Pouvons-nous remonter le temps ? Demandez à un physicien averti et la réponse sera « ça dépend ».
Les projets de voyage dans le temps rétrograde abondent mais impliquent généralement des paradoxes irréconciliables et s’appuient sur des constructions théoriques farfelues telles que les trous de ver (qui n’existent peut-être pas réellement). Pourtant, lorsqu’il s’agit simplement de revenir en arrière – un peu comme remuer un œuf cru brouillé et voir le jaune et le blanc se séparer à nouveau – un sous-domaine riche et croissant de la physique des vagues montre qu’un tel « renversement du temps » est possible.
Inverser le temps semble fondamentalement contradictoire avec l’un des principes les plus sacrés de la physique, la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule essentiellement que le désordre – plus précisément « l’entropie » – est en constante augmentation, comme le démontre humblement le travail incessant nécessaire pour garder les choses en ordre. Ce glissement inexorable vers le désordre et la pourriture est ce qui tend à rendre le déchiffrement des œufs incroyablement difficile – et ce qui propulse la flèche du temps dans un aller simple à travers nos expériences quotidiennes. Et même si jusqu’à présent il n’existe aucun moyen de déchiffrer un œuf, dans certains scénarios soigneusement contrôlés au sein de systèmes relativement simples, les chercheurs ont réussi à remonter le temps.
L’astuce consiste à créer un certain type de réflexion. Tout d’abord, imaginez une réflexion spatiale régulière, comme celle que vous voyez dans un miroir en verre argenté. Ici, la réflexion se produit car pour un rayon de lumière, l’argent est un moyen de transmission très différent de l’air ; le changement soudain des propriétés optiques fait rebondir la lumière, comme une balle de ping-pong heurtant un mur. Imaginez maintenant qu’au lieu de changer à des points particuliers de l’espace, les propriétés optiques tout au long du trajet du rayon changent brusquement à un moment précis. Plutôt que de reculer dans l’espace, la lumière reculerait dans le temps, retraçant précisément ses traces, comme la balle de ping-pong revenant au joueur qui l’a frappée en dernier. Il s’agit d’une « réflexion temporelle ».
Les réflexions temporelles ont des théoriciens fascinés depuis des décennies, mais se sont révélés diablement difficiles à mettre en œuvre dans la pratique, car modifier rapidement et suffisamment les propriétés optiques d’un matériau n’est pas une mince affaire. Mais aujourd’hui, des chercheurs de la City University de New York ont démontré une avancée majeure : la création de réflexions temporelles basées sur la lumière.
Pour ce faire, le physicien Andrea Alù et ses collègues ont conçu un « métamatériau » doté de propriétés optiques réglables qu’ils pourraient modifier en quelques fractions de nanoseconde pour réduire de moitié ou doubler la vitesse de passage de la lumière. Les métamatériaux ont des propriétés déterminées par leurs structures ; beaucoup sont composés de réseaux de tiges ou d’anneaux microscopiques qui peuvent être réglés pour interagir avec la lumière et la manipuler d’une manière qu’aucun matériau naturel ne peut faire. Selon Alù, le fait d’exercer leur pouvoir sur les réflexions temporelles a révélé quelques surprises. « Nous réalisons maintenant que (les réflexions temporelles) peuvent être beaucoup plus riches que nous le pensions en raison de la manière dont nous les mettons en œuvre », ajoute-t-il.
De telles propriétés structurelles se retrouvent également dans la nature, par exemple dans l’irisation rayonnante de l’aile d’un papillon. Cependant, reprendre là où la nature s’est arrêtée chercheurs étudiant les métamatériaux avoir des structures techniques qui peuvent rendre les objets invisibleset les applications vont de de meilleures antennes et protection contre les tremblements de terre à la construction ordinateurs basés sur la lumière. Aujourd’hui, les scientifiques échangent les dimensions spatiales de ces caractéristiques structurelles contre des dimensions temporelles. « Nous concevons des métamatériaux pour faire des choses inhabituelles, et celle-ci fait partie de ces choses inhabituelles », explique Nader Engheta, professeur à l’Université de Pennsylvanie et pionnier de la physique des ondes modulées par les métamatériaux.
Les vagues sont devenues bizarres
Le dispositif développé par Alù et ses collaborateurs est essentiellement un guide d’ondes qui canalise la lumière à micro-ondes. Un réseau de commutateurs densément espacés le long du guide d’ondes le connecte à des circuits de condensateurs, qui peuvent ajouter ou supprimer dynamiquement de la matière que la lumière peut rencontrer. Cela peut radicalement modifier les propriétés efficaces du guide d’ondes, telles que la facilité avec laquelle il laisse passer la lumière. « Nous ne sommes pas en changeant le matériel; nous sommes ajouter ou soustraire matériel », dit Alù. « C’est pourquoi le processus peut être si rapide. »
Les réflexions temporelles s’accompagnent d’une série d’effets contre-intuitifs qui ont été théoriquement prédits mais jamais démontrés avec la lumière. Par exemple, ce qui se trouve au début du signal d’origine se trouvera à la fin du signal réfléchi – une situation semblable à celle de se regarder dans un miroir et de voir l’arrière de sa tête. De plus, alors qu’une réflexion standard modifie la façon dont la lumière traverse l’espace, une réflexion temporelle modifie les composantes temporelles de la lumière, c’est-à-dire ses fréquences. En conséquence, dans une vue réfléchie dans le temps, l’arrière de votre tête est également d’une couleur différente. Alù et ses collègues ont observé ces deux effets dans l’appareil de l’équipe. Ensemble, ils sont prometteurs pour alimenter de nouvelles avancées dans le traitement du signal et les communications, deux domaines vitaux pour le fonctionnement, par exemple, de votre smartphone, qui repose sur des effets tels que le changement de fréquence.
Quelques mois seulement après avoir développé le dispositif, Alù et ses collègues ont observé un comportement plus surprenant lorsqu’ils ont essayé de créer une réflexion temporelle dans ce guide d’ondes tout en projetant deux faisceaux de lumière l’un sur l’autre à l’intérieur. Les faisceaux de lumière qui entrent normalement en collision se comportent comme des ondes, produisant des modèles d’interférence où leurs pics et creux qui se chevauchent s’additionnent ou s’annulent comme des ondulations sur l’eau (dans des interférences « constructives » ou « destructives », respectivement). Mais la lumière peut, en fait, agir comme un projectile ponctuel, un photon, ainsi que comme un champ oscillant ondulatoire, c’est-à-dire qu’elle a «dualité onde-particule.» Cependant, en règle générale, un scénario particulier suscitera distinctement un comportement ou un autre. Par exemple, les faisceaux de lumière qui entrent en collision ne rebondissent pas les uns sur les autres comme des boules de billard ! Mais selon les expériences d’Alù et de son équipe, lorsqu’une réflexion temporelle se produit, il semble que ce soit le cas.
Les chercheurs ont obtenu cet effet curieux en contrôlant si les ondes en collision interféraient de manière constructive ou destructrice – si elles s’ajoutaient ou se soustrayaient les unes aux autres – au moment de la réflexion. En contrôlant l’instant précis où la réflexion temporelle a eu lieu, les scientifiques ont démontré que les deux ondes rebondissent l’une sur l’autre avec les mêmes amplitudes d’onde qu’avec lesquelles elles ont commencé, comme des boules de billard entrant en collision. Alternativement, ils pourraient se retrouver avec moins d’énergie, comme des balles spongieuses qui reculent, ou même gagner de l’énergie, comme ce serait le cas pour des balles à chaque extrémité d’un ressort étiré. « Nous pouvons faire en sorte que ces interactions économisent, fournissent ou suppriment l’énergie », explique Alù, soulignant comment les réflexions temporelles pourraient fournir un nouveau bouton de contrôle pour les applications impliquant la conversion d’énergie et la mise en forme des impulsions, dans lesquelles la forme d’une onde est modifiée. modifié pour optimiser le signal d’une impulsion.
Décrypter la physique
Les lecteurs qui connaissent bien les lois de la physique peuvent être rassurés : le dispositif d’Alù ne viole pas les principes de la thermodynamique. Le guide d’ondes, par exemple, ne crée ni ne détruit l’énergie mais la transforme simplement efficacement d’une forme à une autre : l’énergie gagnée ou perdue par les ondes provient de celle qui est ajoutée ou soustraite pour modifier les propriétés du métamatériau. Mais qu’en est-il de l’augmentation inéluctable du désordre – l’entropie – au fil du temps, comme le prescrit la thermodynamique ? Comment la réflexion temporelle d’un faisceau lumineux n’est-elle pas l’équivalent du déchiffrement d’un œuf ?
Comme l’explique John Pendry, physicien spécialisé dans les métamatériaux à l’Imperial College de Londres, aussi étrange que puisse paraître l’inversion d’un faisceau lumineux, elle est tout à fait cohérente avec les principes thermodynamiques à toute épreuve. L’augmentation de l’entropie est en réalité une question de perte d’informations, dit-il. Par exemple, alignez les écoliers par ordre alphabétique et quelqu’un saura exactement où trouver chaque enfant. Mais laissez-les en liberté dans la cour de récréation, et il existe un grand nombre de façons différentes de disposer les enfants, ce qui équivaut à une augmentation de l’entropie, et les informations dont vous disposiez pour localiser chaque enfant sont perdues. « Si (quelque chose est) réversible dans le temps, cela signifie que vous ne générez pas d’entropie », dit Pendry, même s’il semble que vous le soyez. Pour en revenir à l’analogie avec la cour de récréation, même si les enfants courent toujours pour jouer, ils savent quelles lignes former pour retourner en classe au son de la cloche – aucune entropie n’est donc générée. « Vous ne perdez pas d’informations », dit-il.
La réflexion est loin d’être le seul phénomène optique à recevoir un traitement temporel. En avril, Pendry et une équipe de chercheurs, dont Riccardo Sapienza de l’Imperial College de Londres, ont démontré un analogue dans le domaine temporel d’une expérience classique il y a des siècles, qui a finalement joué un rôle clé dans l’établissement de la dualité onde-particule de la lumière. Interprété pour la première fois par le physicien Thomas Young en 1801, le «expérience à double fente » a fourni une preuve si irréfutable de la nature ondulatoire de la lumière que, face aux preuves ultérieures de l’action de la lumière comme particule, les scientifiques n’ont pu que conclure que les deux descriptions s’appliquaient. Envoyez une vague vers une barrière comportant deux fentes, et les vagues sortant d’une fente interféreront avec celles émanant de l’autre. Avec la lumière, cette interférence constructive et destructrice apparaît sur un écran au-delà de la double fente sous la forme de multiples bandes lumineuses, ou « franges ». Sapienza, Pendry et leurs collègues ont utilisé de l’oxyde d’indium et d’étain (ITO), une substance photoréactive qui peut rapidement passer de transparente à opaque, pour produire des « tranches de temps ». Ils ont montré qu’un faisceau de lumière interagissant avec des doubles intervalles de temps produirait un motif d’interférence correspondant en fréquence, qui était utilisé comme analogue temporel, c’est-à-dire qu’il y avait des franges de lumière vive à différentes fréquences.
Selon Engheta, ce qui motive les expériences qui échangent le temps et l’espace dans les effets optiques sont « les caractéristiques passionnantes et nouvelles que nous pouvons trouver dans la physique de l’interaction lumière-matière ». Et il y en a plein. Pendry décrit en riant comment ses explorations temporelles et celles de ses collègues avec les métamatériaux ont révélé « des choses très étranges », notamment ce qu’il appelle un « compresseur photonique ». Le compresseur photonique de Pendry est un métamatériau strié de régions de différentes propriétés optiques qui affectent la vitesse à laquelle la lumière se propage. Les bandes sont réglables, formant une sorte de « métagrille », et lorsque cette métagrille se déplace à travers le métamatériau aux côtés de la lumière, elle peut agir pour piéger et rassembler les photons, les comprimant efficacement. Une enquête plus approfondie a également révélé que ce type de compresseur photonique partage des caractéristiques avec les trous noirs, fournissant potentiellement un analogue à l’échelle du laboratoire plus gérable pour étudier ces objets astronomiques extrêmes. Ayant déployé une toute nouvelle dimension temporelle dans les métamatériaux, les analogues des trous noirs à compression de photons ne sont qu’une avenue de phénomènes curieux à explorer, et les possibilités sont légion.
« Il s’agit en réalité d’assembler une boîte à outils », dit Pendry, « puis de la montrer au monde et de dire : « Que pouvez-vous en faire ? »
