Depuis Einstein, on sait que le temps n’est pas une constante universelle. Mais la mécanique quantique pousse cette idée encore plus loin : le temps pourrait exister en superposition, c’est-à-dire s’écouler vite et lentement en même temps. Ce concept, longtemps cantonné aux équations théoriques, est aujourd’hui à portée d’expérience. Des scientifiques s’appuient sur des horloges atomiques ultra-précises et sur des technologies issues de l’informatique quantique pour tenter de le prouver concrètement.
Quand Einstein rencontre la mécanique quantique
Tout commence avec la relativité restreinte d’Albert Einstein, formulée en 1905. Ce cadre théorique introduit la dilatation temporelle : le temps ne s’écoule pas de la même façon selon la vitesse ou la position de l’observateur. Un voyageur propulsé à une vitesse proche de celle de la lumière verrait le temps, de son point de vue, presque s’arrêter.
Histoire : la naissance de l’horlogerie pour mesurer le temps
À la fin du Moyen Âge, les premières horloges mécaniques publiques permettent d’afficher un temps uniforme au cours de l’année et d’abandonner l’usage des heures saisonnières variables. On adopte alors un découpage en vingt-quatre heures d’égale durée, que l’on nomme les heures équinoxiales. Bientôt, les améliorations techniques entraîneront la structuration d’une nouvelle corporation et la naissance d’un métier très recherché, celui d’horloger…. Lire la suite
Trois phénomènes illustrent bien ce que la physique moderne dit du temps :
La dilatation temporelle relativiste, liée à la vitesse de l’observateur.La dilatation gravitationnelle, où le temps s’écoule plus lentement près d’une masse importante.La superposition quantique temporelle, où le temps pourrait coexister dans plusieurs états à la fois.
Ce troisième point est le plus déroutant. La mécanique quantique, qui décrit le comportement des particules à l’échelle subatomique, autorise les objets à exister dans plusieurs états simultanément avant toute mesure. Appliquer ce principe au temps lui-même conduit à ce que les physiciens appellent le « paradoxe des jumeaux quantiques » : une horloge pourrait, en théorie, avancer vite et lentement en même temps, en état de superposition.
Incompatibles ? Et si une avancée permettait enfin de réconcilier relativité générale et mécanique quantique, ce Graal des physiciens depuis un siècle. © Ackun, iStock
Des horloges atomiques dans l’expérience
Pour tester cette hypothèse audacieuse, les chercheurs misent sur les horloges atomiques. Ces instruments sont les plus précis jamais construits : les meilleurs perdent ou gagnent moins d’une seconde sur 300 millions d’années. C’est cette précision extrême qui les rend indispensables pour détecter des effets quantiques infimes sur l’écoulement du temps.
Comment fonctionne une horloge atomique ?
Les horloges atomiques ont vu le jour au tout début des années 1950. Elles promettent une mesure du temps avec une précision extraordinaire : une dérive inférieure à 1 seconde toutes les 30 millions d’années. De quoi synchroniser les milliards d’échanges qui ont lieu quasi simultanément sur le Web ou les satellites au cœur du système GPS…. Lire la suite
Le défi technique est colossal. Il ne suffit pas d’avoir une horloge précise : il faut placer cette horloge dans un état de superposition quantique, ce qui implique de la manipuler à l’échelle des ions individuels. C’est là qu’interviennent les technologies développées pour l’informatique quantique à ions piégés, notamment les travaux menés dans des laboratoires comme celui du NIST (National Institute of Standards and Technology) aux États-Unis, pionnier en matière d’horloges atomiques optiques. Leur recherches ont fait l’objet d’une publlication dans les Physical Review Letters.
Concrètement, l’idée est de soumettre une horloge atomique à deux régimes gravitationnels ou cinétiques distincts en même temps, via la superposition quantique, puis d’observer si les signatures temporelles révèlent bien cet état hybride. C’est l’une des expériences les plus ambitieuses de la physique fondamentale de ces dernières années.
On a mesuré comme jamais la gravitation relativiste ralentir le temps sur Terre
Conséquence inévitable des théories de la relativité restreinte et générale, la dilatation du temps n’a longtemps pu être observée directement qu’à bord d’engins rapides (avions ou satellites). Grâce à une horloge atomique dernier cri, on peut aujourd’hui la mettre en évidence pour des déplacements de seulement quelques dizaines de kilomètres à l’heure, ou à des altitudes différant de… un millimètre !… Lire la suite
Si l’expérience aboutit, elle fournirait la première preuve empirique que le temps lui-même obéit aux règles quantiques, et non uniquement aux lois classiques de la relativité. Cela ouvrirait une brèche vers une théorie de la gravité quantique, ce Graal de la physique théorique qui cherche à réconcilier relativité générale et mécanique quantique depuis plus de 80 ans.
Le temps n’attend peut-être pas, mais lui, il existe peut-être dans plusieurs états à la fois : l’expérience qui confirmera ou infirmera cette idée marquera une rupture majeure dans l’histoire des sciences.