Des physiciens montrent comment inverser la flèche du temps

L'un des défis les plus curieux de la physique est de comprendre la nature du temps. Au niveau microscopique, les lois de la physique sont symétriques par rapport au temps - elles fonctionnent aussi bien que le temps avance ou recule. Mais au niveau macroscopique, les processus ont tous une direction privilégiée. Le grand physicien Arthur Eddington a appelé cela la flèche du temps.

La raison pour laquelle cette flèche pointe dans une direction mais pas dans l'autre est l'une des grandes énigmes scientifiques. La réponse standard est que la flèche du temps découle de la deuxième loi de la thermodynamique - que le désordre, ou l'entropie, augmente toujours dans un système fermé.

C'est pourquoi le lait se mélange facilement au thé mais ne sort jamais d'une infusion, pourquoi les œufs brouillés ne se débrouillent jamais spontanément et pourquoi votre tasse de café du matin vous réchauffe les mains lorsque vous la tenez et non l'inverse.

Mais il y a un autre facteur à l'œuvre : les conditions initiales de l'univers. Pour des raisons inconnues, l'univers primitif était chaud et son énergie distribuée uniformément. Il s'agit d'un état de faible entropie pour un système dominé par la gravité.

Au fil du temps, l'entropie n'a cessé d'augmenter, et c'est ce qui a largement déterminé la flèche du temps.

Mais cela soulève une possibilité intéressante. Si les conditions initiales déterminent la flèche du temps, il est peut-être possible de créer des systèmes sur Terre avec des conditions initiales qui forcent la flèche du temps à tourner dans la direction opposée. Dans ces systèmes, les œufs pouvait se débrouillent et chauffent spontanément pouvait passer des objets froids aux objets chauds.

Aujourd'hui, Kaonan Micadei de l'Université fédérale d'ABC au Brésil et quelques copains ont construit un tel système pour la première fois. Dans leur expérience, la flèche du temps s'inverse, leur permettant d'observer un objet froid en réchauffer un plus chaud. L'œuvre évoque la possibilité d'une nouvelle génération d'appareils dans lesquels la flèche du temps tourne à l'envers.

Le nouveau système exotique est un mélange de chloroforme dissous dans du dissolvant pour vernis à ongles ou de l'acétone. Le chloroforme - CHCl3 - est constitué d'un seul atome de carbone, d'un seul atome d'hydrogène et de trois atomes de chlore.

Cela crée un terrain de jeu parfait pour les physiciens quantiques, qui sont capables de manipuler les spins nucléaires de noyaux de carbone et d'hydrogène à l'aide d'une technique appelée résonance magnétique nucléaire.

L'idée est d'aligner les noyaux à l'aide d'un fort champ magnétique. Les physiciens utilisent ensuite des impulsions radio pour inverser un ou les deux spins, les faisant devenir corrélés ou enchevêtrés. Et en écoutant les signaux radio émis par les noyaux, les physiciens peuvent comprendre comment évoluent les états quantiques des noyaux.

En même temps, les noyaux de carbone et d'hydrogène sont en contact thermique, ce qui signifie que l'énergie thermique peut circuler de l'un à l'autre. L'équipe peut contrôler la température des deux noyaux en les chauffant sélectivement à l'aide de la résonance magnétique nucléaire. Lorsqu'un noyau est plus chaud que l'autre, la chaleur s'écoule naturellement du plus chaud vers le plus froid.

Dans la nouvelle expérience, Micadei et co ont observé le contraire. Et la clé est d'emmêler les noyaux à l'avance. L'intrication est l'étrange processus quantique dans lequel deux particules quantiques partagent la même existence. C'est ce phénomène que Micadei et co ont exploité pour créer l'ensemble unique de conditions initiales qui permettent au temps de courir à l'envers.

Lorsque les noyaux sont intriqués, la corrélation impose des limites supplémentaires au comportement des particules, ce qui donne lieu à une sorte de moteur qui propulse l'énergie thermique dans la direction opposée. On observe un flux de chaleur spontané du système froid vers le système chaud, précise l'équipe.

Cela a des implications importantes pour notre compréhension du temps et de sa relation avec l'intrication et l'entropie. Nos résultats sur la flèche thermodynamique du temps pourraient également avoir des conséquences stimulantes sur la flèche cosmologique du temps, disent Micadei et co, laissant entendre que des corrélations similaires pourraient être responsables des conditions initiales de l'univers.

Un point significatif de ce travail est que le phénomène ne se limite pas aux systèmes microscopiques. En effet, ces expériences RMN fonctionnent à une échelle macro dans laquelle un grand nombre de molécules contribuent au signal observé. Ainsi, le résultat peut également permettre une nouvelle génération d'appareils qui transportent la chaleur des régions froides vers les régions chaudes.

Travail intéressant sur les fondamentaux du temps.

Réf : arxiv.org/abs/1711.03323 : Inverser la flèche thermodynamique du temps à l'aide de corrélations quantiques

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