Les meilleures horloges du monde peuvent être sensibles à un mélange étrange d'effets quantiques et relativistes qui étireraient le temps et testeraient les limites de la physique
Quelle est la nature quantique du temps? Nous pouvons être sur le point de découvrir
À quoi ressemble le passage du temps pour un objet vraiment quantique? Les meilleures horloges du monde pourraient bientôt être en mesure de répondre à cette question, testant comment le temps peut s'étirer et se déplacer dans le domaine quantique et nous permettre de sonder des zones de physique inexplorées.
L'idée que le passage du temps peut changer ou se dilater provient de la théorie spéciale de la relativité d'Albert Einstein. Einstein a montré qu'un objet approche de la vitesse de la lumière, le temps semble plus lentement que pour un observateur stationnaire. Il a étendu cette idée avec sa théorie générale de la relativité, montrant un champ gravitationnel a le même effet de relâche. Igor Pikovski au Stevens Institute of Technology dans le New Jersey et ses collègues voulaient comprendre si quelque chose de similaire pouvait arriver à un temps dans le monde quantique microscopique, tel que mesuré par une horloge ultracold fabriquée à partir d'ions.
«Toute expérience que nous avons à ce jour sent toujours quelque chose comme le temps classique, le temps qui n'a rien à voir avec la mécanique quantique», explique Pikovski. «Nous avons réalisé qu'il y a un régime où avec des horloges ioniques, cette description échoue simplement», dit-il.
Ces horloges sont fabriquées à partir de milliers d'ions refroidis à des températures proches de Zero absolu en étant frappé par des lasers. À ces températures extrêmes, les états quantiques des ions et les électrons à l'intérieur peuvent être très précisément contrôlés avec des forces électromagnétiques. En conséquence, les tiques des horloges ioniques sont définies par ces électrons oscillant à plusieurs reprises entre deux états quantiques spécifiques.
Parce que leur fonctionnement est dicté par les lois de la mécanique quantique, ces horloges étaient le cadre idéal pour Pikovski et ses collègues pour explorer comment les effets relativistes et quantiques peuvent se mélanger pour affecter les tiques des horloges. Pikovski dit que les chercheurs ont maintenant identifié plusieurs cas où cela devrait se produire.
Un exemple découle du fait que la physique quantique déteste le néant. Au lieu de pouvoir rester absolument immobile et congelé, même à des températures extrêmement basses, les objets quantiques doivent fluctuer, gagner au hasard ou perdre de l'énergie. Les calculs de l'équipe ont montré que ces fluctuations pouvaient dilater la mesure du temps d'une horloge. L'effet serait très faible, mais très probablement observable avec des expériences d'horloge d'ions existantes.
Les chercheurs ont également modélisé mathématiquement ce qui se passerait si les ions d'une horloge étaient «pressés» pour produire une «superposition» de plusieurs états quantiques. Ils ont constaté que le tic-tac, tel que déterminé par les électrons dans les ions, deviendrait inextricablement connecté au mouvement de l'ion lui-même – les états des ions et des électrons deviendraient quantum enchevêtrés. «Normalement, dans les expériences, vous devez jouer des astuces pour concevoir un enchevêtrement. La chose fascinante ici est que cela vient que vous le vouliez ou non», explique Christian Sanner, membre de l'équipe à la Colorado State University.
Pikovski dit qu'il est intuitif que un objet quantique dans une superposition d'états ne pouvait pas ressentir un seul sens du temps, mais l'effet n'a jamais été observé dans une expérience. Cela devrait être possible dans un avenir proche, dit-il.
Le membre de l'équipe Gabriel Sorci au Stevens Institute of Technology a déclaré que la prochaine étape consiste à ajouter un autre ingrédient de physique moderne crucial – la gravité. Les horloges ultracold peuvent déjà détecter la dilatation du temps en raison de minuscules changements dans la résistance de la traction gravitationnelle de la Terre, par exemple lorsque vous êtes relevé même quelques millimètres, mais exactement comment cet effet se mélangerait avec la quantification inhérente de l'horloge est une question ouverte.
«Je pense que cela est en fait tout à fait raisonnable de faire avec la technologie que nous avons actuellement», explique David Hume au US National Institute of Standards and Technology du Colorado. Il dit que le plus grand défi serait d'empêcher de minuscules perturbations de l'environnement de l'horloge qui maîtrisent les effets que l'équipe de Pikovski. En cas de succès, de telles expériences permettraient aux chercheurs de sonder les phénomènes de physique qu'ils ne pourraient jamais auparavant, même si la théorie quantique et la théorie de la relativité spéciale sont deux piliers qui ont longtemps résisté une grande partie de la physique contemporaine, dit-il.
«Des expériences comme celle-ci sont passionnantes car elles obligent ces théories à se confronter dans un domaine où il y a une chance que nous puissions apprendre quelque chose de nouveau», explique Alexander Smith au Saint Anselm College dans le New Hampshire.
