Un scientifique crée un « mini-univers » pour mesurer le temps sans horloge

Une nouvelle approche pour comprendre la nature fondamentale du temps

Des recherches menées par le professeur Giovanni Barontini de l’Université de Birmingham ont abouti à la conception d’un « mini-univers » en laboratoire pour étudier la définition et la nature du temps. Détaillée dans la revue Physical Review Research, cette expérience montre qu’il est envisageable de mesurer l’écoulement temporel sans recourir à une horloge conventionnelle. Cette démarche scientifique propose un modèle où une forme de temps émerge naturellement des interactions du système lui-même.

Ces travaux s’appuient sur un cadre théorique complexe de la physique fondamentale. Certaines approches, comme l’équation de Wheeler-DeWitt, suggèrent que l’univers, à son échelle la plus élémentaire, ne disposerait pas de mécanisme temporel intrinsèque. Selon ces modèles mathématiques, le cosmos existerait sous la forme d’un état quantique unique et statique, dans lequel les particules affichent simultanément des caractéristiques ondulatoires et corpusculaires.

Cette approche théorique considère l’univers comme une entité globale, dépourvue de toute horloge externe pour dicter son évolution. Par conséquent, la perception du passage du temps découlerait des relations et interactions internes entre ses différents composants. L’expérience de l’équipe britannique vise à traduire ce concept théorique en un phénomène matériel et directement observable.

La création d’un système quantique hermétiquement clos en laboratoire

Pour éprouver cette hypothèse, le professeur Barontini s’est appuyé sur un nuage de 24 000 atomes ultra-froids. Ces particules ont été portées à des températures extrêmement basses, se situant à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Cette procédure a permis d’établir un système quantique hermétiquement isolé, élaboré pour reproduire les propriétés d’un « univers » simplifié dans des conditions de laboratoire strictement contrôlées.

Une fois ce nuage de particules confiné, un dispositif optique de précision a été utilisé pour le scinder. Les chercheurs ont généré une barrière immatérielle au moyen de deux faisceaux laser opérant à des fréquences distinctes. Cette séparation a divisé le système quantique en deux espaces : une zone soumise à l’observation, appelée secteur « brillant », et une zone non observée, qualifiée de secteur « sombre ».

Dans ce cadre expérimental, le secteur « brillant » traverse des cycles successifs d’expansion et de contraction. Cette dynamique simule, à une échelle microscopique, un phénomène comparable à un Big Bang suivi d’un Big Crunch, un modèle théorique où l’expansion cosmique s’inverse pour aboutir à une contraction. L’expérience parvient ainsi à retracer une chronologie d’événements depuis l’intérieur même du système, sans dépendre d’aucune horloge de référence extérieure.

L’émergence du temps à travers l’entropie et le désordre atomique

Les observations issues de cette modélisation mettent en évidence un mécanisme lié à la progression temporelle. Le dispositif indique que la notion de « temps » peut essentiellement découler de l’évolution du désordre, ou entropie, et de la dispersion des atomes dans le système. Bien que cet univers de laboratoire soit totalement isolé de son environnement extérieur, les atomes y conservent la capacité de transiter librement entre les secteurs « brillants » et « sombres ».

Les mesures ont révélé que la progression temporelle du système était corrélée à la fluctuation de la dispersion des particules dans le secteur brillant, qu’elle augmente ou diminue suite aux entrées et sorties atomiques. Inversement, durant les phases où la répartition des atomes demeurait statique et exempte de modification, le temps expérimental cessait de s’écouler au sein des paramètres de l’expérience.

Sur la base de ces résultats, le professeur Barontini a désigné ce processus spécifique sous le terme de « temps entropique ». Cette expérimentation indique que le temps peut émerger directement des changements physiques internes d’un système quantique, offrant une alternative matérielle à la conception classique d’un temps perçu comme une entité externe et indépendante, s’écoulant invariablement au-delà des événements physiques.

Les caractéristiques distinctives de la flèche du temps entropique

L’analyse de ce « temps entropique » a permis d’en dégager trois propriétés structurelles majeures. En premier lieu, cette version du temps s’écoule dans une direction unique et cohérente, définissant une « flèche du temps » mesurable et sans ambiguïté. Ensuite, elle permet d’ordonner chronologiquement les événements au sein de cet environnement complexe soumis à des dilatations et contractions. Enfin, la vitesse de ce temps s’accélère ou ralentit en fonction directe de la manière dont l’entropie se déplace dans cet espace confiné.

Le chercheur principal a souligné le contraste notable entre cette modélisation théorique et notre perception quotidienne. Selon le professeur Barontini, dans certains cadres conceptuels comme la gravité quantique, le temps ne figure pas comme une caractéristique intégrée. Il relève ainsi le paradoxe avec la réalité courante où le temps progresse inévitablement du passé vers le futur, alors même que de nombreuses lois fondamentales de la physique s’appliquent de manière symétrique dans les deux sens.

En apportant des éléments de réponse par l’expérimentation, l’équipe a vérifié que le comportement du système respectait scrupuleusement les équations standard de la physique quantique. Ces travaux illustrent que des interrogations profondes sur la nature du temps, souvent cantonnées aux débats cosmologiques théoriques, peuvent désormais faire l’objet de tests rigoureux lors d’expériences contrôlées en laboratoire.

De nouvelles perspectives pour la physique quantique et la cosmologie

Publiée en 2026, cette étude ouvre de nouvelles voies d’analyse pour la recherche fondamentale. Le professeur Barontini précise qu’elle constitue la première preuve expérimentale contrôlée démontrant que le « temps » peut se définir par l’évolution interne d’un système, plutôt que par le tic-tac d’une horloge externe. Cette avancée propose une compréhension de la nature du temps en gravité quantique potentiellement aussi fonctionnelle pour décrire la dynamique que la notion de temps conventionnel.

Sur le plan mathématique, les résultats démontrent également que l’équation de Schrödinger, centrale en mécanique quantique, peut toujours être formulée en intégrant ce temps entropique. Cette approche offre la possibilité de prédire l’évolution du « nuage de probabilités » d’un système quantique au fil du temps. Elle contribue ainsi à définir mathématiquement ce qui vient « avant » et « après » au sein de modèles cosmologiques ne comportant pas d’horloge intégrée.

Pour les recherches à venir, ce dispositif représente un banc d’essai concret pour la cosmologie et la gravité quantiques. Comme l’indiquent les données associées au DOI: 10.1103/1h9j-df4k, cette méthode pourrait être appliquée à des structures de plus grande envergure. Elle offre aux physiciens la perspective d’étudier les lois du Big Bang et du « Big Crunch », de simuler le comportement des trous noirs en laboratoire, et d’évaluer de manière empirique les théories concurrentes relatives à l’émergence du temps dans l’univers.

Selon la source : phys.org