en service, ces états se sont multipliés. Puis, c’est en modifiant certaines conditions de la configuration de l’ordinateur, que ces possibilités ont été limitées de manière à rembobiner délibérément l’équation de Schrödinger.
Dans le but de tester cela, les chercheurs ont relancé l’installation (comme si l’équipe de recherche avait donné un coup de pied dans une table de billard, et regardait les boules éparses se réorganiser dans la forme triangulaire de départ). Et, dans environ 85% des essais basés sur deux qubits seulement, c’est exactement ce qui s’est passé.
De manière concrète et sur le plan pratique, les algorithmes que les chercheurs ont utilisés pour manipuler l’équation de Schrödinger (de sorte à rembobiner de cette manière les électrons), pourraient aider à améliorer la précision des ordinateurs quantiques.
Il ne s’agit pas de la première fois qu’une équipe de scientifiques « remet en question » la deuxième loi de la thermodynamique. En effet, il y a quelques années, des chercheurs ont enchevêtré certaines particules et sont parvenus à les chauffer et à les refroidir de manière à ce que ces particules se comportent efficacement comme une machine à mouvement perpétuel.
Dans tous les cas, découvrir des moyens de repousser les limites de certaines lois de la physique à une échelle quantique, pourrait nous aider à en apprendre davantage sur les mécanismes si complexes du temps.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]