Des physiciens ont mesuré un « temps négatif » en laboratoire

Le mythe d’Ulysse à l’épreuve de la physique quantique

Dans un article publié le 1er mai 2026, le physicien Howard Wiseman s’exprime dans The Conversation pour partager une découverte singulière. Pour l’illustrer, il convoque le récit d’Homère et le voyage épique d’Ulysse, de Troie jusqu’à sa patrie, Ithaque. Durant ce périple, le héros a traversé de nombreuses contrées, mais a surtout séjourné auprès de la nymphe Calypso sur son île. Face aux questions de son épouse Pénélope concernant cette période précise, la réponse d’Ulysse aurait pu défier la logique temporelle.

Le narrateur imagine ainsi cette réplique : « Ce n’était rien. En fait, c’était moins que rien. J’ai vécu avec Calypso pendant un temps négatif de cinq ans. Comment aurais-je pu rentrer chez moi après seulement dix ans sinon ? Si tu ne me crois pas, demande-lui. » Cette métaphore trouve aujourd’hui un écho direct dans la recherche fondamentale.

Les particules quantiques se révèlent tout aussi ruses qu’Ulysse. C’est ce que démontre une expérience parue dans la revue Physical Review Letters. Leurs temps d’arrivée suggèrent qu’elles ont pu cohabiter avec d’autres particules pendant une durée négative. L’interrogation de ces particules tierces permet même de corroborer l’événement.

Le voyage complexe des particules de lumière à travers le rubidium

L’expérience s’est appuyée sur l’utilisation de photons, des particules quantiques de lumière, et sur le trajet improbable qu’ils doivent accomplir pour traverser en ligne droite un nuage d’atomes de rubidium. Ces atomes possèdent une résonance avec les photons. L’énergie du photon peut y être transférée temporairement, prenant la forme d’une excitation atomique. Ce mécanisme permet au photon de résider dans le nuage atomique un certain temps avant sa libération.

Pour garantir l’efficacité de cette résonance, le photon nécessite une énergie parfaitement définie, correspondant exactement à la quantité requise pour placer un atome de rubidium dans un état excité. Une forme du fameux principe d’incertitude d’Heisenberg entre alors en jeu : si l’énergie du photon est bien définie, sa temporalité devient incertaine. L’impulsion lumineuse occupée par le photon acquiert une longue durée. Le moment exact où le photon pénètre dans le nuage reste inconnu, bien qu’une moyenne temporelle d’entrée puisse être établie.

Lorsqu’un tel photon est propulsé dans le nuage, l’issue la plus probable réside dans le transfert de son énergie aux atomes, suivi d’une réémission sous forme de photon voyageant dans une direction aléatoire. Dans ce cas de figure, le photon subit une diffusion et n’atteint jamais son point d’arrivée escompté.

L’anomalie temporelle et le mystère de l’arrivée anticipée

Une situation inattendue se produit lorsque le photon parvient à traverser le nuage atomique en ligne droite. À partir du temps d’entrée moyen du photon dans le nuage, les chercheurs calculent le temps d’arrivée moyen prévu de l’autre côté de cet obstacle, en postulant une vitesse équivalente à celle de la lumière, un comportement habituel pour les photons.

Les mesures révèlent que le photon arrive beaucoup plus tôt que cette estimation. Cette précocité est telle qu’il semble avoir passé une quantité de temps négative à l’intérieur du nuage, sortant en moyenne avant même d’y être entré. Ce phénomène n’est pas nouveau : il a été observé lors d’une expérience de 1993. La communauté des physiciens avait cependant majoritairement choisi de ne pas accorder d’importance à ce concept de temps négatif.

La justification reposait sur l’idée que seule la partie frontale de l’impulsion de longue durée parvenait à traverser le nuage atomique en ligne droite, le reste subissant la diffusion. Cette approche théorique expliquait pourquoi un photon non diffusé, ayant réussi sa traversée, arrivait plus tôt que ne le prévoyait une analyse simplifiée.

Interroger les atomes sans briser l’illusion

Aephraim Steinberg, l’un des auteurs de la publication de 1993, ne se satisfaisait pas de cette explication réduisant le temps négatif à un simple artefact temporel. Depuis son laboratoire de l’Université de Toronto, il a cherché à interroger les atomes de rubidium du nuage afin de déterminer combien de temps le photon y avait réellement résidé sous forme d’excitation. Suite à une première expérience aux résultats non concluants, il a sollicité l’expertise d’Howard Wiseman en tant que théoricien de la mécanique quantique pour anticiper les résultats possibles.

Interroger les atomes consiste, dans la pratique, à effectuer une mesure continue sur ces derniers pendant que le photon traverse le nuage, dans le but de vérifier si son énergie y réside à cet instant précis. Une difficulté majeure se présente : en physique quantique, les mesures perturbent inévitablement le système observé. Une mesure précise de la présence du photon dans les atomes à chaque instant empêcherait toute interaction entre les atomes et le photon.

La métaphore homérique reprend ici tout son sens : observer Calypso de trop près l’empêcherait de mettre la main sur Ulysse, ou inversement. Ce principe est identifié sous le nom d’effet Zénon quantique. Une observation directe détruirait le phénomène même que les chercheurs tentent d’étudier.

L’expérience de la mesure faible et les horizons de la recherche quantique

La solution adoptée repose sur une mesure très imprécise, bien que calibrée avec une grande exactitude, pour maintenir la perturbation à un niveau négligeable. Un faisceau laser faible, indépendant de l’impulsion du photon unique, a été tiré à travers le nuage d’atomes. Les infimes variations de phase de la lumière de ce faisceau ont été enregistrées pour vérifier si les atomes étaient excités.

Un seul essai ne fournit qu’une indication grossière de la présence du photon dans les atomes. La moyenne obtenue sur des millions de lancements révèle un temps de séjour extrêmement précis. Le résultat de cette mesure faible, lors du passage direct du photon, équivaut exactement au temps négatif déduit du temps d’arrivée moyen des photons. Avant ces travaux, l’égalité entre ces deux mesures, réalisées par des méthodes distinctes, n’avait jamais été envisagée. Contrairement au temps déduit de l’arrivée, la valeur négative du temps de séjour mesuré faiblement ne peut être expliquée par l’hypothèse d’un passage exclusif de la partie frontale de l’impulsion du photon.

L’expérience ne présage pas l’invention d’une machine à voyager dans le temps et s’explique entièrement par la physique standard. Elle prouve que le temps de séjour négatif n’est pas un artefact de mesure. Malgré son aspect paradoxal, il produit un effet directement mesurable sur le nuage atomique traversé par le photon, prouvant qu’il reste de nombreuses terres à découvrir dans l’odyssée de la recherche quantique.

Ces travaux sont détaillés sous la référence : Daniela Angulo et al., Experimental Observation of Negative Weak Values for the Time Atoms Spend in the Excited State as a Photon Is Transmitted, Physical Review Letters (2026), avec le DOI: 10.1103/gjfq-k9dv. Les informations relatives au journal pointent vers Physical Review Letters.

Selon la source : phys.org