L’étrange cas du « temps négatif » observé en laboratoire

En physique classique, la notion de temps est associée à une direction connue sous le nom de flèche du temps, qui pointe du passé vers le futur. Ce comportement est lié à l’augmentation de l’entropie et, par conséquent, on s’attend à ce que les intervalles de temps soient toujours positifs. Pourtant, ce n’est pas le cas en mécanique quantique, où le concept de « temps » diffère de celui des systèmes classiques. C’est de là qu’émerge l’idée de « temps négatif », aussi contre-intuitive soit-elle.

En mécanique quantique, le temps est un paramètre qui décrit l’évolution d’un système et il existe des définitions du temps associées à des processus comme le retard, le temps de séjour ou le temps de transit. Dans certains contextes, ces grandeurs peuvent prendre des valeurs négatives, notamment dans des phénomènes d’interférence et de diffusion. L’effet du « temps négatif » en mécanique quantique reste cohérent avec la physique lorsqu’il est correctement interprété.

Une expérience récente, publiée dans Physical Review Letters, a étudié un phénomène connu depuis les années 1990 lié à la propagation des photons. Dans certains systèmes, les mesures indiquent que les photons peuvent présenter des retards temporels négatifs lorsqu’ils traversent une région, ce qui suggère qu’ils en sortent avant d’y « entrer ». L’expérience actuelle a montré une cohérence entre différentes mesures, renforçant ainsi la validité du résultat. Même si cela peut sembler paradoxal, le phénomène correspond bien aux prédictions de la théorie.

Photons voyageant vers le passé

Les expériences menées avec des photons dans certains milieux montrent des comportements temporels qui paraissent contre-intuitifs. Dans un système typique, une impulsion lumineuse traverse un nuage d’atomes de rubidium dont les niveaux d’énergie résonnent avec l’énergie du photon. Lorsque cette résonance se produit, l’énergie du photon peut être temporairement absorbée par les atomes puis réémise. Ce processus suggère que le photon « reste » dans le milieu pendant un certain temps. Pour qu’il y ait résonance, le photon doit posséder une énergie bien définie.

Lorsque ces photons interagissent avec le nuage, la plupart sont diffusés après avoir transféré leur énergie aux atomes puis réémis dans des directions aléatoires. Une petite fraction parvient toutefois à traverser le milieu sans être diffusée. En analysant le temps moyen d’arrivée de ces photons, on observe qu’ils arrivent plus tôt que prévu. En moyenne, cela correspond à un temps de séjour négatif à l’intérieur du nuage. Cette interprétation suggère que le photon serait sorti avant d’être entré. Ce comportement avait déjà été observé dans des expériences depuis les années 1990.

Principe de Heisenberg

Toute cette expérience repose sur le principe d’incertitude de Heisenberg, selon lequel il existe une limite naturelle à la quantité d’informations que l’on peut obtenir sur certaines propriétés d’une particule à un instant donné. Cette limite ne dépend ni des instruments ni des mesures : elle est intrinsèque à la nature elle-même. Dans le monde quantique, les particules ne possèdent pas de valeurs parfaitement définies pour toutes leurs propriétés simultanément. Autrement dit, ces valeurs n’existent pas de manière exactement simultanée mais seulement sous forme de probabilités.

En termes plus simples, cela signifie que plus on tente de « fixer » une propriété, plus l’autre devient indéfinie. Quelle que soit l’avancée de la technologie ou de la méthode utilisée, cette limite restera toujours présente. Cela s’explique par le fait qu’au niveau quantique, l’idée même d’une particule possédant des propriétés parfaitement définies à chaque instant ne s’applique pas. À la place, les particules se comportent de manière probabiliste jusqu’au moment où elles sont mesurées.

Nouvelle étude

Une expérience récente a étudié ce « temps négatif » dans des systèmes quantiques à travers l’interaction de photons avec un nuage d’atomes. Afin d’éviter de perturber le système, les chercheurs ont utilisé une technique de mesure faible, qui permet d’extraire des informations sans faire complètement s’effondrer l’état quantique. Au lieu de mesurer directement le photon, un faible faisceau laser indépendant a servi à sonder l’état des atomes. De petites variations de ce faisceau indiquaient si les atomes avaient été excités par le passage du photon.

Les résultats ont montré que le temps de résidence mesuré par cette technique correspond exactement au « temps négatif » déduit du temps moyen d’arrivée des photons. Cette équivalence entre deux définitions indépendantes du temps était inattendue. Le fait que ces deux approches convergent vers la même valeur négative suggère que cet effet repose sur une base physique solide. Cela n’implique toutefois ni violation de la causalité ni voyage dans le temps.

Pourquoi est-il impossible de le mesurer ?

Un autre problème qui apparaît dans les expériences sur les systèmes quantiques concerne la mesure elle-même. En mécanique quantique, mesurer directement la position des photons durant leur interaction avec les atomes perturbe le système. Cela s’explique par le fait que tout processus de mesure modifie l’état quantique du photon et des atomes. En cherchant à localiser le photon à l’intérieur du milieu, la mesure altère sa dynamique de propagation. Par conséquent, le phénomène cesse d’exister sous sa forme originale.

Pour cette raison, il n’est pas possible de suivre en continu la trajectoire d’un photon sans modifier le résultat de l’expérience. L’équipe s’est donc spécialisée dans une technique utilisant un processus qui perturbe très faiblement le système et ne provoque pas d’effondrement de l’état quantique comme d’autres méthodes. Malgré cela, ces approches ne fournissent que des valeurs moyennes et non des trajectoires parfaitement définies.

Référence de l'article :

Angulo et al. 2026 Experimental Observation of Negative Weak Values for the Time Atoms Spend in the Excited State as a Photon Is Transmitted Physical Review Letters