Physicists have measured 'negative time' in the lab
Des physiciens ont mesuré le « temps négatif » en laboratoire
Par Howard Wiseman, The Conversation
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
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Crédit : Pixabay/CC0 Domaine public
Comme le raconte Homère, Ulysse entreprit un voyage épique, contre toute attente, de Troie à son île natale d'Ithaque. Il visita de nombreuses contrées, mais passa la majeure partie de son temps avec la nymphe Calypso sur son île. On peut imaginer que sa femme, Pénélope, l'interrogea sur cette période. Ulysse aurait pu répondre : « Ce n'était rien. En fait, c'était même moins que rien. J'ai passé cinq ans de moins avec Calypso. Comment aurais-je pu rentrer chez moi en seulement dix ans ? Si vous ne me croyez pas, demandez-lui.»
Il s'avère que les particules quantiques sont tout aussi rusées qu'Ulysse, comme nous l'avons démontré dans une expérience publiée dans Physical Review Letters. Non seulement leur temps d'arrivée peut suggérer qu'ils ont séjourné avec d'autres particules pendant une durée négative, mais si l'on interroge ces autres particules, elles confirmeront cette hypothèse.
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Photons et atomes
Notre expérience a utilisé des photons — des particules quantiques de lumière — et le parcours improbable qu'ils doivent entreprendre pour traverser un nuage d'atomes de rubidium.
Ces atomes sont en résonance avec les photons, ce qui signifie que l'énergie du photon peut être temporairement transférée aux atomes sous forme d'excitation atomique. Cela permet au photon de « séjourner » dans le nuage atomique pendant un certain temps avant d'être libéré.
Pour que cette résonance soit efficace, le photon doit posséder une énergie bien définie, correspondant à l'énergie nécessaire pour exciter un atome de rubidium.
Or, selon une forme du célèbre principe d'incertitude d'Heisenberg, si l'énergie du photon est bien définie, son temps d'arrivée est nécessairement incertain : l'impulsion lumineuse qu'il occupe a une longue durée. Cela signifie que nous ne pouvons pas savoir exactement quand le photon pénètre dans le nuage, mais nous pouvons en connaître le temps d'arrivée moyen.
Si un tel photon est projeté dans le nuage, le scénario le plus probable est que son énergie soit transférée aux atomes, puis réémise sous forme de photon se propageant dans une direction aléatoire. Dans ce cas, le photon est diffusé et n'atteint pas Ithaque.
Temps d'arrivée des photons
Mais si le photon parvient à traverser le nuage sans s'arrêter, un phénomène étrange se produit. À partir du temps moyen d'entrée du photon dans le nuage, on peut calculer le temps moyen attendu pour qu'il atteigne l'autre extrémité du nuage, en supposant qu'il se déplace à la vitesse de la lumière (comme c'est généralement le cas pour les photons).
On constate alors que le photon arrive en réalité bien plus tôt. En réalité, le photon arrive si tôt qu'il semble avoir passé un temps négatif à l'intérieur du nuage – pour en sortir, en moyenne, avant d'y entrer.
Cet effet est connu depuis des décennies et a été observé lors d'une expérience en 1993. Mais les physiciens avaient majoritairement choisi de ne pas prendre ce temps négatif au sérieux.
En effet, on peut l'expliquer en disant que seule la toute première partie de l'impulsion de longue durée traverse le nuage atomique sans être diffusée, le reste étant dispersé. Cela explique qu'un photon non diffusé arrive plus tôt que prévu.
Interroger les atomes
Cependant, Aephraim Steinberg, l'un des auteurs de l'article de 1993, n'a pas accepté aussi facilement cette explication du temps négatif comme un artefact. Dans son laboratoire de l'Université de Toronto, il a voulu savoir ce qui se passerait si l'on interrogeait les atomes de rubidium du nuage pour déterminer combien de temps le photon avait passé parmi eux sous forme d'excitation.
Après une première expérience aux résultats non concluants, il m'a demandé, en tant que théoricien quantique, de l'aider à déterminer les résultats attendus.
Quand on parle d'interroger les atomes, cela signifie concrètement effectuer une mesure continue sur ces atomes pendant le passage du photon à travers le nuage, afin de vérifier si l'énergie du photon y est actuellement présente. Mais il y a une subtilité : les mesures en physique quantique perturbent inévitablement le système étudié.
Si nous devions mesurer précisément la présence du photon dans les atomes à chaque instant, nous empêcherions les atomes d'interagir avec lui. C'est comme si, en observant attentivement Calypso, nous l'empêchions de mettre la main sur Ulysse (ou inversement). C'est le fameux effet Zénon quantique, qui détruirait précisément le phénomène que nous cherchons à étudier.
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Notre expérience
La solution consiste à effectuer une mesure très imprécise (mais néanmoins très précisément calibrée). C'est le prix à payer pour que la perturbation soit négligeable. Concrètement, nous avons émis un faisceau laser de faible intensité – sans lien avec l'impulsion de photon unique –
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RESUME
Des physiciens ont mesuré un « temps négatif » en laboratoire.
Des expériences avec des photons traversant un nuage d'atomes de rubidium ont démontré que les photons peuvent présenter un temps de séjour négatif, semblant sortir du nuage avant d'y entrer. De faibles mesures d'excitation atomique ont confirmé ce temps de séjour négatif, correspondant à la valeur déduite des temps d'arrivée des photons. Cet effet n'est pas un artefact et a un impact mesurable sur le système atomique, conformément à la théorie quantique.
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COMMENTAIRES
Beavo pour les
résults ewperimentaux deDaniela Angulo et al, University of Toronto ...
Cependant mes él-ves m ont immédiatement demandé si ces traces de temps négatif étaient ''assimilables'' a la disparition dans note echelle humaine
de la ''flèche'' dutemps , à un retour possible au passé ,à la disparition du principe causalité ETC ...ETC !! Et comme il n' est pas bon d 'empecher les élèves de se poser des questions meme plus philosophiques que physiques je les ai rassuré immédiatement : le temps '' vulgaire''
continue dans le meme sen!!!
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Mais l 'un d'eux a remis ça::
Les scientifiques ont-ils vraiment
trouvé des preuves de l'existence du temps négatif ?
Voici ma réponsz :
L'idée du temps négatif peut sembler tout droit sortie d'un film de science-fiction, mais les résultats surprenants de cette expérience montrent qu'il existe bel et bien. Prennez alors cela comme un trait jusq'alord inconnu d' un ''certain type brumeux de paysage quantique'' !!! ( tout coomme le principe d ' Eisenberg !)
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Publication details
Experimental Observation of Negative Weak Values for the Time Atoms Spend in the Excited State as a Photon Is Transmitted, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/gjfq-k9dv
Journal information: Physical Review Letters
Key concepts
Optics & lasersQuantum correlations, foundations & formalismAtomic techniques
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