Les physiciens prédisent l'existence des cristaux temporels

L'une des idées les plus puissantes de la physique moderne est que l'Univers est régi par la symétrie. C'est l'idée que certaines propriétés d'un système ne changent pas lorsqu'il subit une transformation quelconque.

Par exemple, si un système se comporte de la même manière indépendamment de son orientation ou de son mouvement dans l'espace, il doit obéir à la loi de conservation de la quantité de mouvement.

Si un système produit le même résultat quel que soit le moment où il se produit, il doit obéir à la loi de conservation de l'énergie.

Nous devons remercier la mathématicienne allemande Emmy Noether pour cette puissante façon de penser. D'après son célèbre théorème, toute symétrie équivaut à une loi de conservation. Et les lois de la physique sont essentiellement le résultat de la symétrie.

L'idée de bris de symétrie est tout aussi puissante. Lorsque l'univers affiche moins de symétrie que les équations qui le décrivent, les physiciens disent que la symétrie a été brisée.

Un exemple bien connu est la solution à faible énergie associée à la précipitation d'un solide à partir d'une solution - la formation de cristaux, qui ont une périodicité spatiale. Dans ce cas, la symétrie spatiale s'effondre.

Les cristaux spatiaux sont bien étudiés et bien compris. Mais ils soulèvent une question intéressante : l'univers permet-il la formation de périodicités similaires dans le temps ?

Aujourd'hui, Frank Wilczek du Massachussettsi Institute of Technology et Al Shapere de l'Université du Kentucky, discutent de cette question et concluent que la symétrie temporelle semble tout aussi cassable que la symétrie spatiale aux basses énergies.

Ce processus devrait conduire à des périodicités qu'ils appellent des cristaux de temps. De plus, les cristaux de temps devraient exister, probablement sous notre nez.

Explorons cette idée un peu plus en détail. Premièrement, qu'est-ce que cela signifie pour un système de briser la symétrie temporelle ? Wilczek et Shapere pensent ainsi. Ils imaginent un système dans son état d'énergie le plus bas qui est complètement décrit, indépendamment du temps.

Parce qu'il est dans son état énergétique le plus bas, ce système devrait être figé dans l'espace. Par conséquent, si le système bouge, il doit rompre la symétrie temporelle. Cela équivaut à l'idée que l'état d'énergie le plus bas a une valeur minimale sur une courbe de l'espace plutôt qu'en un seul point isolé

Ce n'est en fait pas si extraordinaire. Wilczek souligne qu'un supraconducteur peut transporter un courant - le mouvement de masse des électrons - même dans son état d'énergie le plus bas.

Le reste est essentiellement mathématique. De la même manière que les équations de la physique permettent la formation spontanée de cristaux spatiaux, de périodicités dans l'espace, elles doivent donc aussi permettre la formation de périodicités dans le temps ou de cristaux temporels.

En particulier, Wilczrek considère la brisure spontanée de la symétrie dans un système de mécanique quantique fermé. C'est là que les mathématiques deviennent un peu étranges. La mécanique quantique oblige les physiciens à réfléchir aux valeurs imaginaires du temps ou iTime, comme l'appelle Wilczek.

Il montre que les mêmes périodicités devraient apparaître dans iTime et que cela devrait se manifester sous la forme d'un comportement périodique de divers types de propriétés thermodynamiques.

Cela a un certain nombre de conséquences importantes. Tout d'abord, il est possible que ce processus fournisse un mécanisme de mesure du temps, puisque le comportement périodique est comme un pendule. La formation spontanée d'un cristal temporel représente l'émergence spontanée d'une horloge, explique Wilczek.

Un autre est la possibilité qu'il soit possible d'exploiter des cristaux de temps pour effectuer des calculs en utilisant une énergie nulle. Comme le dit Wilczek, il est intéressant de spéculer qu'un… système de mécanique quantique dont les états pourraient être interprétés comme une collection de qubits, pourrait être conçu pour traverser un paysage programmé d'états structurés dans l'espace de Hilbert au fil du temps.

Dans l'ensemble, c'est un argument simple. Mais la simplicité est souvent trompeusement puissante. Bien sûr, il y aura des différends sur certaines des questions que cela soulève. L'un d'eux est que le mouvement qui brise la symétrie temporelle semble un peu déroutant. Wilczek et Shapere le reconnaissent : en termes généraux, ce que nous recherchons semble dangereusement proche du mouvement perpétuel.

Cela nécessitera une certaine défense. Mais si quelqu'un a le pedigree pour faire avancer ces idées, c'est Wilczek, qui est un physicien lauréat du prix Nobel.

Nous attendons avec impatience le débat qui s'ensuit.

Réfs :

arxiv.org/abs/1202.2539 : Cristaux temporels quantiques

arxiv.org/abs/1202.2537 Cristaux de temps classiques

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