La physique quantique est étrange. Elle va à l’encontre de notre intuition. C’est précisément là que réside sa difficulté. Cependant, les phénomènes qu’elle contient sont extraordinairement fascinants. Le phénomène quantique que nous connaissons sous le nom de « dualité onde-particule » identifie la nature ondulatoire de la lumière et, en même temps, la double manifestation des photons et d’autres particules subatomiques en tant qu’ondes et particules. Il s’agit certainement de l’un des mécanismes les plus exotiques de la mécanique quantique, mais l’intrication est encore plus étonnante.
Ce phénomène n’a pas d’équivalent en physique classique et consiste en ce que l’état des systèmes quantiques impliqués, qui peuvent être deux ou plus, est le même. Cela signifie que ces objets font en réalité partie du même système, même s’ils sont physiquement séparés. En fait, la distance n’a pas d’importance. Si deux particules, objets ou systèmes sont liés par ce phénomène quantique, lorsque nous mesurons les propriétés physiques de l’un d’entre eux, nous conditionnons instantanément les propriétés physiques de l’autre système avec lequel il est lié. Même s’il se trouve à l’autre bout de l’univers.
Ces deux mécanismes ne sont qu’un avant-goût du phénomène quantique que nous allons étudier. Il est encore plus troublant que la « dualité onde-particule » ou l’intrication quantique. Notre point de départ est une expérience surprenante réalisée par un groupe de chercheurs de l’université de Toronto (Canada) sous la direction de la physicienne Daniela Angulo. Ils ont observé que les photons peuvent passer un temps négatif à travers un nuage d’atomes à très basse température. Cela signifie simplement qu’ils semblent quitter un matériau avant d’y être entrés.
L’idée d’un temps négatif est contre-intuitive
Le germe de cette expérience est apparu en 2017. Deux physiciens expérimentateurs de l’Université de Toronto, Aephraim Steinberg et Josiah Sinclair, souhaitent étudier l’interaction entre la matière et la lumière, et décident d’aborder leur projet en analysant un phénomène connu sous le nom d’excitation atomique. Il s’agit, grosso modo, du fait que lorsque des photons traversent un milieu et sont absorbés, les électrons tourbillonnant autour des atomes de ce milieu sautent à des niveaux d’énergie plus élevés.
Ces physiciens ont entrepris de mesurer ce délai aussi précisément que possible et de déterminer s’il dépendait du sort de chaque photon.
Curieusement, lorsque les électrons précédemment excités reviennent à leur état initial, ils libèrent l’énergie qu’ils ont absorbée sous forme de photons. Et, de manière surprenante, ce mécanisme introduit un retard dans le temps de passage de la lumière à travers le milieu. Ces physiciens ont cherché à mesurer ce délai le plus précisément possible et à savoir s’il dépendait du sort de chaque photon. « À l’époque, nous n’étions pas sûrs de la réponse, mais nous pensions qu’il devrait être facile de répondre à une question aussi fondamentale », explique Josiah Sinclair.
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Après trois ans de planification, l’équipe de chercheurs a conçu un dispositif qui devrait leur permettre d’effectuer les mesures qu’ils avaient en tête avec une grande précision. Leur plan consistait à envoyer des photons à travers un nuage d’atomes de rubidium ultrafroids, puis à mesurer leur excitation atomique. Après avoir réalisé leur expérience, ils ont eu deux surprises. Tout d’abord, les photons traversaient parfois le nuage sans problème, mais les atomes de rubidium étaient excités comme s’ils avaient absorbé ces photons.
Mais le plus étrange, c’est que lorsque les photons étaient absorbés, ils semblaient être réémis instantanément et bien avant que les atomes de rubidium ne retrouvent leur état initial. Il semble que les photons quittent en moyenne les atomes plus rapidement que prévu. Après avoir consulté Howard Wiseman, physicien théorique et quantique à l’université Griffith (Australie), ces chercheurs ont conclu que le temps que les photons transmis passaient dans l’état excité de l’atome coïncidait exactement avec le délai acquis par la lumière. Il est intéressant de noter que cela était vrai même si les photons étaient réémis avant que l’excitation atomique n’ait diminué.
« Un délai négatif peut sembler paradoxal, mais cela signifie que si vous construisez une horloge quantique pour mesurer le temps que les atomes passent dans un état excité, l’aiguille de l’horloge, dans certaines circonstances, reculera au lieu d’avancer », explique Sinclair. Cela signifie simplement que dans ce scénario, le temps pendant lequel les photons ont été absorbés par les atomes est négatif. Ce phénomène n’a a priori aucun impact sur notre perception du temps, mais il nous rappelle à quel point les mécanismes quantiques sont étranges. L’article des physiciens n’a pas encore fait l’objet d’une évaluation par les pairs, mais il est disponible dans le dépôt en libre accès arXiv. Si vous souhaitez approfondir cette expérience, je vous suggère d’y jeter un coup d’œil. Elle en vaut vraiment la peine.
