Les photons peuvent passer du « temps négatif » à l’intérieur de la matière [FILE] (Image : Getty)
Dans une découverte surprenante qui remet en question les notions quotidiennes de cause à effet, les physiciens quantiques ont mesuré des photons qui semblent passer un temps négatif à interagir avec les atomes avant d’émerger d’un nuage de matière. Le phénomène, autrefois considéré comme une curiosité mathématique, a maintenant été directement confirmé par des expériences précises sur les atomes de rubidium.
Les résultats, publiés dans Physical Review Letters, démontrent que dans des conditions quantiques spécifiques, les particules lumineuses peuvent sortir d’un matériau avant qu’elles n’y pénètrent, sur la base des temps de trajet moyens. Dirigée par le professeur Aephraim Steinberg de l’Université de Toronto, l’équipe a tiré des impulsions de photons uniques soigneusement préparées dans un nuage dense d’atomes de rubidium. Ces atomes résonnent avec l’énergie des photons, permettant à l’énergie du photon d’être temporairement absorbée sous forme d’excitation atomique – laissant ainsi la lumière « demeurer » dans le nuage avant de réapparaître.
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En raison du principe d’incertitude de Heisenberg, les photons dotés d’une énergie précisément définie existent sous forme d’impulsions longues et étalées. Cela rend leur heure d’entrée exacte incertaine, mais leur comportement moyen mesurable. Les photons qui traversent avec succès le nuage sans se disperser arrivent beaucoup plus tôt que prévu s’ils voyagent à la vitesse de la lumière. Le temps de séjour calculé à l’intérieur du nuage s’avère négatif – comme si le photon sortait avant d’entrer.
Cet effet contre-intuitif a été observé pour la première fois en 1993, mais de nombreux physiciens l’ont attribué au passage du front d’attaque de l’impulsion photonique pendant que la masse se dispersait, rejetant le « temps négatif » comme un artefact plutôt qu’une réalité physique.
Steinberg, co-auteur de l’article original de 1993, n’est pas convaincu. Son équipe a mis au point un moyen d’interroger directement les atomes eux-mêmes à l’aide de mesures faibles. Un faible faisceau laser secondaire a sondé le nuage à la recherche d’excitations atomiques pendant que l’impulsion photonique principale le traversait. En mesurant de minuscules déphasages dans ce faisceau sonde sur des millions d’essais expérimentaux, les chercheurs ont pu déterminer statistiquement combien de temps l’énergie du photon résidait réellement dans les atomes.
Les résultats ont été remarquables : le temps de séjour dans les atomes, faiblement mesuré, correspondait exactement à la valeur négative déduite de l’arrivée précoce des photons. Contrairement à l’explication de l’heure d’arrivée, cette mesure atomique ne peut pas être considérée comme un effet du remodelage des impulsions. C’était moins que rien »
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L’expérience établit un parallèle pertinent avec l’Odyssée d’Homère. Tout comme Ulysse prétendait que ses années avec Calypso étaient soustraites d’une manière ou d’une autre de son voyage de retour – un temps de séjour négatif qui lui a permis de revenir en seulement dix ans – les particules quantiques semblent contourner les règles de la comptabilité temporelle.
Le co-auteur Howard Wiseman, théoricien quantique, a noté que le temps de séjour négatif n’est pas une illusion mais produit un effet physique mesurable sur les atomes. « Les atomes corroborent l’histoire du photon », a-t-il déclaré, soulignant la cohérence entre les deux techniques de mesure indépendantes.
Il est important de noter que les résultats s’alignent pleinement sur la mécanique quantique standard et n’impliquent pas de voyage dans le temps ni de violations de la causalité. Aucune information ne remonte dans le temps et l’effet repose sur la nature probabiliste et ondulatoire des systèmes quantiques. La longue durée de l’impulsion et la post-sélection des seuls photons qui réussissent à traverser créent un paradoxe apparent.
La recherche ouvre de nouvelles voies pour comprendre les interactions quantiques avec la matière et pourrait avoir des implications pour les technologies impliquant des interfaces lumière-matière, telles que les réseaux quantiques ou la détection de précision.
Comme le conclut l’équipe, la recherche quantique continue de révéler d’étranges nouvelles « terres » dans notre compréhension de la réalité. Ce qui semble impossible à l’échelle humaine reste non seulement possible mais démontrable dans le domaine quantique.
