Comment un « mini-univers » de 24 000 atomes vient de montrer que le temps peut émerger de l'entropie

Le professeur Giovanni Barontini et son équipe de l'Université de Birmingham ont construit un « mini-univers » de table qui offre une réponse surprenante à l'une des questions les plus profondes de la physique : qu'est-ce que le temps ? En refroidissant environ 24 000 atomes de rubidium-87 à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, formant ainsi un condensat de Bose-Einstein, puis en divisant ce nuage d'atomes par une fine barrière laser, les chercheurs ont créé un système quantique fermé doté de deux secteurs distincts : un secteur « clair » (observé) et un secteur « sombre » (caché). L'expérience, publiée dans Physical Review Research, apporte la première preuve en laboratoire qu'une flèche du temps cohérente peut émerger au sein d'un système complètement isolé, uniquement grâce à l'échange d'entropie entre ses parties, sans aucune horloge externe .

Le dispositif : un cosmos quantique hermétiquement clos

L'expérience s'attaque à une énigme théorique de longue date en gravité quantique, connue sous le nom de « problème du temps ». Dans le cadre de Wheeler–DeWitt – une approche canonique pour unifier la mécanique quantique et la relativité générale – l'Univers dans son ensemble est décrit par une équation indépendante du temps. Cela suggère que le cosmos ne possède pas d'horloge externe intégrée. Si le temps est réel, doit-on en conclure qu'il émerge de manière relationnelle de l'intérieur même du système. L'équipe de Barontini a cherché à tester physiquement ce concept .

Ils ont créé un condensat de Bose-Einstein – un état de la matière où des atomes ultrafroids se comportent comme un seul et même objet quantique cohérent – et l'ont maintenu dans un piège conservateur, indépendant du temps. Une paroi laser optique finement réglée a ensuite partitionné ce nuage en un secteur observé, dit « clair », et un secteur non observé, dit « sombre », les atomes pouvant traverser cette barrière par effet tunnel. Fait crucial, l'entropie fine du système global reste constante, une caractéristique déterminante d'un système fermé et isolé. Tout changement de l'entropie macroscopique dans le secteur clair doit donc résulter d'un échange d'entropie avec le secteur sombre caché .

Observer la flèche du temps

Le système une fois scellé et partitionné, l'équipe a suivi l'évolution du secteur clair et a découvert une remarquable série d'analogues cosmologiques.

Des cycles de Big Bang et de Big Crunch

Le secteur clair s'est dilaté puis contracté à plusieurs reprises, au gré des passages d'atomes à travers la barrière laser, un cycle qui mime un rebond cosmologique. Le moment où les atomes ont commencé à peupler le secteur clair a été interprété comme un « Big Bang », tandis que leur retour complet dans le secteur sombre a marqué un « Big Crunch ». Ce cycle de rebonds s'est répété de nombreuses fois, créant une histoire cosmique miniature et récurrente au sein du laboratoire .

Le temps entropique, une horloge interne

À partir de ce flux et reflux d'atomes, les chercheurs ont défini un « temps entropique ». Puisque l'entropie totale du système est conservée, le mouvement directionnel des atomes entre les secteurs a créé un flux d'entropie mesurable et à sens unique dans le secteur clair. Ce flux a servi d'horloge interne fiable, présentant plusieurs propriétés frappantes :

• Une flèche cohérente : Le temps entropique s'écoule dans une direction unique, ordonnant correctement les événements sur plusieurs cycles d'expansion et de contraction.
• Une vitesse variable : L'horloge accélère ou ralentit en fonction du taux d'échange d'entropie entre les secteurs.
• Une prédiction précise : Barontini a dérivé une équation effective de type Schrödinger, paramétrée par ce temps entropique interne – et non par le temps conventionnel du laboratoire – et a montré qu'elle reproduisait fidèlement l'évolution mesurée du secteur clair.

La mort thermique et la fin du temps

Lorsque la distribution des atomes entre les secteurs clair et sombre s'est finalement stabilisée et a cessé de changer, l'échange d'entropie s'est interrompu. À ce stade, du point de vue du secteur observé, le temps s'est effectivement arrêté – un analogue de la mort thermique prédite pour notre propre Univers .

En quoi cela change notre compréhension de l'Univers

Cette expérience est capitale, car elle fait passer une question fondamentale de la spéculation théorique au domaine de la physique expérimentale. En partitionnant un système quantique fermé et en observant le temps émerger de la seule dynamique de l'entropie, l'équipe a fourni le premier banc d'essai contrôlé pour les modèles de temps relationnel. Leurs résultats soutiennent l'idée que le temps n'est pas une toile de fond fondamentale et externe, mais plutôt un phénomène thermodynamique qui apparaît lorsqu'un observateur distingue un sous-système – à l'image de la distinction entre les secteurs clair et sombre – d'un tout plus vaste et intemporel. Cet univers miniature de table offre désormais une nouvelle fenêtre empirique pour explorer la physique du cosmos réel .