Le temps est l’un des rares concepts physiques que tout le monde ressent et qui reste, malgré tout, très difficile à définir. Si l’on suit la définition du Larousse, il est un « mouvement ininterrompu par lequel le présent devient le passé, considéré souvent comme une force agissant sur le monde, sur les êtres […] ». Elle est en grande partie en adéquation avec celle établie en physique newtonnienne, qui nous explique que le temps est une grandeur qui ne s’inverse jamais, comme une flèche pointant dans une seule direction. Selon les lois de la relativité d’Einstein, en revanche, c’est une autre histoire : le temps n’est plus universel, mais il dépend de la vitesse et du champ gravitationnel propres à chaque observateur.
Selon celles de la physique quantique, c’est encore plus compliqué, surtout depuis la publication de cette étude le 13 avril dans la revue Physical Review Letters. Celle-ci relate une expérience conduite par Aephraim Steinberg, spécialiste des mesures quantiques, et son équipe de l’Université de Toronto. Ils ont démontré qu’un photon peut traverser un nuage d’atomes et en ressortir en avance sur lui-même : c’est ce que les physiciens appellent, sans euphémisme, le « temps négatif ».
Avant ou après ? La physique quantique joue la montre
Pour mener son expérimentation, l’équipe s’est servie d’un tube optique dans lequel des photons (des particules de lumière) sont tirés en ligne droite. Sur leur trajectoire se trouve un nuage d’atomes de rubidium, avant d’atteindre un détecteur placé en bout de course. Le rubidium est un métal alcalin dont les atomes possèdent un électron périphérique si faiblement retenu par son noyau qu’un photon dont l’énergie correspond pile à l’écart entre les deux orbites peut forcer l’électron à quitter la plus proche du noyau pour la suivante. C’est ce qu’on appelle la résonance : le transfert d’énergie entre le photon et l’atome n’est physiquement possible que si les valeurs coïncident exactement.
Dans son état naturel, l’électron occupe l’orbite la plus proche du noyau. Avec la bonne dose d’énergie, il saute sur une orbite plus distante : c’est l’état excité. L’atome absorbe alors brièvement l’énergie du photon avant de la restituer, l’électron retombant à sa position initiale.
La durée de ce cycle d’absorption-restitution constitue le temps qu’allait passer le photon au sein du nuage : c’est cette durée que Steinberg et son équipe cherchaient à confronter au temps d’arrivée enregistré par le détecteur. Pour y parvenir, les chercheurs ont calculé l’instant moyen auquel chaque photon entre dans le nuage, puis l’ont comparé à l’instant d’arrivée mesuré en sortie. Pour les photons ayant traversé le nuage, cette durée s’est révélée négative de quelques nanosecondes. Comment est-ce possible ?
Cela s’explique grâce au principe d’incertitude d’Heisenberg, qui établit, entre autres, une limite fondamentale : il est physiquement impossible de connaître à la fois avec précision l’énergie d’une particule et le moment exact où elle se trouve dans l’espace. Un photon dont on connaît l’énergie, comme ici, est obligatoirement un photon dont le positionnement temporel est très mal défini. Pour que la résonance fonctionne, le photon doit transporter une quantité d’énergie précise, ce qui l’oblige à occuper une impulsion lumineuse de longue durée, à l’intérieur de laquelle on ne connaît que son instant moyen d’entrée dans le nuage.
Sur l’ensemble de cette impulsion, la quasi-totalité des photons sont absorbés et diffusés par les atomes. Seuls ceux présents en tête d’impulsion traversent sans interaction et arrivent systématiquement avant la moyenne d’entrée calculée. Les photons détectés en sortie ne sont donc pas représentatifs de l’impulsion entière. Ils sont entrés dans le nuage avant la valeur moyenne du temps d’entrée utilisée comme référence. Lorsqu’on compare leur temps d’arrivée à cette valeur, il est donc normal, bien que contre-intuitif, que la valeur soit inférieure à zéro.
Steinberg vient ainsi de confirmer, en conditions expérimentales, un phénomène qu’il avait lui-même entrevu il y a longtemps. En 1993, il co-signait déjà une étude observant ce décalage temporel, mais la communauté scientifique avait alors choisi de l’écarter comme un simple artefact statistique, une illusion produite par la sélection des photons en tête d’impulsion, sans réalité physique propre. Une très belle revanche intellectuelle, trente ans après avoir été renvoyé dans les cordes par ses pairs !
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